Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Computer Controls
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 9 - Flex-Rigid: zalecenia

ghost666 03 Lip 2019 18:30 1449 3
  • W kilku ostatnich częściach naszego cyklu zajmowaliśmy się laminatami typu flex-rigid. Przyjrzeliśmy się jak są one zbudowane i jak powinna wyglądać ich dokumentacja. W poniższej części znajdziemy szereg zaleceń, w jaki sposób projektować nasze elastyczne laminaty, by pracowały one długo i niezawodnie, były wytrzymałe mechaniczne i doskonale integrowały się z tworzonymi przez nas urządzeniami.

    Łatwo jest spojrzeć na problemy związane z PCB analizując tylko układ warstw, umieszczenie części i wycięć. Musimy pamiętać, że obwody giętkie mają różne dziwaczne własności materiałowe, poczynając od względnie wysokich współczynników rozszerzalności cieplnej w osi Z, do mniejszej przyczepności miedzi do substratu poliimidowego i powłoki laminatu, po utwardzanie i zmęczenie miedzy podczas ruchu. Cechy te mogą zostać zrekompensowane w dużej mierze poprzez przestrzeganie niektórych zaleceń projektowych, które publikujemy poniżej.

    Flex musi być elastyczny

    Jakkolwiek może to brzmieć trywialnie, to warto o tym wspomnieć. Podczas projektowania konieczne jest ustalenie z góry, jakiego stopnia elastyczności potrzebujemy w projekcie i które części laminatu muszą być elastyczne. Konieczne jest też zdefiniowanie, jakiego poziomu elastyczności potrzebujemy.

    Jeżeli w naszym urządzeniu, sekcje flex będą zgięte raz, tylko podczas montażu urządzenia, to mamy o wiele większy wybór, jeśli chodzi o ilość warstw, rodzaj miedzi etc. Z drugiej strony, jeżeli nasz laminat będzie regularnie wyginany podczas działania urządzenia, to konieczna jest redukcja ilości warstw PCB do absolutnego minimum oraz wykorzystanie substratu bezklejowego, by zoptymalizować trwałość elastycznego odcinka płytki drukowanej.

    Finalnie możemy też oczywiście skorzystać z równań zawartych we wspominanej wcześniej normie IPC2223. Poniżej znajdziemy przykładowe równanie na minimalny promień gięcia dla jednowarstwowego laminatu elastycznego bazujące na podstawowych własnościach poszczególnych warstw i maksymalnemu dopuszczalnemu rozciągnięciu warstwy przewodzącej w laminacie.

    $$R = \frac {C(100-E_B)} {2E_B} - D$$

    gdzie R, to minimalny promień gięcia, C to grubość warstwy miedzi, D to grubość dielektryka, a EB to maksymalna dopuszczalna deformacja warstwy miedzi wyrażona w procentach.

    W normie IPC2223 znajdziemy także analogiczne równania dla laminatu dwuwarstwowego i grubszych.

    Oczywiście, oprócz samych zmiennych materiałowych i procesowych istnieje wiele innych aspektów podczas projektowania niezawodnych laminatów typu flex-rigid, na które musimy zwrócić uwagę. Poniżej opiszemy najważniejsze (zupełnie subiektywna ocena) kwestie, które uwzględnić trzeba rozmieszczając ścieżki, pola lutownicze i wycięcia na tego rodzaju PCB. Zagwarantuje to nam łatwość w produkcji tych elementów, a także ich długie i niezawodne życie w naszym urządzeniu.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 9 - Flex-Rigid: zalecenia
    Nie zginaj na rogach

    W elastycznej płytce drukowanej najlepiej, aby ścieżki były prostopadłe do krawędzi gięcia PCB, jak pokazano na rysunku po lewej stronie. Niestety nie zawsze jest to możliwe – w takich sytuacjach najlepiej jest by wygięcie laminatu było możliwie jak najmniejsze. Można także, jeśli pozwala na to projekt mechaniczny urządzenia, zmieniać wzdłuż laminatu kąt gięcia i wygiąć go w stożek.

