Проектирование гибких схем для динамических приложений требует фундаментального перехода от статической логики межсоединений к разработке механической прочности. Для покупателей и инженеров решение заключается не только в возможности подключения, но и в обеспечении миллионов циклов гибкой эксплуатации без наклепа или следов разрушения. В этом руководстве представлены конкретные рекомендации по маршрутизации, выбору материалов и протоколам проверки, необходимые для приобретения надежных динамических гибких печатных плат.
Основные моменты
- Механическая нейтральность. Узнайте, как расположить проводники на нейтральной оси, чтобы минимизировать нагрузку при изгибе.
- Отслеживаемая геометрия. Специальные правила для предотвращения воздействия двутавровой балки и использования криволинейной трассировки для предотвращения концентрации напряжений.
- Выбор материала: Важные компромиссы между прокатанной отожженной (RA) и электроосажденной (ED) медью.
- Валидация: Критерии приемки для испытаний на долговечность IPC-TM-650.
Ключевые выводы
- Механическая нейтральность: научитесь размещать проводники на нейтральной оси, чтобы минимизировать напряжение при изгибе.
- Трассирующая геометрия: специальные правила для предотвращения эффектов двутавровой балки и использования криволинейной трассировки для предотвращения концентрации напряжений.
- Выбор материала: важные компромиссы между прокатанной отожженной (RA) и электроосажденной (ED) медью.
- Валидация: критерии приемки для испытаний на долговечность IPC-TM-650.
- Объем, контекст принятия решения и критерии успеха
- Характеристики для определения заранее (перед фиксацией)
- Основные риски (коренные причины, раннее выявление, предотвращение)
Содержание
- Объем, контекст принятия решения и критерии успеха
- Характеристики для определения заранее (перед фиксацией)
- Основные риски (коренные причины, раннее выявление, предотвращение)
- Проверка и приемка (тесты и критерии прохождения)
- Контрольный список квалификации поставщика (запрос предложений, аудит, отслеживание)
- Как выбрать (правила компромисса и принятия решений)
- Часто задаваемые вопросы (стоимость, время выполнения, файлы DFM, материалы, тестирование)
- Запросить цену / обзор DFM
- Глоссарий (ключевые термины)
- Заключение (следующие шаги)
Объем, контекст принятия решения и критерии успеха
Динамический изгиб относится к приложениям, в которых гибкая схема подвергается непрерывному или повторяющемуся движению, например, в головках принтеров, дисководах или шарнирных механизмах. В отличие от «гибких для установки» (статических) конструкций, динамические схемы должны выдерживать усталость. Основная цель — максимизировать усталостную долговечность медных проводников.
Измеримые показатели успеха
Чтобы гарантировать, что проект соответствует стандартам надежности, определите эти показатели заранее:
- Число гибких циклов: Схема должна выдерживать определенное количество циклов (например, от 100 000 до 10 000 000 циклов) при определенном радиусе изгиба без сбоев.
- Стабильность сопротивления: Изменение сопротивления проводника ($\Delta R$) должно оставаться ниже 10 % на протяжении всего срока службы.
- Диэлектрическая целостность: отсутствие видимых трещин или отслоений защитного слоя или изоляции после указанного количества циклов.
Граничные случаи
- Статический и динамический: Если гибкий провод сгибается только один раз во время сборки (гибкий для установки), допустимы стандартная медь ED и более узкие радиусы изгиба (10-кратная толщина). В этом руководстве основное внимание уделяется динамическому использованию, когда требуются медь RA и более свободные радиусы (толщина 20x-40x). – Полудинамический: в приложениях с нечастым изгибом (например, дверцы для обслуживания открываются ежемесячно) могут использоваться промежуточные характеристики, но для обеспечения долговечности следует ориентироваться на динамические рекомендации.
Спецификации для определения заранее (до того, как вы примете решение)
Долговечность динамической гибкой печатной платы определяется геометрией дорожек и структурой стека. Вы должны указать эти параметры в своих примечаниях к изготовлению, чтобы предотвратить использование производителем гибких печатных плат стандартных, нединамических процессов по умолчанию.
