Проектирование жёстко-гибких печатных плат: рекомендации по механическим ограничениям, структурам слоёв и надёжности

Проектирование rigid-flex PCB предполагает интеграцию гибких материалов схем с жесткими участками для создания уникальных типов конструкций. Целью часто является размещение схемы в сложных корпусах, компактных или складываемых форм-факторах, а также в корпусах с подвижными частями. Rigid-flex PCB требуют иного подхода по сравнению со стандартным проектированием жестких плат, однако в ряде случаев обеспечивают более высокую надежность и позволяют реализовать функциональность, которой трудно добиться с помощью разъемов и кабелей.

Если вы никогда не разрабатывали гибкую PCB или rigid-flex PCB, эти рекомендации помогут вам создать гибкие и rigid-flex платы с уникальной функциональностью, которые также соответствуют требованиям DFM большинства производителей. Формирование стеков слоев для rigid-flex конструкций тоже может быть непростой задачей, поэтому мы дадим рекомендации по различным вариантам stackup, включая правильное использование stiffener-ов.

Типы rigid-flex конструкций и стеки слоев PCB

Различные типы rigid-flex конструкций всегда определяются стеком слоев PCB, поскольку именно он обеспечивает необходимую функциональность rigid-flex PCB. Ниже приведен краткий список различных типов rigid-flex PCB и несколько изображений, демонстрирующих возможные варианты.

• Интегрированная rigid-flex конструкция: наиболее распространенный тип rigid-flex, в котором гибкий участок ламинируется в стек слоев PCB
• Rigid-flex со stiffener-ами: вместо ламинирования гибкой области в стек слоев лист препрега придает жесткость гибкой части в определенных зонах
• Полностью гибкая PCB, или FPC: конструкция вообще без жестких участков, обычно используемая как замена кабелю
• Book binder rigid-flex: конструкция с несколькими перекрывающимися гибкими участками, которые могут складываться друг поверх друга
• Rigid-flex для динамического изгиба: rigid-flex конструкция, рассчитанная на многократный изгиб во время эксплуатации
• HDI rigid-flex: конструкция с лазерно сформированными microvia в жесткой части, гибкой части или в обеих
• Прозрачная rigid-flex: конструкция, использующая полностью прозрачные гибкие материалы в сочетании с жестким стеком слоев или stiffener-ом
• Rigid-flex на основе PTFE: rigid-flex конструкция, в которой для формирования жесткой части стека используются сердечники PTFE и bondply-материалы

Rigid-flex конструкции могут иметь несколько областей, где гибкая часть разветвляется. Такое разветвление может заканчиваться разъемом, другим жестким участком, stiffener-ом, золотыми контактами или схемой, смонтированной на гибкой области. Ниже показан сложный пример.

Сборки rigid-flex PCB могут иметь несколько ответвлений и жестких участков.

Механические ограничения в rigid-flex конструкциях

Фиксация

Rigid-flex конструкции часто необходимо закреплять внутри корпуса, что может выполняться винтами или защелкивающимися креплениями. Некоторые способы фиксации также используют вставной кронштейн, который удерживает гибкий или жесткий участок на месте. Для этого обычно требуются монтажные отверстия, чтобы удерживать сборку rigid-flex PCB в нужном положении.

Постоянная деформация

В некоторых rigid-flex сборках гибкий шлейф постоянно изгибается или формуется по линии сгиба во время установки, чтобы готовая плата сохраняла свою форму внутри корпуса. Это статические применения гибкой части, где изгиб выполняется один раз, после чего шлейф больше не движется в процессе эксплуатации. Если такая постоянная деформация предусмотрена заранее, разработчик должен обозначить область сгиба или складки в PCB layout с помощью keepout-областей. Эти keepout-области не позволяют размещать компоненты, переходные отверстия и проводники в зоне будущего изгиба, поскольку медные элементы в области складки подвергаются концентрированным механическим напряжениям, которые со временем могут вызвать растрескивание проводников или разрушение паяных соединений. Раннее определение таких keepout-областей в процессе трассировки, в идеале с учетом MCAD-модели корпуса, гарантирует, что гибкий шлейф можно будет сложить в конечное положение без неожиданных механических конфликтов.

