Độ Tin Cậy Khi Uốn: Ảnh Hưởng của Hình Dạng Dẫn và Vật Liệu đến Tuổi Thọ Linh Hoạt

Một trong những câu hỏi phổ biến nhất mà tôi nghe khi trò chuyện với các nhà thiết kế làm việc trên các thiết kế với mạch linh hoạt là: "Mạch này có thể uốn cong an toàn bao nhiêu lần trước khi nó hỏng?" Đó là một câu hỏi hợp lý, đặc biệt là đối với các ứng dụng flex động như thiết bị đeo, thiết bị y tế, robot, hoặc dây dẫn hàng không vũ trụ. Thật không may, câu trả lời không đơn giản như một con số hay tỷ lệ uốn cong, nó rất phụ thuộc vào chính thiết kế và bộ vật liệu.

Độ tin cậy khi uốn không chỉ liên quan đến chính vật liệu cơ bản, mà còn cách các đường dẫn được bố trí, loại và độ dày của đồng, và thậm chí là cách các lớp bảo vệ được áp dụng. Hãy xem điều gì thực sự thúc đẩy độ tin cậy trong mạch linh hoạt và những gì nhà thiết kế có thể làm ngay từ đầu quá trình để tối đa hóa tính linh hoạt.

Điểm Chính

• Đời sống flex phụ thuộc vào thiết kế, không phải một con số cố định. Độ tin cậy khi uốn thay đổi rộng rãi dựa trên việc ứng dụng là tĩnh hay động, và dựa trên các lựa chọn như vật liệu, cách bố trí, và bán kính uốn.
• Đồng và cấu trúc xếp chồng quan trọng nhất. Đồng cuộn ủ (RA), trọng lượng đồng mỏng hơn, lớp phủ không dùng keo, và lớp bảo vệ bền vững cải thiện đáng kể hiệu suất trong uốn động.
• Việc định tuyến thông minh giảm bớt căng thẳng. Các đường dẫn uốn lượn, cách đều nhau tránh góc cạnh, giao nhau vuông góc, và vias tập trung tăng độ bền uốn một cách đáng kể.
• Bán kính uốn và giảm áp lực là rất quan trọng. Bán kính uốn lớn hơn (đặc biệt là cho flex động) và thêm cứng hoặc giảm áp lực gần các kết nối ngăn chặn sự hỏng hóc sớm và kéo dài tuổi thọ sản phẩm.

Flex Tĩnh so với Flex Động

Đầu tiên, có sự phân biệt giữa flex tĩnh và flex động:

• Flex tĩnh xảy ra một lần hoặc vài lần. Một ví dụ tốt là gấp một mạch flex vào vị trí bên trong một điện thoại thông minh hoặc mô-đun hàng không. Một khi đã lắp đặt, nó sẽ ở yên tại đó.
• Flex động đề cập đến chuyển động lặp đi lặp lại, liên tục. Hãy xem xét một cánh tay robot, một thiết bị y tế có thể gấp lại, hoặc một cảm biến đeo được. Những ứng dụng như vậy có thể yêu cầu hàng nghìn hoặc có thể là hàng triệu chu kỳ uốn trong suốt đời sản phẩm.

Hiểu rõ thiết kế của bạn thuộc loại nào là rất quan trọng, vì nó quy định các quy tắc cho hình dạng đường dẫn và lựa chọn vật liệu. Các ứng dụng tĩnh cung cấp nhiều tự do thiết kế hơn, trong khi flex động đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ hơn đối với mọi chi tiết.

Vai trò của Đồng: Đồng Cán Nhiệt so với Đồng Điện Phân

Một trong những quyết định cơ bản nhất là loại lá đồng.

• Đồng phủ điện (ED) là lựa chọn tiêu chuẩn trong các PCB cứng. Nó cung cấp độ bám dính xuất sắc với các lớp điện mô, nhưng có cấu trúc hạt cột dễ bị nứt khi bị uốn đi uốn lại nhiều lần.
• Đồng RA: Việc làm việc cơ học và xử lý nhiệt của đồng cuộn đã tôi làm sinh ra một cấu trúc hạt đồng đều và dẻo. Đồng RA có thể uốn cong một cách tuần hoàn mà không bị gãy, điều này làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến cho các thiết kế flex động.

Đối với flex tĩnh, đồng ED có thể được chấp nhận và đôi khi có thể giảm chi phí. Nhưng cho bất cứ thứ gì di chuyển theo thời gian, đồng RA hầu như luôn đáng để đầu tư. Ngoài ra, đồng RA thường được sử dụng trong các PCB flex có sẵn trên thị trường.

Hình dạng và Chiến lược Định tuyến Dấu vết

Một trong những yếu tố có thể kiểm soát được cho các nhà thiết kế là cách dấu vết được định tuyến trong khu vực uốn cong. Ngay cả những điều chỉnh nhỏ cũng có thể tăng độ tin cậy một cách đáng kể.

