Phương pháp thiết kế mạch in linh hoạt tốt nhất

Nhiều Lớp Phụ Linh hoạt

Trong khi có thể xây dựng hầu như bất kỳ cấu trúc nào với các phần cứng và linh hoạt, nó có thể trở nên cực kỳ tốn kém nếu bạn không cẩn thận xem xét các bước sản xuất và tính chất của vật liệu liên quan. Một khía cạnh quan trọng của mạch linh hoạt cần nhớ là sự căng thẳng trong vật liệu xảy ra khi mạch uốn cong. Đồng, là một kim loại không chứa sắt, được biết đến là dễ bị cứng do làm việc, và rạn nứt do mệt mỏi sẽ xảy ra cuối cùng với việc uốn lặp đi lặp lại và bán kính cong chặt. Một cách để giảm thiểu điều này là chỉ sử dụng mạch linh hoạt một lớp, trong trường hợp này đồng nằm ở trung tâm của bán kính cong trung bình và do đó lớp phim nền và lớp phủ nằm trong sự nén và căng lớn nhất, như được hiển thị dưới đây.

Theo cùng một hướng, việc có nhiều mạch linh hoạt riêng biệt thường là cần thiết, nhưng tốt nhất là tránh có các đoạn uốn tại các phần chồng lên nhau nơi chiều dài của các phần linh hoạt giới hạn bán kính cong. Vì polyimide rất đàn hồi nên điều này không phải là vấn đề, và sẽ kéo dài thời gian sử dụng nhiều hơn dưới sự chuyển động lặp đi lặp lại so với nhiều lớp đồng. Đồng nằm ở trung tâm của bán kính cong trung bình và do đó lớp phim nền và lớp phủ nằm trong sự nén và căng lớn nhất.

Đối với các mạch uốn lặp đi lặp lại nhiều lần, tốt nhất là sử dụng đồng RA trong mạch linh hoạt đơn lớp để tăng tuổi thọ mệt mỏi (số chu kỳ trước khi hỏng) của đồng trong mạch.

Hạt Dính, Cứng Hóa và Kết Thúc

Có những lúc bạn cần xem xét việc sử dụng các bộ cứng hóa ở nơi mạch linh hoạt ra khỏi bảng mạch cứng. Thêm một hạt epoxy, acrylic hoặc keo nóng chảy sẽ giúp cải thiện tuổi thọ của bộ lắp ráp. Nhưng việc phân phối những chất lỏng này và làm cho chúng đông cứng có thể thêm các bước lao động vào quy trình sản xuất, làm tăng chi phí. Như mọi khi với thiết kế PCB, luôn có sự đánh đổi.

Phân phối chất lỏng tự động có thể được sử dụng, nhưng bạn cần phải thực sự cẩn thận để hợp tác với các kỹ sư lắp ráp để đảm bảo bạn không kết thúc với những giọt keo rơi dưới bộ lắp ráp. Trong một số trường hợp, keo phải được áp dụng bằng tay, điều này thêm thời gian và chi phí. Dù bằng cách nào, bạn cần cung cấp tài liệu rõ ràng cho những người làm việc về chế tạo và lắp ráp.

Các đầu cực của mạch linh hoạt thường kết thúc với một bộ kết nối nếu không phải là lắp ráp bảng mạch cứng chính. Trong những trường hợp này, điểm kết thúc có thể được áp dụng một tấm cứng hóa (nhiều polyimide dày với keo, hoặc FR-4). Nhìn chung, việc để các đầu của mạch linh hoạt được nhúng trong phần mạch cứng-linh hoạt cũng là một lựa chọn tiện lợi.

Bảng Mạch PCB Cứng-Linh Hoạt

Mạch cứng-linh hoạt được giữ lại cùng nhau trong bảng của nó cho quá trình lắp ráp, để các linh kiện có thể được đặt và hàn vào phần kết thúc cứng. Một số sản phẩm yêu cầu linh kiện cũng được gắn trên mạch linh hoạt ở một số khu vực, trong trường hợp đó, bảng phải được lắp ráp với các khu vực cứng thêm để hỗ trợ mạch linh hoạt trong quá trình lắp ráp. Những khu vực này không được dính vào mạch linh hoạt và được cắt ra bằng một mũi khoan độ sâu kiểm soát (với “cắn chuột”) và cuối cùng được đục ra bằng tay sau khi lắp ráp.

Ví dụ về bảng mạch PCB cứng-linh hoạt. Lưu ý rằng cái này có cạnh bảng trước và sau, và mạch linh hoạt, được cắt ra. Các cạnh cứng được rãnh V để tách ra sau này. Điều này sẽ tiết kiệm thời gian trong quá trình lắp ráp vào vỏ (nguồn: YYUXING Shenzhen Electronics Co., LTD.).

