Succesvolle ontwerprichtlijnen voor flexibele circuits
Met het gebruik van sensoren en technologie in alles, van mobiele telefoons tot koelkasten tot auto's tot draagbare medische apparaten, zijn printplaten een onderdeel van veel verschillende soorten producten. In de hedendaagse elektronicawereld bevat elk product met een aan/uit-schakelaar een printplaat. Door hun veelzijdigheid is het gebruik van flexcircuits een van de snelst groeiende productmarktsegmenten.
Met de introductie van flex- en rigid-flex-circuits hebben ingenieurs de mogelijkheid gekregen om creatiever te zijn bij het ontwerpen van nieuwe en innovatieve producten. Flex- en rigid-flex boards zijn gebouwd om in krappe, driedimensionale ruimtes te passen en tegelijkertijd weerstand te bieden tegen mechanische slijtage en trillingen. Ingenieurs kunnen producten ontwerpen waarvoor planken in krappe ruimtes passen, draaien en draaien voor verpakking, en het product in een meer dynamische omgeving laten leven. Deze flexibele circuits hebben dezelfde prestatieniveaus als traditionele rigide FR4-kaarten, maar ze hebben hun eigen nuances en overwegingen als het gaat om ontwerp, fabricage en montage.
Ontwerp/lay-out
Bij het ontwerpen van een flexcircuit is het belangrijk om de specifieke toepassing voor het bord te kennen. Wordt het gebruikt in een statische of dynamische omgeving? Als het bord zich in een statische omgeving moet bevinden, met weinig tot geen beweging, moet het circuitontwerp de juiste hoeveelheid flexibiliteit hebben, zodat het gemakkelijk in het product kan worden geïnstalleerd. Als alternatief, als het bord in een dynamische omgeving moet bestaan, waar het bord continu heen en weer zal buigen, moet bij het ontwerp rekening worden gehouden met een mate van flexibiliteit die bestand is tegen continue beweging.
Vereist de toepassing een flexboard of een rigid-flexboard? Als het product eenzijdige oppervlaktemontagetechnologie vereist, dan is een all flex board de beste optie. Als het product dubbelzijdige oppervlaktemontagetechnologie vereist, is een stijf-flexboard nodig.
Of het nu een hardware-engineer, werktuigbouwkundig ingenieur of een ervaren ontwerper van layoutborden is, iedereen is een beetje ongerust als hij voor het eerst een flexcircuit aanlegt. Hun veronderstelling is dat de benadering van het ontwerpen van een flexcircuit heel anders is dan een stijf bord. Maar het feit is dat het aanleggen van een flexcircuit erg lijkt op een stijf bord met slechts een paar verschillen. Je zet al je lagen in de software op als een stijf bord. De uitvoerbestanden zijn allemaal hetzelfde. De enige echte verschillen zijn de deklaag, de verstevigingslaag en enkele basisontwerpregels om in gedachten te houden. Als u begrijpt dat een flexcircuit van nature buigt, moet u ervoor zorgen dat u belangrijke functies zoals via's, eindsporen en scherpe hoeken uit de buurt van de buiggebieden houdt. Flex-circuit is gemaakt van polyimide-materiaal, dus het is moeilijker te verwerken, dus houd uw sporen, via's, ringvormige ringen, pads en tussenruimte zo groot mogelijk. Ik krijg vaak de vraag hoe klein een spoor of via dat kan worden gebruikt. Je kunt zo klein gaan als je wilt, maar het zal moeilijker zijn om te produceren en betrouwbaarheid speelt een rol. Je kunt wegkomen met veel meer strakke functies op een stijf board dan op een flexcircuit. Meestal wordt op een stijve plaat een soldeermasker aangebracht op de buitenste lagen om de koperen kenmerken te beschermen. Op een flexboard worden de buitenste koperen elementen meestal beschermd door een deklaag. In het ontwerpbestand moet de lay-outontwerper deze deklaag op dezelfde manier maken als een soldeermaskerlaag. Het laatste verschil met een flex-ontwerp is de verstijver. Verstijvingen worden gebruikt om bepaalde delen van een flexprintplaat te ondersteunen. De verstijvers kunnen zich in meerdere regio's van een flexcircuit bevinden en ze kunnen aan weerszijden van het bord zijn. Als in het ontwerpbestand alle verstijvers in één bestand zijn weergegeven, moeten ze in de fabricagetekening worden geïdentificeerd aan welke kant van het bord ze moeten worden aangebracht. Anders moet een aparte laag worden gemaakt voor de bovenste en onderste verstijvers van het flexcircuit.
Wanneer extra ondersteuning voor een specifiek gebied op de flex-printplaat vereist is of bescherming nodig is voor bevestigde componenten of connectoren, is het de beste optie om een versteviging in het ontwerp op te nemen. Dit voorkomt dat het circuit beweegt en beschermt de integriteit van de soldeerverbindingen. Het is belangrijk om te onthouden dat de verstijver het beste kan worden geplaatst aan de andere kant van het onderdeel dat het ondersteunt. Er zijn talloze soorten verstijvers om uit te kiezen; polyimide, FR4, RVS, aluminium of vele andere opties. De dikte van de verstijver is afhankelijk van hoe het bord zal worden gebruikt. Hoe dikker de verstijver, hoe meer ondersteuning deze biedt. Als het bord wordt gebruikt in kleine / krappe ruimtes, kan de dikte van de verstijver een probleem zijn waarvoor een dunnere verstijver nodig is. ZIE VERSTERKER FOTO.
Nu de ontwerper zijn/haar eerste flex-circuit heeft voltooid, is het de taak om zijn eerste rigid-flex te ontwerpen. Het niveau van verwarring en angst is zojuist vijfvoudig gestegen. Ingenieurs denken vaak dat het flexibele gedeelte van het bord is gelijmd of op de een of andere manier is bevestigd aan het stijve gedeelte van het bord. ZIE RIGID-FLEX FOTO. Rigid-flex is net als alle stijve en flexibele boards gebouwd met de methode van lagen die op lagen worden gestapeld. Als het gaat om het ontwerpen van rigid-flex, is de aanpak dezelfde als bij de andere printplaten. Het belangrijkste verschil is dat bepaalde gebieden van de stijve lagen blanco zijn in het ontwerpbestand. De boardfabrikant zal dit als flexregio herkennen en het board daarop afstemmen.
In tegenstelling tot een stijf bord, heeft een flexcircuit veel variaties, dus het is erg belangrijk om een gedetailleerde fabricagetekening bij het ontwerp te hebben. De fabricagetekening moet alle details bevatten, zodat de fabrikant deze niet over het hoofd ziet. Het ergste is dat de fabrikant uitgaat van wat je nodig hebt. Flex-circuits hebben veel bewegende variabelen, dus de details zijn erg belangrijk.
Materiaal
Flex-circuit is over het algemeen gebouwd met polyimide-materiaal. De meeste fabrikanten in de VS gebruiken polyimide van Dupont. Fabrikanten buiten de VS kunnen andere materiaalleveranciers gebruiken vanwege de kosten en beschikbaarheid. Omdat het flexcircuit echter uniek is, is het een goed idee om hetzelfde materiaal te gebruiken in het prototype dat uiteindelijk zal worden gebruikt in volumeproductie. Tijdens het testen probeert u te zien hoeveel cycli het flexcircuit kan weerstaan. Hieronder vindt u een algemene regel voor een buigradius van een flexcircuit. Tentoonstelling A.
De buigradiusregel is slechts een algemene richtlijn. De absolute manier om te bepalen hoeveel een flexcircuit kan buigen of hoeveel cycli het zal doorstaan, is door het te stresstesten.
Er zijn een aantal factoren die van invloed zijn op hoeveel een flexcircuit kan buigen. Materiaalkeuze is erg belangrijk. Hoewel de dikte van het bord de flexibiliteit bepaalt, zal het materiaal de kwaliteit en levenscyclus van het flexcircuit helpen. Het type koper dat op een flexcircuit wordt gebruikt, is erg kritisch. Er zijn twee soorten koper op de markt verkrijgbaar, ED Copper (Deposited Copper) en Roll Annealed Copper. Indien mogelijk moet ED-koper worden vermeden omdat het een geplateerd proces is en het koper erg broos zal zijn. Rolgegloeid koper heeft de voorkeur. Het koper wordt op het flexmateriaal gerold en is daarom zeer kneedbaar. Met dit gezegd, is het ook belangrijk om de nerfrichting op uw fabricagetekening te noemen. U wilt dat het graan in dezelfde richting gaat als uw buigrichting. Massief koperen gebieden zoals grondvlakken moeten indien mogelijk gearceerd zijn. Dit zal helpen om het flexcircuit flexibeler te maken.
verzinsel
Nu het ontwerp is voltooid, laten we het flexbord zo snel mogelijk bouwen. Zoals alle technische projecten loopt dit flexboard achter op schema, dus we hebben het morgen nodig. Stijve boards kunnen immers in een of twee dagen worden gebouwd, dus waarom niet flexcircuits. Stoppen! Niet zo snel, mijn vriend.
Bij het fabriceren van een flexcircuit is een langere doorlooptijd vereist. Flexboards zijn moeilijker te vervaardigen dan traditionele rigide printplaten, waardoor er meer productietijd nodig is. Flex-circuits gebouwd met polyimide-materiaal. Het materiaal is dun, kwetsbaar en moeilijk te hanteren. Het boren van de via's is anders. De chemie om de via's te plateren is anders. Er kan veel handwerk komen kijken bij de verstijver(s) en dekbedovertrek. Al deze verschillen weerhouden de meeste fabrikanten ervan om flexcircuits sneller dan drie werkdagen te bouwen. Hier hebben we het gewoon over een 2-laags flexcircuit. Als het flexcircuit een hoger aantal lagen heeft, kan de doorlooptijd oplopen tot twee tot drie weken om te produceren.
Nu gaan we in de productie van rigide-flex circuits. Rigid-flex circuit is echt een heel ander dier. Het vooraf plannen en cammen van een Rigid-flex kan gemakkelijk 2-3 dagen duren voordat het bord daadwerkelijk op de productievloer kan worden vrijgegeven. Dit voorafgaande technische werk is zeer kritisch omdat rigid-flex veel verschillende stappen neemt en elke stap is van cruciaal belang voor de succesvolle productie van de rigid-flex. Een van de belangrijkste dingen om op te merken is dat rigid-flex in veel verschillende stack-up voorkomt. Het is zeldzaam om meerdere rigid-flex jobs te zien op een productievloer met vergelijkbare stack-up. Bij een starre plaat worden alle 6 laags platen op dezelfde manier verwerkt. Met rigid-flex kun je 5 banen met 6 lagen op de productievloer hebben en ze kunnen allemaal anders worden verwerkt.
Voorbeeld-
Bord # 1 - 6-laags bord - heeft 4 lagen stijf met 2 lagen flex.
Bord # 2 – 6-laags bord – heeft 3 lagen stijf met 3 lagen flex.
Bord #3 —6-laags bord—4 lagen stijf met 2-laags flex, maar de 2 flex-lagen bevinden zich op verschillende lagen.
De andere moeilijkheid bij het vervaardigen van rigid-flex circuits is de combinatie van het werken met twee verschillende soorten materiaal. Rigid-flex combineert stijf materiaal met flex circuitmateriaal. Ze hebben twee verschillende eigenschappen, dus het is lastig om mee te werken. Dit is de reden waarom je niet te veel printplaatfabrikanten in dezelfde faciliteit starre en flexibele circuits ziet bouwen. Elke fabrikant van printplaten houdt zich respectievelijk aan wat ze het beste bouwen. De meest voorkomende storing bij een rigide-flex circuit is toe te schrijven aan het plateringsproces. Als het plateren van de via's niet goed wordt gedaan, zal dit leiden tot holtes, barsten en delaminatie. De twee verschillende materialen hebben een verschillende uitzettingssnelheid van de Z-as, dus een onjuiste beplating zal de slechte kwaliteit gemakkelijk blootleggen.
Vanwege de complexiteit van een flex-circuit, de materiaalkosten, verwerkingstijd, chemie, boren en hanteren, zijn de kosten voor het vervaardigen van een flex-board hoger dan die van een traditionele stijve printplaat. Kopers schrikken soms van de prijs die verschilt tussen rigide en flexibele circuits. Hopelijk begrijpen ze nu waarom er een prijsverschil is en waarom flexcircuits niet zo snel gebouwd kunnen worden als traditionele rigide printplaten.
Naarmate elektronische producten kleiner worden, zal flexcircuit populairder en gebruikelijker worden in de elektronische industrie. Hoewel de kosten hoger zijn, zijn er veel nuttige toepassingen voor flexcircuits. Flex-circuits kunnen worden opgevouwen en in een krappe ruimte worden verkrampt. Flex-circuits kunnen heen en weer bewegen in een dynamische omgeving. De elektronische industrie hoeft niet meer zo rigide te zijn. Flex-circuit kan ontwerpers helpen hun verbeeldingskracht te vergroten en koelere en meer geavanceerde elektronische producten te ontwikkelen.
Artikel door Tuan Tran, directeur bij hitechcircuits
