Những nội dung cần đưa vào quá trình rà soát thiết kế rigid-flex

Công nghệ rigid-flex mang đến cho nhà thiết kế sự tự do chưa từng có trong việc kết nối nhiều vùng mạch mà không cần đầu nối hoặc cáp cồng kềnh, từ đó tạo ra các cụm lắp ráp nhỏ hơn, nhẹ hơn nhưng vẫn đáp ứng được các yêu cầu cơ khí của môi trường vận hành. Nhưng bất kỳ ai từng dành thời gian làm việc với thiết kế rigid-flex đều biết rằng loại thiết kế này đi kèm với những thách thức rất riêng. Các vùng chuyển tiếp, lựa chọn vật liệu và các ràng buộc cơ khí đều có thể quyết định khả năng chế tạo cũng như độ tin cậy lâu dài của sản phẩm.

Đó là lý do vì sao một quy trình rà soát thiết kế được tổ chức bài bản lại quan trọng đến vậy. Hãy cùng xem thực tế danh sách kiểm tra khi rà soát thiết kế rigid-flex nên bao gồm những gì, và việc phát hiện vấn đề sớm có thể giúp tiết kiệm cả thời gian lẫn chi phí về sau trong quy trình.

Những điểm chính cần nhớ

• Hãy xác nhận stackup với nhà chế tạo trước khi bắt đầu layout, không phải sau đó. Một cuộc trao đổi ngắn ở giai đoạn này có thể ngăn ngừa tình trạng chậm trễ vật liệu và sai lệch quy trình vốn rất tốn kém để khắc phục về sau.
• Vùng chuyển tiếp từ rigid sang flex là khu vực dễ hỏng nhất trong mọi thiết kế rigid-flex. Khoảng lùi coverlay, căn chỉnh đồng và vị trí stiffener đều cần được xem xét rõ ràng trong quá trình rà soát.
• Bán kính uốn, hướng đi của trace và vị trí via trong vùng flex là những quyết định mang tính kết cấu. Làm sai ở đây sẽ dẫn đến mỏi đồng, nứt gãy và những lỗi thường chỉ xuất hiện khi sản phẩm đã được đưa ra hiện trường sử dụng.
• Bản vẽ tổng thể là tiếng nói của thiết kế sau khi nó rời khỏi bàn làm việc của bạn. Tên lớp không nhất quán, thiếu chú thích hoặc sao chép nhầm ghi chú fab là những nguyên nhân phổ biến nhất, và cũng dễ tránh nhất, gây chậm trễ sản xuất.

Bắt đầu từ bức tranh tổng thể

Trước khi bắt tay vào stackup và coverlay, hãy dành thời gian để mọi người cùng thống nhất về mục đích của thiết kế này. Mạch này được tạo ra để làm gì, và nó sẽ tồn tại như thế nào trong môi trường thực tế?

Thành công với rigid-flex thường phụ thuộc vào việc hiểu rõ phần flex sẽ chuyển động như thế nào và vào lúc nào. Đây là dynamic flex, uốn hàng trăm lần trong quá trình sử dụng, hay static flex chỉ gập một lần khi lắp ráp rồi giữ nguyên vị trí? Hai tình huống này đòi hỏi lựa chọn vật liệu và chiến lược layout hoàn toàn khác nhau.

Cũng nên thảo luận về các yếu tố môi trường như dải nhiệt độ, rung động, độ ẩm, và bất kỳ ràng buộc cơ khí đặc thù nào của vỏ máy. Khi cả nhóm hiểu sản phẩm hoàn thiện sẽ hoạt động ra sao, mọi quyết định thiết kế sẽ trở nên có chủ đích hơn.

Rà soát stackup và vật liệu

Nếu bạn chỉ nhớ một điều từ bài viết này, hãy nhớ điều này: xác nhận stackup từ sớm và xác nhận lại một lần nữa trước khi bắt đầu layout.

Stackup rigid-flex không chỉ là biến thể của một thiết kế FR-4 thông thường. Chúng bao gồm nhiều hệ vật liệu, lớp keo dán, trọng lượng đồng và độ dày điện môi tương tác với nhau theo những cách không phải lúc nào cũng có thể dự đoán được nếu không có kinh nghiệm hoặc mô phỏng. Lõi flex không keo hoạt động khác với loại có keo. Trọng lượng đồng có vẻ phù hợp trên lớp rigid có thể lại quá cứng đối với vùng flex.

Hãy đề nghị nhà chế tạo xem xét stackup bạn dự định dùng trước khi chốt. Họ có thể xác nhận khả năng sẵn có của vật liệu, dung sai trở kháng kiểm soát được và liệu các vùng chuyển tiếp bạn dự tính có thực tế với quy trình của họ hay không. Một cuộc trao đổi ngắn ở giai đoạn này có thể ngăn được việc trì hoãn sau này khi bạn phát hiện một trong các lõi flex chuyên dụng của mình có thời gian giao hàng tới 12 tuần. 

Hãy đặc biệt chú ý đến các vùng chuyển tiếp

Theo nguyên tắc chung, vùng chuyển tiếp từ rigid sang flex là khu vực nhạy cảm nhất và dễ hỏng nhất trong thiết kế rigid-flex, vì vậy hãy dành thêm sự chú ý khi rà soát. Trước tiên, hãy đảm bảo các đặc tính đồng ở cả vùng rigid và vùng flex được căn chỉnh phù hợp và có khoảng cách đủ xa khỏi mép chuyển tiếp. Kiểm tra khoảng lùi và các vùng relief của coverlay; những chi tiết này giúp ngăn nứt và bong lớp khi bo mạch bị uốn. Hãy lưu ý hình ảnh bên dưới, thể hiện các vùng stiffener, rigid tích hợp và flex trong thiết kế.

Biên dạng stiffener cơ khí, các phần khoét cơ khí và hình dạng fillet cần được định nghĩa rõ ràng trong các lớp cơ khí. Tuy nhiên, rất dễ bỏ quên việc tính đến tổng chiều cao tại bề mặt tiếp giáp do các lớp keo dán và độ dày coverlay cộng lại khi xem xét độ khớp cơ khí.

Rà soát yêu cầu uốn và các vùng dynamic flex

Tiếp theo, hãy đặc biệt chú ý đến cách bo mạch sẽ bị uốn: bán kính uốn, hướng uốn và số chu kỳ đều tạo ra khác biệt. Trong các vùng dynamic flex, trace nên chạy vuông góc với trục uốn khi có thể, và chúng cần được bố trí so le với nhau để phân bố ứng suất. Nên tránh đặt via trong vùng uốn. Chúng trở thành điểm tập trung ứng suất và có thể nứt khi chuyển động lặp lại.

Nếu bạn đang làm việc với một chỗ uốn gắt, hãy rà soát kỹ độ dày đồng và stack điện môi. Đồng mỏng hơn và cấu trúc không keo linh hoạt hơn, nhưng cũng đòi hỏi những cân nhắc đặc biệt trong sản xuất.

Đây là lúc một giải pháp đơn giản có thể hữu ích: in thiết kế của bạn theo tỷ lệ 1:1 trên giấy, cắt ra và gập lại như sản phẩm cuối cùng. Đây là cách nhanh để hình dung xem các góc uốn, khoảng hở và vị trí stiffener có hợp lý hay không trước khi bạn gửi bất kỳ thứ gì sang fab. Chỉ một ít thời gian với kéo và băng dính có thể giúp tiết kiệm hàng nghìn đô la chi phí làm lại.

Các cân nhắc về chế tạo và lắp ráp

Thiết kế rigid-flex không vận hành giống như bo mạch tiêu chuẩn trên sàn sản xuất, vì vậy hãy đưa nhà chế tạo và đơn vị lắp ráp vào cuộc thảo luận từ sớm.