Ограничения по изгибу

Различие между статическим и динамическим изгибом является основным ограничением, определяющим минимально допустимый радиус изгиба в rigid-flex конструкции. Статический изгиб возникает, когда гибкий шлейф изгибается один раз или небольшое число раз при установке, а затем остается в фиксированном положении на протяжении всего срока службы изделия. Динамический изгиб возникает, когда гибкий шлейф многократно и постоянно изгибается в ходе нормальной эксплуатации, например в шарнире, роботизированном сочленении или носимом устройстве. Минимальный радиус изгиба определяется как кратное общей толщине гибкой части в зоне изгиба. Для статических гибких применений общепринятым минимальным радиусом изгиба считается 6x толщины гибкой части, при этом 10x — более консервативное и широко рекомендуемое исходное значение. Для динамических гибких применений требуемый радиус изгиба значительно увеличивается, часто до 100x толщины гибкой части, в зависимости от ожидаемого числа циклов изгиба за срок службы изделия.

В качестве примера расчета рассмотрим четырехслойную гибкую область толщиной 11 mil в статическом применении. Используя консервативное правило 10x:

Rmin = 10T = 10×11 mils = 110 mils

Используя минимально допустимое правило 6x:

Rmin = 6T = 6×11 mils = 66 mils

Если бы эта же гибкая область толщиной 11 mil использовалась в динамическом применении, требующем длительного ресурса по числу циклов, радиус изгиба пришлось бы увеличить примерно до:

Rmin = 100T = 100×11 mils = 1100 mils

Это показывает, насколько быстро увеличиваются механические габариты, когда гибкая область должна выдерживать многократные изгибы. Меньшая толщина меди (пол-унции или треть унции), катаная отожженная медь и безадгезивные ламинаты помогают повысить ресурс по изгибу, но не устраняют необходимость соблюдать ограничение по радиусу изгиба.

Эти ограничения по изгибу создают прямую взаимосвязь между стеком слоев rigid-flex PCB и механической конструкцией корпуса. Если геометрия корпуса определяется первой, доступное пространство для изгиба гибкого шлейфа задает максимальную толщину гибкой части и минимальный радиус изгиба, которые может использовать разработчик PCB. И наоборот, если стек слоев сначала определяется на основе электрических требований, таких как число слоев, импеданс или толщина меди, итоговая толщина гибкой части задает минимальный радиус изгиба, который механический конструктор должен учесть в корпусе.

На практике это означает, что стек слоев PCB и геометрия корпуса должны разрабатываться совместно. Четырехслойная гибкая область, удовлетворяющая электрическим требованиям, может оказаться слишком толстой для изгиба в доступном объеме корпуса, что вынуждает искать компромисс между числом слоев, толщиной меди и механическим зазором. Раннее взаимодействие между командами электрического и механического проектирования, в идеале с использованием инструментов синхронизированной ECAD-MCAD collaboration, позволяет избежать конфликтов на поздних стадиях, когда гибкий шлейф физически не помещается в корпус без нарушения ограничений по радиусу изгиба.

Механические испытания и испытания на надежность rigid-flex PCB

После определения механических ограничений для конструкции или изделия в целом часто требуются типовые испытания на надежность. Тогда возникает вопрос, как механически валидировать rigid-flex конструкцию.

EDA-программное обеспечение не предоставляет такую валидацию напрямую. Однако сделать это можно двумя способами:

• Физические испытания: сборку можно подвергнуть вибрационным испытаниям, климатическим испытаниям и т. д., чтобы подтвердить надежность PCB и всей сборки
• Моделирование: механическое моделирование можно использовать для понимания поведения сборки при вибрации, механическом ударе или других экстремальных условиях

Что касается моделирования, rigid-flex конструкции можно передавать в MCAD-программное обеспечение без использования файлового обмена. Коммерческое MCAD software может выполнять моделирование вибрации, напряжений/деформаций и сборки для rigid-flex конструкций, созданных в Altium Develop. Используя расширенную функцию MCAD CoDesigner, пользователи могут создать цифровой двойник своей электрической конструкции внутри коммерческого MCAD-программного обеспечения. Затем механический конструктор может использовать его для разработки корпуса, проверки на коллизии и даже размещения крупных компонентов или задания механических ограничений rigid-flex конструкции.