• Độ Rộng Dấu Vết: Các dấu vết rộng hơn phân phối căng thẳng tốt hơn, nhưng khi cần nhiều tín hiệu, sử dụng nhiều dấu vết hẹp cách đều nhau là tốt hơn là sử dụng một dấu vết rất rộng.
• Khoảng Cách Đồng Đều: Sử dụng khoảng cách nhất quán qua khu vực uốn cong. Không định tuyến các dấu vết chật chội về một cạnh của flex; điều này tạo ra sự phân bố đồng không đều, tạo ra các điểm căng thẳng.
• Không Dùng Đường Dẫn Vuông Góc: Các đường dẫn nên cắt qua các khúc cua ở góc 90° chỉ khi không còn lựa chọn nào khác. Việc định tuyến theo hình góc cạnh hoặc cong giúp phân phối áp lực đều hơn. Phương pháp tốt nhất là định tuyến các đường dẫn vuông góc với trục uốn trong các ứng dụng tĩnh, và sử dụng phong cách định tuyến cong trong các khu vực uốn linh hoạt động.
• Vias Xếp Lệch: Nếu vias là cần thiết, không xếp chúng thẳng hàng qua khu vực uốn. Hãy xếp chúng lệch nhau để giảm tập trung áp lực hoặc loại bỏ chúng khỏi khu vực uốn hoàn toàn.

Một hướng dẫn chung là thiết kế các đường dẫn "chảy" theo khúc uốn, thay vì chống lại nó. Các đường cong mượt mà luôn hoạt động tốt hơn so với các góc cạnh.

Độ Dày và Độ Linh Hoạt của Đồng

Đồng dày hơn có độ bền điện tốt hơn, nhưng kém linh hoạt về mặt cơ khí.

• Đồng 1 oz. (35 µm) thường thấy trong các bảng mạch cứng nhưng hiếm khi phù hợp cho việc uốn lặp đi lặp lại.
• Đồng ½ oz. (18 µm) hoặc ⅓ oz. (12 µm) là những lựa chọn tốt hơn cho uốn linh hoạt động.
• Trong một số thiết kế siêu linh hoạt, đồng ¼ oz. (9 µm) có thể được sử dụng để tối đa hóa tuổi thọ uốn.

Ở những nơi đồng dày không thể tránh khỏi, giữ những lớp đó ra khỏi khu vực uốn linh hoạt và giới hạn chúng trong các khu vực cứng hóa.

Điện Môi, Keo Dán, và Lớp Phủ Bảo Vệ

Độ dày của điện mô cũng đóng một vai trò quan trọng trong độ tin cậy khi uốn: trong khi một điện mô mỏng hơn cho phép bán kính uốn chặt hơn, nó có thể hạn chế khả năng cách ly điện áp.

Phim Polyimide là tiêu chuẩn, và keo dán chúng vào đồng. Lớp phủ không dùng keo, nơi đồng được gắn trực tiếp vào polyimide, có thể cung cấp độ tin cậy tốt hơn vì không có lớp keo nào để nứt và cấu trúc chồng chất mỏng hơn.

Sự lựa chọn giữa coverlay so với mặt nạ hàn linh hoạt: 

• Coverlay được làm từ polyimide cộng với keo dán; bảo vệ đồng cả về mặt cơ học và hóa học, nhưng keo dán có thể tràn vào các pad nếu không được thiết kế đúng cách.
• Mặt nạ hàn linh hoạt cung cấp độ chính xác đăng ký tốt hơn cho các pad có khoảng cách nhỏ nhưng kém bền dưới tác động uốn linh hoạt.

Đối với uốn linh hoạt, coverlay hầu như luôn là lựa chọn tốt nhất do độ bền cơ học của nó.

Bán kính Uốn: Quy tắc Thiết kế Không Thể Bỏ Qua

Mỗi thiết kế linh hoạt đều có một bán kính uốn tối thiểu - đường cong chặt nhất mà nó có thể chịu đựng mà không bị hỏng. Thông thường, điều này được định nghĩa là bội số của độ dày linh hoạt:

• Uốn tĩnh: 6x độ dày PCB linh hoạt thường được trích dẫn là mức tối thiểu, với 10x là điểm khởi đầu thận trọng hơn.
• Dynamic flex: Giá trị cao hơn nhiều, có thể lên đến 100 lần độ dày của mạch PCB linh hoạt có thể cần thiết cho độ bền lâu dài.

