Hướng dẫn thiết kế vi mạch Flex thành công

Với việc sử dụng các cảm biến và công nghệ trong mọi thứ, từ điện thoại di động đến tủ lạnh, ô tô đến các thiết bị y tế đeo được, bảng mạch là một thành phần trong nhiều loại sản phẩm khác nhau. Trong thế giới điện tử ngày nay, bất kỳ sản phẩm nào có công tắc bật / tắt đều chứa một bảng mạch. Do tính linh hoạt của chúng, việc sử dụng mạch uốn là một trong những phân khúc thị trường sản phẩm phát triển nhanh nhất.

Với sự ra đời của mạch flex và cứng-flex, các kỹ sư đã có cơ hội sáng tạo hơn trong việc thiết kế các sản phẩm mới và sáng tạo. Ván uốn dẻo và ván uốn cứng được chế tạo để phù hợp với không gian ba chiều chật hẹp mà vẫn đảm bảo khả năng chống mài mòn và rung động cơ học. Các kỹ sư có thể thiết kế các sản phẩm yêu cầu bo mạch phù hợp với không gian chật hẹp, vặn và xoay để đóng gói, và làm cho sản phẩm sống trong một môi trường năng động hơn. Các mạch linh hoạt này có cùng mức hiệu suất như bảng FR4 cứng truyền thống, tuy nhiên, chúng có những sắc thái và cân nhắc riêng khi thiết kế, chế tạo và lắp ráp.

Thiết kế bố trí

Khi thiết kế mạch flex, điều quan trọng là phải biết ứng dụng cụ thể cho bảng. Nó sẽ được sử dụng trong môi trường tĩnh hay động? Nếu bo mạch được đặt trong môi trường tĩnh, ít hoặc không có chuyển động, thiết kế mạch cần có độ linh hoạt thích hợp để có thể dễ dàng lắp đặt vào sản phẩm. Ngoài ra, nếu bảng tồn tại trong một môi trường năng động, nơi bảng sẽ liên tục uốn cong qua lại, thì mức độ linh hoạt có thể chịu được chuyển động liên tục cần phải được xem xét trong thiết kế.

Ứng dụng sẽ yêu cầu một bảng uốn dẻo hay một bảng cứng uốn dẻo? Nếu sản phẩm yêu cầu công nghệ gắn bề mặt một mặt, thì bảng uốn dẻo là lựa chọn tốt nhất. Nếu sản phẩm yêu cầu công nghệ gắn kết bề mặt hai mặt, thì cần phải có một tấm ván uốn dẻo cứng.

Cho dù đó là một kỹ sư phần cứng, kỹ sư cơ khí hay một nhà thiết kế bảng Layout có kinh nghiệm, mọi người đều có chút e ngại lần đầu tiên đặt ra một mạch flex. Giả định của họ là cách tiếp cận để thiết kế một mạch uốn rất khác so với một bảng cứng. Nhưng thực tế của vấn đề là việc đặt ra một mạch flex rất giống với một bảng cứng chỉ với một vài điểm khác biệt. Bạn thiết lập tất cả các lớp của mình trong phần mềm giống như một bảng cứng. Các tệp đầu ra đều giống nhau. Sự khác biệt thực sự duy nhất là lớp phủ, lớp làm cứng và một số quy tắc thiết kế cơ bản cần ghi nhớ. Hiểu rằng bản chất mạch uốn sẽ uốn có nghĩa là bạn cần đảm bảo giữ các đặc điểm chính như vias, dấu vết kết thúc và các góc nhọn cách xa vùng uốn. Mạch Flex được làm bằng vật liệu polyimide nên khó xử lý hơn, vì vậy hãy giữ các dấu vết, vias, vòng hình khuyên, miếng đệm và khoảng cách của bạn càng lớn càng tốt. Tôi thường được hỏi làm thế nào nhỏ của một dấu vết hoặc thông qua đó có thể được sử dụng. Bạn có thể nhỏ tùy thích nhưng sẽ khó sản xuất hơn và độ tin cậy rất cao. Bạn có thể sử dụng nhiều tính năng chặt chẽ hơn trên một bảng cứng hơn so với trên một mạch linh hoạt. Thông thường, trên một bảng cứng, mặt nạ hàn được áp dụng trên các lớp bên ngoài để bảo vệ các tính năng của đồng. Trên bảng uốn dẻo, các đặc điểm đồng bên ngoài thường được bảo vệ bởi một lớp bìa. Trong tệp thiết kế, người thiết kế bố trí nên tạo lớp bìa này giống như lớp mặt nạ hàn. Sự khác biệt cuối cùng với một thiết kế flex là chất làm cứng. Chất làm cứng được sử dụng để thêm hỗ trợ cho các vùng nhất định của bảng mạch uốn. Các chất làm cứng có thể ở nhiều vùng của mạch uốn và chúng có thể nằm ở hai bên của bảng. Trong tệp thiết kế, nếu tất cả các chất làm cứng được thể hiện trong một tệp thì chúng cần được xác định trong bản vẽ chế tạo mà chúng cần được áp dụng cho mặt nào của bảng. Nếu không, một lớp riêng biệt nên được tạo cho các chất làm cứng trên và dưới của mạch uốn.

