Ứng dụng của PCB linh hoạt và Rigid-Flex

Có hai lý do cơ bản để thiết kế một mạch linh hoạt vào sản phẩm của bạn: để xây dựng một thiết bị gọn nhẹ và lắp ráp hiệu quả, hoặc để làm cho mạch được tích hợp động với chức năng cơ khí của sản phẩm. Bạn có thể, tất nhiên, dựa vào cả hai lý do này để biện minh cho việc sử dụng mạch linh hoạt. Trên nền tảng này, hãy xem xét một số ứng dụng và ví dụ thiết kế PCB cứng-linh hoạt để thấy những vấn đề nảy sinh khi thiết kế mạch linh hoạt.

Ví dụ Ứng dụng Flex Động

Cơ Khí Gantry

Một ứng dụng flex động rất điển hình, như bạn có thể tìm thấy trong máy in 3D hoặc đầu máy CNC, là cơ khí gantry. Trong các hệ thống lớn về mặt vật lý nơi mà các thành phần điện tử cần theo dõi cùng một chuyển động như một yếu tố cơ khí, điều này sẽ được thực hiện với các bảng cứng hoặc mô-đun riêng biệt, và chúng sẽ được kết nối với cáp. Trong các gói nhỏ gọn, mảnh mai hơn, một dải linh hoạt có lý hơn vì nó cung cấp một bộ lắp ráp thấp và cũng như chuyển động cần thiết.

Tất nhiên, ví dụ dưới đây sẽ được đặt dọc theo gantry trục X, và đầu công cụ trục z di chuyển dọc theo nó. Ví dụ dưới đây chỉ cho thấy hai trục chuyển động ở đây, và chính gantry sẽ di chuyển trong trục Y.

Tổng chiều dài của dải flex là khoảng cách cực đại cần thiết cộng thêm các góc và khúc cua. Góc nằm phía sau đầu công cụ di chuyển theo trục z sẽ tuân theo đầu đẩy trục x di chuyển dọc theo giàn (có lẽ trên bạc đạn ống). Các đầu sẽ được thêm cứng để kết thúc phần dải flex. Đối với loại ứng dụng này, tốt nhất là nên sử dụng đồng cuộn đã được làm mềm bằng cách cán mỏng và giữ bán kính cong càng lớn càng tốt. Điều này sẽ giúp tối đa hóa tuổi thọ vì phần cong được lăn dọc theo chiều dài của dải flex.

Ví dụ thiết kế flex cho giàn.

Xem xét Fab cho Giàn: Panel hóa

Ví dụ trên đặt ra một câu hỏi tốt về việc sản xuất và chi phí. Sử dụng một mạch hình chữ L góc phải như thế này, chúng ta có thể, cho mục đích tranh luận, vừa vặn sáu dải flex giống hệt nhau trên một tấm panel sản xuất. Điều này dẫn đến việc lãng phí khoảng 50% không gian của tấm panel, và nếu linh kiện được lắp đặt trên mạch flex cụ thể này, cũng sẽ làm tăng chi phí và thời gian công cụ. Một ví dụ về tấm panel được làm từ mạch flex cụ thể này trong một mảng bảng mạch nhúng được hiển thị bên dưới.

Panel hóa mảng bảng mạch nhúng của mạch flex giàn CNC.

Điều tốt về mạch linh hoạt là nếu chúng ta sử dụng đúng vật liệu và lên kế hoạch tổng thể cho việc lắp ráp một cách chính xác, chúng ta cũng có thể tạo ra các nếp gấp có bán kính thấp. Đặt một phần mạch linh hoạt cố định với một nếp gấp vĩnh viễn là một lựa chọn tốt thay thế cho việc sử dụng mạch linh hoạt cong như được hiển thị ở bảng trên, nhưng chỉ trong một số trường hợp nhất định. Hình sau đây cho thấy cùng một thiết kế giàn nhưng với một nếp gấp 45° thay thế cho góc 90° được hiển thị trong phiên bản trước.

Giàn linh hoạt được thiết kế lại với nếp gấp cố định.

Nếp gấp trở nên rõ ràng hữu ích khi chúng ta nhìn vào bảng (được hiển thị bên dưới). Để chế tạo một mạch linh hoạt với loại nếp gấp này, chúng ta không cần thiết kế một đường cong vào bảng mạch. Thay vào đó, chúng ta có thể sử dụng một phần thẳng trong mạch linh hoạt PCB, vì vậy chúng ta có thể xếp hàng một loạt các dải linh hoạt trong một bảng duy nhất. Như vậy, hiệu suất sẽ tăng đáng kể. Tổng chi phí cho mỗi bảng mạch sẽ giảm do hiệu suất tăng lên trên mỗi bảng và sau đó là sự dễ dàng của công cụ cho việc lắp ráp chọn và đặt. Tuy nhiên, bạn có thể phải đối mặt với việc đặt linh kiện ở phía đối diện tại một đầu của bộ lắp ráp, do nếp gấp.

