แนวทางการออกแบบวงจรเฟล็กซ์ที่ประสบความสำเร็จ

ด้วยการใช้เซ็นเซอร์และเทคโนโลยีในทุกสิ่งตั้งแต่โทรศัพท์มือถือ ตู้เย็น รถยนต์ ไปจนถึงอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่สวมใส่ได้ แผงวงจรจึงเป็นส่วนประกอบในผลิตภัณฑ์หลายประเภท ในโลกของอิเล็กทรอนิกส์ทุกวันนี้ ผลิตภัณฑ์ใดๆ ที่มีสวิตช์เปิด/ปิดประกอบด้วยแผงวงจร เนื่องจากความเก่งกาจ การใช้วงจรยืดหยุ่นเป็นหนึ่งในกลุ่มตลาดผลิตภัณฑ์ที่เติบโตเร็วที่สุด

ด้วยการเปิดตัววงจรไฟฟ้าแบบยืดหยุ่นและแบบแข็ง วิศวกรได้รับโอกาสในการสร้างสรรค์มากขึ้นในการออกแบบผลิตภัณฑ์ใหม่และนวัตกรรม บอร์ดแบบยืดหยุ่นและงอได้ถูกสร้างขึ้นเพื่อให้พอดีกับพื้นที่สามมิติที่แน่นหนา ขณะเดียวกันก็รับประกันความทนทานต่อการสึกหรอของกลไกและการสั่นสะท้าน วิศวกรสามารถออกแบบผลิตภัณฑ์ที่ต้องการบอร์ดให้พอดีกับพื้นที่แคบ บิดและหมุนสำหรับบรรจุภัณฑ์ และทำให้ผลิตภัณฑ์อยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีพลวัตมากขึ้น วงจรแบบยืดหยุ่นเหล่านี้มีประสิทธิภาพในระดับเดียวกับบอร์ด FR4 แบบแข็งแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม วงจรเหล่านี้มีความแตกต่างและข้อควรพิจารณาในการออกแบบ ผลิต และประกอบ

การออกแบบ/เลย์เอาต์

เมื่อออกแบบวงจรเฟล็กซ์ สิ่งสำคัญคือต้องทราบการใช้งานเฉพาะสำหรับบอร์ด จะใช้ในสภาพแวดล้อมแบบคงที่หรือแบบไดนามิกหรือไม่ หากบอร์ดต้องอยู่ในสภาพแวดล้อมที่คงที่ โดยแทบไม่มีการเคลื่อนไหวเลย การออกแบบวงจรจะต้องมีความยืดหยุ่นในปริมาณที่เหมาะสม เพื่อให้สามารถติดตั้งได้ง่ายภายในผลิตภัณฑ์ อีกทางหนึ่ง หากบอร์ดต้องมีอยู่ในสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา โดยที่บอร์ดจะงอไปมาอย่างต่อเนื่อง จะต้องพิจารณาระดับความยืดหยุ่นที่สามารถทนต่อการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องในการออกแบบ

แอปพลิเคชันนี้จำเป็นต้องใช้บอร์ดแบบยืดหยุ่นหรือแบบแข็งหรือไม่ หากผลิตภัณฑ์ต้องการเทคโนโลยียึดพื้นผิวด้านเดียว บอร์ดแบบยืดหยุ่นทั้งหมดเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด หากผลิตภัณฑ์ต้องการเทคโนโลยีการยึดพื้นผิวแบบสองด้าน ก็จำเป็นต้องใช้บอร์ดที่มีความยืดหยุ่นสูง