Khi cần hỗ trợ thêm cho một khu vực cụ thể trên bảng mạch uốn cong hoặc cần bảo vệ cho các thành phần hoặc đầu nối đi kèm, tùy chọn tốt nhất là bao gồm một bộ làm cứng trong thiết kế. Điều này sẽ loại bỏ mạch chuyển động và bảo vệ tính toàn vẹn của các mối nối hàn. Điều quan trọng cần nhớ là thiết bị làm cứng tốt nhất nên được đặt ở phía đối diện của thành phần mà nó đang hỗ trợ. Có rất nhiều loại chất làm cứng để lựa chọn; polyimide, FR4, thép không gỉ, nhôm hoặc nhiều tùy chọn khác. Độ dày của chất làm cứng phụ thuộc vào cách sử dụng bảng. Chất làm cứng càng dày thì càng hỗ trợ nhiều hơn. Nếu bảng đang được sử dụng trong không gian nhỏ / chật hẹp, độ dày của chất làm cứng có thể là một vấn đề đòi hỏi chất làm cứng mỏng hơn. XEM HÌNH ẢNH CỤM.

Bây giờ nhà thiết kế đã hoàn thành mạch uốn đầu tiên của mình, anh ta có nhiệm vụ bố trí mạch uốn cứng đầu tiên của mình. Mức độ bối rối và lo lắng chỉ tăng gấp năm lần. Các kỹ sư thường nghĩ rằng phần uốn cong của bảng được dán hoặc bằng cách nào đó được gắn vào phần cứng của bảng. XEM HÌNH ẢNH RIGID-FLEX. Rigid-flex được chế tạo giống như tất cả các bảng cứng và uốn dẻo với phương pháp xếp chồng các lớp lên trên các lớp. Khi nói đến thiết kế cứng nhắc, cách tiếp cận cũng giống như các bảng mạch khác. Sự khác biệt chính là các vùng nhất định của các lớp cứng sẽ được để trống trong tệp thiết kế. Nhà sản xuất bảng sẽ nhận ra đây là vùng linh hoạt và sẽ lên kế hoạch cho bảng cho phù hợp.

Không giống như một bảng cứng, mạch flex có rất nhiều thay đổi vì vậy việc có một bản vẽ chế tạo chi tiết để đi kèm với thiết kế là rất quan trọng. Bản vẽ chế tạo nên gọi ra tất cả các chi tiết để nhà sản xuất không bỏ qua. Điều tồi tệ nhất là để nhà sản xuất giả định những gì bạn yêu cầu. Mạch Flex có nhiều biến chuyển động nên chi tiết rất quan trọng.

Vật chất

Mạch Flex thường được xây dựng bằng vật liệu polyimide. Hầu hết các nhà sản xuất ở Mỹ sẽ sử dụng polyimide do Dupont sản xuất. Các nhà sản xuất bên ngoài Hoa Kỳ có thể sử dụng các nhà cung cấp vật liệu khác do chi phí và tính sẵn có. Tuy nhiên, vì mạch flex là duy nhất nên bạn nên sử dụng cùng một vật liệu trong nguyên mẫu mà cuối cùng sẽ được sử dụng trong sản xuất số lượng lớn. Trong quá trình thử nghiệm, bạn đang thử xem mạch uốn có thể chịu được bao nhiêu chu kỳ. Dưới đây là quy tắc chung về bán kính uốn cong của mạch uốn. Hình ảnh A.

Quy tắc bán kính uốn cong chỉ là một hướng dẫn chung. Cách tuyệt đối để xác định một mạch uốn có thể uốn cong bao nhiêu hoặc nó sẽ chịu được bao nhiêu chu kỳ là kiểm tra ứng suất nó.

Một vài yếu tố sẽ ảnh hưởng đến mức độ linh hoạt của mạch uốn. Lựa chọn nguyên liệu rất quan trọng. Mặc dù độ dày của bảng sẽ quyết định độ mềm dẻo, nhưng vật liệu sẽ giúp chất lượng và vòng đời của mạch uốn. Loại đồng được sử dụng trên mạch uốn rất quan trọng. Có hai loại đồng có sẵn trên thị trường, Đồng ED (Đồng đã được ký gửi) và Đồng được ủ cuộn. Nếu có thể, nên tránh sử dụng đồng ED vì đây là quá trình mạ và đồng sẽ rất giòn. Đồng được ủ cuộn được ưu tiên. Đồng được cán trên vật liệu uốn, do đó, nó rất dễ uốn. Như đã nói, điều quan trọng là phải gọi ra hướng thớ trên bản vẽ chế tạo của bạn. Bạn muốn hạt đi cùng hướng với hướng uốn cong của bạn. Các khu vực đồng rắn như mặt phẳng nên được gạch chéo khi có thể. Điều này sẽ giúp làm cho mạch uốn dẻo hơn.

chế tạo

Bây giờ thiết kế đã hoàn thành, hãy xây dựng bảng linh hoạt càng nhanh càng tốt. Giống như tất cả các dự án kỹ thuật, bảng linh hoạt này đang chậm tiến độ vì vậy chúng tôi cần nó vào ngày mai. Rốt cuộc, các bảng cứng có thể được chế tạo trong một hoặc hai ngày, vậy tại sao không uốn mạch. Dừng lại! Không quá nhanh, bạn của tôi.