Bảng với bảng mạch giàn được thiết kế lại.

Thiết bị Quay

Hãy xem qua bố cục PCB cứng-linh hoạt được hiển thị bên dưới. Trong bố cục này, các lớp linh hoạt được tạo ra bằng cách uốn cong thay vì tạo nếp gấp cố định. Chú ý đến việc sử dụng hướng dẫn công việc ngang trong trình chỉnh sửa PCB; điều này cho phép thiết kế chính xác đường viền của bảng dựa trên chu vi cong của các phần mạch linh hoạt tại chỗ. Nó cũng cho phép đặt chính xác các đường gấp mạch linh hoạt trong Chế độ Lập Kế Hoạch Bảng trong trình chỉnh sửa PCB, điều này cho phép mô phỏng chính xác sự uốn cong mạch linh hoạt trong chế độ 3D.

Bố cục PCB cho một thiết kế linh hoạt động xoay. Các dải linh hoạt có thể được gắn vào một vỏ cố định hoặc một thành phần khác sẽ quay cùng với trục chính trong bộ lắp ráp.

Trong ví dụ này, một động cơ bước được lắp vào một bộ lắp ráp sao cho động cơ và bảng mạch in điều khiển của nó sẽ chuyển động, trong khi trục sẽ đứng yên. Các mạch linh hoạt được thiết kế để kết thúc ở các đầu cực đoan với một bộ lắp ráp cơ sở cố định và được gấp thành hình trụ, gấp đôi lại để cho phép chuyển động hai chiều. Các hình ảnh 3D của thiết kế này được hiển thị bên dưới.

Xem 3D của bảng điều khiển động cơ bước có khả năng xoay. Cánh tay dài hơn sẽ cho phép xoay động cơ và bảng điều khiển của nó nhiều hơn 360°.

Hiển thị toàn bộ cụm đã gấp lại, bao gồm cả thân 3D của động cơ bước.

Chúng ta có thể thấy hướng di chuyển và các điểm kết thúc mạch linh hoạt được neo để cho bạn biết cụm này sẽ hoạt động như thế nào. Loại bố trí này làm cho việc đạt được khả năng xoay nhiều hơn 360° trở nên tương đối dễ dàng. Ví dụ này là giả định và cho thấy một động cơ bước, mặc dù thiết kế này sẽ rất phù hợp với các ứng dụng cảm biến xoay. Các phần cứng-linh hoạt đã kết thúc cũng có thể được gắn vào một số thành phần trên vỏ, miễn là vỏ đang xoay, cung cấp một cách đơn giản để tạo kết nối trở lại với phần bảng điều khiển cứng.

Ví dụ Ứng dụng Flex Cố định

Điện từ Phẳng (Biến áp và Cuộn cảm)

Việc sử dụng mạch linh hoạt và mạch kết hợp linh hoạt-cứng cho từ tính phẳng tích hợp đang ngày càng trở nên phổ biến. Sử dụng mạch linh hoạt cho từ tính phẳng có một số ưu điểm rõ ràng. Phim polyImide có độ dày cho phép cách ly rất cao giữa các vòng dây, cũng như độ ổn định nhiệt độ cao làm cho nó phù hợp với quy trình đổ keo nhiệt. Xét về mặt tổn thất; việc sử dụng dấu vết đồng khắc yêu cầu các dấu vết phải rộng hơn, nhưng điều này có thể dễ dàng giảm tổn thất dòng xoáy vì trở kháng bổ sung từ hiệu ứng da sẽ được giảm bớt.

Các vòng solenoid không cuộn của một cuộn cảm bốn dây.

Một sơ đồ nhập và xuất thú vị cho một cuộn cảm lõi không khí cuộn được hiển thị bên dưới. Trong lắp ráp mạch PCB linh hoạt này, cuối của mỗi vòng dây chồng lên đầu của vòng dây tiếp theo. Điều này có thể được thực hiện để tăng số vòng so với việc chỉ có nhiều vòng dây riêng biệt.

Vòng dây cuộn cảm cuộn.