ไม่ว่าจะเป็นวิศวกรฮาร์ดแวร์ วิศวกรเครื่องกล หรือผู้ออกแบบ Layout board ที่มีประสบการณ์ ทุกคนต่างวิตกเล็กน้อยในครั้งแรกในการวางวงจรเฟล็กซ์ ข้อสันนิษฐานของพวกเขาคือแนวทางในการออกแบบวงจรเฟล็กซ์แตกต่างจากบอร์ดแบบแข็งมาก แต่ความจริงของเรื่องนี้ก็คือการวางวงจรเฟล็กซ์นั้นคล้ายกับบอร์ดแบบแข็งซึ่งมีความแตกต่างเพียงเล็กน้อยเท่านั้น คุณตั้งค่าเลเยอร์ทั้งหมดของคุณในซอฟต์แวร์เหมือนกับบอร์ดแบบแข็ง ไฟล์ที่ส่งออกเหมือนกันทั้งหมด ความแตกต่างที่แท้จริงเพียงอย่างเดียวคือชั้นเคลือบ ชั้นทำให้แข็ง และกฎการออกแบบพื้นฐานที่ควรคำนึงถึง การเข้าใจว่าวงจรดิ้นจะงอในธรรมชาติ หมายความว่าคุณต้องแน่ใจว่าคุณรักษาคุณสมบัติหลัก เช่น จุดแวะ การสิ้นสุดรอย และมุมแหลมให้ห่างจากบริเวณที่โค้งงอ วงจรเฟล็กซ์ทำมาจากวัสดุโพลิอิไมด์ ดังนั้นจึงยากต่อการประมวลผล ดังนั้นโปรดรักษาร่องรอย, จุดแวะ, วงแหวนรอบวง, แผ่นอิเล็กโทรด และระยะห่างของคุณให้ใหญ่ที่สุด ฉันมักถูกถามถึงขนาดร่องรอยหรือผ่านทางนั้นที่สามารถใช้ได้ คุณสามารถเล็กเท่าที่คุณต้องการ แต่จะยากกว่าในการผลิตและความน่าเชื่อถือเข้ามาเล่น คุณสามารถหลีกหนีจากคุณสมบัติที่คับแคบกว่าบนกระดานแบบแข็งมากกว่าที่คุณจะทำได้บนวงจรแบบยืดหยุ่น โดยทั่วไปแล้วจะใช้หน้ากากประสานกับชั้นนอกเพื่อป้องกันคุณสมบัติของทองแดง บนกระดานแบบยืดหยุ่น คุณสมบัติทองแดงด้านนอกมักจะได้รับการปกป้องโดยชั้นปิด ในไฟล์ออกแบบ ผู้ออกแบบเลย์เอาต์ควรสร้างเลเยอร์หน้าปกนี้เหมือนกับเลเยอร์มาสก์ประสาน ความแตกต่างสุดท้ายกับการออกแบบที่ยืดหยุ่นคือตัวทำให้แข็ง สารเพิ่มความแข็งใช้เพื่อเพิ่มการรองรับบางภูมิภาคของแผงวงจรแบบยืดหยุ่น ตัวทำให้แข็งทื่อสามารถอยู่ในหลายส่วนของวงจรดิ้นและสามารถอยู่ด้านใดด้านหนึ่งของบอร์ด ในไฟล์การออกแบบ หากตัวทำให้แข็งทั้งหมดแสดงอยู่ในไฟล์เดียว จะต้องระบุในภาพวาดการประดิษฐ์ว่าต้องใช้ด้านใดของบอร์ด มิฉะนั้น ควรสร้างเลเยอร์แยกต่างหากสำหรับตัวทำให้แข็งด้านบนและด้านล่างของวงจรดิ้น

เมื่อต้องการการสนับสนุนเพิ่มเติมสำหรับพื้นที่เฉพาะบนแผงวงจรแบบยืดหยุ่นหรือจำเป็นต้องมีการป้องกันสำหรับส่วนประกอบหรือคอนเนคเตอร์ที่ต่ออยู่ ตัวเลือกที่ดีที่สุดคือการรวมตัวทำให้แข็งเข้าไว้ในการออกแบบ วิธีนี้จะช่วยขจัดวงจรไม่ให้เคลื่อนที่และป้องกันความสมบูรณ์ของข้อต่อประสาน สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าควรวางตัวทำให้แข็งทื่ออยู่ฝั่งตรงข้ามของส่วนประกอบที่รองรับ มีหลายประเภทให้เลือก; polyimide, FR4, สแตนเลส, อลูมิเนียมหรือตัวเลือกอื่น ๆ อีกมากมาย ความหนาของตัวทำให้แข็งขึ้นอยู่กับวิธีการใช้งานบอร์ด ยิ่งตัวแข็งมากเท่าไหร่ ยิ่งรองรับได้มากเท่านั้น หากมีการใช้บอร์ดในพื้นที่ขนาดเล็ก/แน่น ความหนาของตัวทำให้แข็งอาจเป็นปัญหาที่ต้องใช้ตัวทำให้แข็งขึ้น ดูภาพที่แข็งกว่า