Рекомендации по критической маршрутизации
- Изогнутые трассы. Избегайте углов под углом 45° или 90° в гибкой зоне. Используйте дуги большого радиуса. Острые углы концентрируют напряжение и вызывают трещины.
- Перпендикулярная трассировка: Трассы должны проходить перпендикулярно (90°) к линии сгиба. Следы, идущие параллельно оси изгиба, будут скручиваться и расслаиваться.
- Расположенные проводники в шахматном порядке (без двутавровых балок): При двустороннем изгибе дорожки верхнего слоя не должны накладываться непосредственно на дорожки нижнего слоя. Расположите их в шахматном порядке, чтобы предотвратить «эффект двутавровой балки», который увеличивает жесткость и напряжение.
- Размещение нейтральной оси: Проводники должны располагаться как можно ближе к механической нейтральной оси (центру стека). Для динамического изгиба идеально подходит однослойный гибкий материал с покровным слоем одинаковой толщины с обеих сторон.
- Капли: Добавьте капли на все площадки и переходные отверстия, особенно на границе между жесткими и гибкими областями, чтобы предотвратить прорыв во время движения.
- Постоянство ширины дорожки. Поддерживайте постоянную ширину дорожки в области изгиба. Сокращение следов создает слабые места.
- Сплошные медные плоскости. Избегайте сплошных медных плоскостей в динамических областях. Используйте заштрихованные узоры (ромбы или сетки), чтобы сохранить гибкость, или полностью удалите плоскости, если позволяет ЭМП.
- Переходные зоны. Не размещайте переходные отверстия, компоненты или края элементов жесткости ближе 2,5 мм (100 мил) от области динамического изгиба.
- Паяльная маска или защитное покрытие: В динамических зонах используйте гибкое полиимидное защитное покрытие, а не фотоизображаемую паяльную маску. Паяльная маска хрупкая и треснет.
- Толщина проводника. Для динамических слоев используйте более тонкую медь (например, 1/3 унции или 12 мкм). Более тонкая медь испытывает меньшую нагрузку при изгибе.
- Направление волокон: Расположите зерна прокатанной отожженной меди (RA) по длине дорожек (перпендикулярно изгибу).
- Соотношение радиуса изгиба: Поддерживайте соотношение радиуса изгиба к толщине не менее 20:1 для одностороннего изгиба и 40:1 для двустороннего динамического изгиба.
Таблица ключевых параметров
| Параметр | Стандартный (статический) | Динамическое требование | Почему это важно |
|---|---|---|---|
| Тип меди | Электроосажденный (ED) | Прокат отожженный (RA) | RA имеет удлиненную зеренную структуру для более высокой усталостной прочности. |
| Медная масса | 1 унция (35 мкм) | 1/3 унции (12 мкм) или 1/2 унции (18 мкм) | Более тонкая медь снижает нагрузку на внешний радиус изгиба. |
| Радиус изгиба | 6x - 10x толщина | 20x–100x толщина | Больший радиус снижает механическое напряжение за цикл. |
| Количество слоев (гибкий) | 1–6 слоев | 1 слой (предпочтительно) или 2 слоя | Минимизирует толщину; один слой размещает медь точно на нейтральной оси. |
| Изоляция | Паяльная маска или покрытие | Полиимидное покрытие (каптон) | Coverlay пластичен; паяльная маска хрупкая и трескается при динамической нагрузке. |
| Отслеживание маршрутизации | Допускаются углы 45° | Только закругленные дуги | Устраняет точки концентрации напряжений, в которых возникают трещины. |
| Покрытие | ЭНИГ/ХАСЛ | Мягкое золото / OSP (в гибкой области) | Твердое покрытие может треснуть; по возможности держите обшивку вне зоны изгиба. |
| Направление зерна | Любой | Параллельно трассировке / Перпендикулярно изгибу | Выравнивание зерна по направлению изгиба приводит к немедленному разрушению. |
Ключевые риски (коренные причины, раннее выявление, предотвращение)
Неисправности динамической гибкости часто бывают катастрофическими и скрытыми и проявляются только после того, как продукт оказывается в эксплуатации. Управление этими рисками требует строгого контроля проектирования.