Ví dụ, một mạch linh hoạt dày 4-mil trong ứng dụng động nên có bán kính uốn khoảng 400 mils (0.4 inch); cố gắng ép một bán kính uốn chặt hơn sẽ làm giảm đáng kể tuổi thọ của mạch linh hoạt. Nói chung, một bán kính uốn lớn hơn trong mạch linh hoạt động sẽ dẫn đến tuổi thọ lâu dài hơn.

Giảm Tải và Hỗ Trợ Cơ Khí

Những vật liệu tốt nhất và chiến lược định tuyến không thể thành công nếu mạch linh hoạt được phép di chuyển tự do tại các giao diện kết nối hoặc khu vực linh kiện. Các tấm cứng và giảm tải giúp giải quyết vấn đề này. Ngoài ra, việc thêm các tấm cứng FR-4 xung quanh các kết nối giúp di chuyển các điểm uốn ra xa khỏi các mối hàn, một điểm hỏng thường gặp.

Các tính năng giảm tải, như các fillet của epoxy hoặc băng Kapton, giúp tạo ra sự chuyển tiếp mượt mà hơn giữa các khu vực cứng và linh hoạt.

Kết Thúc

Thiết kế cho độ tin cậy khi uốn là một nghiên cứu về sự đánh đổi. Đồng mỏng hơn tăng tính linh hoạt nhưng có thể hạn chế khả năng chịu dòng điện. Đồng cuộn đã qua xử lý nhiệt cải thiện tuổi thọ nhưng đắt hơn. Bán kính uốn lớn hơn kéo dài độ tin cậy nhưng có thể xung đột với các hạn chế về vỏ bọc.

Đó là vấn đề biết những yếu tố nào bạn có thể điều chỉnh - loại đồng, hình dạng dấu vết, độ dày điện môi, bán kính uốn - và đưa ra quyết định ý thức về việc sử dụng cái nào dựa trên việc thiết kế là tĩnh hay động.

Và như mọi khi, những thiết kế tốt nhất đến từ sự hợp tác. Tham gia cùng nhà sản xuất của bạn sớm để thảo luận về yêu cầu uốn, lựa chọn vật liệu và phương pháp kiểm tra sẽ cho bạn sự tự tin rằng mạch uốn linh hoạt cuối cùng có thể tồn tại trong suốt thời gian sống của sản phẩm của bạn.

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, Altium Develop kết hợp mọi lĩnh vực thành một lực lượng hợp tác. Không gian lẻ tẻ. Không giới hạn. Đây là nơi mà kỹ sư, nhà thiết kế và nhà đổi mới làm việc cùng nhau để cùng sáng tạo mà không bị ràng buộc. Trải nghiệm Altium Develop ngày hôm nay!

Câu Hỏi Thường Gặp

Một mạch uốn linh hoạt có thể uốn bao nhiêu lần trước khi nó hỏng?

Không có một con số cụ thể. Tuổi thọ uốn phụ thuộc vào việc thiết kế là tĩnh hay động, cùng với lựa chọn vật liệu, định tuyến dấu vết, độ dày đồng, và bán kính uốn. Thiết kế mạch uốn động có thể dao động từ hàng nghìn đến hàng triệu chu kỳ nếu được kỹ thuật đúng cách.

Sự khác biệt giữa mạch uốn tĩnh và động là gì?

Mạch linh hoạt tĩnh chỉ uốn cong một lần hoặc vài lần trong quá trình lắp đặt và sau đó giữ nguyên vị trí. Mạch linh hoạt động uốn cong liên tục trong quá trình hoạt động, như trong thiết bị đeo được hoặc robot, và yêu cầu các quy tắc thiết kế và vật liệu nghiêm ngặt hơn cho độ tin cậy lâu dài.

Tại sao đồng cuộn ủ (RA) lại được ưa chuộng cho thiết kế mạch linh hoạt động?

Đồng RA có cấu trúc hạt dẻo, chống nứt vỡ dưới tác động uốn cong lặp đi lặp lại, làm cho nó đáng tin cậy hơn nhiều so với đồng phủ điện (ED) trong các ứng dụng có chuyển động liên tục hoặc tuần hoàn.

Bán kính uốn cong tôi nên sử dụng cho mạch linh hoạt là bao nhiêu?

Một hướng dẫn phổ biến là ít nhất 6–10× độ dày của mạch linh hoạt cho các ứng dụng tĩnh, và lên đến 100× độ dày cho các ứng dụng động. Bán kính uốn cong lớn hơn cải thiện đáng kể tuổi thọ mạch linh hoạt, đặc biệt trong các thiết kế chu kỳ cao.

Nguyên nhân phổ biến nhất của sự cố mạch linh hoạt là gì?

Điểm thất bại điển hình bao gồm bán kính uốn cong chặt, đồng dày hoặc không phù hợp trong khu vực uốn, góc đường dẫn sắc, vias đặt trong khu vực uốn, và thiếu giảm căng gần kết nối hoặc khu vực cứng cáp.