Передовые методы проектирования гибких печатных плат

Несколько подстеков гибкой платы

Хотя практически любой стек можно построить из жестких и гибких секций, если не учитывать особенности производства и свойства материалов, он может оказаться до безобразия дорогим. Одним из важных аспектов гибких плат, о которых следует помнить, — напряжения в материалах, возникающие при изгибе платы. Поскольку медь относится к цветным металлам, она подвержена деформационному упрочнению и усталости, и при многократном циклическом изгибе с малыми радиусами со временем возникают усталостные разрушения. Одним из путей решения этой проблемы может быть использование только однослойных гибких схем, при этом медь находится в центре среднего радиуса изгиба и, следовательно, наибольшее сжатие и растяжение испытывают пленочная подложка и покровный слой, как показано ниже.

Аналогичным образом, часто требуется использовать несколько отдельных гибких плат, но при этом лучше избегать изгибов на перекрывающихся участках, когда длина гибких секций ограничивает радиус изгиба. Поскольку полиимид очень эластичен, это не является проблемой, и при многократных перемещениях он прослужит гораздо дольше, чем несколько слоев меди. Медь находится в центре среднего радиуса изгиба, поэтому пленочная подложка и покровный слой подвергаются наибольшему сжатию и растяжению.

Для плат, подвергающихся многократным изгибам, рекомендуется использовать медь RA на однослойной гибкой плате, чтобы увеличить долговечность меди (в циклах до разрушения).

Клеевые уплотнители, элементы жесткости и варианты обработки

В некоторых случаях, когда гибкая плата выходит за пределы жесткой платы, требуется использовать упрочняющие элементы. Добавление эпоксидной смолы, акрила или термоклея позволит увеличить срок службы узла. Однако нанесение и отверждение таких жидкостей может внести в производственный процесс дополнительные трудоемкие этапы, что увеличивает затраты. Как обычно, при проектировании печатных плат приходится идти на компромиссы.

Можно использовать автоматическое нанесение жидкости, но это необходимо детально согласовывать с инженерами по сборке, чтобы в итоге не получить разводы клея, стекающие под сборку. В некоторых случаях клей необходимо наносить вручную, что увеличивает время и затраты. В любом случае требуется предоставить специалистам по изготовлению и сборке подробную документацию.

Внешние края гибких плат подключаются, как правило, либо к разъему, либо к основной сборке на жесткой плате. В этих случаях концевая часть может быть оснащена ребрами жесткости (более толстый полиимид с клеем или FR-4). Как правило, в этом случае удобно заделывать края гибкой платы в гибко-жесткие секции.

Панели гибко-жестких печатных плат

В процессе сборки гибко-жесткая плата не отделяется от панели, чтобы на жестких концевых секциях можно было размещать и припаивать компоненты. В некоторых изделиях иногда требуется устанавливать компоненты также на гибких платах, и в этом случае на панели должны быть дополнительные жесткие элементы для поддержки гибкой платы в процессе сборки. Эти элементы не приклеиваются к гибкой плате и обрабатываются фасонной фрезой с регулируемой глубиной (с рваным краем), а после сборки удаляются вручную.

Пример гибко-жесткой панели. Обратите внимание, что на этой плате передний и задний края, а также гибкая часть схемы выведены наружу. Вдоль жестких краев проложены V-образные канавки для последующего отделения. Это сэкономит время при сборке изделия в корпусе (источник: YYUXING Shenzhen Electronics Co., LTD.).

Легко предположить, что мы разобрались со всеми трудностями, решив проблемы с конструкцией стека, размещением компонентов и вырезами. Но помните, что у гибких схем существуют некоторые странные особенности материала. К этим особенностям можно отнести относительно высокие коэффициенты вертикального расширения клеев, пониженную адгезию меди к полимерной подложке и покровному слою, деформационное упрочнение и усталость меди. Их можно в значительной степени компенсировать, придерживаясь некоторых правил о том, что делать нужно и что делать не следует.

Сохраняйте гибкость гибкой платы

Эти правила могут показаться очевидными, но стоит их сформулировать. Заранее решите, какой изгиб необходим, будет ли он многократным или конструкция будет иметь статический изгиб. Если гибкие участки платы будут сгибаться только во время сборки, а затем останутся в фиксированном положении, как, например, в портативном устройстве для ультразвуковой диагностики, то у вас будет гораздо больше свободы в выборе количества слоев, типа меди (RA или ED) и т. д. С другой стороны, если гибким участкам платы предстоит постоянно смещаться, изгибаться или скручиваться, то следует уменьшить количество слоев в каждом подстеке гибкой платы и выбрать бесклеевые подложки.