เมื่อนักออกแบบได้เสร็จสิ้นวงจรการโค้งงอแรกของเขา/เธอแล้ว เขามีหน้าที่ในการจัดวางโครงร่างการโค้งงอแบบแข็งแรกของเขา ระดับของความสับสนและความเข้าใจเพิ่มขึ้นห้าเท่า วิศวกรมักคิดว่าส่วนที่โค้งงอของกระดานติดกาวหรือติดอยู่กับส่วนที่แข็งของกระดาน ดูภาพ RIGID-FLEX Rigid-Flex ถูกสร้างขึ้นเช่นเดียวกับบอร์ดแบบแข็งและแบบยืดหยุ่นทั้งหมดโดยใช้วิธีการวางซ้อนกันบนชั้นต่างๆ เมื่อพูดถึงการออกแบบการดัดงอแบบแข็ง วิธีการนี้จะเหมือนกับแผงวงจรอื่นๆ ความแตกต่างหลัก ๆ คือ พื้นที่บางส่วนของเลเยอร์แบบแข็งจะว่างเปล่าในไฟล์การออกแบบ ผู้ผลิตบอร์ดจะรับรู้ว่านี่เป็นภูมิภาคที่ยืดหยุ่นได้ และจะวางแผนบอร์ดตามนั้น

วงจรเฟล็กซ์มีความแตกต่างกันมาก ต่างจากบอร์ดแบบแข็ง แบบแปลนการผลิตควรระบุรายละเอียดทั้งหมดเพื่อไม่ให้ผู้ผลิตมองข้าม สิ่งที่เลวร้ายที่สุดคือการให้ผู้ผลิตสมมติสิ่งที่คุณต้องการ วงจรเฟล็กซ์มีตัวแปรเคลื่อนที่หลายตัว ดังนั้นรายละเอียดจึงมีความสำคัญมาก

วัสดุ

วงจรดิ้นโดยทั่วไปสร้างด้วยวัสดุโพลิอิไมด์ ผู้ผลิตส่วนใหญ่ในสหรัฐอเมริกาจะใช้โพลิอิไมด์ที่ผลิตโดยดูปองท์ ผู้ผลิตนอกสหรัฐอเมริกาอาจใช้ซัพพลายเออร์วัสดุอื่นเนื่องจากต้นทุนและความพร้อมใช้งาน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากวงจรเฟล็กซ์มีเอกลักษณ์เฉพาะ จึงควรใช้วัสดุชนิดเดียวกันในต้นแบบซึ่งจะนำไปใช้ในการผลิตในปริมาณมากในที่สุด ระหว่างการทดสอบ คุณกำลังพยายามดูว่าวงจรดิ้นสามารถทนต่อวงจรได้กี่รอบ ด้านล่างนี้เป็นกฎทั่วไปเกี่ยวกับรัศมีโค้งงอของวงจรดิ้น จัดแสดงนิทรรศการ.

กฎรัศมีการโค้งงอเป็นเพียงแนวทางทั่วไป วิธีที่แน่นอนในการพิจารณาว่าวงจรดิ้นสามารถโค้งงอได้มากน้อยเพียงใดหรือจะทนต่อวงจรได้กี่รอบคือการทดสอบความเค้น

