Thiết kế PCB rigid-flex: Hướng dẫn về ràng buộc cơ khí, cấu trúc stackup và độ tin cậy

Thiết kế PCB rigid-flex liên quan đến việc tích hợp vật liệu mạch mềm với các phần cứng để tạo ra những kiểu thiết kế độc đáo. Mục tiêu thường là đưa thiết kế vào các vỏ máy phức tạp, các dạng hình học nhỏ gọn hoặc có thể gập lại, hay các vỏ máy có bộ phận chuyển động. PCB rigid-flex đòi hỏi một cách tiếp cận khác với thiết kế bo cứng tiêu chuẩn, nhưng trong một số trường hợp chúng mang lại độ tin cậy cao hơn và cho phép triển khai những chức năng khó đạt được nếu chỉ dùng đầu nối và cáp.

Nếu bạn chưa từng chế tạo PCB mềm hoặc PCB rigid-flex, các hướng dẫn này sẽ giúp bạn tạo ra các bo flex và rigid-flex có chức năng độc đáo, đồng thời vẫn đáp ứng các yêu cầu DFM từ đa số nhà sản xuất. Cấu trúc chồng lớp PCB cho thiết kế rigid-flex cũng có thể khá thách thức, vì vậy chúng tôi sẽ cung cấp hướng dẫn về các kiểu stackup khác nhau, bao gồm cả cách sử dụng stiffener đúng cách.

Các loại thiết kế rigid-flex và stackup PCB

Các loại thiết kế rigid-flex khác nhau luôn được xác định bởi stackup PCB, vì chính yếu tố này sẽ tạo nên chức năng trong một PCB rigid-flex. Dưới đây là danh sách ngắn về các kiểu thiết kế PCB rigid-flex khác nhau cùng một số hình ảnh minh họa những gì có thể thực hiện được.

• Rigid-flex tích hợp: loại rigid-flex phổ biến nhất, trong đó phần flex được ép lớp vào stackup PCB
• Rigid-flex có stiffener: thay vì ép lớp vùng flex vào stackup, một tấm prepreg được dùng để gia cường phần flex tại các khu vực cụ thể
• PCB hoàn toàn mềm, hoặc FPC: thiết kế không có bất kỳ phần cứng nào, thường được dùng để thay thế cáp
• Rigid-flex kiểu gáy sách: thiết kế có nhiều vùng flex chồng lấp, có thể gập chồng lên nhau
• Rigid-flex uốn động: thiết kế rigid-flex được tạo ra để chịu uốn lặp lại trong quá trình vận hành
• Rigid-flex HDI: thiết kế có microvia khoan laser ở phần cứng, phần flex hoặc cả hai
• Rigid-flex trong suốt: thiết kế sử dụng vật liệu mềm hoàn toàn trong suốt kết hợp với stackup cứng hoặc stiffener
• Rigid-flex nền PTFE: thiết kế rigid-flex sử dụng lõi PTFE và bondply để tạo nên phần cứng của stackup

Thiết kế rigid-flex có thể có nhiều vùng nơi phần flex phân nhánh. Các nhánh này có thể kết thúc tại đầu nối, một phần cứng khác, stiffener, gold finger hoặc một mạch được lắp trên vùng flex. Một ví dụ phức tạp được minh họa bên dưới.

Các cụm lắp ráp PCB rigid-flex có thể có nhiều nhánh và nhiều phần cứng.

Các ràng buộc cơ khí đối với thiết kế rigid-flex

Cố định

Thiết kế rigid-flex thường cần được cố định vào vỏ máy, có thể thực hiện bằng vít hoặc ngàm cài. Một số phương pháp cố định cũng sử dụng giá đỡ trượt để giữ phần flex hoặc phần cứng đúng vị trí. Điều này thường đòi hỏi các lỗ lắp để giữ cụm rigid-flex cố định.