1. Наклеп и растрескивание
- Основная причина: Повторяющаяся пластическая деформация кристаллической структуры меди из-за малого радиуса изгиба или неправильного типа меди (ED вместо RA).
- Раннее обнаружение: Сопротивление увеличивается во время цикла тестирования; микротрещины видны под 20-кратным увеличением.
- Профилактика: Соблюдайте правила радиуса изгиба гибкой печатной платы (минимальная толщина в 20 раз) и указывайте медь RA в примечаниях к изготовлению.
2. Эффект двутаврового луча
- Основная причина: Трассировки на верхнем и нижнем слоях выравниваются непосредственно друг над другом. Эта конструкция действует как жесткая двутавровая балка, увеличивая жесткость и напряжение при изгибе.
- Раннее обнаружение: Высокая жесткость ощущается при сгибании вручную; быстрый отказ при испытании на двусторонний изгиб.
- Предотвращение: расположите следы на соседних слоях в шахматном порядке. Если верхняя трасса находится в позиции X, нижняя трасса должна быть сдвинута как минимум на ширину трассы + интервал.
3. Стресс в переходной зоне
- Основная причина: Напряжение концентрируется там, где гибкая схема встречается с жестким элементом жесткости или жесткой секцией печатной платы.
- Раннее обнаружение: Отслоение защитного слоя или следы разрушения точно на краю элемента жесткости.
- Профилактика: Используйте полоску эпоксидной смолы для разгрузки от натяжения на границе раздела. Убедитесь, что следы входят в жесткую зону перпендикулярно краю. Как спроектировать элемент жесткости для гибкой печатной платы: наложите покрытие на область элемента жесткости на 0,5–1,0 мм, чтобы избежать зазора.
4. Расслаивание обложки
- Основная причина: Воздушные зазоры между дорожками из-за плохого давления ламинирования или недостаточного растекания клея.
- Раннее обнаружение: Белые пятна (пустоты), видимые на обложке после термического удара или оплавления.
- Профилактика: Используйте «конформный» процесс ламинирования покрытия. Убедитесь, что расстояние между следами позволяет клею стечь на базовый ламинат (обычно 5–10 мил минимального пространства).
5. Разрыв импеданса
- Основная причина: Заштрихованные заземляющие плоскости (используются для гибкости) изменяют емкость опорной плоскости по сравнению с сплошной медью.
- Раннее обнаружение: Проблемы с целостностью сигнала; Измерения TDR показывают всплески импеданса в гибкой области.
- Профилактика: Моделируйте импеданс, используя определенный процент штриховки (например, 50 % меди). Подтвердите расчеты у производителя гибких плат во время DFM.
6. Заделка трещин
- Основная причина: Химическое никель-иммерсионное золото (ENIG) или другие твердые покрытия, выступающие в область изгиба. Никель хрупкий.
- Раннее обнаружение: Периодические разрывы цепей, которые исчезают при распрямлении гибкого кабеля.
- Профилактика: Используйте «селективное покрытие» или «покрытие пуговиц», чтобы покрытию подвергались только колодки. Сохраняйте область динамического изгиба в виде голой меди, покрытой защитным слоем.
7. Впитывание припоя
- Основная причина: Припой затекает на дорожку под защитным слоем, делая дорожку жесткой и хрупкой.
- Раннее обнаружение: Визуальный осмотр показывает, что припой выходит за пределы площадки; жесткие следы возле колодок.
- Профилактика: Используйте «заглушки для пайки» (отверстия покрытия строго определены) и ограничивайте отверстия покрытия только областью контактной площадки.
8. Нестабильность размеров
- Основная причина: Полиимидные материалы сжимаются и расширяются во время обработки в большей степени, чем FR4.
- Раннее обнаружение: Несовпадение отверстий покрытия или просверленных отверстий относительно медных площадок.
- Профилактика: Используйте кольцевые кольца большего размера (от +5 до +8 мил) и меньшие допуски для выравнивания защитного слоя (±0,2 мм) по сравнению с жесткими плитами.
Проверка и приемка (тесты и критерии прохождения)
Проверка динамических гибких плат разрушительна. Вы должны выделить бюджет и образцы для испытаний на физическую выносливость.
