Stijf Flexibel PCB-ontwerp: Voordelen en beste ontwerppraktijken

Met behulp van een rigid-flex PCB (rigid FPC) worden flexibele circuitsubstraten en rigid-flex circuitsubstraten samen bedekt. ​​Rigid-flex PCB's overschrijden de grenzen van conventionele PCB's. stijve PCB's en de unieke eigenschappen van flexibele circuits die gebruik maken van zeer flexibele, elektrolytisch afgezette of verplaatste, versterkte koperen geleiders, gegraveerd op een flexibele beschermfolie.

Flexibele circuits bevatten stapelingen die zijn gemaakt van een flexibele polyimide, bijvoorbeeld Kapton of Norton, en die met koper zijn bedekt door middel van warmte, acryllijm en gewicht.

Op dezelfde manier kunt u bij conventionele PCB's segmenten aan beide zijden van de stijve printplaat monteren. Door de combinatie van stijve en flexibele circuits maakt een rigide-flexconfiguratie geen gebruik van connectoren of verbindingskabels tussen de segmenten. In plaats daarvan verbinden de flexibele circuits het systeem elektrisch met elkaar.

Het ontbreken van connectoren en verbindingskabels heeft de volgende voordelen:

• Verbetert de capaciteit van het circuit om signalen zonder problemen over te brengen
• Geschikt voor gecontroleerde impedantie
• Verhelpt problemen met de verbinding, zoals bijvoorbeeld koude gewrichten
• Vermindert het gewicht
• Maakt ruimte vrij voor verschillende onderdelen

Elke rigid-flex PCB is verdeeld in zones met verschillende materialen en verschillende lagenverhoudingen. Stijve zones hebben vaak meer lagen dan flexibele zones, en materialen die van FR-4 naar polyimide overgaan, ondergaan aanzienlijke veranderingszones.

Complexe structuren veranderen regelmatig van stijf naar flexibel en weer terug naar stijf. Tijdens deze convergenties moet de bekleding van stijf-flexibele materialen openingen in de overgangszone afdichten om de integriteit te waarborgen. Veel stijf-flexibele ontwerpen bevatten ook verstevigingen van gehard staal of aluminium die extra ondersteuning bieden aan connectoren en segmenten.

Stijve FPC-ladingen zijn een stuk duurder dan vrijwel identieke hardboardplaten en kosten doorgaans een paar keer meer dan een flexibel circuit met versteviging.

Niettemin zijn de verhoogde kosten gerechtvaardigd met betrekking tot specifieke toepassingen en situaties, bijvoorbeeld:

• Toepassingen met hoge, constante kwaliteit. In situaties waarin een groep wordt blootgesteld aan extreme of herhaalde schokken, of aan sterke trillingen, is de kans groter dat connectoren met flexibele kabels defect raken. Stijve FPC biedt uitstekende betrouwbaarheid, zelfs bij blootstelling aan extreme trillingen en schokken.
• Toepassingen met hoge diktes. Binnen een kleine omheinde ruimte is het soms moeilijk om alle kabels en connectoren te verwerken die een elektronische PCB-configuratie nodig heeft. Stijve FPC-platen kunnen in zeer kleine profielen worden gelegd, wat in deze gevallen aanzienlijke ruimte-investeringen oplevert.
• Vijf of meer stijve platen. Indien uw toepassing uiteindelijk vijf of meer stijve platen met flexibele kabels omvat, is een gecoördineerde stijve flexibele opstelling vaak de ideale en financieel voordeligste keuze.

Verschillende ontwerpregels zijn van toepassing op rigide-flexibele PO-ontwerpen

Verschillende moeilijkheden compenseren de aanpasbaarheid en flexibiliteit die het mogelijk maken om driedimensionale ontwerpen en objecten te produceren. Conventionele rigid-flex PO-ontwerpen stelden u in staat om segmenten, connectoren en het frame van uw object te monteren op het fysiek sterkere, rigide onderdeel van de constructie. Nogmaals, wat betreft conventionele ontwerpen, fungeerde het flexibele circuit slechts als een verbinding, terwijl het de massa verlaagde en de bescherming tegen trillingen verbeterde.

Nieuwe artikelstructuren in combinatie met verbeterde innovaties op het gebied van flexibele circuits hebben geleid tot nieuwe planningsregels voor rigid-flex PO's. Uw constructieteam heeft nu de mogelijkheid om onderdelen op het flexibele circuitgebied te plaatsen. Door deze mogelijkheid te combineren met een meerlaagse aanpak voor rigid-flexconfiguratie, kunnen u en uw team meer hardware in de structuur integreren. Het benutten van deze mogelijkheid brengt echter wel een aantal uitdagingen met zich mee wat betreft sturing en gaten.

Flexibele circuits hebben consequent verdraaide lijnen die de besturing beïnvloeden. Vanwege de mogelijke materiaaldruk mogen onderdelen of via's niet in de buurt van de verdraaide lijn worden geplaatst. Wanneer segmenten correct zijn geplaatst, kunnen buigende flexibele circuits bovendien mechanische drukpunten op oppervlaktekussens en doorvoeropeningen veroorzaken. Uw team kan deze problemen verminderen door gebruik te maken van doorvoerbeplating en door de kussenondersteuning te versterken met extra overlay om de kussens te verankeren.