Затем с помощью уравнений, приведенных в стандарте IPC-2223 (уравнение 1 для односторонних плат, уравнение 2 для двусторонних и т. д.), можно определить минимально допустимый радиус изгиба гибкой части, исходя из допустимой деформации меди и характеристик других материалов.

В этом примере используется уравнение для односторонней гибкой платы. Его можно использовать для собранной гибкой печатной платы, однако при неправильном расположении линии изгиба могут возникнуть напряжения в точках пайки на выводах компонентов. Выбор EB определяется в зависимости от назначения: 16 % для однократного смятия меди RA, 10 % для изгиба при монтаже и 0,3 % для динамических гибких конструкций. ( Источник: IPC-2223B, 2008 http://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf). В данном случае под термином «динамический» подразумевается постоянное сгибание и разгибание в процессе эксплуатации изделия, например подключение TFT-панели в мобильном DVD-плеере.

Не допускайте сгибов по углам и используйте изогнутые трассы

Как правило, лучше всего располагать медные дорожки под прямым углом к линии изгиба гибкой платы. Однако в некоторых проектных ситуациях это недостижимо. В таких случаях дорожки должны иметь как можно более плавный изгиб, а в зависимости от механической конструкции изделия можно использовать изгибы конического радиуса. Также, как показано на рисунке ниже, лучше избегать прямых углов, а вместо жестких углов 45° лучше поворачивать трассы по дуге. Такие меры позволяют снизить напряжения в меди во время изгиба.

Предпочтительные места изгиба.

Не допускайте резкого изменения ширины

Всякий раз, когда дорожка заходит на контактную площадку, особенно если они расположены в ряд, как на выводах гибкой платы (см. рисунок ниже), образуется слабое место, где со временем возникает усталость меди. Если не предполагается применение ребра жесткости или одноразовой складки вблизи места перепада ширины трассы, рекомендуется постепенное сужение дорожки по направлению от площадок (совет: на гибких платах используйте контактные площадки с отводом и переходные отверстия!)

Изменение ширины дорожки и присоединение к контактным площадкам могут стать слабым местом.

Укрепите контактные площадки

Вероятность отслоения меди от полиимидной подложки на гибкой плате возрастает из-за повторяющихся напряжений, возникающих при изгибе, а также из-за более низкой адгезии меди к подложке (по сравнению с FR-4). Поэтому особенно важно обеспечить укрепление открытой меди. Переходные отверстия имеют естественную поддержку, поскольку их металлизация обеспечивает механическое крепление между двумя гибкими слоями. По этой причине (а также из-за вертикального расширения) многие производители рекомендуют для гибко-жестких и гибких плат наносить дополнительную металлизацию сквозных отверстий толщиной до 0,038 мм в дополнение к обычному слою для жестких плат. У площадок для поверхностного монтажа и сквозных площадок без металлизации поддержка отсутствует, поэтому требуются дополнительные меры, чтобы предотвратить отслоение.

Поддержка сквозных отверстий в гибкой плате с помощью дополнительного покрытия, фиксирующих отводов и ограниченных отверстий в покровном слое.

Наиболее уязвимы контактные площадки компонентов поверхностного монтажа, тем более что гибкая плата может изгибаться под жестким выводом компонента и кромкой припоя. На приведенной ниже схеме расположения площадок и дорожек показано, как эту проблему позволяет решить использование «маскировочных» вырезов в покровном слое для закрепления контактных площадок с двух сторон. Чтобы сделать это и разместить нужное количество припоя, площадки должны быть несколько больше, чем это принято для жестких плат. Естественно, при этом на гибкой плате снижается плотность монтажа компонентов, но они по своей природе не могут быть той же плотности, что и жесткие платы.

Вырезы в покровном слое для пакета SOW, показывающие крепление на каждом конце каждой площадки.

В программном обеспечении для проектирования печатных плат не предусмотрено отдельного покровного слоя; для определения вырезов в покровном слое вокруг площадок необходимо использовать слой маски. Это можно сделать в верхнем слое припоя внутри гибкой секции; просто поместите вырез в слой маски, чтобы определить вырез покровного слоя так же, как и в случае с паяльной маской. Кроме того, чтобы обеспечить точность сборки и добавить достаточное количество дополнительного покрытия для крепления, необходимо изменить площадки на посадочных местах. Пример посадочного места для компонента 0603 показан ниже.

На этом посадочном месте размеры контактных площадок и верхнего слоя припоя используются для того, чтобы показать расположение контактных площадок для пассивного элемента поверхностного монтажа и выреза в покровном слое при монтаже на гибко-жесткую печатную плату. Верхняя схема посадки предназначена для номинального корпуса 0603, а нижняя — для того же компонента, но с измененным вырезом покровного слоя.