Biến dạng vĩnh viễn

Trong một số cụm rigid-flex, dải flex được uốn cong vĩnh viễn hoặc tạo nếp trong quá trình lắp đặt để bo mạch cuối cùng giữ nguyên hình dạng bên trong vỏ máy. Đây là các ứng dụng flex tĩnh, nơi chỗ uốn chỉ được tạo một lần và dải flex không còn chuyển động trong quá trình vận hành. Khi đã dự kiến trước biến dạng vĩnh viễn này, nhà thiết kế nên xác định vùng nếp gấp hoặc vùng gập trong bố cục PCB bằng các khu vực keepout. Các keepout này ngăn không cho linh kiện, via và đường mạch được đặt trong vùng sẽ xảy ra uốn, vì các đặc tính đồng trong vùng nếp gấp phải chịu ứng suất cơ học tập trung, có thể làm nứt đường mạch hoặc gãy mối hàn theo thời gian. Việc xác định các keepout này sớm trong quá trình layout, lý tưởng nhất là dựa trên mô hình MCAD của vỏ máy, sẽ đảm bảo dải flex có thể được gập vào vị trí cuối cùng mà không gặp va chạm ngoài dự kiến.

Giới hạn uốn

Sự khác biệt giữa uốn tĩnh và uốn động là ràng buộc chính chi phối bán kính uốn tối thiểu cho phép trong thiết kế rigid-flex. Uốn tĩnh xảy ra khi dải flex chỉ bị uốn một lần hoặc một số ít lần trong quá trình lắp đặt, sau đó giữ nguyên ở vị trí cố định trong suốt vòng đời sản phẩm. Uốn động xảy ra khi dải flex phải chịu uốn lặp đi lặp lại liên tục trong quá trình vận hành bình thường, chẳng hạn như trong bản lề, khớp robot hoặc thiết bị đeo. Bán kính uốn tối thiểu được xác định như một bội số của tổng chiều dày phần flex tại vùng uốn. Với các ứng dụng flex tĩnh, bán kính uốn tối thiểu thường được chấp nhận là 6 lần chiều dày phần flex, trong đó 10 lần là điểm khởi đầu thận trọng hơn và được khuyến nghị rộng rãi. Với các ứng dụng flex động, bán kính uốn yêu cầu tăng lên đáng kể, thường tới 100 lần chiều dày phần flex, tùy thuộc vào số chu kỳ uốn dự kiến trong suốt vòng đời sản phẩm.

Ví dụ tính toán: xét một vùng flex bốn lớp dày 11 mil trong ứng dụng tĩnh. Theo hướng dẫn thận trọng 10x:

Rmin = 10T = 10×11 mils = 110 mils

Theo hướng dẫn tối thiểu 6x:

Rmin = 6T = 6×11 mils = 66 mils

Nếu cùng vùng flex dày 11 mil này được dùng trong ứng dụng động đòi hỏi tuổi thọ chu kỳ cao, bán kính uốn sẽ cần tăng lên xấp xỉ:

Rmin = 100T = 100×11 mils = 1100 mils

Điều này cho thấy không gian cơ khí cần thiết tăng nhanh như thế nào khi một vùng flex phải chịu được uốn lặp lại. Đồng mỏng hơn (nửa ounce hoặc một phần ba ounce), đồng cán ủ mềm và laminate không keo đều giúp cải thiện tuổi thọ uốn, nhưng chúng không loại bỏ yêu cầu phải tuân thủ giới hạn bán kính uốn.

Các giới hạn uốn này tạo ra mối liên hệ trực tiếp giữa stackup PCB rigid-flex và thiết kế cơ khí của vỏ máy. Nếu hình học vỏ máy được xác định trước, không gian sẵn có để dải flex uốn sẽ quyết định chiều dày flex tối đa và bán kính uốn tối thiểu mà nhà thiết kế PCB có thể sử dụng. Ngược lại, nếu stackup được xác định trước dựa trên các yêu cầu điện như số lớp, trở kháng hoặc trọng lượng đồng, thì chiều dày flex tạo ra sẽ áp đặt một bán kính uốn tối thiểu mà nhà thiết kế cơ khí phải đáp ứng trong vỏ máy.