ปัจจัยสองสามประการจะส่งผลต่อจำนวนวงจรดิ้นที่สามารถงอได้ การเลือกใช้วัสดุมีความสำคัญมาก แม้ว่าความหนาของบอร์ดจะเป็นตัวกำหนดความยืดหยุ่น แต่วัสดุก็จะช่วยให้คุณภาพและวงจรชีวิตของวงจรยืดหยุ่นได้ ประเภทของทองแดงที่ใช้กับวงจรดิ้นเป็นสิ่งสำคัญมาก ทองแดงที่มีจำหน่ายในท้องตลาดมีอยู่ XNUMX ประเภท ได้แก่ ED Copper (Deposited Copper) และ Roll Annealed Copper ถ้าเป็นไปได้ ควรหลีกเลี่ยงทองแดง ED เนื่องจากเป็นกระบวนการชุบและทองแดงจะเปราะมาก แนะนำให้ใช้ทองแดงอบอ่อน ทองแดงถูกรีดลงบนวัสดุที่มีความยืดหยุ่น ดังนั้นจึงมีความอ่อนตัวได้มาก ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องระบุทิศทางของเกรนบนภาพวาดการประดิษฐ์ของคุณ คุณต้องการให้เมล็ดพืชไปในทิศทางเดียวกับทิศทางโค้งของคุณ พื้นที่ทองแดงที่เป็นของแข็งเช่นระนาบพื้นควรข้ามฟักเมื่อเป็นไปได้ ซึ่งจะช่วยให้วงจรเฟล็กซ์มีความยืดหยุ่นมากขึ้น

การประดิษฐ์

เมื่อออกแบบเสร็จแล้ว มาสร้างบอร์ดแบบยืดหยุ่นโดยเร็วที่สุด เช่นเดียวกับโครงการด้านวิศวกรรมทั้งหมด บอร์ดแบบยืดหยุ่นนี้ทำงานช้ากว่ากำหนด เราจึงจำเป็นต้องใช้ภายในพรุ่งนี้ ท้ายที่สุด บอร์ดแบบแข็งก็สามารถสร้างได้ภายในหนึ่งหรือสองวัน ดังนั้นทำไมไม่ทำวงจรแบบยืดหยุ่นล่ะ หยุด! ไม่เร็วหรอกเพื่อน

เมื่อสร้างวงจรดิ้นต้องใช้เวลารอนานขึ้น บอร์ดแบบยืดหยุ่นนั้นผลิตได้ยากกว่าแผงวงจรแบบแข็งทั่วไป ดังนั้นจึงต้องใช้เวลาในการผลิตมากกว่า วงจรไฟฟ้าแบบยืดหยุ่นที่สร้างขึ้นด้วยวัสดุโพลีอิไมด์ วัสดุมีความบาง เปราะบาง และจัดการได้ยาก การเจาะจุดแวะนั้นแตกต่างกัน เคมีในการชุบจุดอ่อนนั้นแตกต่างกัน อาจมีการใช้แรงงานมือจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับตัวทำให้แข็งและผ้าคลุม ความแตกต่างทั้งหมดนี้จำกัดผู้ผลิตส่วนใหญ่ไม่ให้สร้างวงจรแบบยืดหยุ่นได้เร็วกว่าสามวันทำการ ที่นี่เรากำลังพูดถึงวงจรดิ้น 2 ชั้น ถ้าวงจรแบบยืดหยุ่นมีจำนวนชั้นที่สูงกว่า เวลาเปิดสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึงสองถึงสามสัปดาห์ในการผลิต

ตอนนี้เราเข้าสู่การผลิตวงจรแข็งแบบยืดหยุ่น วงจรแข็ง-ดิ้นเป็นสัตว์ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง การวางแผนล่วงหน้าและการ camming ของ Rigid-flex อาจใช้เวลา 2-3 วันในการดำเนินการอย่างง่ายดาย ก่อนที่บอร์ดจะถูกปล่อยสู่พื้นการผลิตจริง งานด้านวิศวกรรมที่ตรงไปตรงมานี้มีความสำคัญมากเพราะการดัดงอแบบแข็งมีขั้นตอนต่างๆ มากมาย และทุกขั้นตอนมีความสำคัญต่อความสำเร็จในการผลิตแผ่นยางยืดแบบแข็ง สิ่งสำคัญที่สุดประการหนึ่งที่ควรทราบคือ เป็นเรื่องยากที่จะเห็นงานแบบดิ้นแข็งหลายงานบนพื้นที่การผลิตที่มีการเรียงซ้อนกันแบบเดียวกัน เมื่อใช้บอร์ดแบบแข็ง บอร์ดทั้ง 6 เลเยอร์จะได้รับการประมวลผลในลักษณะเดียวกัน คุณสามารถมีงานได้ 5 งานโดยมี 6 ชั้นบนชั้นการผลิตและงานทั้งหมดสามารถดำเนินการต่างกันได้เมื่อใช้การดัดแบบยืดหยุ่น