Таблица критериев приемки
| Тестовый предмет | Метод | Критерии приемки | Выборка |
|---|---|---|---|
| Выносливость при изгибе | IPC-TM-650 2.4.3 (Тестер MIT) | > 100 000 циклов (или пользовательская спецификация) с $\Delta R < 10%$ | 5 купонов на лот |
| Прочность отслаивания | МПК-ТМ-650 2.4.9 | > 0,8 Н/мм (после термической нагрузки) | 2 купона на лот |
| Визуальный осмотр | IPC-6013 Класс 3 | Никаких трещин, расслоений и вздутий | 100% |
| Стабильность размеров | МПК-ТМ-650 2.2.4 | Изменение < 0,15% | 3 панели в лоте |
| Импеданс (если требуется) | СПТР | ±10% от целевого значения | 100% сигнальных линий |
| Паяемость | J-STD-003 | 95% покрытие, без обезвоживания | 2 купона на лот |
Рекомендуемый протокол испытаний
- Разработайте купон на тестирование. Не полагайтесь на деструктивное тестирование самой детали, если оно дорогое. Создайте «гибкий купон на выносливость», который имитирует ширину трассы, расстояние и структуру критической динамической области.
- Мониторинг шлейфового подключения. Подключите дорожки последовательно, чтобы постоянно контролировать непрерывность во время гибкого теста.
- Обнаружение сбоев. Используйте высокоскоростной детектор событий для обнаружения микропрерываний (длительностью > 1 мкс), которые могут не регистрироваться стандартным мультиметром.
- Проверка радиуса изгиба. Убедитесь, что испытательное приспособление использует точный радиус изгиба, указанный в конструкции (например, оправка 5 мм).
- Направленность: Проверьте изгиб в фактическом направлении использования. Если приложение предполагает скручивание, используйте испытание на кручение вместо простого изгиба оправкой.
- Анализ после испытаний. Разрушенные поперечные сечения образцов позволяют определить, вызван ли отказ медью усталостью (пластическое разрушение) или хрупким разрушением (покрытие/деформационное упрочнение).
Контрольный список квалификации поставщика (запрос предложений, аудит, отслеживаемость)
Не все производители печатных плат могут удовлетворить требования динамической гибкости. Используйте этот контрольный список для проверки потенциальных партнеров.
- Запасы материалов: Имеется ли у поставщика прокатная отожженная медная фольга (RA) и высокоэффективный полиимид (например, DuPont Pyralux)?
- Возможность нанесения защитного слоя: Могут ли они выполнять выборочное ламинирование защитного слоя с высокой точностью совмещения (±0,15 мм или выше)?
- Лазерная резка: Используют ли они УФ-лазеры для точного покрытия и контурной резки (что важно для сложных форм и мелких деталей)?
- Контроль импеданса: Есть ли у них опыт расчета и тестирования импеданса на заштрихованных опорных плоскостях?
- Прикрепление ребер жесткости: Имеются ли у них автоматизированные или полуавтоматические процессы термосклеивания ребер жесткости (PSA или термореактивный клей)?
- Испытательное оборудование: Есть ли у них собственные тестеры на выносливость при изгибе (MIT или аналогичные) для проверки стека?
- Прослеживаемость: Могут ли они проследить направление волокон медной фольги от рулона сырья до готовой панели?
- Поддержка DFM: Предлагают ли они специальную обратную связь DFM по соотношениям радиусов изгиба и геометрии трассировки?
- Контроль покрытия: Могут ли они выполнять выборочное покрытие, чтобы исключить появление хрупкого никеля/золота в гибкой зоне?
- Сертификация: Сертифицированы ли они по IPC-6013, класс 3 для гибких печатных плат?
- Обращение: Используют ли они специальные лотки и процедуры обращения, чтобы предотвратить перекручивание гибких цепей во время производства?
- Паяльная маска или покрытие: Они явно рекомендуют наложение поверх паяльной маски для динамических областей? (Если они предлагают паяльную маску для динамического изгиба, дисквалифицируйте их).
Как выбирать (компромиссы и правила принятия решений)
Этот раздел поможет вам найти важные компромиссные решения при проектировании и выборе материалов для динамических гибких печатных плат.
