Изгибая правила: Проектирование гибких схем для динамичных приложений

Гибкие схемы позволяют создавать компактные, легкие и адаптируемые конструкции, которые жесткие печатные платы не могут обеспечить. От носимых устройств до робототехнических систем, гибкие печатные платы превосходят в приложениях, требующих постоянного движения. Однако эти динамичные среды предъявляют уникальные вызовы для проектирования схем, требуя сочетания технической экспертизы и стратегического планирования.

В этом блоге мы рассмотрим проектирование гибких схем для динамичных приложений. От понимания науки о материалах до преодоления общих проблем, этот блог подготовит дизайнеров печатных плат к созданию долговечных и надежных гибких печатных плат.

Что делает гибкие схемы необходимыми для динамичных приложений?

Гибкие печатные платы выделяются своей способностью принимать форму узких пространств и выдерживать повторяющиеся изгибы и скручивания. Это делает их полезными в приложениях, где жесткие печатные платы бы не справились, таких как:

• Носимая электроника, такая как фитнес-трекеры и умные часы.
• Робототехника, где схемы должны обрабатывать непрерывное движение в роботизированных руках и суставах.
• Автомобильные системы, включая подушки безопасности, датчики и внутреннее освещение.
• Складные и сворачиваемые дисплеи в передовых смартфонах и портативных устройствах.

Эти динамичные приложения требуют дизайнов, способных выдерживать механическое напряжение и повторяющееся движение без ущерба для производительности. 

Наука о материалах

Материалы, которые вы выбираете для гибкой печатной платы, значительно влияют на ее производительность в динамических приложениях. Давайте рассмотрим основные материалы и их роли:

Базовые материалы

• Полиимид (PI): Наиболее часто используемый материал для гибких плат благодаря его отличной механической прочности, гибкости и термостойкости.
• Жидкокристаллический полимер (LCP): Идеален для приложений, требующих низкого поглощения влаги и выдающейся высокочастотной производительности.

Типы меди

• Прокатанная отожженная (RA) медь: Предпочтительна для динамических приложений из-за ее гладкой поверхности и высокой пластичности. RA медь менее склонна к трещинам при повторяющихся нагрузках по сравнению с электролитически осажденной (ED) медью.
• Ламинаты без использования клея:  Конструкции без использования клея исключают потенциальные слабые места, такие как разделение слоев, и предлагают уменьшенную толщину материалов, улучшая способность платы выдерживать повторяющиеся изгибы.

Ниже показан пример жестко-гибкой конструкции с книжной склейкой. Читайте больше о подходе к проектированию этих конструкций в этой статье.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Тестирование на успех: Динамическое изгибание и тестирование на циклы гибкости

Проектирование для динамических сред требует тщательного тестирования для подтверждения долговечности схемы. Тестирование имитирует условия реального мира для прогнозирования срока службы и надежности гибкой печатной платы.

Основные методы тестирования

• Тестирование на гибкость: Определяет, сколько изгибов может выдержать цепь до наступления усталости проводников.
• Тестирование на скручивание: Оценивает способность цепи выдерживать крутильные напряжения, критически важные в робототехнике и автомобилестроении.
• Тестирование на устойчивость к воздействию окружающей среды: Включает тесты на термоциклирование и устойчивость к влажности для имитации жестких условий эксплуатации.

Советы по проектированию гибких печатных плат в динамичных приложениях

При проектировании гибких печатных плат для динамического использования каждая деталь имеет значение. Малейшее упущение может привести к трещинам проводников, отслоению или преждевременному выходу из строя. Вот несколько важных советов:

Оптимизация трассировки

• Плавные изгибы вместо острых углов: Острые углы концентрируют напряжение и могут привести к трещинам. Если трассы должны быть проложены через область изгиба, используйте изогнутые трассы для более равномерного распределения напряжения, вместо размещения угла в 45° в области изгиба.
• Параллельная ориентация трасс: При трассировке вблизи области изгиба рассмотрите возможность параллельного расположения трасс к оси изгиба для снижения механического напряжения при гибке. Оставьте достаточно места между трассами, чтобы они не оказались слишком близко к зоне изгиба.

Разнесение переходных отверстий для снижения концентрации напряжения

• Избегайте выравнивания переходных отверстий в прямую линию, так как это создает концентрацию напряжения вдоль ряда переходных отверстий. Вместо этого располагайте переходные отверстия с чередованием, чтобы равномерно распределить напряжение по всей схеме.

