Как включить гибкие, жесткие и жесткие элементы Pcb в единый дизайн

Понимание различных элементов ПХД

Прежде чем погрузиться в стратегии проектирования, важно понять основные характеристики каждого варианта печатной платы. Каждый тип выполняет определенную механическую и электрическую роль, и их ограничения определяют границы интеграции.

Жесткие ПХД

Жесткие ПХД являются традиционным костяком электроники. Они построены на твердых, негибких подложках, таких как FR-4 (укрепляемая стекловолокном эпоксидная смола) или материалах с высоким содержанием Tg. Их основным преимуществом является механическая стабильность, которая позволяет точно размещать компоненты, надежные припои и согласованное управление импедансом. Жесткие секции содержат большинство активных компонентов, разъемов и высокоскоростных следов. Однако они не могут соответствовать изогнутым корпусам или поглощать вибрацию без добавленного оборудования для монтажа.

Гибкие ПХД

Гибкие ПХД используют полиимидные (например, Kapton) или полиэфирные подложки, обычно толщиной 12-50 мкм. Их тонкая, изгибаемая природа позволяет им сворачиваться в плотные пространства, маршрут между уложенными досками или образовывать динамические шарниры в таких приложениях, как принтеры, камеры и носимые устройства. Гибкие схемы могут быть односторонними, двусторонними или многослойными, но они более восприимчивы к механической усталости и требуют тщательной обработки следов через зоны изгиба.

ПХД с жестким флексом

Жестко-гибкие ПХД объединяют жесткие и гибкие слои в единую ламинацию. Гибкие слои простираются от одной жесткой области к другой, образуя интегральные межсоединения, которые устраняют разъемы и дискретную проводку. Этот гибридный подход снижает стоимость сборки, улучшает целостность сигнала, избегая интерфейсов разъемов, и позволяет трехмерную упаковку. Жестко-гибкие конструкции распространены в аэрокосмической, медицинской имплантации и потребительской электронике высокой плотности, где пространство и вес находятся на премиальном уровне.

Ключевые стратегии проектирования для бесшовной интеграции

Интеграция жестких, гибких и жестких гибких элементов требует целостного подхода, который касается компоновки, материалов, переходов и маршрутизации. Ниже приведены критические стратегии, каждая из которых дополнена практическим руководством.

1 Стратегическое планирование и планирование штабелирования

Начните с полной схематической и механической оболочки, которая определяет окончательную сложенную форму. В компоновке должны соблюдаться изгибающие оси и требуемые радиусы. Используйте следующие лучшие практики:

Компонентное размещение

Не размещайте все жесткие компоненты на жестких участках. Не размещайте компоненты на гибких участках, которые будут подвергаться изгибу - напряжение может растрескивать припои или повредить корпус компонента. Для жестких гибких конструкций компоненты могут быть размещены только на жестких участках, в то время как гибкие участки зарезервированы для взаимных следов. Если компонент должен засечь границу, используйте жесткий затвердеватель или местный армирующий пластырь.

Дизайн Stackup Design

Для жесткогибких гибких досок гибкие слои ядра (обычно 2-4 слоя) ламинируются между жесткими слоями. Гибкие слои должны иметь достаточный вес меди (0,5 унции или 1 унция) для надежности, а стекап должен быть симметричным для уменьшения деформации. Используйте последовательную диэлектрическую толщину через жесткие и гибкие секции для управления импедансом. Убедитесь, что гибкие слои непрерывны между жесткими секциями - избегайте сшивания двух отдельных гибких хвостов; вместо этого, проектируйте один бесшовный гибкий слой, который охватывает шарнир.

Ориентация и панелизация

Выровнять гибкую ось с направлением деформации производственной панели (обычно с более длинным размером панели), чтобы минимизировать напряжение. Для панелирования включите отверстия для инструментов и фидуциалы только на жестких секциях. Гибкие области должны быть очищены от этих механических приспособлений, чтобы предотвратить искажения во время сборки.

2. Выбор и совместимость материалов

Выбор материала напрямую влияет на надежность, технологичность и стоимость. Ключевыми параметрами, соответствующими между жесткими и гибкими секциями, являются коэффициент теплового расширения (]CTE), температура стеклования (]Tg) и модуль эластичности.