Dễ dàng nhìn vào những vấn đề của thiết kế lớp chồng, vị trí đặt linh kiện, và cắt lỗ và nghĩ rằng chúng ta đã hiểu hết các vấn đề. Nhưng hãy nhớ rằng mạch linh hoạt có một số đặc tính vật liệu khó chịu. Những đặc tính này bao gồm từ hệ số giãn nở trục z tương đối cao của keo dán, đến độ bám dính thấp hơn của đồng với nền PI và lớp phủ, đến việc đồng cứng lại và mệt mỏi. Những điều này có thể được bù đắp phần lớn bằng cách tuân theo một số Điều nên làm và không nên làm.

Giữ cho Mạch Linh hoạt Luôn Linh hoạt

Điều này có vẻ hiển nhiên, nhưng đáng để nói. Quyết định xem bạn cần bao nhiêu độ linh hoạt ngay từ đầu, và liệu việc uốn cong có cần được lặp lại, hay nếu thiết kế sẽ có một độ cong cố định. Nếu các phần mạch linh hoạt của bạn chỉ được gấp lại trong quá trình lắp ráp và sau đó để cố định - như trong một thiết bị siêu âm cầm tay - thì bạn có nhiều tự do hơn trong số lượng lớp, loại đồng (RA hoặc ED) và vân vân mà bạn có thể sử dụng. Ngược lại, nếu các phần mạch linh hoạt của bạn sẽ liên tục di chuyển, uốn cong hoặc cuộn lại, thì bạn nên giảm số lượng lớp cho mỗi phần chồng linh hoạt, và chọn các nền không dùng keo.

Sau đó, bạn có thể sử dụng các phương trình tìm thấy trong IPC-2223 (Phương trình 1 cho một mặt, Phương trình 2 cho hai mặt, v.v.) để xác định bán kính uốn tối thiểu cho phép của bạn cho phần linh hoạt, dựa trên sự biến dạng của đồng được cho phép và đặc tính của các vật liệu khác.

Phương trình ví dụ này dành cho phần linh hoạt một mặt. Nó có thể được sử dụng với một PCB linh hoạt đã lắp ráp, mặc dù bạn có thể làm căng điểm hàn trên chân linh kiện nếu dòng uốn không được đặt đúng vị trí. Bạn cần chọn EB dựa trên ứng dụng mục tiêu, với 16% cho việc lắp đặt nếp gấp đơn của đồng RA, 10% “uốn để lắp đặt” và 0.3% cho thiết kế linh hoạt “động” (Nguồn: IPC-2223B, 2008 http://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf). Tại đây, động có nghĩa là uốn và cuộn liên tục trong quá trình sử dụng sản phẩm, như kết nối bảng TFT trên một máy DVD di động.

Không Uốn Ở Góc và Sử Dụng Đường Dẫn Cong

Thông thường, tốt nhất là giữ cho các đường dẫn bằng đồng vuông góc với điểm uốn của mạch linh hoạt. Tuy nhiên, có một số tình huống thiết kế mà việc này không thể tránh khỏi. Trong những trường hợp đó, hãy giữ cho công việc đường dẫn càng uốn lượn nhẹ nhàng càng tốt, và tùy theo thiết kế sản phẩm cơ khí, bạn có thể sử dụng các đường cong bán kính hình nón. Cũng như hình dưới đây, tốt nhất là tránh các đường dẫn góc cứng đột ngột, và thậm chí tốt hơn là sử dụng các góc 45° cứng, hãy định tuyến các đường dẫn với chế độ góc cung. Điều này giảm bớt căng thẳng trong đồng khi uốn.

Vị trí uốn ưu tiên.

Không Thay Đổi Độ Rộng Đột Ngột

Mỗi khi bạn có một đường dẫn đi vào một pad, đặc biệt là khi có một hàng được căn chỉnh như trong một bộ kết thúc mạch linh hoạt (như hình dưới), điều này sẽ tạo thành một điểm yếu nơi đồng sẽ bị mệt mỏi theo thời gian. Trừ khi có một bộ cứng được áp dụng hoặc một nếp gấp một lần gần chuyển đổi độ rộng đường dẫn, thì việc giảm dần từ các pad (gợi ý: đặt giọt nước trên các pad và vias trong mạch linh hoạt!)

Sự thay đổi độ rộng đường dẫn và việc nhập pad có thể gây ra điểm yếu.