Xác nhận panelization và thiết kế array. Chúng có thể trông rất khác so với panel FR-4 thông thường do cần hỗ trợ cho phần flex trong quá trình thao tác. Hãy trao đổi về các cửa sổ mở coverlay, vùng chuyển tiếp solder mask và những nơi linh kiện có thể được đặt an toàn gần các vùng flex.

Kiểm tra bảng khoan và yêu cầu về via. Ví dụ, một via xuyên mạ đi qua cả phần rigid và flex đòi hỏi kiểm soát rất chặt chẽ về mạ và mức phơi nhiệt. Đồng thời, hãy kiểm tra lại cách các stiffener sẽ được liên kết và liệu nhiệt reflow có thể ảnh hưởng đến hiệu năng của keo dán hay không.

Tôi đã chứng kiến không chỉ một thiết kế bị trì hoãn vì stiffener chồng lấn lên vùng uốn, hoặc được đặt quá gần đầu nối, gây cong vênh trong quá trình lắp ráp. Những chi tiết này tưởng nhỏ cho đến khi chúng trở thành vấn đề thực sự.

Đừng quên bản vẽ tổng thể

Bản vẽ chế tạo và các ghi chú của bạn chính là tiếng nói của thiết kế sau khi nó rời khỏi bàn làm việc. Nếu chúng không rõ ràng, ngay cả layout tốt nhất cũng có thể gặp trục trặc. Hãy bao gồm sơ đồ stackup rõ ràng, ký hiệu lớp và chú thích cho mọi đặc tính đặc biệt, bao gồm vùng uốn, stiffener, coverlay, keo dán và loại vật liệu flex. Hãy đảm bảo rằng bảng khoan, yêu cầu trở kháng và ghi chú về điện môi được kiểm soát phản ánh chính xác dữ liệu CAD.

Nếu tên lớp của bạn khác nhau giữa file thiết kế, bản vẽ và Gerber, bạn đang tự gây ra nhầm lẫn. Bản vẽ tổng thể cần phân định rõ giữa các vùng khác nhau trong stackup, vốn có thể chứa stiffener, như trong bản vẽ stackup được hiển thị bên dưới. Trong Draftsman của Altium, tên lớp có thể được gán cho phần mở rộng lớp Gerber, như minh họa bên dưới.

Hãy đưa nhà chế tạo vào sớm

Điều này cần được nhấn mạnh hết mức: hãy đưa nhà chế tạo vào quá trình rà soát thiết kế trước khi bạn nhấn “release to manufacturing”. Họ đã thấy hàng chục, nếu không muốn nói là hàng trăm, thiết kế rigid-flex và có thể nhận ra những rủi ro chỉ trong vài phút, những điều mà bạn có thể mất hàng tuần mới tự phát hiện ra. Họ cũng sẽ biết tổ hợp vật liệu nào đã được chứng minh trong sản xuất và tổ hợp nào có thể cần xác thực thêm. Một buổi rà soát mang tính cộng tác không chỉ cải thiện yield; nó còn rút ngắn đường cong học hỏi cho thiết kế tiếp theo của bạn. Hãy xem nhà chế tạo như một phần mở rộng của nhóm thiết kế, chứ không chỉ là bước cuối cùng trong quy trình.

Tổng kết

Từ các thiết bị đeo hiệu năng cao đến những hệ thống hàng không vũ trụ tiên tiến mới, mạch rigid-flex mở ra những khả năng thiết kế đáng kinh ngạc. Nhưng chính sự linh hoạt làm nên sức hấp dẫn của chúng cũng khiến chúng trở nên phức tạp. Một quy trình rà soát thiết kế có cấu trúc, bao gồm mục đích thiết kế, vật liệu, vùng chuyển tiếp, khả năng uốn, chế tạo và tài liệu hóa, sẽ cho bạn cơ hội thành công cao nhất. Điều thực sự quan trọng là tác động trong thực tế: ít vòng chỉnh sửa hơn, lắp ráp trơn tru hơn và một thiết kế mà bạn có thể tin tưởng sẽ hoạt động tốt.