Предусмотрите возможность вытеснения

При нанесении покровного слоя на медь и подложку часть клея будет вытесняться из всех отверстий в покровном слое вокруг контактных площадок. Чтобы клей мог выходить, размер площадки и вырез для доступа должны быть достаточно большими, и при этом должно оставаться достаточно открытой меди для прочной кромки припоя. Стандартом IPC-2223 рекомендуется смачивание припоя вокруг отверстия по окружности 360° для гибких конструкций высокой надежности и по дуге 270° для конструкций средней надежности.

Размеры контактных площадок и вырезов в покровном слое должны обеспечивать возможность вытеснения клея.

Двухсторонняя маршрутизация гибкой платы

При использовании динамических двухсторонних гибких плат старайтесь не прокладывать дорожки друг над другом в одном направлении. Следует распределять дорожки по соседним слоям так, чтобы они не перекрывали друг друга. Это позволяет снизить напряжение в дорожках, так как медь более равномерно распределяется между медными слоями (см. ниже). В случае перекрытия дорожек один из слоев будет испытывать большее напряжение при изгибе, так как слои будут давить друг на друга. Смещение распределяет напряжение по подложке гибкой платы, так что напряжения в дорожках распределяются более равномерно.

Не рекомендуется использовать медные дорожки в смежных слоях (верхнее изображение). Дорожки следует располагать со смещением в разных слоях, чтобы уменьшить их нагрузку при изгибе сборки.

Используйте заштрихованные многоугольники

Иногда требуется перенести на гибкую плату плоскость питания или земли. Использование сплошной медной заливки вполне допустимо, если вас не беспокоит значительное снижение гибкости и возможное коробление меди при изгибах с малым радиусом. Для сохранения высокой гибкости рекомендуется использовать штрихованные многоугольники.

В многоугольнике с обычной штриховкой все равно возникают сильно разнящиеся напряжения в меди в направлении углов 0°, 90° и 45° из-за совмещения трасс штриховки и пересечений. Статистически более оптимальным рисунком штриховки считаются шестиугольники. Такую штриховку можно сделать с помощью негативного слоя и массива шестиугольных антиплощадок, однако можно быстро построить показанную ниже штриховку, вырезая и вставляя участки.

Использование шестиугольники со штриховкой позволяет равномерно распределить напряжения по трем углам.

Размещение переходных отверстий

При использовании многослойных гибких участков иногда возникает необходимость в переходных отверстиях для перехода между слоями. По возможности не используйте их, поскольку они могут быстро изнашиваться при изгибе. Кроме того, необходимо обеспечить зазор не менее ½ мм между медным кольцом ближайшего переходного отверстия и переходом от жесткой к гибкой плате. В редакторе САПР это требование выполняется автоматически благодаря применению правил зазоров по краям платы.

Что же касается размещения переходных отверстий, то если они обязательно должны присутствовать в гибкой плате, используйте «комнаты» для определения областей, которые точно не будут подвергаться изгибам. Кроме того, используйте правила проектирования в редакторе печатных плат, чтобы разрешить размещение переходных отверстий только в этих стационарных областях. В качестве альтернативы можно использовать диспетчер стека слоев для определения жестких секций, которые в конечном итоге являются гибкими, но с наклеенным на них жестким диэлектрическим материалом для придания жесткости.

Определение вырезов и углов гибкой платы

Если в гибкой части платы необходимо сделать вырез или прорезь, их необходимо правильно обработать. IPC рекомендует выполнять обработку скругленными участками радиусом более 1,5 мм, чтобы снизить риск разрыва материалов гибкой подложки на углах. По сути, правило заключается в следующем: при наличии внутреннего угла (угол менее 180° между краями гибкой платы) всегда используйте касательный закругленный угол радиусом более 1,5 мм. Если угол намного меньше (острее) 90°, то в нем должно быть вырезано круглое отверстие. То же самое относится к щелям и прорезям в гибких платах — на каждом конце должно быть предусмотрено разгрузочное отверстие диаметром не менее 3 мм. Пример такого отверстия показан ниже.

Щели, прорези и внутренние углы должны иметь разгрузочные отверстия или касательные кривые радиусом не менее 1,5 мм для предотвращения разрыва.

Это далеко не полный набор рекомендаций по проектированию гибких печатных плат, но эти советы помогут вам начать работу с разными изделиями. Если вы в чем-то сомневаетесь, обратитесь к производителю за технологическими рекомендациями по гибкой плате или гибкой секции в гибко-жесткой печатной плате.

Когда вы будете готовы приступить к проектированию гибких печатных плат для вашего следующего изделия, воспользуйтесь полным набором функций САПР в Altium Designer®. На платформе Altium 365™ можно передавать информацию производителю, легко обмениваться проектными данными и совместно работать над проектами. Все, что необходимо для проектирования и производства передовой электроники, можно найти в одном программном пакете.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .