Руководство по проектированию жестко-гибких печатных плат: проектирование надежных гибридных межсоединений

Жестко-гибкие печатные платы сочетают в себе механическую гибкость полиимида со структурной целостностью и высокой плотностью жестких подложек FR4. Эта гибридная архитектура исключает громоздкие разъемы и жгуты проводов, значительно снижает вес и повышает надежность в аэрокосмической, медицинской и автомобильной промышленности. Однако успешное внедрение жестко-гибкой технологии требует строгого соблюдения сложных правил проектирования, касающихся симметрии компоновки, совместимости материалов и управления механическими напряжениями.

Основные моменты

Оптимизация пространства: Уменьшает объем упаковки до 60 % по сравнению с традиционными жгутами проводов.
Надежность: исключает потенциальные точки отказа в паяных соединениях и обжимах, встречающихся в стандартных кабелях.
Целостность сигнала: обеспечивает контролируемый импеданс и пониженную паразитную индуктивность для высокоскоростной передачи сигнала.
3D-упаковка: позволяет печатной плате складываться и помещаться в корпус неправильной формы во время установки.

Характеристики жестко-гибких систем с первого взгляда

Параметр	Стандартная спецификация	Расширенные возможности	Критическая заметка
Гибкие слои	1–4 слоя	6–12+ слоев	Держите гибкие слои в центре стека (нейтральная ось).
Минимальный радиус изгиба (статический)	10× Толщина гибкого трубопровода	6× Толщина гибкого трубопровода	Только приложения, предназначенные для установки.
Минимальный радиус изгиба (динамический)	20× Толщина гибкого трубопровода	Толщина гибкого трубопровода 25×–40×	Для применений с непрерывным движением.
Ширина трассы/пространство (гибкая)	4 мил / 4 мил (0,1 мм)	2 мил / 2 мил (0,05 мм)	В зонах изгиба предпочтительны более широкие дорожки, чтобы предотвратить растрескивание.
От сверла до меди (гибкий)	10 мил (0,25 мм)	6 мил (0,15 мм)	Требуются кольцевые кольца большего размера, чем для жестких досок.
Контроль импеданса	±10%	±5%	Труднее контролировать гибкие области из-за изменений диэлектрической проницаемости.

Содержание

Конфигурация архитектуры и стека
Критерии выбора материала
Механическое проектирование и радиус изгиба
Отслеживание маршрутизации и целостности сигнала
Через дизайн и сквозные отверстия с покрытием (Pth)
Производственные процессы и DFM
Отделка поверхности и надежность
Проблемы сборки (PCBA)
Драйверы затрат и оптимизация
Гарантия качества и тестирование
Сводный контрольный список для дизайнеров

Архитектура и конфигурация стека

Основа прочной жестко-гибкой печатной платы лежит в ее стеке. В отличие от стандартных многослойных плат, жестко-гибкие стопки должны учитывать несоответствие расширения по оси Z между FR4 и полиимидом, а также механические требования гибкого шарнира.

Правило нейтральной оси

Наиболее важным правилом механического проектирования является размещение слоев гибкой схемы как можно ближе к нейтральной оси стека. Нейтральная ось — это плоскость внутри доски, где материал не испытывает нулевое напряжение (ни сжатие, ни растяжение) во время изгиба.

Правило: В многослойном жестко-гибком слое гибкие слои должны находиться в центре.
Почему это важно: Если гибкие слои находятся на внешних краях, во время изгиба они испытывают максимальное растягивающее или сжимающее напряжение, что приводит к наклепу меди и возможному разрушению.
Проверка. Просмотрите диаграмму стека, чтобы убедиться в симметрии. Если жесткая секция имеет 8 слоев, то гибкими слоями в идеале должны быть слои 4 и 5.

Несбалансированная и сбалансированная конструкция

Хотя сбалансированная конструкция предпочтительна для предотвращения коробления, некоторые конструкции требуют несбалансированных сборок из-за импеданса или ограничений по пространству.

Сбалансированная конструкция: Одинаковая толщина диэлектриков и меди с обеих сторон сердечника. Минимизирует изгиб и скручивание во время оплавления.
Несбалансированная конструкция: Часто требуется, когда для трассировки требуется определенное количество слоев. Требуется тщательный выбор препрегов с низкой текучестью, чтобы предотвратить чрезмерное натекание клея на гибкий рычаг.

