Масса меди в жёстко-гибких платах: почему одна спецификация не подходит для всех случаев

Несколько лет назад у нас был rigid-flex, который прошёл через несколько проектных ревью ещё до выхода в производство. Хорошая команда, тщательный процесс, ничего явно неправильного. Но когда платы вернулись, гибкая область не сгибалась. Совсем. Она была жёсткой по всей зоне, которая должна была быть гибкой. Слишком много слоёв было ламинировано вместе на слишком коротком участке.

В переработанной версии эти слои в гибкой зоне разъединили, чтобы они могли двигаться независимо. Это одно изменение и стало разницей между платой, которая работала, и платой, которая не работала.

Я вспоминаю тот проект всякий раз, когда приходит rigid-flex design с указанием единого веса меди для всей платы. Не всегда это ошибка, разумеется. Но это повод присмотреться внимательнее, потому что вес меди в rigid-flex — это на самом деле не одно решение, а несколько, и они взаимодействуют со стеком слоёв так, что это становится заметно только тогда, когда что-то не движется так, как должно.

Ключевые выводы

• Вес меди в rigid-flex определяется по зонам. То, что работает в жёсткой секции, может создать реальные проблемы в гибкой зоне.
• Переходная область между жёсткой и гибкой частями имеет собственный набор особенностей.
• Катанная отожжённая медь ведёт себя в гибких применениях иначе, чем электроосаждённая медь, и эта разница важна, если требуется долговечность при изгибе.
• Стек слоёв и спецификацию меди нужно разрабатывать совместно, а не последовательно.

Жёсткая зона

В жёстких секциях rigid-flex решения по весу меди во многом похожи на стандартную практику проектирования PCB. Одна унция — типичная отправная точка. Две унции используются, когда это требуется из-за токовой нагрузки или требований по импедансу. Правила проектирования, структура переходных отверстий и особенности металлизации здесь схожи. Всё это хорошо знакомо любому, кто раньше проектировал жёсткие платы.

Но есть нюанс. Выбранный вами вес меди в жёсткой зоне влияет на то, что вообще достижимо в гибкой зоне, потому что они являются частью одной и той же ламинированной системы. Если на внешнем слое в жёсткой секции используется тяжёлая медь, то эта же медь переходит и в гибкую зону, независимо от того, планировал это кто-то или нет. Это не обязательно проблема, но это нужно продумать.

Гибкая зона

Именно в этой зоне решения по весу меди наиболее напрямую влияют на то, будет ли плата работать так, как должна.

Более тяжёлая медь означает более жёсткую схему. Звучит очевидно, но практические последствия этого не всегда учитываются на этапе трассировки. Именно поэтому медь в пол-унции часто используется в гибких зонах. Она легче гнётся, равномернее распределяет напряжение по поперечному сечению и лучше выдерживает многократные циклы изгиба, чем более тяжёлая медь. Одна унция в динамическом гибком применении — это уже повод обсудить решение с производителем до передачи проекта. Две унции редко бывают правильным выбором для гибкой зоны, если только требования к изгибу не являются практически статическими, а токовая нагрузка не оставляет другого варианта.

Тип медной фольги тоже имеет значение, и это один из самых недоопределённых параметров, которые я вижу в производственных чертежах. Электроосаждённая медь — стандарт по умолчанию в большинстве жёстких плат, и в жёстких зонах она вполне подходит. Но в гибких зонах, где предполагаются многократные изгибы, rolled annealed copper — лучший выбор. Её зернистая структура ориентирована так, что заметно лучше выдерживает напряжения изгиба, чем ED-медь. Если срок службы при изгибе важен для вашего применения, а RA copper не указана для гибкой зоны, об этом стоит задуматься.

Геометрия проводников тоже взаимодействует с весом меди таким образом, который легко упустить. Более тонкая медь позволяет делать более узкие проводники при заданной целевой величине импеданса, а значит, с платой перемещается меньшая масса меди. Проводники, идущие перпендикулярно оси изгиба, криволинейная трассировка вместо прямых углов, сбалансированное распределение меди по поперечному сечению — всё это стандартная практика для гибких плат, и всё это работает лучше при правильно выбранном весе меди.

Переходная зона

Область, где жёсткая часть переходит в гибкую, — это место, где на самом деле начинается множество проблем rigid-flex, и вес меди играет в этом свою роль. По определению, в переходной зоне возникает концентрация напряжений. Схема переходит от ограниченной и поддерживаемой структуры к гибкой, и механическое поведение резко меняется прямо на этой границе. Тяжёлая медь в переходной области усугубляет этот резкий переход. Она создаёт более жёсткую точку, которая мешает гибкой зоне делать то, что от неё требуется, и именно это произошло с платой, о которой я говорил ранее. Слои были склеены друг с другом через переходную область и дальше в гибкую зону. Вес меди добавил жёсткости. В результате получилась схема, которая физически не могла сгибаться.

