Trọng lượng đồng trong rigid-flex: Vì sao một thông số không thể áp dụng cho mọi trường hợp

Vài năm trước, chúng tôi gặp một bo rigid-flex đã trải qua nhiều vòng rà soát thiết kế trước khi chính thức đưa vào sản xuất. Đội ngũ tốt, quy trình kỹ lưỡng, không có gì sai rõ ràng. Nhưng khi bo mạch được trả về, vùng flex lại không thể uốn được. Hoàn toàn không. Nó cứng trên toàn bộ khu vực lẽ ra phải có thể uốn. Có quá nhiều lớp được ép dính với nhau trên một đoạn quá ngắn.

Lần làm lại sau đó đã tách liên kết các lớp này trong vùng flex để chúng có thể chuyển động độc lập. Chỉ thay đổi đó thôi đã tạo ra khác biệt giữa một bo mạch hoạt động được và một bo mạch không hoạt động.

Dự án đó luôn hiện ra trong đầu tôi mỗi khi có một thiết kế rigid-flex design chỉ định một mức trọng lượng đồng duy nhất cho toàn bộ bo mạch. Nói rõ là điều đó không phải lúc nào cũng sai. Nhưng đó là một dấu hiệu đáng để xem xét kỹ hơn, vì trọng lượng đồng trong rigid-flex thực ra không phải là một quyết định duy nhất mà là nhiều quyết định, và chúng tương tác với stack-up theo những cách chỉ lộ ra khi có thứ gì đó không chuyển động như nó vốn phải thế.

Những điểm chính cần nhớ

• Trọng lượng đồng trong rigid-flex phụ thuộc theo từng vùng. Điều phù hợp ở phần rigid có thể gây ra những vấn đề thực sự trong vùng flex.
• Vùng chuyển tiếp giữa rigid và flex có những yếu tố cần cân nhắc riêng.
• Đồng cán ủ (rolled annealed copper) có đặc tính khác với đồng mạ điện kết tủa (electrodeposited copper) trong các ứng dụng flex, và sự khác biệt đó rất quan trọng khi tuổi thọ uốn là một yêu cầu.
• Stack-up và thông số đồng cần được xây dựng cùng nhau, không phải làm cái này rồi mới đến cái kia.

Vùng Rigid

Ở các phần rigid của rigid-flex, các quyết định về trọng lượng đồng khá giống với thực hành PCB tiêu chuẩn. Một ounce là điểm khởi đầu phổ biến. Hai ounce được dùng khi khả năng tải dòng hoặc yêu cầu impedance đòi hỏi như vậy. Quy tắc thiết kế, cấu trúc via, các cân nhắc về mạ cũng tương tự. Phần lớn nội dung này đều quen thuộc với bất kỳ ai từng thiết kế bo rigid.

Nhưng vấn đề nằm ở đây. Trọng lượng đồng bạn chọn trong vùng rigid sẽ ảnh hưởng đến những gì có thể đạt được trong vùng flex, vì chúng là một phần của cùng một hệ laminate. Nếu đồng lớp ngoài ở phần rigid là loại nặng, thì chính lớp đồng đó cũng sẽ đi vào vùng flex dù có ai dự tính điều đó hay không. Điều này không tự động trở thành vấn đề, nhưng cần được suy xét kỹ.

Vùng Flex

Đây là khu vực mà các quyết định về trọng lượng đồng tác động trực tiếp nhất đến việc bo mạch có hoạt động đúng như mong muốn hay không.

Đồng nặng hơn đồng nghĩa với mạch cứng hơn. Nghe có vẻ hiển nhiên, nhưng các hệ quả thực tế không phải lúc nào cũng được tính đến trong quá trình layout. Đồng nửa ounce là lựa chọn phổ biến trong vùng flex chính vì lý do này. Nó uốn dễ hơn, phân bố ứng suất đồng đều hơn trên toàn bộ tiết diện, và chịu được các chu kỳ uốn lặp lại tốt hơn so với đồng nặng hơn. Trong một ứng dụng flex động, dùng đồng một ounce là điều đáng để trao đổi với nhà chế tạo trước khi xuất thiết kế. Hai ounce hiếm khi là lựa chọn đúng cho vùng flex, trừ khi yêu cầu uốn về cơ bản là tĩnh và khả năng tải dòng không cho phép phương án nào khác.