Строительство воздушного зазора

Для конструкций, требующих чрезвычайной гибкости или очень малого радиуса изгиба, используется конструкция с «воздушным зазором». Здесь гибкие слои хранятся отдельно (несвязанными) в гибкой области, что позволяет им скользить друг по другу, как страницы в книге.

Диапазон: Обычно используется, когда гибкая секция превышает 4 слоя.
Преимущество: Снижает эффективную жесткость жгута.
Компромисс: Более сложный производственный процесс и немного сниженная согласованность управления импедансом.

Критерии выбора материала

Выбор правильных материалов касается не только электрических характеристик; речь идет о механическом выживании. Взаимодействие жесткого FR4, гибкого полиимида и клеевых систем определяет надежность плиты.

Клей против безклеевого полиимида

Сердечники из полиимида (PI) бывают двух основных форм:

На основе клея (стандарт): для приклеивания меди к ИП используется акриловый или эпоксидный клей.
- Плюсы: Более низкая стоимость, более высокая прочность на отслаивание.
- Минусы: Клей имеет низкую температуру стеклования (Tg) и высокое тепловое расширение по оси Z. Это распространенная точка отказа при высокотемпературной сборке или эксплуатации.
- Ограничение: Избегайте высоконадежных приложений в аэрокосмической отрасли или печатных плат автомобильной электроники, требующих длительного температурного цикла.
Безклейкий (высокая производительность): Медь отливается или напыляется непосредственно на PI.
- Плюсы: Более тонкий профиль, лучшая термостабильность, более высокая Tg.
- Минусы: Более высокая стоимость материала.
- Рекомендация: Обязательна для конструкций HDI и жестко-гибких плат с количеством слоев >4.

Coverlay против паяльной маски

В гибкой части стандартная паяльная маска для жидкого фотоизображения (LPI) слишком хрупкая и треснет при изгибе. Вместо этого используется полиимидное покрытие.

Материал: Слой полиимида с акриловой клейкой основой.
Толщина: Обычно 1 мил (25 мкм) ПИ + 1 мил (25 мкм) клея.
Правило проектирования: Отверстия в накладке просверливаются или вырезаются лазером. Квадратные проемы сложны; отдавайте предпочтение круглым или овальным отверстиям.
Минимальное полотно: Для обеспечения адгезии между подушечками необходимо поддерживать толщину покровного слоя не менее 10 мил (0,25 мм).

Подробные характеристики материалов см. в нашем Справочнике по материалам печатных плат.

Механическая конструкция и радиус изгиба

Расчет минимального радиуса изгиба необходим для предотвращения разрушения меди. Допустимый радиус зависит от того, является ли приложение «статичным» (один раз сгибается по размеру) или «динамическим» (непрерывное сгибание).

Схема проектирования жестко-гибкой печатной платы

Формулы расчета

Минимальный радиус изгиба ($R$) зависит от общей толщины гибкого участка ($h$).

1. Односторонний гибкий:

Статика: $R = 10 \times h$
Динамический: $R = 20 \times h$

2. Двусторонний гибкий:

Статика: $R = 10 \times h$
Динамический: $R = 25 \times h$

3. Многослойный гибкий:

Статика: $R = 20 \times h$
Динамический: не рекомендуется для большого количества слоев.

Распространенная ошибка: эффект двутавра

Когда дорожки на соседних слоях накладываются друг на друга, они увеличивают жесткость схемы в этой локализованной области, создавая эффект «двутавровой балки».

Правило: располагайте трассы на соседних слоях в зоне сгиба в шахматном порядке.
Почему это важно: Укладка дорожек концентрирует напряжение, что приводит к растрескиванию диэлектрика и усталости проводника.
Проверка: Проверьте файлы Gerber на наличие гибкого региона. Трассировки на уровне 2 должны проходить в промежутках между трассами на слое 1.

Трассировка маршрутизации и целостность сигнала

Маршрутизация сигналов через переход от жесткого к гибкому требует специальных методов для поддержания целостности сигнала и механической прочности.

Переходная зона

Место соединения жесткой доски с гибким хвостовиком является зоной повышенного напряжения.

Правило: Следы должны пересекать переходную зону перпендикулярно (90°) жесткому краю.
Подводная ошибка: Прокладка под углом создает точки концентрации напряжений, которые могут разорвать медь во время теплового расширения.
Устранение помех: используйте «капли» на всех контактных площадках и переходных отверстиях рядом с переходом, чтобы повысить механическую прочность.

Управление импедансом в Flex

Достичь контролируемого импеданса в гибких слоях сложнее, чем в жестких платах, из-за отсутствия твердых опорных плоскостей (часто заштрихованных для сохранения гибкости).

