Сравнение статического и динамического гибкого дизайна: радиус изгиба жестко-гибких печатных плат и другие механические аспекты

Нравится вам это или нет, но гибкие и жестко-гибкие печатные платы здесь, чтобы остаться, и всё больше гибкой электроники выходит из стадии исследований в промышленность. Гибкие печатные платы теперь используются не только для питания мотора в вашем магнитном жестком диске. Любое устройство, содержащее складывающийся или перемещающийся элемент, вероятно, включает в себя динамическую гибкую печатную плату.

С ростом рынка гибких печатных плат, достигающим десятков миллиардов, у дизайнеров печатных плат есть все стимулы изучить как можно больше о дизайне как статических, так и динамических гибких печатных плат. Следующий продукт вашей компании или переработка существующего продукта может зависеть от этого.

Статические против Динамических Гибких Печатных Плат

Любая гибкая печатная плата связана с жестко-гибкой печатной платой тем, что они используют одни и те же материалы для гибкого слоя. В отличие от жестких секций с полиимидным ядром, окруженным медью и препрегом, гибкая печатная плата полностью состоит из гибкого материала. Обычно используется полиимид, поскольку он легко адаптируется к процессам производства жестко-гибких плат и относительно недорог, хотя для гибких лент также могут использоваться полимерные материалы, такие как полиэтиленнафталат (PEN), политетрафторэтилен (PTFE) и арамид.

Гибкие печатные платы могут быть спроектированы как динамические, так и статические. Проектирование любого типа гибкой печатной платы является столь же механическим упражнением, сколь и электрическим. Программное обеспечение для проектирования печатных плат с функциями совместной работы ECAD/MCAD отлично подходит для проектирования любого типа гибкой печатной платы. При планировании стека и размещении дорожек на гибких печатных платах, согнутая часть платы должна рассматриваться как согнутая прямоугольная пластина во время механического анализа. Это жизненно важно для определения правильной толщины дорожек, чтобы предотвратить их трещины и выход из строя.

Независимо от того, проектируете ли вы статическую или динамическую гибкую печатную плату, более толстый гибкий стек требует большего радиуса изгиба. Это снижает количество напряжений растяжения и сжатия, сосредотачивающихся вдоль изгиба при формировании печатной платы до желаемого угла. Размещение меньшего радиуса изгиба в более толстой печатной плате может привести к тому, что защитное покрытие будет скапливаться на поверхностном слое внутри изгиба. Это, в свою очередь, создает большее сдвиговое напряжение на дорожках, которые лежат внутри нейтральной оси изгиба. Если вы хотите уменьшить общую толщину, доступны гибкие защитные покрытия, которые не требуют использования клея.

Статические гибкие печатные платы: Рассмотрение производственных аспектов

После изготовления статической гибкой печатной платы её обычно сгибают во время сборки до желаемого радиуса изгиба и угла сгиба с помощью инструмента для компрессионного формования. Этот инструмент действует как тиски, и для одновременного сгибания нескольких изгибов в одной гибкой ленте можно использовать специализированные формовочные инструменты.

Статические гибкие печатные платы обычно формируются с избыточным изгибом за пределы точки текучести, что означает, что их сгибают за пределы предполагаемого радиуса изгиба, чтобы обеспечить некоторую пластическую деформацию во время формования. Это предотвращает возвращение гибкой печатной платы к её исходной форме после извлечения из формовочного инструмента. Когда статический радиус и угол изгиба указаны для статической печатной платы, на самом деле вы должны планировать запас прочности в толщине ваших дорожек, чтобы предотвратить появление микротрещин и отказ во время избыточного формования.

Статическая гибкая лента для медицинского устройства, как показано в Electronics Weekly.

Интуиция может подсказывать, что дорожки должны быть толще, чтобы выдержать напряжение, необходимое во время избыточного формования, но интуиция не всегда верна. Проще говоря, чем толще схема, тем меньше она может гнуться без повреждений. Более толстые гибкие печатные платы потребуют большего избыточного формования для соответствия желаемому радиусу изгиба и углу. Это создаёт ещё большее напряжение на дорожках во время формования.

Так же, как и изогнутая прямоугольная пластина, на гибкой плате будет нейтральная ось изгиба, которая определяет кривую, вдоль которой нет продольного растягивающего или сжимающего напряжения. Более тонкие дорожки могут выдерживать большее сжимающее напряжение, чем растягивающее, поэтому более тонкие дорожки могут быть размещены внутри нейтральной оси изгиба. Смещение нейтральной оси будет зависеть от радиуса изгиба. Хорошим правилом для минимального радиуса изгиба является использование следующего уравнения:

Если толщина стека и дорожек выбраны правильно, следование этому правилу обеспечит, что нейтральная ось изгиба не будет значительно смещаться от центральной линии печатной платы. По мере увеличения количества слоев это обеспечит соблюдение стандартов IPC 2223C по соотношению изгиба (радиус изгиба, деленный на толщину) в гибких печатных платах.

Гибкие печатные платы для динамического использования: Долговечность

Многие из тех же соображений по проектированию для статических гибких печатных плат также применимы к гибким печатным платам для динамического использования. Критической проблемой в гибких печатных платах для динамического использования является упрочнение при повторяющемся изгибе. Медь будет упрочняться при повторяющихся циклах, в конечном итоге становясь хрупкой и склонной к разрыву. Долговечность можно увеличить, просто предусмотрев больший радиус изгиба. В целом рекомендуется, чтобы гибкие печатные платы для динамического использования не превышали угол изгиба в 90°.

При изгибе печатной платы нейтральная ось изгиба смещается в сторону внутренней части изгиба. Это очень важно для динамически гибких печатных плат, поскольку это ограничивает количество допустимых слоев меди до небольшого числа, обычно только одного слоя, который совпадает с нейтральной осью изгиба. Хотя медь и пластична, она будет упрочняться при повторяющемся воздействии напряжения. Если вы все же решите использовать более одного слоя в гибкой печатной плате, дорожки должны быть смещены, то есть они не должны перекрываться в соседних слоях, чтобы избежать чрезмерного напряжения на дорожках, находящихся дальше от нейтральной оси изгиба.

Чтобы предотвратить чрезмерное напряжение на дорожках, обязательно оставьте достаточный запас прочности и обратите внимание на минимальный радиус изгиба. Убедитесь, что минимальный радиус изгиба меньше предполагаемого радиуса изгиба, чтобы предотвратить напряжение на краях платы. Это замедлит процесс упрочнения и поможет продлить срок службы печатной платы.

Статическая гибкая лента для жесткого диска

По мере того как дизайн гибких печатных плат продолжает находить применение во все большем количестве устройств, дизайнерам требуется программное обеспечение для гибких печатных плат, которое облегчает проектирование стека слоев, планирование производства и многое другое. Altium Designer предоставляет эти важные инструменты проектирования, инструменты MCAD и многое другое в едином унифицированном интерфейсе проектирования. Интуитивно понятный интерфейс и движок проектирования, управляемый правилами, легко адаптируются к жестким, жестко-гибким и полностью гибким конструкциям печатных плат.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer, чтобы узнать больше о компоновке, управлении стеком слоев и инструментах планирования производства. Вы также получите доступ к лучшим в отрасли функциям целостности сигнала и документации в одной программе. Поговорите с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше.