Руководство по успешному проектированию гибких схем

С использованием датчиков и технологий во всем, от мобильных телефонов и холодильников до автомобилей и носимых медицинских устройств, печатные платы являются компонентом многих различных типов продуктов. В современном мире электроники любой продукт с выключателем содержит печатную плату. Благодаря своей универсальности использование гибких схем является одним из самых быстрорастущих сегментов рынка продуктов.

С введением гибких и жестко-гибких схем инженеры получили возможность более творчески подходить к разработке новых и инновационных продуктов. Гибкие и жестко-гибкие доски предназначены для установки в узких трехмерных пространствах, обеспечивая при этом устойчивость к механическому износу и вибрации. Инженеры могут разрабатывать продукты, для которых требуется, чтобы платы помещались в ограниченном пространстве, скручивались и поворачивались для упаковки и позволяли продукту жить в более динамичной среде. Эти гибкие схемы имеют те же уровни производительности, что и традиционные платы с жестким FR4, однако у них есть свои нюансы и соображения, когда речь идет о проектировании, изготовлении и сборке.

Дизайн/верстка

При проектировании гибкой схемы важно знать конкретное применение платы. Будет ли он использоваться в статической или динамической среде? Если плата должна находиться в статичной среде с минимальным движением или вообще без движения, схема должна иметь соответствующую степень гибкости, чтобы ее можно было легко установить в продукте. В качестве альтернативы, если плата должна существовать в динамической среде, где плата будет постоянно изгибаться вперед и назад, при проектировании необходимо учитывать уровень гибкости, который может выдерживать непрерывное движение.

Потребуется ли для приложения гибкая или жестко-гибкая плата? Если для продукта требуется технология одностороннего поверхностного монтажа, то лучшим вариантом будет полностью гибкая плата. Если для продукта требуется двухсторонняя технология поверхностного монтажа, то необходима жестко-гибкая плата.

Будь то инженер по оборудованию, инженер-механик или опытный разработчик макетной платы, каждый немного опасается, когда впервые разметит гибкую схему. Их предположение заключается в том, что подход к проектированию гибкой платы сильно отличается от подхода к жесткой плате. Но в том-то и дело, что разводка флекс-схемы очень похожа на жесткую плату с небольшими отличиями. Вы настраиваете все свои слои в программе так же, как жесткую доску. Выходные файлы все одинаковые. Единственными реальными отличиями являются покровный слой, слой жесткости и некоторые основные правила проектирования, о которых следует помнить. Понимание того, что гибкая схема будет изгибаться по своей природе, означает, что вы должны убедиться, что ключевые элементы, такие как переходные отверстия, конечные дорожки и острые углы, находятся вдали от областей изгиба. Гибкая схема изготовлена ​​из полиимидного материала, поэтому ее сложнее обрабатывать, поэтому дорожки, переходные отверстия, кольцевые кольца, контактные площадки и промежутки должны быть как можно больше. Меня часто спрашивают, насколько мала трасса или переход, который можно использовать. Вы можете сделать его настолько маленьким, насколько захотите, но его будет сложнее изготовить, и в игру вступает надежность. На жесткой доске можно обойтись гораздо более жесткими элементами, чем на гибкой. Обычно на жестких платах паяльная маска наносится на внешние слои для защиты медных элементов. На гибкой плате внешние медные элементы обычно защищены защитным слоем. В файле проекта разработчик компоновки должен создать этот защитный слой так же, как и слой паяльной маски. Последним отличием гибкой конструкции является элемент жесткости. Ребра жесткости используются для добавления поддержки в определенные области гибкой печатной платы. Элементы жесткости могут быть в нескольких областях гибкой схемы и с любой стороны платы. В файле проекта, если все ребра жесткости представлены в одном файле, их необходимо указать в производственном чертеже, с какой стороны плиты они должны применяться. В противном случае необходимо создать отдельный слой для верхнего и нижнего ребер жесткости гибкой цепи.