    Wykorzystuj wygięte ścieżki

    Oprócz preferowanych miejsc gięcia laminatu na zdjęciu powyżej po lewej stronie widzimy preferowane ułożenie ścieżek na laminacie typu flex. W przypadku prowadzenia ścieżek na takim laminacie sugerowane jest, by wyeliminować wszelkie ostre zakręty ścieżek i prowadzić je możliwie po dużych promieniach gięcia. W ten sposób redukujemy poziom naprężeń w miedzi ścieżek podczas wyginania laminatu.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 9 - Flex-Rigid: zalecenia
    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 9 - Flex-Rigid: zalecenia
    Nie zmieniaj nagle szerokości

    Za każdym razem, gdy ścieżka łączy się z padami, szczególnie gdy jest ich więcej w jednej linii – jak pokazano na obrazku po prawej stronie u góry – naprężenia koncentrują się wzdłuż jednej linii, co doprowadza do powstania słabego miejsca na PCB. Podobnie dzieje się, jeżeli ścieżka z innych powodów nagle zmienia szerokość.

    Jeżeli takie miejsce nie będzie dodatkowo usztywnione, to istnieje wysokie ryzyko, że laminat lub ścieżka pęknie w tym miejscu. Aby tego uniknąć, zamiast nagłego zwężenia na ścieżce, należy zrealizować tam gładkie przejście, jak pokazano na obrazku po prawej stronie (poniżej). Łatwo to osiągnąć, wykonując dla wszystkich padów i przelotek tzw. teardrops, czyli ‘łezki’. Wiele programów może automatycznie wygenerować takie zmniejszające naprężenia gładkie przejścia.

    Dodawaj wsparcie dla padów


    Miedź na obwodzie elastycznym trzyma się dużo słabiej niż na laminacie szkło-epoksydowym, w związki z tym bardziej prawdopodobne jest oderwanie się jej od podłoża poliimidowego, z powodu powtarzających się naprężeń związane z zginaniem. Dlatego szczególnie ważne jest zapewnienie wsparcia dla odsłoniętych powierzchni miedzi, takich jak przelotki i pola lutownicze.

    Przelotki są z natury wspierane, ponieważ obustronne pola z metalizację we wnętrzu z otworami przelotowymi oferuje odpowiednie mechaniczne umocowanie w elastycznej warstwie laminatu. Z tego powodu (jak również z powodu wysokiej rozszerzalności laminatu w osi Z) wielu producentów zaleca stosowanie metalizacji przelotek w laminatach o grubości do 1,5 milsa – istotnie mniej niż w sztywnym laminacie.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 9 - Flex-Rigid: zalecenia


    Pola lutownicze, zwłaszcza te do montażu powierzchniowego, ale także te dla elementów THT, które nie posiadają metalizacji, są o wiele bardziej zagrożone oderwaniem się, gdyż nic oprócz kleju nie trzyma ich na laminacie. W ich przypadku korzystne jest dodatkowe ‘kotwiczenie’ pól na projekcie. Na rysunku powyżej widzimy jedną z metod takiego kotwiczenia pola lutowniczego dla elementu przewlekanego z pomocą wystających z pola wąsów, które wychodzą pod warstwę pokrywającą laminat.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 9 - Flex-Rigid: zalecenia
    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 9 - Flex-Rigid: zalecenia
    W przypadku pól lutowniczych dla elementów SMD, realizacja tego rodzaju kotwiczenia jest niezwykle istotna, ponieważ są one najbardziej narażone na oderwanie się od laminatu – elementy te są sztywne, a laminat, na którym się znajdują oczywiście elastyczny. W przypadku jego zgięcia, PCB może się wygiąć, ale pole lutownicze pozostać na pinie…

    Na rysunku po lewej stronie pokazano przykładowy sposób kotwiczenia pola dla elementów SMD – wystarczy delikatnie poszerzyć pady tak, by wystawały poza obrys stop-maski (maski dla warstwy antylutowniczej, a w przypadku laminatu flex górnej warstwy ochronnej). W ten sposób formowane są wąsy, kotwiczące pad na PCB. Na rysunku po lewej stronie, poniżej, widzimy porównanie typowych pól lutowniczych dla elementu z poszerzonymi polami dla takiego samego elementu, ale montowanego na laminacie typu flex. Niestety redukuje to maksymalną gęstość upakowania elementów na tego rodzaju płytce drukowanej, ale tak czy inaczej na elastycznym podłożu nie można elementów umieszczać zbyt gęsto, więc zasadniczo nie jest to istotnym problemem dla projektu.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 9 - Flex-Rigid: zalecenia
    Pozostaw miejsce na wyciekający klej

    Kolejnym aspektem, na jaki trzeba zwrócić uwagę podczas projektowania elastycznego, wielowarstwowego PCB, jest nieuniknione wyciekanie kleju spomiędzy laminowanych warstw. Szczególnie istotnym problemem jest wyciekanie tego kleju spod zewnętrznej warstwy ochronnej, gdyż wcieka on na pola lutownicze.

    Z uwagi na opisane powyżej zjawisko, szczególnie najmniejsze pola, powinny być powiększone tak, aby pomimo wycieku kleju, na polu pozostało dostatecznie dużo miejsca na lutowie, mocujące element. Norma IPC2223 zaleca zwiększenie pola w zakresie 360° wokół pinu dla układów o podwyższonej niezawodności oraz 270° dla zwykłych systemów.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 9 - Flex-Rigid: zalecenia
    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 9 - Flex-Rigid: zalecenia
    Prowadzenie ścieżek na płytkach dwustronnych

    W przypadku laminatów obciążanych dynamicznie istotne jest naprzemienne prowadzenie ścieżek w poszczególnych warstwach. Chodzi o to, by nie umieszczać ścieżek jedna nad drugą na sąsiadujących ze sobą warstwach. Lepiej jest, by ścieżki ułożone były naprzemiennie, gdyż w ten sposób naprężenia w obu warstwach rozkładają się w sposób bardziej równomierny. Porównanie obu układów ścieżek na płytce drukowanej pokazano na rysunkach po lewej stronie.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 9 - Flex-Rigid: zalecenia
    Wykorzystuj zakreskowane wylewki

    Czasami konieczne jest prowadzenie wylewki masy lub zasilania na elastycznym laminacie. Typowe wylewki masy – jednorodne pola miedzi – nie są problemem tak długo, jak nie przeszkadza nam istotnie mniejsza elastyczność PCB w miejscu wylewki oraz szansa stałego wygięcia laminatu, jeśli zostanie on zgięty z ciaśniejszym promieniem.

    Zamiast używać tego rodzaju wylewek, lepiej jest wykorzystywać inne niż lite wylewki na laminacie elastycznym. Podstawowym rodzajem takiej wylewki jest kratka – zastosowanie jej na flexie sprawia, że nadal jest on dosyć elastyczny i odporny na zginanie.

    Typowa kratkowana wylewka nadal ma swoje wady – tego rodzaju element na elastycznym PCB napręża go niejednorodnie w różnych kierunkach – preferowane są kierunki pod kątem 0°, 90° oraz 45°, co wynika z kierunku przebiegu poszczególnych linii wylewki jak i rozmieszczenia punktów ich przecięcia. Lepszą wylewką jest heksagonalna siatka, która daje lepsze statystycznie rozłożenie kierunków, w których rozkładają się naprężenia na PCB. Tego rodzaju wylewkę pokazano na przykładzie powyżej, po prawej stronie. Istnieje wiele sposobów konstruowania tego typu wylewki, ale wydaje się, iż ręczne kopiowanie heksagonalnych fragmentów jest najpraktyczniejszą realizacją.