Hãy Thêm Hỗ Trợ cho Các Pad

Đồng trên mạch linh hoạt có khả năng tách rời khỏi nền polyimide do những áp lực lặp đi lặp lại liên quan đến việc uốn cong, cũng như độ bám dính thấp hơn của đồng với nền (so với FR-4). Do đó, việc cung cấp hỗ trợ cho đồng tiếp xúc là đặc biệt quan trọng. Các lỗ vias được hỗ trợ một cách vốn có vì lớp phủ qua lỗ cung cấp một neo cơ học phù hợp từ lớp linh hoạt này sang lớp linh hoạt khác. Chính vì lý do này (cũng như sự giãn nở theo trục z) mà nhiều nhà sản xuất sẽ khuyến nghị thêm lớp phủ qua lỗ lên đến 1.5 mils cho mạch cứng-linh hoạt và mạch linh hoạt, ngoài lớp phủ thông thường trên bảng mạch cứng. Các bản đệm gắn bề mặt và các bản đệm không phủ qua lỗ được coi là không được hỗ trợ, và cần các biện pháp bổ sung để ngăn chặn sự tách rời.

Hỗ trợ các bản đệm qua lỗ trong mạch linh hoạt với lớp phủ, neo giữ, và giảm kích thước lỗ truy cập của lớp phủ bảo vệ.

Các pad linh kiện SMT là một trong những bộ phận dễ bị tổn thương nhất, đặc biệt là khi mạch linh hoạt có thể bị uốn cong dưới chân cứng và lớp hàn của linh kiện. Sắp xếp pad và đường mạch dưới đây cho thấy cách sử dụng lỗ mở "mặt nạ" coverlay để neo giữ pad ở hai bên sẽ giải quyết vấn đề. Để làm điều này mà vẫn cho phép lượng hàn đúng mức, pad phải to hơn một chút so với kích thước chân đế trên bảng mạch cứng thông thường. Điều này rõ ràng làm giảm mật độ lắp đặt linh kiện trên mạch linh hoạt, nhưng bản chất mạch linh hoạt không thể dày đặc như mạch cứng.

Lỗ mở coverlay cho gói SOW cho thấy việc neo giữ ở mỗi đầu của mỗi pad.

Trong phần mềm thiết kế PCB của bạn, không có lớp "coverlay" cụ thể; bạn sẽ phải sử dụng một lớp mặt nạ để xác định lỗ mở coverlay xung quanh các pad. Điều này có thể được thực hiện trong lớp hàn trên cùng trong phần mạch linh hoạt; chỉ cần đặt một lỗ mở trong lớp mặt nạ để xác định lỗ mở coverlay, giống như bạn sẽ làm với mặt nạ hàn. Các pad trên chân đế cũng cần được chỉnh sửa để đảm bảo lắp ráp chính xác và thêm đủ lớp phủ bổ sung cho việc neo giữ. Một ví dụ cho chân đế linh kiện 0603 được hiển thị dưới đây.

Trong bản vẽ này, kích thước pad và lớp hàn trên cùng được sử dụng để chỉ ra cách đặt pad cho linh kiện SMD bị động và lỗ mở coverlay nên được đặt như thế nào để lắp đặt trên PCB cứng-linh hoạt. Mẫu land trên cùng dành cho gói 0603 tiêu chuẩn, trong khi phía dưới là bản vẽ chân của cùng một linh kiện, nhưng với lỗ mở coverlay đã được chỉnh sửa.

Cho phép Ép Ra

Khi coverlay được ép lên trên đồng và chất nền, một số keo dính sẽ thể hiện “ép ra” từ bất kỳ lỗ mở coverlay nào xung quanh pad khi coverlay được áp dụng. Để cho phép ép ra, pad land và lỗ truy cập phải đủ lớn để cho phép một số keo dính rò rỉ ra ngoài trong khi vẫn giữ đủ đồng tiếp xúc để tạo ra một fillet hàn chắc chắn. IPC-2223 khuyến nghị 360° ướt hàn xung quanh lỗ cho thiết kế độ tin cậy cao và 270° cho thiết kế flex độ tin cậy vừa phải.

Chọn kích thước pad và lỗ mở coverlay để cho phép keo dính ép ra.

Định Tuyến Flex Hai Mặt

Đối với mạch linh hoạt hai mặt động, hãy tránh đặt các đường mạch chồng lên nhau theo cùng một hướng. Thay vào đó, hãy xếp chúng lệch nhau qua các lớp kề nhau để chúng không chồng chéo. Điều này giảm căng thẳng trên các đường mạch khi đồng được phân bố đều hơn giữa các lớp đồng (xem bên dưới). Trong trường hợp các đường mạch bị chồng chéo, một trong các lớp sẽ trải qua căng thẳng nhiều hơn khi uốn cong vì các lớp đẩy lẫn nhau. Việc xếp lệch giúp phân tán căng thẳng trên toàn bộ nền linh hoạt sao cho sự phân bố căng thẳng trên các đường mạch gần như đồng đều.