Loại lá đồng cũng rất quan trọng, và đây là một trong những chi tiết tôi thấy thường bị chỉ định chưa đầy đủ trên bản vẽ chế tạo. Đồng mạ điện kết tủa là mặc định trong hầu hết quy trình chế tạo rigid, và nó phù hợp ở các vùng rigid. Nhưng trong các vùng flex phải chịu uốn lặp lại, rolled annealed copper là lựa chọn tốt hơn. Cấu trúc hạt của nó chạy theo hướng chịu ứng suất uốn tốt hơn đáng kể so với đồng ED. Nếu tuổi thọ uốn quan trọng với ứng dụng của bạn mà vùng flex lại không chỉ định RA copper, thì đó là điều đáng phải cân nhắc.

Hình học trace cũng tương tác với trọng lượng đồng theo những cách rất dễ bị bỏ qua. Đồng mỏng hơn cho phép trace hẹp hơn tại cùng một mục tiêu trở kháng, đồng nghĩa với khối lượng đồng phải chuyển động cùng mạch ít hơn. Đi trace vuông góc với trục uốn, route cong thay vì góc vuông, phân bố đồng cân bằng trên tiết diện. Tất cả đều là thực hành flex tiêu chuẩn, và tất cả đều hoạt động tốt hơn khi bên dưới là trọng lượng đồng phù hợp.

Vùng Chuyển tiếp

Khu vực nơi rigid gặp flex là nơi nhiều vấn đề của rigid-flex thực sự bắt đầu, và trọng lượng đồng là một phần nguyên nhân. Theo định nghĩa, vùng chuyển tiếp là nơi tập trung ứng suất. Mạch chuyển từ một cấu trúc bị ràng buộc, được đỡ chắc sang một cấu trúc linh hoạt, và đặc tính cơ học thay đổi đột ngột ngay tại ranh giới đó. Đồng nặng đi qua vùng chuyển tiếp khiến sự đột ngột này trở nên tệ hơn. Nó tạo ra một điểm cứng hơn chống lại việc vùng flex thực hiện điều nó cần làm, và đó chính xác là điều đã xảy ra với bo mạch tôi nhắc đến lúc đầu. Các lớp đã được dán liên kết với nhau xuyên qua vùng chuyển tiếp và kéo vào cả vùng flex. Trọng lượng đồng làm tăng thêm độ cứng. Kết quả là một mạch về mặt vật lý không thể uốn được.

Một vài điều có thể giúp ở đây. Hãy giữ trọng lượng đồng nhất quán nhất có thể giữa vùng rigid và flex thay vì tăng bậc ngay tại mép phần rigid. Tránh kéo các plane đồng trọng lượng cao đến sát mép vùng rigid. Và nếu thiết kế cho phép, hãy cho vùng chuyển tiếp thêm một chút chiều dài vật lý nhiều hơn mức có vẻ cần thiết. Phân bố ứng suất sẽ được cải thiện theo khoảng cách, nhiều hơn mọi người thường nghĩ.

Trao đổi với nhà chế tạo trước khi stack-up được chốt

Đây là một trong những quyết định dễ làm đúng hơn nhiều nếu xử lý trước khi stack-up is locked thay vì sau đó. Một khi số lớp, vật liệu laminate và trọng lượng đồng đã được chốt, việc thay đổi bất kỳ yếu tố nào cũng sẽ kéo theo ảnh hưởng đến độ dày, trở kháng, và đôi khi cả việc nhà chế tạo nào còn có thể làm được bo mạch đó.

Những câu hỏi đáng hỏi sớm gồm: loại lá đồng nào là tiêu chuẩn trong các cấu trúc flex của họ, và việc chỉ định RA copper sẽ ảnh hưởng thế nào đến thời gian giao hàng hoặc chi phí? Họ thường thấy trọng lượng đồng nào được dùng nhiều nhất cho yêu cầu uốn của bạn, và họ đã gặp trục trặc ở đâu? Nếu có lo ngại về vùng chuyển tiếp, họ đã xử lý điều đó như thế nào trên các thiết kế tương tự?

Các nhà chế tạo thường xuyên làm rigid-flex đã chứng kiến những quyết định này ảnh hưởng ở các công đoạn sau theo những cách rất khó tái hiện trong một buổi rà soát thiết kế. Hãy đặt câu hỏi.