Trong thực tế, điều này có nghĩa là stackup PCB và hình học vỏ máy phải được phát triển đồng thời. Một vùng flex bốn lớp đáp ứng yêu cầu điện có thể quá dày để uốn trong thể tích vỏ máy hiện có, buộc phải đánh đổi giữa số lớp, trọng lượng đồng và khoảng hở cơ khí. Sự phối hợp sớm giữa nhóm thiết kế điện và cơ khí, lý tưởng nhất là thông qua các công cụ ECAD-MCAD collaboration được đồng bộ hóa, sẽ ngăn ngừa các xung đột ở giai đoạn cuối khi dải flex về mặt vật lý không thể lắp vừa vào vỏ máy mà không vi phạm giới hạn bán kính uốn.

Kiểm thử cơ khí và độ tin cậy trong PCB rigid-flex

Khi các ràng buộc cơ khí đã được xác định, các bài kiểm thử độ tin cậy điển hình thường được yêu cầu cho thiết kế hoặc cho toàn bộ sản phẩm. Khi đó có thể phát sinh câu hỏi về cách xác thực thiết kế rigid-flex về mặt cơ khí.

Phần mềm EDA không trực tiếp cung cấp kiểu xác thực này. Tuy nhiên, có hai cách để thực hiện:

• Kiểm thử thực tế: cụm lắp ráp có thể được đưa vào thử nghiệm rung, thử nghiệm môi trường, v.v. để xác minh độ tin cậy của PCB và toàn bộ cụm lắp ráp
• Mô phỏng: có thể sử dụng mô phỏng cơ khí để hiểu hành vi của cụm lắp ráp dưới rung động, sốc cơ học hoặc các điều kiện khắc nghiệt khác

Đối với phần mô phỏng, có thể đưa các thiết kế rigid-flex vào phần mềm MCAD mà không cần phụ thuộc vào việc trao đổi tệp. MCAD software thương mại có thể cung cấp mô phỏng rung, ứng suất/biến dạng và lắp ráp trên các thiết kế rigid-flex được tạo trong Altium Develop. Sử dụng tính năng MCAD CoDesigner nâng cao, người dùng có thể tạo bản sao số của thiết kế điện bên trong phần mềm MCAD thương mại. Sau đó, nhà thiết kế cơ khí có thể dùng bản sao này để tạo vỏ máy, kiểm tra va chạm, thậm chí đặt các linh kiện chính hoặc xác định các ràng buộc cơ khí của rigid-flex.

Tính năng Advanced MCAD CoDesigner cho phép người dùng Altium chuyển ngay bố cục PCB rigid-flex của họ sang các ứng dụng MCAD phổ biến.

Cách đưa các ràng buộc cơ khí vào thiết kế

Các ràng buộc cơ khí trong thiết kế rigid-flex thường liên quan đến việc khóa vị trí đặt của các linh kiện cụ thể và sử dụng keepout. Đôi khi, keepout được xác định dựa trên chiều cao linh kiện để tránh va chạm trong cụm lắp ráp. Trong phần mềm thiết kế PCB, các ràng buộc này được định nghĩa bằng các quy tắc thiết kế và các vùng keepout được vẽ trực tiếp trong bố cục PCB.

Định nghĩa quy tắc thiết kế cho các ràng buộc cơ khí

Altium Designer cung cấp hệ thống quy tắc thiết kế theo hướng ràng buộc, cho phép áp dụng trực tiếp các yêu cầu cơ khí trong quá trình layout. Các quy tắc khoảng cách, quy tắc bố trí và các ràng buộc theo từng vùng đều có thể được áp dụng cho các vùng bo mạch cụ thể, các stack lớp hoặc các lớp linh kiện, khiến chúng đặc biệt phù hợp với thiết kế rigid-flex, nơi các vùng khác nhau trên bo có những yêu cầu cơ khí hoàn toàn khác nhau. Các bước sau đây mô tả cách thiết lập các quy tắc thiết kế hỗ trợ việc xác định ràng buộc cơ khí trong bố cục rigid-flex.