Здесь помогают несколько вещей. Старайтесь сохранять вес меди как можно более постоянным между жёсткой и гибкой зонами, вместо того чтобы увеличивать его прямо у края жёсткой секции. Избегайте доводить плоскости с большим весом меди до самого края жёсткой области. И если конструкция это позволяет, дайте переходной зоне немного больше физической длины, чем кажется необходимым. Распределение напряжений улучшается с увеличением расстояния сильнее, чем многие ожидают.

Поговорите с производителем до окончательного утверждения стека слоёв

Это одно из тех решений, которые гораздо легче принять правильно до того, как stack-up is locked, чем после. Как только количество слоёв, материалы ламината и вес меди зафиксированы, изменение любого из этих параметров влияет на толщину, импеданс, а иногда и на то, какие производители вообще смогут изготовить эту плату.

Что стоит спросить заранее: какой тип медной фольги является стандартным в их гибких конструкциях, и как указание RA copper повлияет на сроки или стоимость? Какой вес меди они чаще всего видят для ваших требований по изгибу, и где у них возникали проблемы? Если есть опасения по поводу переходной зоны, как они решали это в похожих конструкциях?

Производители, которые регулярно изготавливают rigid-flex, видели, к чему приводят такие решения на более поздних этапах, и этот опыт трудно воспроизвести в рамках проектного ревью. Задавайте вопросы.

Перед выпуском проекта

Несколько вещей, которые стоит проверить перед отправкой проекта в производство. 

• Указан ли единый вес меди для всей платы, или жёсткая зона, гибкая зона и переходная область действительно были рассмотрены по отдельности? 
• Указан ли тип медной фольги в гибкой зоне, или это оставлено на усмотрение производителя по умолчанию? 
• Для dynamic flex application указана ли медь RA в пол-унции либо её использование явно исключено? 
• Был ли стек слоёв согласован с производителем до выпуска проекта, а не после получения первых образцов?

Плата, которая не могла согнуться, научила меня тому, что проект может пройти все ревью и всё равно не работать, если стек слоёв и спецификация меди не разрабатывались как единая система. Гибкая зона должна действительно быть способна изгибаться.

Готовы перевести свой rigid-flex design от трассировки к выпуску с меньшими трудностями? Altium Develop даёт отдельным инженерам и небольшим командам возможности проектирования уровня Altium простыми способами делиться работой, собирать обратную связь и оставаться синхронизированными без лишних накладных расходов. 

Начните работу с Altium Develop →

Часто задаваемые вопросы

Какой вес меди следует использовать в гибкой зоне rigid-flex?

Наиболее распространённая отправная точка для гибких зон — пол-унции (0,5 oz). Такая медь легче гнётся, равномернее распределяет напряжение и лучше выдерживает многократные циклы изгиба, чем более тяжёлая медь. Одна унция допустима в статических применениях, но перед окончательным выбором её стоит обсудить с производителем. Две унции редко подходят для гибкой зоны, если только требования к изгибу не являются практически статическими, а токовая нагрузка не оставляет другого варианта.

В чём разница между rolled annealed (RA) и electrodeposited (ED) copper в гибких применениях?

Electrodeposited copper является стандартом при изготовлении жёстких PCB и хорошо работает в жёстких зонах. Rolled annealed copper имеет зернистую структуру, ориентированную в направлении, лучше подходящем для восприятия напряжений при многократном изгибе, поэтому она предпочтительна в гибких зонах, где важен ресурс по изгибу. Если RA copper явно не указана на производственном чертеже, большинство производителей по умолчанию выберут ED, поэтому это стоит специфицировать.

Влияет ли вес меди в жёсткой зоне на гибкую зону?

Да. Поскольку жёсткая и гибкая зоны являются частью одной и той же ламинированной системы, тяжёлая медь внешнего слоя в жёсткой секции переходит в гибкую зону независимо от того, планировалось это или нет. Это не обязательно сразу вызывает проблемы, но этот фактор нужно учитывать при разработке стека слоёв, а не обнаруживать уже после изготовления.

Когда следует подключать производителя к обсуждению веса меди в rigid-flex?

До окончательного утверждения стека слоёв. После того как количество слоёв, материалы ламината и вес меди зафиксированы, изменение любого из этих параметров влияет на толщину, импеданс и потенциально даже на то, какие производители вообще смогут изготовить плату. Производители, регулярно работающие с rigid-flex, уже видели, как такие решения проявляют себя на последующих этапах, и раннее их подключение — один из самых надёжных способов избежать дорогостоящей переработки.