18 Lớp với Giá của 2

Sự mở rộng tự nhiên của khái niệm này là bao gồm một số lớp linh hoạt trong thiết kế bộ chuyển đổi của bạn với ý định gấp chúng lên nhau. Trong ví dụ dưới đây, một thiết kế máy biến áp mạch linh hoạt 2 lớp được hiển thị, nơi một lõi ferrite phẳng E18 duy nhất ló ra qua các lỗ cắt ở khu vực kết thúc (phía bên trái). Ý tưởng này có thể được mở rộng một cách tùy ý (mặc dù có giới hạn thực tế về độ dày của bảng gấp cuối cùng). Trong hình 11, các lớp đồng trên và dưới trên mạch linh hoạt hai mặt tạo ra 18 lớp có thể sử dụng cho cuộn dây máy biến áp.

Xung quanh mỗi lỗ cắt ở chân giữa của lõi, bạn có thể tạo một vòng quay cho cuộn cảm. Việc uốn mạch quanh một chân bên sẽ cho bạn nửa vòng quay, trong khi đường trở lại cung cấp nửa vòng quay còn lại trong một cuộn dây máy biến áp; cùng nhau, các phần dẫn gấp lại tạo thành một bộ vòng dòng điện xếp chồng lên nhau có thể tạo ra và nhận một trường từ.

Quan sát từ trên cao của một máy biến áp mạch linh hoạt. Một cuộn dây dòng điện nặng được hiển thị trên lớp trên cùng, và sáu cuộn dây dòng điện nhẹ hơn được định tuyến trên lớp dưới cùng.

Điều này có thể gây nhầm lẫn, bởi vì bạn phải theo dõi hướng quấn đúng đắn đối với mỗi phần gấp liên quan đến hình học lõi ferrite. Xét rằng toàn bộ mạch linh hoạt này sẽ được gấp vuông góc, tôi đã thêm các mũi tên trên lớp Cơ khí 1 của thiết kế hướng ngược lại với mỗi lớp quấn liền kề để nhắc nhở tôi định tuyến đồng theo hướng nào. Điều này được hiển thị bên dưới để rõ ràng.

Lớp Cơ khí 1 hiển thị đường viền bảng và mũi tên hướng quấn cho hướng dẫn.

Bộ lõi và mạch linh hoạt cuối cùng được hiển thị bên dưới. Lưu ý rằng điều này có thể được tích hợp trong thiết kế cứng-linh hoạt nơi phần lớn mạch nằm trên một Bảng Mạch In cứng 2 lớp, với phần linh hoạt được sử dụng để có thêm các lớp cần thiết cho tất cả các cuộn lõi. Tất nhiên, sẽ có sự đánh đổi chi phí giữa việc sử dụng một khu vực linh hoạt lớn so với việc chỉ thêm hàng đống lớp vào một thiết kế chỉ cứng.

Biến áp hoàn toàn gấp lại, với mô hình 3D của lõi từ Ferroxcube E18 ferrite qua các lỗ cắt.

Đa Lớp Cứng-Linh Hoạt

Đối với nhiều thiết kế quân sự, hàng không vũ trụ, hoặc các thiết kế tương tự có mật độ cao yêu cầu lắp ráp chắc chắn, gọn gàng trong không gian hẹp, việc sử dụng nhiều lớp mạch linh hoạt giữa các khu vực bảng mạch cứng là điều khó tránh khỏi. Điều này càng trở nên cần thiết với các thiết kế số tốc độ cao, do nhu cầu về lớp chắn hoặc lớp mặt phẳng giữa các bus đi qua các khu vực linh hoạt. Thách thức ở đây là phải duy trì một mức độ linh hoạt tốt. Số lượng lớp mạch linh hoạt phải được giữ ở mức tối thiểu, thường là hai lớp đồng trên một nền polyimide đơn với lớp phủ polyimide.

Trong các thiết kế “bình thường”, chiều dài của các phần mạch linh hoạt là như nhau đối với các khu vực linh hoạt chồng lên nhau. Điều này có nghĩa là bạn sẽ kết thúc với tình huống được hiển thị dưới đây, nơi các nếp gấp có thể tạo ra áp lực đáng kể trong các khu vực linh hoạt giữa các bảng mạch cứng một khi được đặt vào lắp ráp cuối cùng.

Áp lực ở mạch linh hoạt bên ngoài, và sự nén của mạch bên trong, sẽ xảy ra khi nhiều lớp linh hoạt chồng lên nhau được thiết kế với cùng một chiều dài. Chú ý đến việc “bị ép ra” của hạt keo dùng trong thiết kế này, ngay tại nơi mạch linh hoạt nhập vào phần cứng.