    Rozmieszczenie przelotek

    W przypadku elastycznych płytek wielowarstwowych konieczne może być umieszczenie przelotek w celu przeniesienia sygnału elektrycznego pomiędzy warstwami. Jeśli to możliwe, zaleca się nie umieszczać przelotek na flexie, ponieważ mogą one szybko ulec uszkodzeniu na skutek zmęczenia materiału podczas ruchu zginającego. Koniecz
    ne jest również zachowanie co najmniej 0,5 mm (ok 20 mils) odstępów między miedzianym pierścieniem przelotki a najbliższym punktem styku laminatu elastycznego i sztywnego w panelu. Zasady umieszczania przelotek względem krawędzi płytki drukowanej mogą być automatycznie uwzględniane w edytorze płytek PCB.

    Jeśli chodzi o konieczność umieszczania przelotek - jeśli trzeba umieścić przelotkę w obwodzie elastycznym, należy zdefiniować obszar, w którym nie ma żadnych wygięć itp. i tylko w takich stacjonarnych obszarach umieszczać przelotki.

    Alternatywą jest użycie menedżera warstw na PCB, aby zdefiniować "sztywne" sekcje, które są wykonane z wykorzystaniem elastycznego laminatu, ale z przymocowanym do nich materiałem usztywniającym.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 9 - Flex-Rigid: zalecenia
    Zadbaj o wycięcia i narożniki

    Czy zwróciliście uwagę, że na pokazanych powyżej elastycznych laminatach nie ma żadnych ostrych załamań krawędzi? Wszystkie krawędzie zakręcają z mniejszym bądź większym promieniem.

    Norma IPC2223 rekomenduje promień zaokrąglenia narożników jako nie mniejszy niż 1,5 mm (około 60 milsów), by zmniejszyć ryzyko podarcia się w takich miejscach laminatu. To samo stosuje się w przypadku wszystkich innych nacięć w laminacie – koniecznie trzeba je zakańczać otworami o średnicy nie mniejszej niż 3 mm (ok. 120 milsów), by uniknąć ryzyka rozdarcia laminatu w tym miejscu. Przykład takiego nacięcia pokazano na obrazku po lewej stronie.

    Podobną zasadę stosuje się także do wewnętrznych narożników (wszystkich narożników o kącie mniejszym niż 180°) – zawsze w tym miejscu musimy stosować łuk o promieniu co najmniej 1,5 mm. Jeśli narożnik jest bardzo ostry – poniżej 90° - to łuk zastąpić możemy okrągłym otworem.

    Podsumowanie

    Jeśli podczas projektowania laminatu typu flex-rigid stosować będziemy się do powyższych zaleceń, to mamy większą szansę, że zaprojektowana przez nas płytka drukowana będzie odporna na częste wyginanie, wytrzymała i mało awaryjna. W przeciwnym przypadku ryzykujemy rozerwanie laminatu lub powstanie pęknięć ścieżek, doprowadzające do awarii.

    Powyższa lista zaleceń nie jest w żaden sposób kompletna, aczkolwiek daje istotne wskazówki, w jaki sposób należy projektować elastyczne laminaty. Podczas projektowania tego rodzaju PCB pamiętać należy, iż każda decyzja projektowa skupia się zasadniczo do kompromisu pomiędzy kosztem, niezawodnością i parametrami danego rozwiązania.

    Źródło: https://www.electronicsweekly.com/blogs/electro-ramblings/industry-comment/guest-post-ruminating-rigid-flex-dos-donts-flex-circuit-circuit-design-part-3-2014-03/

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9214 postów o ocenie 6760, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Computer Controls
  • #2
    ufolek
    Poziom 12  
    Ciekawy artykuł. Przydałaby się jakaś lista polskich firm gdzie takie obwody mozna zamówić. Ja wykonawcy zwyklego obwodu flex szukałem bardzo dlugo.
  • Computer Controls
  • #3
    Owiec_
    Poziom 6  
    Z polskich firm (a raczej pośredników między sprawdzonymi fabrykami na wschodzie) układy elastyczne oraz sztywno elastyczne oferują Nanotech elektronik, ncab group oraz evatronix.
    Do swojego projektu zdecydowałem się skorzystać z usług nanotecha, z jakości oraz komunikacji z działem inżynieryjnym jestem bardzo zadowolony.
  • #4
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Moim zdaniem, przy obecnych cenach transportu, lepiej zamawiać od razu na wschodzie.