Thiết kế rigid-flex đòi hỏi ở công cụ và quy trình của bạn nhiều hơn so với công việc PCB tiêu chuẩn. Các thói quen rà soát được đề cập trong bài viết này đều phụ thuộc vào việc có một quy trình làm việc mà trong đó dữ liệu thiết kế, đầu ra và các quyết định luôn được kết nối từ đầu đến cuối.

Nền tảng thiết kế điện tử của Altium được xây dựng để hỗ trợ quy trình làm việc đó, चाहे bạn là một nhà thiết kế cá nhân đang tự mình xử lý những cấu trúc phức tạp hay là một nhóm đang phối hợp giữa nhiều chuyên môn và các bên liên quan. Hãy khám phá cách Altium có thể giúp bạn thiết kế, rà soát và phát hành với sự tự tin cao hơn và ít bất ngờ hơn.

Khám phá các giải pháp của Altium →

Câu hỏi thường gặp

Sự khác biệt giữa static flex và dynamic flex là gì, và tại sao điều đó quan trọng đối với việc rà soát thiết kế?

Static flex được uốn một lần trong quá trình lắp ráp và giữ nguyên vị trí. Dynamic flex uốn lặp đi lặp lại trong quá trình sử dụng bình thường của sản phẩm. Sự khác biệt này chi phối gần như mọi quyết định về vật liệu và layout trong quá trình rà soát: trọng lượng đồng, bán kính uốn, hướng trace và cấu trúc stackup đều thay đổi tùy theo loại bạn đang thiết kế. Rà soát một thiết kế dynamic flex theo các giả định dành cho static flex là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất gây lỗi ngoài hiện trường.

Nên tránh đặt via ở đâu trong thiết kế rigid-flex?

Không nên đặt via trong vùng uốn hoặc trong vùng chuyển tiếp từ rigid sang flex. Trong vùng uốn, via trở thành điểm tập trung ứng suất và sẽ nứt khi uốn lặp đi lặp lại. Trong vùng chuyển tiếp, ứng suất cơ học do uốn có thể gây nứt thành lỗ mạ theo thời gian. Theo nguyên tắc chung, hãy giữ các lỗ xuyên mạ cách mọi vùng uốn ít nhất 20 mil và đặt via cách xa rõ ràng khỏi ranh giới chuyển tiếp.

Bản vẽ chế tạo rigid-flex cần bao gồm những gì mà bản vẽ PCB tiêu chuẩn không có?

Bản vẽ fab rigid-flex cần các chú thích rõ ràng cho ranh giới vùng chuyển tiếp, ký hiệu vùng uốn, kích thước khoảng lùi coverlay, vị trí stiffener và phương pháp liên kết, cũng như loại vật liệu flex cùng độ dày lớp keo. Tên lớp phải nhất quán giữa file thiết kế, Gerber và chính bản vẽ. Bất kỳ điều gì công cụ CAD không tự định nghĩa, đặc biệt là vị trí và kích thước vùng chuyển tiếp, đều phải được ghi lại trong phần ghi chú một cách rõ ràng và cụ thể.

Làm thế nào để xác minh một thiết kế rigid-flex sẽ gập đúng cách trước khi gửi file đi chế tạo?

In đường bao bo mạch theo tỷ lệ 1:1, cắt ra và gấp lại để khớp với cụm lắp ráp cuối cùng. Phương pháp chi phí thấp này giúp nhanh chóng cho thấy liệu bán kính uốn, vị trí đặt stiffener và các khoảng hở có thực tế hay không trước khi bất kỳ tệp nào được gửi đi. Đối với các hình học phức tạp hơn, mô hình hóa 3D trong các công cụ ECAD có tích hợp MCAD có thể mô phỏng trạng thái sau khi gấp và phát hiện các xung đột cơ khí không thể nhìn thấy trong chế độ xem 2D phẳng.