Сравнение: прокатанная отожженная (Ra) и электроосажденная (Ed) медь
| Фактор | Прокат отожженный (RA) | Электроосажденный (ED) | Лучше всего, когда | Компромисс |
|---|---|---|---|---|
| Зернистая структура | Горизонтальный/ламеллярный | Вертикальный/столбчатый | РА: Динамическая гибкость | RA немного дороже и имеет меньшую прочность на отслаивание. |
| Усталость | Высокий (миллионы циклов) | Низкий (тысячи циклов) | ED: Статический (гибкая установка) | ЭД лучше подходит для травления тонких линий, но не работает в движении. |
| Шероховатость поверхности | Гладкая | Грубее (лучшая адгезия) | РА: Высокоскоростные сигналы | РА требует специального лечения для предотвращения адгезии. |
| Стоимость | Премиум | Стандарт | ED: Экономичная статика | Доступность RA может иметь более длительный срок выполнения. |
| Наличие | Специализированный инвентарь | Широко доступен | РА: Критическая надежность | ED является стандартным для жестких печатных плат. |
| Фактор травления | Хорошо | Отлично | ЭД: Очень мелкий шаг (<3 мил) | RA сложнее вытравить для получения сверхтонких линий. |
| Направление зерна | Критический (Необходимо выравнивание) | Не критично | RA: Однонаправленный изгиб | Во время панельизации необходимо контролировать зерно RA. |
| Эластичность | Высокий | Низкий | RA: Малые радиусы изгиба | RA мягче и легче царапается. |
Матрица решений| Приоритет | Лучший выбор | Почему |
| :--- | :--- | :--- | | Максимальный срок службы | Однослойная медь RA | Размещает медь на нейтральной оси; РА противостоит усталости. | | Высокая плотность | Многослойное покрытие с покрытием «Бикини» | Сохраняет гибкую область тонкой (1–2 слоя), в то время как жесткие области обеспечивают плотность. | | Стоимость | Стандартная медь ED (только статический) | Допустимо только в том случае, если гибкий диск не смещается после установки. | | Импеданс | Заштрихованная земля | Сохраняет гибкость, обеспечивая при этом базовую плоскость. | | Надежность | Полиимидные ребра жесткости | Добавляет толщину на концах разъема без увеличения веса FR4. |
Правила принятия решений («Если... выбери...»)
- Если для применения требуется >10 000 циклов гибкости, выберите прокатную отожженную медь (RA); в противном случае для статической установки может подойти стандартная медь ED.
- Если вам нужны высокоскоростные сигналы в гибкой области, выберите заштрихованные заштрихованные плоскости заземления; в противном случае пропустите плоскости в гибкой области, чтобы максимизировать гибкость.
- Если радиус изгиба мал (менее 10-кратной толщины), выберите однослойную гибкую конструкцию; в противном случае допускается двусторонний изгиб (в шахматном порядке).
- Если вы проектируете переходную зону, выберите перекрытие защитного слоя с элементом жесткости на 0,5 мм; в противном случае вы рискуете сломать след в точке напряжения.
- Если вам необходимо разместить компоненты вблизи гибкого места, выберите селективное покрытие (только контактные площадки); в противном случае хрупкое покрытие может распространиться на область изгиба.
- Если вы прокладываете трассы через изгиб, выбирайте дуги большого радиуса; иначе углы под углом 45 градусов станут концентраторами напряжения.
- Если вы указываете изоляцию, выберите полиимидное покрытие; в противном случае правила покрытия и паяльной маски на гибкой печатной плате предписывают, что паяльная маска треснет при динамическом использовании.
- Если у вас есть следы с обеих сторон, выберите их в шахматном порядке; в противном случае эффект двутавровой балки увеличит жесткость и приведет к поломке.
- Если вам требуется ребро жесткости для поддержки компонентов, выберите FR4 или нержавеющую сталь; в противном случае используйте полиимидные ребра жесткости только для регулировки толщины (соединители ZIF).
- Если стоимость является основным фактором, а изгиб встречается редко, выберите «Semi-Flex» (утонченный FR4); в противном случае для надежности используйте настоящий полиимидный гибкий материал.