ตัวอย่าง-

บอร์ด #1 - 6 ชั้น - มี 4 ชั้นแบบแข็งและ 2 ชั้นดิ้น

บอร์ด # 2 –-6 เลเยอร์บอร์ด— มี 3 ชั้นแข็งพร้อมดิ้น 3 ชั้น

บอร์ด #3 —6 เลเยอร์บอร์ด — 4 ชั้นแข็งกับ 2 ชั้นดิ้น แต่ 2 ชั้นดิ้นอยู่บนชั้นที่แตกต่างกัน

ความยากอีกอย่างหนึ่งของการผลิตวงจรแบบแข็ง-งอคือการผสมผสานระหว่างการทำงานกับวัสดุสองประเภทที่แตกต่างกัน Rigid-flex เป็นการรวมวัสดุแข็งเข้ากับวัสดุวงจรแบบยืดหยุ่น พวกเขามีคุณสมบัติที่แตกต่างกันสองประการจึงเป็นเรื่องยากที่จะใช้งาน นี่คือเหตุผลที่คุณไม่เห็นผู้ผลิตแผงวงจรจำนวนมากเกินไปสร้างวงจรแบบแข็งและแบบยืดหยุ่นในโรงงานเดียวกัน ผู้ผลิตแผงวงจรแต่ละรายยึดติดกับสิ่งที่พวกเขาสร้างได้ดีที่สุดตามลำดับ ความล้มเหลวที่พบบ่อยที่สุดกับวงจรแข็งแบบแข็งคือคุณลักษณะของกระบวนการชุบ หากการเคลือบจุดอ่อนไม่ถูกวิธี จะทำให้เกิดช่องว่าง การแตกร้าว และการหลุดลอก วัสดุทั้งสองต่างกันมีอัตราการขยายตัวของแกน Z ต่างกัน ดังนั้นการชุบที่ไม่เหมาะสมจะทำให้คุณภาพไม่ดีได้ง่าย

เนื่องจากความซับซ้อนของวงจรเฟล็กซ์ ต้นทุนวัสดุ เวลาในการผลิต เคมี การเจาะ และการจัดการ ต้นทุนในการผลิตบอร์ดแบบยืดหยุ่นจึงสูงกว่าแผงวงจรแข็งแบบเดิม ผู้ซื้อบางครั้งตกใจกับราคาที่แตกต่างกันระหว่างวงจรแบบแข็งและแบบยืดหยุ่น หวังว่าตอนนี้พวกเขาจะเข้าใจแล้วว่าทำไมราคาถึงต่างกัน และทำไมวงจรเฟล็กซ์จึงไม่สามารถสร้างได้เร็วเท่ากับแผงวงจรแข็งแบบเดิม

เมื่อผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลง วงจรไฟฟ้าแบบยืดหยุ่นจะเป็นที่นิยมและแพร่หลายมากขึ้นในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ แม้ว่าค่าใช้จ่ายจะสูงขึ้น แต่ก็มีแอปพลิเคชั่นที่มีประโยชน์มากมายสำหรับวงจรเฟล็กซ์ วงจรดิ้นสามารถพับขึ้นและเป็นตะคริวในพื้นที่แคบได้ วงจรแบบยืดหยุ่นสามารถเคลื่อนที่ไปมาในสภาพแวดล้อมแบบไดนามิก อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ไม่จำเป็นต้องเข้มงวดอีกต่อไป วงจรไฟฟ้าแบบยืดหยุ่นสามารถช่วยนักออกแบบขยายจินตนาการและพัฒนาผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เย็นกว่าและล้ำหน้ากว่า

บทความโดย ต้วน ตรัน ผู้อำนวยการ hitechcircuits