Жесткие материалы

Гибкие материалы

Используйте безклеевые ламинаты для гибких слоев, когда это возможно (например, откатанная отожженная медь, связанная непосредственно с полиимидом). Безклеевая конструкция обеспечивает лучшее соответствие CTE , более высокую прочность кожуры и улучшенный динамический гибкий срок службы. Когда клеи необходимы (например, покрытие), выберите один с аналогичным CTE жесткому ламинированию, чтобы минимизировать напряжение в переходной зоне.

Коннектор и Via материалы

Для переходов используйте высокотемпературную паяльную маску (LPI) или полиимидный каверле. Избегайте ENIG-отделения на гибких секциях, если ожидается динамическое изгибание; вместо этого используйте мягкое золото или OSP. Для сквозных сквозняков, которые переходят от жесткого к гибкому, выберите сквозные отверстия с кольцевыми кольцами, которые по крайней мере на 150 мкм шире диаметра сверла для поддержания структурной целостности.

3.Оптимальный дизайн переходной зоны

Переход между жесткими и гибкими секциями является наиболее подверженной отказам областью.

Постепенные переходы и Бенд Радий

Никогда не переходите резко с толстой жесткой платы на тонкий гибкий хвост. Используйте сужение не менее 2–3 мм, где толщина жесткого материала постепенно уменьшается до гибкой толщины. Радиус изгиба для гибкого сечения должен быть в десять раз больше гибкой толщины для динамического изгиба (например, если гибкий стек толщиной 0,2 мм, минимальный радиус изгиба = 2 мм). Для статических (одноразовых) изгибов допускается толщина в пять раз. Включите изогнутые углы следов в зоне изгиба; 90° углы концентрируют напряжение и вызывают растрескивание.

Теардроп и дизайн филе

На каждой сквозной или составной площадке, которая находится в пределах или вблизи области сгиба, используйте филе из капель. Эти дополнительные медные соединения расширяют соединение «подушка-след», распределяя механическое напряжение от ствола и диэлектрического интерфейса. Филе должно иметь радиус не менее 0,2 мм с каждой стороны.

Облегчение напряжения

Включают в границы жесткого сгиба функции рельефа деформации: сшивание сквозняков (если позволяет конструкция), застежитель на полпути через область сгиба, если он будет зажат, и закругленные углы слота, чтобы избежать распространения разрыва. Обычная техника заключается в том, чтобы вытянуть жесткий ламинат на 1-2 мм за границу в качестве временной ручки, а затем удалить его во время депанелирования. Это предотвращает напряжение сгиба во время сборки.

4. Руководящие принципы маршрутизации для смешанных технологических советов

Правила электрической конструкции различаются между жесткими и гибкими секциями из-за различий в диэлектрической постоянной, шероховатости меди и механических ограничениях.

Пространство и широта

На гибких слоях используйте более широкие следы для мощности и земли (минимум 0,15 мм для сигнала, 0,3 мм для мощности) для снижения сопротивления и улучшения гибкого срока службы. Поддерживайте расстояние не менее 0,15 мм между соседними следами в изгибных областях. Для дифференциальных пар убедитесь, что сопротивление контролируется как в жесткой, так и в гибкой областях - это часто требует различной ширины следов или расстояния в гибкой части из-за более тонкого диэлектрика.

Виды и места расположения

Избегать размещения сквозняков в зоне изгиба. Все сквозняки должны располагаться на расстоянии не менее 1 мм от линии старта изгиба. Предпочитать сквозные сквозняки над микровиасами для надежности в гибких областях, но микровиас можно использовать при заполнении проводящей пастой. При маршрутизации сигналов от жесткого участка к гибкому сечению максимально маршрутизировать их по одному и тому же слою, чтобы избежать множественных изменений слоя, которые вносят дополнительный стресс.