• Quy trình thiết kế có thể trải từ giao diện bảng tính lấy đối tượng làm trung tâm đến các bộ máy quy tắc cổ điển dựa trên truy vấn để thiết lập phạm vi linh hoạt.
• Việc thực thi các yêu cầu cơ khí như khoảng cách và các ràng buộc kiểu vùng được thực hiện thông qua DRC tự động và các cấu trúc Room.
• Tối ưu hóa tính toàn vẹn tín hiệu bao gồm việc tinh chỉnh termination chính xác, kiểm soát trở kháng dựa trên stackup và đánh giá suy hao kênh bằng biểu đồ mắt và đáp ứng xung.
• Quản lý thư viện tập trung giúp giảm rủi ro thiết kế bằng cách tạo điều kiện tái sử dụng các symbol, footprint và các khối mạch đã được kiểm chứng.
• Khả năng sẵn sàng cho sản xuất phụ thuộc vào việc trao đổi sớm với nhà chế tạo về khả năng sẵn có của vật liệu, trọng lượng đồng và tỷ lệ khía cạnh của via.
• Các hệ thống PLM và MRP tích hợp cải thiện khả năng truy xuất và mức độ hiển thị chuỗi cung ứng, giúp các nhóm quản lý vòng đời sản phẩm phức tạp và biến động mua sắm.

Sử dụng keepout trong bố cục PCB

Các vùng keepout trong bố cục PCB xác định những khu vực mà các đối tượng cụ thể như đường mạch, via, linh kiện hoặc vùng đổ đồng bị cấm. Trong thiết kế rigid-flex, keepout phục vụ mục đích kết cấu vượt ra ngoài việc thực thi khoảng cách tiêu chuẩn: chúng ngăn không cho đồng và linh kiện được đặt trong vùng uốn, vùng nếp gấp hoặc các khu vực cần để trống nhằm phù hợp với vỏ máy. Keepout có thể được vẽ trên các lớp cụ thể hoặc áp dụng như các hạn chế đa lớp, và chúng được kiểm tra theo các quy tắc thiết kế đang hoạt động trong quá trình DRC. Các bước sau đây mô tả cách xác định và áp dụng các vùng keepout trong Altium Designer cho bố cục rigid-flex.

• Xác định phạm vi: Xác định xem keepout áp dụng cho tất cả các lớp tín hiệu (sử dụng lớp Keepout) hay chỉ cho một lớp đồng cụ thể duy nhất.
• Xác định hình học: Đặt một vùng Keepout lên khu vực rigid hoặc flex nơi cần ngăn chặn việc đi dây và bố trí linh kiện.
• Thiết lập hạn chế: Cấu hình các hạn chế trong bảng Properties để chặn các loại đối tượng cụ thể (ví dụ: via, track, pad) bên trong vùng đã xác định.
• Xác minh: Xác nhận rằng các tính năng đi dây và bố trí tự động bị chặn theo đúng các quy tắc, nhằm ngăn ngừa vi phạm thiết kế trong các khu vực được bảo vệ.

Dù bạn cần phát triển thiết bị điện tử công suất đáng tin cậy hay các hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB hoàn chỉnh và các công cụ CAD đẳng cấp thế giới của Altium. Altium cung cấp nền tảng phát triển sản phẩm điện tử hàng đầu thế giới, đi kèm với các công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong ngành và các tính năng cộng tác liên ngành dành cho các nhóm thiết kế tiên tiến. Liên hệ với chuyên gia của Altium ngay hôm nay!