Расширенная функция MCAD CoDesigner позволяет пользователям Altium мгновенно переносить layout rigid-flex PCB в популярные MCAD-приложения.

Как учитывать механические ограничения

Механические ограничения в rigid-flex конструкциях обычно включают фиксированное размещение определенных компонентов и использование keepout-областей. Иногда keepout-области задаются с учетом высоты компонентов, чтобы избежать конфликтов в сборке. В программном обеспечении для проектирования PCB они определяются с помощью правил проектирования и keepout-областей, задаваемых непосредственно в PCB layout.

Определение правил проектирования для механических ограничений

Altium Designer предоставляет систему правил проектирования, управляемую ограничениями, которая позволяет напрямую учитывать механические требования в процессе layout. Правила зазоров, правила размещения и ограничения для отдельных областей могут быть применены к конкретным зонам платы, стекам слоев или классам компонентов, что делает их особенно подходящими для rigid-flex конструкций, где разные зоны платы имеют принципиально разные механические требования. Ниже приведены шаги по настройке правил проектирования, поддерживающих определение механических ограничений в rigid-flex layout.

• Рабочие процессы проектирования варьируются от объектно-ориентированных интерфейсов в стиле электронных таблиц до классических механизмов правил на основе запросов для гибкой настройки области действия.
• Контроль механических требований, таких как зазоры и ограничения по типу области, обеспечивается с помощью автоматизированного DRC и конструкций Room.
• Оптимизация целостности сигналов включает точное согласование, управление импедансом на основе stackup и оценку потерь в канале с использованием глазковых диаграмм и импульсных характеристик.
• Централизованное управление библиотеками снижает проектные риски, облегчая повторное использование проверенных символов, посадочных мест и отработанных схемных блоков.
• Готовность к производству зависит от раннего взаимодействия с изготовителями по вопросам доступности материалов, толщины меди и аспектного отношения переходных отверстий.
• Интегрированные системы PLM и MRP улучшают прослеживаемость и прозрачность цепочки поставок, помогая командам управлять сложными жизненными циклами продукции и нестабильностью закупок.

Использование keepout-областей в PCB layout

Keepout-области в PCB layout определяют зоны, где запрещено размещение определенных объектов, таких как проводники, переходные отверстия, компоненты или медные заливки. В rigid-flex конструкциях keepout-области выполняют структурную функцию помимо стандартного контроля зазоров: они предотвращают размещение меди и компонентов в зонах изгиба, областях складки или местах, которые должны оставаться свободными для установки в корпус. Keepout-области могут задаваться на конкретных слоях или применяться как многослойные ограничения, и при DRC они проверяются на соответствие активным правилам проектирования. Ниже описаны шаги по определению и применению keepout-областей в Altium Designer для rigid-flex layout.

• Определите область действия: Установите, распространяется ли keepout-область на все сигнальные слои (с использованием слоя Keepout) или только на один конкретный медный слой.
• Определение геометрии: Разместите область Keepout над жёсткой или гибкой частью платы, где необходимо запретить трассировку и размещение компонентов.
• Настройка ограничений: Задайте ограничения на панели Properties, чтобы заблокировать определённые типы объектов (например, переходные отверстия, дорожки, контактные площадки) в пределах заданной области.
• Проверка: Убедитесь, что функции автоматической трассировки и размещения блокируются в соответствии с правилами, предотвращая нарушения проекта в защищённых областях.

Независимо от того, разрабатываете ли вы надёжную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат Altium и CAD-инструменты мирового класса. Altium предоставляет ведущую в мире платформу для разработки электронных изделий, включающую лучшие в отрасли инструменты проектирования печатных плат и средства междисциплинарного взаимодействия для передовых команд разработчиков. Свяжитесь со специалистом Altium уже сегодня!