Không khuyến khích sử dụng các đường mạch đồng ở lớp kề nhau (hình trên). Thay vào đó, hãy xếp lệch các đường mạch ở các lớp khác nhau để giảm căng thẳng trên các đường mạch khi bộ phận được uốn cong.

Sử Dụng Đa Giác Lưới

Đôi khi cần thiết phải dẫn một mặt đất hoặc mặt nguồn trên mạch linh hoạt. Sử dụng các lớp đồng rắn là được, miễn là bạn không quan tâm đến việc giảm đáng kể khả năng linh hoạt, và khả năng đồng bị gấp khúc dưới các góc uốn chặt. Nói chung, tốt nhất là sử dụng các đa giác lưới để giữ mức độ linh hoạt cao.

Một đa giác lưới bình thường vẫn có sự căng thẳng đồng mạch chịu ảnh hưởng nặng nề ở các hướng góc 0°, 90° và 45°, do sự sắp xếp của các đường lưới và hình ‘X’. Một mẫu lưới tối ưu hơn về mặt thống kê sẽ là hình lục giác. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một lớp mặt phẳng âm và một mảng các anti-pad hình lục giác, nhưng bạn có thể nhanh chóng xây dựng mẫu lưới được hiển thị dưới đây bằng cách cắt và dán các phần.

Sử dụng các đa giác lưới hình lục giác có thể phân tán đều các áp lực căng trải qua ba góc.

Đặt Via

Đối với các khu vực đa lớp linh hoạt, đôi khi có thể cần phải đặt via để chuyển tiếp giữa các lớp. Nếu có thể, việc không đặt via được khuyến nghị, vì chúng có thể nhanh chóng mệt mỏi trong chuyển động uốn cong. Cũng cần thiết phải giữ ít nhất 20 mils (khoảng ½ mm) khoảng cách giữa vòng đồng của via gần nhất với giao diện bảng cứng-linh hoạt. Các quy tắc về khoảng cách mép bảng có thể tự động xử lý điều này trong trình chỉnh sửa CAD PCB.

Về nhu cầu đặt vias - nếu bạn cần phải có vias trong mạch linh hoạt, hãy sử dụng “phòng” để xác định các khu vực mà bạn biết sẽ không có sự uốn cong và sử dụng quy tắc thiết kế của trình chỉnh sửa PCB để chỉ cho phép đặt vias ở những khu vực cố định đó. Một phương án khác là sử dụng trình quản lý xếp lớp để định nghĩa các phần “cứng” cuối cùng là linh hoạt nhưng được dán một vật liệu cứng điện mô cố định vào chúng.

Định nghĩa Cắt và Góc Linh Hoạt

Nếu bạn cần tạo một lỗ cắt hoặc khe trên phần linh hoạt của bảng mạch, lỗ cắt đó nên được kết thúc một cách đúng đắn. IPC khuyến nghị kết thúc bằng các phần tròn với bán kính lớn hơn 1.5 mm (khoảng 60 mil) để giảm nguy cơ rách vật liệu nền linh hoạt tại các góc. Quy tắc ở đây, về bản chất, là bất cứ khi nào bạn có một góc trong (một góc cạnh mạch linh hoạt với góc nhỏ hơn 180°), luôn sử dụng một góc cong tiếp tuyến với bán kính lớn hơn 1.5 mm. Nếu góc đó nhỏ hơn nhiều (càng nhọn) so với 90° thì hãy tạo một đường cong tròn được cắt ra từ nó. Điều tương tự áp dụng cho các khe và rãnh trên phần linh hoạt - đảm bảo rằng có một lỗ giảm áp được thiết kế ở mỗi đầu với đường kính 3 mm (1/8 inch) hoặc hơn. Một ví dụ về điều này được hiển thị bên dưới.

Các khe, rãnh và góc trong nên có lỗ giảm nước mắt hoặc đường cong tiếp tuyến với bán kính tối thiểu 1.5mm.

Đây không phải là một bộ hướng dẫn kỹ thuật hoàn chỉnh cho việc thiết kế mạch in linh hoạt, nhưng những lời khuyên này nên giúp bạn bắt đầu với nhiều sản phẩm. Nếu bạn bao giờ cảm thấy không chắc chắn, nhà sản xuất của bạn nên sẵn lòng cung cấp cho bạn các hướng dẫn DFM cho bảng mạch linh hoạt của bạn, hoặc cho các phần linh hoạt trong một PCB cứng-linh hoạt.

Khi bạn sẵn sàng bắt đầu thiết kế mạch in linh hoạt cho sản phẩm tiếp theo của mình, hãy sử dụng bộ đầy đủ các tính năng CAD 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 có thể được tìm thấy trong một gói phần mềm.

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