Часто задаваемые вопросы (стоимость, время выполнения, файлы DFM, материалы, тестирование)
Вопрос: Насколько дороже медь RA по сравнению с медью ED? Медь RA обычно добавляет 10-20% к стоимости основного материала по сравнению с медью ED. Однако общее увеличение стоимости печатной платы обычно составляет менее 5%, поскольку затраты на обработку (сверление, покрытие, ламинирование) остаются доминирующими факторами.
В: Каков типичный срок поставки гибких динамических печатных плат? Срок изготовления прототипа обычно составляет 5–10 рабочих дней, тогда как для объемного производства требуется 3–4 недели. Сроки поставки могут увеличиться, если на складе отсутствуют специальные медные гири RA (например, 1/3 унции) или полиимидные изделия нестандартной толщины.
В: Нужно ли мне отправлять специальные файлы для проектирования ребер жесткости? Да, определите элемент жесткости на отдельном механическом слое в данных Gerber или ODB++. Четко укажите материал (FR4, полиимид, нержавеющая сталь), толщину и тип клея (PSA или термореактивный материал) в примечаниях к изготовлению.
В: Могу ли я использовать паяльную маску вместо защитного покрытия, чтобы сэкономить деньги? Никогда не используйте паяльную маску для динамически изгибающихся участков; он слишком хрупок и треснет, обрывая следы под ним. Паяльная маска приемлема только в статических (жестких) участках жестко-гибкой платы или в гибких для установки приложениях с очень большими радиусами изгиба.
В: Как указать направление зерна меди RA? Включите в рабочий чертеж примечание: «Направление волокон меди RA должно быть параллельно длине контура (перпендикулярно оси изгиба)». Производитель расположит схему на панели так, чтобы она совпадала с направлением вращения.
В: Что такое «нейтральная ось» и почему она так важна? Нейтральная ось — это плоскость внутри пакета, где во время изгиба нет ни растяжения, ни сжатия. Размещение проводников точно по этой оси (обычно в центре симметричной сборки) сводит к минимуму механическое напряжение и увеличивает усталостную долговечность.Вопрос: Как мне проверить наличие проблем с двутавровой балкой в моей конструкции? Просмотрите данные CAM или файлы Gerber, наложив верхний и нижний слои меди. Если в зоне изгиба дорожки проходят прямо друг над другом, сдвиньте их вбок, чтобы создать шахматную структуру.
В: Каков минимальный радиус изгиба для динамической гибкости? Для обеспечения высокой надежности стремитесь к радиусу изгиба, который в 20–40 раз превышает общую толщину гибкого элемента. Например, гибкая цепь толщиной 100 мкм должна иметь минимальный радиус изгиба от 2 до 4 мм.
Запросить цену / Обзор DFM для рекомендаций по трассировке гибких печатных плат для динамического изгиба (что отправить)
При запросе ценового предложения или проверки DFM гибких динамических печатных плат необходимо предоставить полные данные, чтобы избежать задержек и обеспечить надежность.
Снимок возможностей
| Параметр | Стандартные возможности | Расширенные возможности | Заметки |
|---|---|---|---|
| Гибкие слои | 1-2 слоя | 3-6 слоев | Один слой лучше всего подходит для динамичности. |
| Минимальная трассировка/пробел | 4 мил / 4 мил | 3 мил / 3 мил | Для гибкости предпочтительны более широкие трассы. |
| Мин-Дрель (Механизм) | 0,2 мм (8 мил) | 0,15 мм (6 мил) | Доступна лазерная дрель для микроотверстий. |
| Медная масса | 0,5–1 унция | 1/3 унции (12 мкм) | Чем тоньше, тем лучше для динамики. |
| Веб-обложка | 10 мил (0,25 мм) | 4 миллиона (0 |
Глоссарий (ключевые термины)
Заключение
flex pcb trace routing guidelines for dynamic bending легче всего получить правильно, если заранее определить спецификации и план проверки, а затем подтвердить их с помощью DFM и тестового покрытия.
Используйте приведенные выше правила, контрольные точки и шаблоны устранения неполадок, чтобы сократить циклы итераций и защитить доход по мере увеличения объемов.
Если вы не уверены в ограничении, проверьте его с помощью небольшой пилотной сборки, прежде чем блокировать производственную версию.