Khi chế tạo mạch uốn cần thời gian dẫn lâu hơn. Bo mạch linh hoạt khó sản xuất hơn so với bảng mạch cứng truyền thống do đó đòi hỏi nhiều thời gian sản xuất hơn. Các mạch uốn dẻo được xây dựng bằng vật liệu polyimide. Vật liệu mỏng, dễ vỡ và khó xử lý. Việc khoan của các vias là khác nhau. Hóa học để tạo thành đĩa vias là khác nhau. Có thể có nhiều lao động chân tay liên quan đến (các) chất làm cứng và lớp phủ. Tất cả những khác biệt này hạn chế hầu hết các nhà sản xuất xây dựng mạch uốn nhanh hơn ba ngày làm việc. Ở đây, chúng ta chỉ nói về mạch flex 2 lớp. Nếu mạch uốn có số lớp cao hơn, thời gian chế tạo có thể lên đến hai đến ba tuần để sản xuất.

Bây giờ chúng ta đi vào sản xuất mạch cứng-uốn. Mạch cứng nhắc thực sự là một loài động vật hoàn toàn khác. Bạn có thể dễ dàng thực hiện việc lập kế hoạch trước và tạo đường viền cho Rigid-flex trước 2-3 ngày trước khi bảng thực sự có thể được đưa ra sàn sản xuất. Công việc kỹ thuật trả trước này rất quan trọng bởi vì flex-cứng thực hiện nhiều bước khác nhau và mỗi bước đều rất quan trọng để sản xuất thành công flex-cứng. Một trong những điều quan trọng nhất cần lưu ý là Hard-flex có nhiều ngăn xếp khác nhau. Hiếm khi thấy nhiều công việc uốn cong cứng nhắc trên một sàn sản xuất có chất chồng lên nhau tương tự. Với ván cứng, tất cả 6 lớp ván đều được xử lý theo cùng một cách. Với Hard-flex, bạn có thể có 5 công việc với 6 lớp trên sàn sản xuất và tất cả chúng đều có thể được xử lý khác nhau.

Thí dụ-

Bảng # 1 -– 6 lớp - có 4 lớp cứng với 2 lớp uốn.

Bảng # 2 –-6 lớp - có 3 lớp cứng với 3 lớp uốn.

Bảng # 3 —Bảng 6 lớp — cứng 4 lớp với 2 lớp uốn nhưng 2 lớp uốn nằm trên các lớp khác nhau.

Khó khăn khác của việc sản xuất mạch cứng-uốn là sự kết hợp làm việc với hai loại vật liệu khác nhau. Rigid-flex là kết hợp vật liệu cứng với vật liệu mạch flex. Chúng có hai thuộc tính khác nhau nên rất khó để làm việc với. Đây là lý do tại sao bạn không thấy quá nhiều nhà sản xuất bảng mạch xây dựng các mạch cứng và linh hoạt trong cùng một cơ sở. Mỗi nhà sản xuất bảng mạch tương ứng với những gì họ xây dựng tốt nhất. Lỗi phổ biến nhất với mạch cứng-uốn là thuộc tính của quá trình mạ. Nếu mạ không đúng kỹ thuật sẽ dẫn đến hiện tượng rỗng, nứt, tách lớp. Hai loại vật liệu khác nhau có tỷ lệ giãn nở trục Z khác nhau nên việc mạ không đúng cách sẽ dễ dẫn đến chất lượng kém.

Do tính phức tạp của mạch flex, chi phí vật liệu, thời gian xử lý, hóa học, khoan và xử lý, chi phí để chế tạo bảng flex cao hơn so với bảng mạch cứng truyền thống. Người mua đôi khi bị sốc với mức giá khác nhau giữa mạch cứng và mạch uốn. Hy vọng rằng bây giờ họ đã hiểu tại sao lại có sự chênh lệch về giá và tại sao các mạch flex không thể được chế tạo nhanh như các bảng mạch cứng truyền thống.

Khi các sản phẩm điện tử trở nên nhỏ hơn, mạch flex sẽ trở nên phổ biến và thông dụng hơn trong ngành công nghiệp điện tử. Mặc dù giá thành cao hơn nhưng có rất nhiều ứng dụng hữu ích cho mạch flex. Các mạch uốn có thể được gấp lại và thu hẹp trong một không gian chật hẹp. Các mạch Flex có thể di chuyển qua lại trong môi trường động. Ngành công nghiệp điện tử không còn phải cứng nhắc như vậy nữa. Mạch linh hoạt có thể giúp các nhà thiết kế mở rộng trí tưởng tượng và phát triển các sản phẩm điện tử mát hơn và tiên tiến hơn.

Bài viết của Tuấn Trần, Giám đốc tại hitechcircuits