Trước khi phát hành thiết kế

Có một vài điều đáng kiểm tra trước khi gửi thiết kế đi chế tạo. 

• Có phải chỉ đang chỉ định một mức trọng lượng đồng duy nhất cho toàn bộ bo mạch, hay vùng rigid, vùng flex và khu vực chuyển tiếp thực sự đã được cân nhắc tách biệt? 
• Loại lá đồng trong vùng flex đã được chỉ định rõ chưa, hay đang để mặc định theo nhà chế tạo? 
• Đối với một dynamic flex application, đồng RA nửa ounce đã được chỉ định hoặc chủ động loại trừ rõ ràng chưa? 
• Stack-up đã được rà soát với nhà chế tạo trước khi phát hành chưa, hay chỉ đợi đến khi lô mẫu đầu tiên về mới xem lại?

Bo mạch không thể uốn đó đã dạy tôi rằng một thiết kế có thể vượt qua mọi vòng rà soát mà vẫn không hoạt động, nếu stack-up và thông số đồng không được phát triển như một hệ thống thống nhất. Vùng flex phải thực sự có khả năng uốn được.

Sẵn sàng đưa thiết kế rigid-flex của bạn từ layout đến phát hành với ít trở ngại hơn? Altium Develop mang đến cho các kỹ sư cá nhân và nhóm nhỏ năng lực thiết kế đạt chuẩn Altium, cùng những cách đơn giản để chia sẻ công việc, thu thập phản hồi và luôn đồng bộ mà không phát sinh nhiều gánh nặng vận hành. 

Bắt đầu với Altium Develop →

Câu hỏi thường gặp

Tôi nên dùng trọng lượng đồng nào trong vùng flex của thiết kế rigid-flex?

Nửa ounce (0,5 oz) là điểm khởi đầu phổ biến nhất cho vùng flex. Nó uốn dễ hơn, phân bố ứng suất đồng đều hơn và chịu được các chu kỳ uốn lặp lại tốt hơn so với đồng nặng hơn. Một ounce có thể dùng được trong các ứng dụng tĩnh nhưng nên trao đổi với nhà chế tạo trước khi chốt. Hai ounce hiếm khi phù hợp trong vùng flex trừ khi yêu cầu uốn về cơ bản là tĩnh và khả năng tải dòng không còn cho phép lựa chọn nào khác.

Sự khác biệt giữa đồng cán ủ (RA) và đồng mạ điện kết tủa (ED) trong các ứng dụng flex là gì?

Đồng mạ điện kết tủa là tiêu chuẩn trong chế tạo PCB rigid và hoạt động tốt ở các vùng rigid. Đồng cán ủ có cấu trúc hạt chạy theo hướng phù hợp hơn để chịu ứng suất của việc uốn lặp lại, khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên trong các vùng flex nơi tuổi thọ uốn là yêu cầu bắt buộc. Nếu RA copper không được chỉ định rõ trên bản vẽ chế tạo, phần lớn nhà chế tạo sẽ mặc định dùng ED, vì vậy việc chỉ định rõ là điều đáng làm.

Trọng lượng đồng ở vùng rigid có ảnh hưởng đến vùng flex không?

Có. Vì các vùng rigid và flex là một phần của cùng một hệ laminate, lớp đồng ngoài nặng ở phần rigid sẽ đi vào vùng flex dù có được dự tính hay không. Điều này không tự động gây ra vấn đề, nhưng cần được tính đến trong quá trình phát triển stack-up chứ không phải đợi đến sau khi chế tạo mới phát hiện.

Khi nào tôi nên đưa nhà chế tạo vào các quyết định về trọng lượng đồng cho thiết kế rigid-flex?

Trước khi stack-up được chốt. Một khi số lớp, vật liệu laminate và trọng lượng đồng đã khóa lại, việc thay đổi bất kỳ yếu tố nào cũng sẽ ảnh hưởng dây chuyền đến độ dày, trở kháng và thậm chí là nhà chế tạo nào còn có thể sản xuất được bo mạch đó. Các nhà chế tạo thường xuyên làm rigid-flex đã thấy những quyết định này diễn biến thế nào ở các công đoạn sau, và việc đưa họ vào sớm là một trong những cách đáng tin cậy nhất để tránh một lần làm lại tốn kém.