Hầu hết các nhà sản xuất bảng mạch cứng-linh hoạt chuyên nghiệp tại thời điểm này sẽ khuyên bạn sử dụng cấu trúc "bookbinder". Cấu trúc bookbinder là một phương pháp khả thi, nơi mà bán kính tự nhiên của các đoạn uốn mạch linh hoạt được sử dụng để xác định chiều dài chính xác cho mỗi sự kết hợp mạch linh hoạt và lớp nền trong chồng lớp. Một ví dụ minh họa về khái niệm này được hiển thị trong đoạn trích IPC-2223b dưới đây.

Cấu trúc bookbinder [Nguồn: IPC-2223B, 2008 p26].

Bạn có thể ngay lập tức nhận ra phương pháp này sẽ tốn kém và tăng thách thức trong thiết kế. Thường thì, một lựa chọn tốt hơn là sử dụng cùng một chiều dài và bán kính cho các mạch linh hoạt, nhưng tách biệt các lớp mạch linh hoạt khác nhau sao cho chúng không chồng lên nhau. Một ví dụ về điều này được hiển thị dưới đây.

Cấu trúc bookbinder thay thế. Bình thường, các phần linh hoạt có thể chồng lên nhau và sẽ yêu cầu các chiều dài khác nhau để duy trì áp lực/độ co thấp. Trong lựa chọn thay thế này, các phần linh hoạt được đặt ở các khu vực khác nhau xung quanh mép của các phần cứng sao cho chúng không còn cần phải chồng lên nhau.

Uốn Cực Kỳ Chặt Mà Không Làm Giảm Số Lớp

Với một số lựa chọn thiết kế sáng tạo dọc theo khu vực uốn, có thể tạo ra các đoạn uốn cực kỳ chặt mà không mất đi lớp đồng.

Bảng mạch nhỏ dưới đây sử dụng một dải ribbon hình chữ "S" để định hình các khúc cua và giảm bán kính cua tối thiểu dọc theo cạnh của các khu vực được cứng hóa. Trong bức ảnh này không thấy được, nhưng có các linh kiện được lắp đặt trên các phần mà phía sau bảng mạch đã được dán một lớp cứng mỏng.

Đạt được bán kính cua 180° với nhiều lớp đồng.

Khái niệm này có thể được mở rộng theo nhiều hướng. Thiết kế PCB dưới đây là một bảng hiển thị PCB cực kỳ linh hoạt. Bạn có thể thấy nhiều LED được sắp xếp thành ma trận trên các phần rộng, cứng hơn. Toàn bộ bộ phận chỉ cứng ở những phần đó do số lượng lớn các lớp đồng và lớp phim PI được ép lại với nhau. Một lần nữa, việc sử dụng các khúc cua hình chữ S giữa những khu vực ma trận LED cho phép bộ phận này dễ dàng uốn cong vào một vỏ nhà hình cầu.

Mảng uốn linh hoạt X-Y hình chữ S.

Hãy áp dụng khái niệm này xa hơn nữa, và bạn sẽ có thiết kế gọn gàng được hiển thị bên dưới. Các phần mạch linh hoạt trong ví dụ này chứa 8 lớp. Những mạch linh hoạt như vậy thường sẽ không còn linh hoạt nếu được đặt như các dải trực tiếp giữa các phần cứng. Tuy nhiên, việc sử dụng vô số các đường cong hình chữ S (chú ý rằng các lớp vật liệu linh hoạt phía trên đều là đồng nguyên chất để chống nhiễu!) cho phép nó đủ linh hoạt để đi vào vỏ máy cuối cùng, ngay cả khi có hàng trăm kết nối bộ nhớ và hiển thị tốc độ cao.

8 Lớp linh hoạt, cộng thêm 4 lớp PCB cứng khác. Chú ý lớp trên cùng của linh hoạt hoàn toàn là đổ đồng để chống nhiễu. Cũng chú ý đến lớp keo bảo vệ xung quanh các cạnh của giao diện cứng-linh hoạt.

Thiết kế cho bất kỳ ứng dụng PCB cứng-linh hoạt nào trở nên dễ dàng với bộ đầy đủ các tính năng thiết kế và sản xuất PCB trong Altium Designer®. Khi bạn sẵn sàng phát hành dữ liệu thiết kế cho nhà sản xuất của mình, bạn có thể dễ dàng chia sẻ và hợp tác trên các thiết kế của mình thông qua nền tảng Altium 365™. Mọi thứ bạn cần để thiết kế và sản xuất điện tử tiên tiến đều có thể tìm thấy trong một gói phần mềm.

Chúng ta mới chỉ khám phá được bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.