Опорные плоскости. Используйте заштрихованную медь (сетку) для плоскостей заземления в гибких областях.
- Схема: люк под углом 45 градусов.
- Покрытие: Плотность меди от 50% до 70%.
- Воздействие: Повышает гибкость, но увеличивает импеданс трассы.
Ширина дорожки: дорожки в гибких областях часто должны быть шире, чем в жестких областях, чтобы соответствовать целевому сопротивлению (например, 50 Ом), поскольку диэлектрик (полиимид + клей) тоньше, чем FR4.
Проверка: Используйте калькулятор импеданса, специально откалиброванный для заштрихованных плоскостей заземления.

Огибание

Если в жесткой секции требуется высокая плотность прокладки, а в гибком хвостовике необходима гибкость:

Техника: Маршрут стандартной ширины в жесткой зоне.
Переход: «Шейку вниз» (уменьшайте ширину) плавно, когда дорожка входит в гибкую зону, но следите за тем, чтобы ширина оставалась достаточной для допустимой нагрузки по току.
Ограничение: Избегайте изменения ширины трассы точно на линии жестко-гибкого интерфейса. Выполните переход на расстоянии не менее 30 мил (0,75 мм) от края.

Через конструкцию и сквозные отверстия с металлизацией (Pth)

Переходные отверстия представляют собой жесткие конструкции. Размещение их в гибких зонах чревато неудачей.

Правила размещения

Никаких переходных отверстий в зонах изгиба. Никогда не размещайте переходные отверстия в участках платы, предназначенных для изгиба. Покрытие треснет.
Защищенная зона: Поддерживайте минимальное расстояние 20 мил (0,5 мм) от жестко-гибкого интерфейса для любых переходных отверстий.
Покрытие контактной площадкой: Используйте контактные площадки или селективные контактные площадки, чтобы закрепить медь на полиимиде, предотвращая подъем контактной площадки во время пайки.

###Hdi и микропереходы Для сложных конструкций HDI PCB, включающих жестко-гибкую конструкцию:

Стекированные переходные отверстия. Избегайте размещения переходных отверстий непосредственно над гибким интерфейсом.
Лазерные сверла. Контроль глубины лазерного сверления имеет решающее значение при остановке на гибком слое. Параметры лазера для FR4 отличаются от параметров для полиимида.
Соотношение сторон: Соотношение сторон микроотверстий должно быть ниже 0,8:1, чтобы обеспечить надежное покрытие глухих отверстий, соединяющих жесткие слои с гибким сердечником.

Производственные процессы и DFM

Проектирование для технологичности (DFM) отличается от жестко-гибкого из-за сложных циклов ламинирования.

«Вырез бикини» и размещение покрытия

Покрытие не распространяется по всей жесткой секции. Обычно он проникает в жесткую секцию на небольшую величину, чтобы обеспечить герметичность.

Перекрытие: Покровное покрытие должно заходить на 15–30 мил (0,4–0,8 мм) в жесткую секцию.
Зазор: Препрег в жесткой секции не должен перетекать в гибкую часть. Производители используют препрег «без текучести» или «низкотекучий».
Выдавливание клея: Обеспечьте выдавливание (растекание) клея из защитного слоя.
- Правило проектирования: Держите площадки и элементы на расстоянии не менее 10 мил (0,25 мм) от края защитного слоя, чтобы предотвратить растекание клея на паяемые площадки.

Снятие напряжения

Разгрузка натяжения обязательна на жестко-гибком интерфейсе.

Эпоксидный валик: Валик гибкой эпоксидной смолы часто наносится на интерфейс, чтобы придать жесткость переходу и предотвратить изгиб гибкой цепи под острым углом 90° к жесткому краю.
Угловые скругления. Внутренние углы гибкого контура должны иметь минимальный радиус 30 мил (0,75 мм). Острые углы 90° создают повышенное напряжение, которое приводит к разрывам. Кроме того, добавьте медный элемент «отрыва» (фиктивную медную дорожку) вдоль края гибкой цепи.

Для более глубокого изучения производственных ограничений обратитесь к нашим рекомендациям DFM.

Качество поверхности и надежность

Качество поверхности влияет как на срок хранения, так и на механическую прочность узла.

ENIG (никелевое иммерсионное золото)

Это стандартная отделка для жестко-гибких.