Когда требуется дополнительная опора для определенной области на гибкой печатной плате или требуется защита подключенных компонентов или разъемов, лучшим вариантом является включение в конструкцию элемента жесткости. Это предотвратит перемещение схемы и защитит целостность паяных соединений. Важно помнить, что элемент жесткости лучше всего размещать на противоположной стороне компонента, который он поддерживает. Существует множество типов ребер жесткости на выбор; полиимид, FR4, нержавеющая сталь, алюминий и многие другие варианты. Толщина ребра жесткости зависит от того, как будет использоваться доска. Чем толще элемент жесткости, тем большую поддержку он обеспечивает. Если плита используется в небольших/узких местах, толщина ребра жесткости может быть проблемой, требующей более тонкого ребра жесткости. СМОТРИТЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ УСИЛИТЕЛЯ.

Теперь, когда дизайнер завершил свою первую гибкую схему, перед ним стоит задача разработать свою первую жесткую гибкую схему. Уровень замешательства и опасений только что увеличился в пять раз. Инженеры часто думают, что гибкая часть платы приклеена или каким-то образом прикреплена к жесткой части платы. СМОТРИТЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ RIGID-FLEX. Rigid-flex построен так же, как и все жесткие и гибкие доски, с использованием метода слоев, уложенных поверх слоев. Когда дело доходит до проектирования жестко-гибких плат, подход такой же, как и для других печатных плат. Основное отличие состоит в том, что определенные области жестких слоев будут пустыми в файле проекта. Производитель платы распознает это как гибкую область и соответствующим образом спланирует плату.

В отличие от жесткой платы, гибкая плата имеет множество вариаций, поэтому очень важно иметь детальный производственный чертеж, сопровождающий конструкцию. На производственном чертеже должны быть указаны все детали, чтобы производитель не упустил их из виду. Хуже всего, если производитель предположил, что вам нужно. Гибкие схемы имеют много движущихся переменных, поэтому детали очень важны.

Материалы

Гибкая цепь обычно изготавливается из полиимидного материала. Большинство производителей в США будут использовать полиимид производства Dupont. Производители за пределами США могут использовать других поставщиков материалов из-за стоимости и доступности. Однако, поскольку гибкая схема уникальна, рекомендуется использовать тот же материал в прототипе, который в конечном итоге будет использоваться в серийном производстве. Во время тестирования вы пытаетесь увидеть, сколько циклов может выдержать гибкая схема. Ниже приведено общее правило для радиуса изгиба гибкой цепи. Выставка.

Правило радиуса изгиба — это всего лишь общая рекомендация. Абсолютный способ определить, насколько гибкая схема может согнуться или сколько циклов она выдержит, — это провести ее стресс-тест.

Несколько факторов будут влиять на то, насколько гибкая схема может изгибаться. Выбор материала очень важен. Хотя толщина платы определяет гибкость, материал влияет на качество и срок службы гибкой схемы. Тип меди, используемой в гибкой цепи, очень важен. На рынке доступно два типа меди: медь ED (осажденная медь) и медь, отожженная в рулонах. Если возможно, следует избегать меди ED, потому что это процесс с гальванопокрытием, и медь будет очень хрупкой. Рулонная отожженная медь является предпочтительной. Медь намотана на гибкий материал, поэтому он очень податлив. С учетом сказанного также важно указать направление волокон на вашем производственном чертеже. Вы хотите, чтобы волокна шли в том же направлении, что и направление изгиба. Сплошные медные области, такие как заземляющие слои, должны быть по возможности заштрихованы. Это поможет сделать гибкую схему более гибкой.

Изготовление дверей

Теперь, когда дизайн завершен, давайте построим гибкую плату как можно быстрее. Как и все инженерные проекты, эта гибкая плата отстает от графика, поэтому она нужна нам к завтрашнему дню. В конце концов, жесткие платы можно построить за один-два дня, так почему бы не использовать гибкие схемы. Останавливаться! Не так быстро, мой друг.