Используйте форму капли на площадках и переходных отверстиях

• Площадки в форме капли уменьшают концентрацию напряжения в местах соединения дорожки и площадки, предотвращая механические повреждения при изгибе. Узнайте больше о применении формы капли на площадках и переходных отверстиях.

Укрепление зон высокого напряжения

Области соединителей и паяных соединений особенно подвержены напряжению. Если в этих областях происходит чрезмерный изгиб или повторяющийся изгиб, медные площадки могут отслоиться, или паяные соединения могут треснуть. Рассмотрите возможность укрепления этих областей с помощью полиимидных уплотнителей, более толстых слоев меди или добавления монтажных отверстий для фиксации гибкой платы в корпусе.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Выберите гибкую паяльную маску

Стандартная паяльная маска может треснуть при повторяющемся изгибе. Однако существуют гибкие варианты паяльной маски (известные как полиимидные покрытия), защищающие медные дорожки, при этом позволяя динамическое движение.

Решение распространенных проблем в динамически гибких схемах

Динамические приложения представляют уникальные вызовы, но проактивные стратегии проектирования могут снизить эти риски.

Усталость проводников

Повторяющийся изгиб может привести к микротрещинам в медных проводниках.
Решение: Используйте мягкую отожженную медь и проектируйте с адекватным радиусом изгиба, чтобы снизить напряжение.

Разделение слоев

Гибкие схемы с клеевыми слоями могут разделяться под воздействием напряжения или высокой влажности.
Решение: Выбирайте ламинаты без клея или клеи с высокой адгезией.

Проблемы термического расширения

Различные коэффициенты термического расширения материалов могут вызывать механическое напряжение в условиях колебаний температуры.
Решение: Выбирайте материалы с совместимыми коэффициентами термического расширения (CTE), чтобы минимизировать этот риск.

Отказы, вызванные вибрацией

В автомобильной и аэрокосмической промышленности постоянная вибрация может ухудшать целостность схемы.
Решение: Используйте усиленные жесткости и материалы, поглощающие вибрацию.

Захватывающие применения динамичных гибких схем

Гибкие схемы стоят за некоторыми из самых инновационных технологий нашего времени. Вот несколько примеров:

Носимая электроника

Умные часы и фитнес-трекеры полагаются на гибкие схемы, чтобы сохранять функциональность несмотря на постоянное движение и тесный контакт с телом.

Складные устройства

Последние смартфоны и планшеты имеют складные конструкции, ставшие возможными благодаря ультратонким гибким схемам, которые могут сгибаться многократно без поломки.

Робототехнические системы

Гибкие платы используются в некоторых роботизированных руках, где они могут выдерживать скручивание и изгибание для передачи энергии и данных движущимся частям.

Автомобильная промышленность

Некоторые системы освещения в автомобилях требуют гибких печатных плат, которые могут выдерживать вибрацию и экстремальные температуры.

Новые тенденции в дизайне гибких печатных плат

Будущее гибких схем выглядит захватывающим, с новыми материалами и технологиями, расширяющими границы возможного. Новые материалы и более совершенные коммерческие материалы, которые доступны в настоящее время, предлагают новый класс электронных устройств на гибких платформах.

Растяжимые схемы

Растяжимая электроника может изгибаться и растягиваться как резина, открывая новые возможности в медицинских устройствах, электронных тканях и носимой технологии.

Применения для высоких частот

Определенные дизайны, использующие компоненты или схемы высокой частоты/РЧ на гибких платах, могут использовать материалы, такие как LCP, которые предлагают более низкий тангенс угла потерь по сравнению с смесями полиимида.

Некоторые материалы гибких печатных плат, в частности полиэтилен (PET), прозрачны для всех цветов видимого света. В отличие от традиционного полиимида, который прозрачен только для оранжевого света.

Электронные ткани

Умные ткани интегрируют гибкие схемы непосредственно в текстиль, позволяя применения, такие как мониторинг здоровья, одежда с дополненной реальностью и многое другое.

Заключение: Освоение искусства дизайна динамичных гибких схем

Проектирование гибких схем для динамичных приложений является как искусством, так и наукой. Успех зависит от выбора подходящих материалов, тщательного тестирования на прочность и применения лучших практик для снижения механического напряжения.

От носимых устройств и робототехники до автомобильной промышленности и складных устройств, гибкие печатные платы находятся на переднем крае современных инноваций. Проактивно решая проблемы и используя возникающие тенденции, разработчики ПП могут создавать надежные схемы, которые соответствуют требованиям даже самых динамичных сред.