Плюсы: Плоская поверхность для компонентов с мелким шагом, отличная способность к склеиванию проводов.
Гибкость: Никель хрупкий. Хотя ENIG подходит для жестких секций, чрезмерный изгиб участков с покрытием ENIG в гибкой зоне может привести к образованию микротрещин.
Правило: Не обрабатывайте поверхность в зоне динамического изгиба. Оставьте медь голой (покрытой защитным покрытием) в зоне изгиба.

ЭНЕПИГ

Для высоконадежного соединения проводов предпочтительнее использовать ENEPIG (электрическое никель-палладий-палладий-иммерсионное золото), но он более дорогой.

Выравнивание припоем горячим воздухом (HASL)

Избегайте: HASL обычно не рекомендуется для жестко-гибких систем. Сильный термический удар в процессе HASL может расслаивать гибкие материалы, а неровная поверхность не подходит для сборки с мелким шагом.

Узнайте больше о вариантах отделки в нашем руководстве по отделке поверхности.

Проблемы сборки (PCBA)

Жестко-гибкие платы требуют специального обращения во время сборки печатных плат.

Чистое помещение для сборки гибко-жестких печатных плат

Управление влажностью (выпечка)

Полиимид гигроскопичен; быстро впитывает влагу из воздуха (до 3% по массе).

Риск: Если влага попадает внутрь полиимида во время пайки оплавлением (240°C+), она превращается в пар и вызывает расслоение («попкорн»).
Процедура: Жестко-гибкие платы НЕОБХОДИМО запечь перед сборкой.
- Типичный цикл: 120°C в течение 2–4 часов непосредственно перед пайкой.

Крепление

Гибкие хвосты делают доску гибкой, и с ней трудно обращаться в машинах для захвата и размещения.

Решение. Используйте специальные поддоны или приспособления, чтобы удерживать гибкий материал в горизонтальном положении во время печати и размещения.
Совет по проектированию: Сделайте отверстия для инструментов в зоне отходов панели или в жестких секциях, чтобы облегчить крепление платы к креплению.

Факторы затрат и оптимизация

Жестко-гибкие печатные платы по своей сути дороже жестких плат — часто в 3–5 раз дороже. Оптимизация конструкции может контролировать эти затраты.

Количество слоев: Минимизируйте количество гибких слоев. Двухслойный гибкий сердечник значительно дешевле четырехслойного гибкого сердечника.
Вложенность. Форма гибкого хвостовика влияет на эффективность использования панели. Изогнутые или L-образные хвосты отходов.
- Оптимизация: Сделайте хвостовики прямыми или складными, чтобы обеспечить более плотное прилегание к производственной панели.
Ребра жесткости: Если часть гибкого элемента должна быть жесткой только для поддержки компонентов (а не для электрической прокладки), используйте элемент жесткости (FR4 или полиимид), приклеенный к гибкому элементу, а не создавайте в этой области полный набор жестко-гибких элементов.

Обеспечение качества и тестирование

Чтобы убедиться, что плата соответствует строгим требованиям аэрокосмической и оборонной или медицинской отраслей, необходимы специальные испытания.

Термический шок: Циклическое воздействие от -55°C до +125°C для проверки целостности металлизированных сквозных отверстий (трещин ствола).
Испытание на прочность на отслаивание: проверяет прочность связи между медью и полиимидом.
Износостойкость при изгибе: Специальное испытание, при котором доску многократно сгибают до расчетного радиуса для проверки срока службы (например, 100 000 циклов).
Испытание импеданса: Купоны для измерения отражения во временной области (TDR) помещаются на панель для проверки импеданса трассы как в жестких, так и в гибких областях.

Сводный контрольный список для дизайнеров

Прежде чем отправлять файлы Gerber, выполните последний контрольный список:

Стек. Находятся ли гибкие слои на нейтральной оси?
Радиус изгиба: Радиус превышает толщину в 10 раз (статический) или в 20 раз (динамический)?
Переходы. Перпендикулярны ли дорожки жестко-гибкому интерфейсу?
Переходные отверстия: Все переходные отверстия находятся на расстоянии не менее 20 мил от переходной зоны?
Накрытие: Имеется ли достаточное перекрытие (более 15 мил) жесткой секции?
Колодки. Имеются ли колодки в гибкой зоне крепления (шпоры) или кольцевые кольца большего размера?
Отрывные упоры. Имеются ли медные ограничители на внутренних углах?Технология Rigid-flex обеспечивает непревзойденную универсальность для современной электроники. Соблюдая эти строгие рекомендации по проектированию и заранее сотрудничая с производителем, вы сможете создавать высоконадежные, компактные и производительные межсетевые решения.