Щитовые и наземные самолеты

Гибкие схемы более восприимчивы к электромагнитным помехам из-за их тонкого диэлектрика и часто плавающего грунта. Включают плоскость грунта на одном гибком слое (желательно внутреннем слое) с перекрестной зацепкой для поддержания гибкости. Паттерн люка должен иметь плотность меди 70-80% с линиями 0,3 мм и пространствами 0,2 мм. В высокочастотных конструкциях используют твердую плоскость грунта на отдельном слое, но ограничивают непрерывную площадь меди, чтобы избежать жесткости.

5. Интеграция с коннектором и риффенером

Коннекторы часто мост жёсткий и гибкий домены. Выберите разъемы нулевой вставки (ZIF) для гибких хвостов, чтобы избежать повреждения хрупкой кромки вставки. Для жёстких гибких плат интегральное межсоединение обычно устраняет необходимость в разъемах, но иногда для интерфейсов аккумулятора или дисплея требуются внешние разъемы. В таких случаях усиливают гибкий конец с помощью полиимида или FR-4-жесткого затвора, который соответствует толщине разъемной посадочной площадки (обычно 0,3 ± 0,05 мм).

Выбираем правильный стиффенер

Прикрепить закалочные устройства с использованием чувствительных к давлению клеев (PSA) для применения с низкой толщиной или использовать заглубленные закалочные устройства для повышения прочности кожуры. Убедитесь, что закалочный элемент не распространяется в зону изгиба - требуется зазор не менее 2 мм.

Соображения в отношении производства и испытаний

Даже самый лучший дизайн потерпит неудачу, если его невозможно построить надежно. Сотрудничайте с вашим производственным домом на ранней стадии, делясь механической 3D-моделью и окончательными деталями штабелирования.

Правила проектирования для производства (DFM)

Предоставить изготовителю следующую информацию в отдельном зачетном документе или чертеже изготовления:

Общие ловушки DFM включают использование слишком маленьких сверл (ниже 0,2 мм) в гибких областях, размещение неподдерживаемых слотов или указание ненужных лазерных вырезов. Большинство производителей предпочитают маршрутизацию или удары для гибких контуров; попросите их предпочтительный метод.

Тестирование надежности

После прототипирования подвергните дизайн набору строгих тестов:

Динамический тест на гибкие

Используйте механический крепеж для многократного сгибания сгиба под заданным углом и радиусом не менее 10 000 циклов при измерении непрерывности сопротивления.Изменение сопротивления на 10% указывает на надвигающийся отказ.

Термальный велосипед

Цикл между -40°C и +125°C для 1000 циклов на IPC-9701A. Мониторинг жесткого интерфейса для деламинации или пустот с использованием сканирующей акустической микроскопии.

Испытание на прочность пиля

Измерить сцепление между гибким слоем и жестким ламинатом при переходе. Стандарт IPC-TM-650 2.4.8 требует минимальной прочности кожуры 0,7 Н/мм для 1 унции меди на полиимиде.

Электрические испытания

Проведите испытания на сопротивление на дифференциальных парах и испытания на непрерывность на всех сетках. Используйте летающий зонд-испытатель для гибких цепей, чтобы избежать механических зондов, которые могут повредить поверхность.

Обычные подводные камни и как их избежать

Даже опытные дизайнеры допускают ошибки при интеграции гибких и жестко-гибких элементов. Вот наиболее частые вопросы:

Заключение

Включение гибких, жестких и жестких элементов ПХД в единый дизайн является сложной, но полезной инженерной задачей. Ключ к успеху лежит в дисциплинированном подходе: начните с четкой механической оболочки, выберите совместимые материалы, спроектируйте постепенные переходы с надлежащими радиусами изгиба и придерживайтесь руководящих принципов DFM. Уважая уникальные механические свойства каждого раздела - особенно гибкие слои - вы можете производить высоконадежные, экономичные электронные сборки, которые хорошо работают в сложных средах. Поскольку электроника продолжает сжиматься и складываться в портативные и носимые формы, овладение этими методами интеграции станет необходимым навыком для каждого дизайнера ПХД.

Для дальнейшего чтения обратитесь к стандарту IPC-2223 для проектирования гибких схем и Altium rigid-flex design guide . Производственные возможности для продвинутого жесткого рефлекса могут быть рассмотрены на PCBWay или JLCPCB.