При изготовлении гибкой схемы требуется больше времени выполнения заказа. Гибкие платы сложнее в производстве, чем традиционные жесткие печатные платы, поэтому для их изготовления требуется больше времени. Гибкие контуры изготовлены из полиимидного материала. Материал тонкий, хрупкий и сложный в обработке. Сверление переходных отверстий отличается. Химия для покрытия переходных отверстий отличается. С ребрами жесткости и покрытием может потребоваться много ручного труда. Все эти различия не позволяют большинству производителей создавать гибкие схемы быстрее, чем за три рабочих дня. Здесь мы говорим только о двухслойных гибких схемах. Если гибкая схема имеет большее количество слоев, время изготовления может увеличиться до двух-трех недель.

Теперь мы приступаем к изготовлению гибко-жестких схем. Жестко-гибкая схема - это действительно совершенно другое животное. Предварительное планирование и установка гибкого жесткого диска может легко занять 2-3 дня, прежде чем плата будет фактически выпущена в производственный цех. Эта предварительная инженерная работа очень важна, потому что жестко-гибкая конструкция состоит из множества различных шагов, и каждый шаг имеет решающее значение для успешного производства жестко-гибкой конструкции. Одна из самых важных вещей, которую следует отметить, это то, что жесткие и гибкие элементы могут иметь множество различных стеков. Редко можно увидеть несколько жестких и гибких заданий на производственном участке с одинаковым набором. В случае жесткой доски все 6-слойные доски обрабатываются одинаково. С гибко-жесткой у вас может быть 5 рабочих мест с 6 слоями на производственном участке, и все они могут обрабатываться по-разному.

Пример-

Плата № 1 — 6-слойная плата — состоит из 4 жестких слоев и 2 гибких слоев.

Плата № 2 – 6-слойная доска – имеет 3 жестких слоя и 3 гибких слоя.

Плата № 3 — 6-слойная плата — 4-слойная жесткая с 2-мя гибкими слоями, но 2 гибких слоя находятся на разных слоях.

Другая трудность изготовления жестко-гибких схем заключается в сочетании работы с двумя разными типами материалов. Rigid-flex сочетает в себе жесткий материал с гибким материалом цепи. У них два разных свойства, поэтому с ними сложно работать. По этой причине не так много производителей печатных плат создают жесткие и гибкие схемы на одном и том же предприятии. Соответственно, каждый производитель печатных плат придерживается того, что он делает лучше всего. Наиболее частая неисправность жестко-гибкой схемы связана с процессом нанесения покрытия. Если покрытие переходных отверстий выполнено неправильно, это приведет к образованию пустот, растрескиванию и расслаиванию. Два разных материала имеют разную скорость расширения по оси Z, поэтому неправильное покрытие легко выявит плохое качество.

Из-за сложности гибкой схемы, стоимости материала, времени обработки, химии, сверления и обработки стоимость изготовления гибкой платы выше, чем у традиционной жесткой платы. Покупатели иногда бывают шокированы разницей в цене между жесткими и гибкими схемами. Надеюсь, теперь они понимают, почему существует разница в цене и почему гибкие схемы не могут быть построены так же быстро, как традиционные жесткие печатные платы.

По мере того как электронные продукты становятся меньше, гибкие схемы становятся все более популярными и распространенными в электронной промышленности. Хотя стоимость выше, есть много полезных приложений для гибких схем. Гибкие контуры можно сложить и втиснуть в тесное пространство. Гибкие цепи могут перемещаться вперед и назад в динамической среде. Электронная промышленность больше не должна быть такой жесткой. Гибкая схема может помочь разработчикам расширить свое воображение и разработать более крутые и продвинутые электронные продукты.

Статья Туана Тран, директора Hitechcircuits