Bij het plannen van uw volgbesturing, volg oefeningen die de belasting van uw circuits verminderen. Gebruik geïncubeerde polygonen om de flexibiliteit te behouden bij het overbrengen van een voedings- of aardingsvlak op uw flexibele circuit. Gebruik gebogen geleiding in plaats van randen van 90° of 45° en gebruik scheurpatronen om de volgbreedte te wijzigen. Deze reducties benadrukken de focus en de onstabiele gebieden. Een andere best practice brengt spanning over geleiding over geleiding door de boven- en onderkant van dubbelzijdige flexibele circuits te balanceren. Het balanceren van de geleiding voorkomt dat de geleiding over elkaar heen ligt en versterkt de PO.

Je moet ook de richting van de draairichting volgen om de druk te verminderen. Wanneer je stijf door flexibel vervangt en flexibel door stijf, kan het aantal lagen per materiaal verschillen. Je kunt de richting van het flexibele circuit volgen om de stevigheid te vergroten door de richting van de aangrenzende lagen te balanceren.

Richtlijnen voor rigide FPC-ontwerp

Een rigide flexconfiguratie zal er in grote lijnen uitzien als een hardboardstructuur, waarbij de flexibele lagen zich volledig uitstrekken in de rigide delen van de plaat. Ook voor hardboardformaten zal een rigide flexconfiguratie Gerber-lagen bevatten, naast boorgaten, patch-sluierlagen, classificatie, perimeterroute-records, een deklaag, enzovoort.

Normaal gesproken zijn er enkele belangrijke verschillen tussen de productiepakketten voor stijve FPC's en hardboardtoepassingen:

• Een rigide FPC heeft over het algemeen veel meer afmetingen en zou de vereisten zorgvuldig moeten karakteriseren, aangezien deze platen vaak worden gebruikt in 3D-toepassingen. Het zou ook de overgang van rigide naar flexibele groeizones nauwkeurig moeten karakteriseren, aangezien deze niet altijd duidelijk zijn bij het bekijken van alleen de Gerber-lagen.
• De materiaalsamenstelling van rigide flexibele platen is eenvoudig en moet in overleg met uw verwerker worden bepaald. Uw verwerker kan u helpen bij het nemen van de juiste materiaalkeuzes op basis van uw behoeften, zoals UL-brandbaarheidsclassificatie, minimale torsieradii, mechanische overwegingen, impedantiecontrole op zowel flexibele als rigide lagen, RoHS-certificering, loodvrije compatibiliteit en andere overwegingen.
• Voor rigide flexplaten zijn doorgaans extra lagen in de Gerber-documentatie vereist. Laag 1 en X hebben lasvlieslagen, maar u hebt ook artworklagen nodig die de deklaag en de bindingslaagsegmenten (indien nodig) van de plaat bepalen, en hoeveel van elk in de hardboards gaat. IPC 2223 adviseert 0.100 inch, maar uw fabrikant kan mogelijk minder dan dat toestaan.

Wat beïnvloedt het ontwerp van rigid-flex PCB's?

Elektromechanische factoren beïnvloeden ontwerp

Houd bij het ontwerpen van rigid-flex PCB's rekening met elektromechanische factoren die van invloed zijn op het flexcircuit en de rigide printplaat. Concentreer u bij het bouwen van uw constructie op de verhouding tussen het buigbereik en de dikte. Bij flexcircuits verhogen krappe bochten of een grotere dikte ter hoogte van de verdraaiing de kans op falen. Fabrikanten adviseren om de buigingsafstand minstens een veelvoud van de dikte van het flexcircuitmateriaal te houden en een "papieren pop" van hetzelfde circuit te bouwen om te bepalen waar de verdraaiingen optreden.

Vermijd het verlengen van het flexibele circuit met de externe draaiing of het vullen ervan met de interne draaiing. Door de gebogen rand verder dan 90° te verlengen, wordt het flexibele circuit op één punt verlengd en komt er op een ander punt druk op het flexibele circuit te staan.

Een ander belangrijk aspect van de constante kwaliteit van rigid-flex is de dikte en het type geleider in de gedraaide zone. U kunt de dikte en mechanische belasting verminderen door de hoeveelheid plating op de geleiders te verminderen en alleen kussens te gebruiken. Het gebruik van zware koper-, goud- of nikkelplating vermindert de flexibiliteit in de kromming en maakt het mogelijk dat er spanning en scheurvorming optreedt.

Overwegingen bij het opslaan van materiaal

Stijve FPC-materiaallay-outs hebben een grote invloed op de kosten, de maakbaarheid en de uiteindelijke PCB-prestaties. Het is daarom essentieel om energie te steken in het kiezen van de perfecte materiaalset. Zo zijn gecontroleerde impedantie, weerstand en stroomgeleidingsvereisten uiterst belangrijke overwegingen die zowel de koperbelasting als de materiaalkeuze beïnvloeden.

Een PCB-architect zou moeten samenwerken met zijn printplaatfabrikant om deze factoren te onderzoeken, zodat het volgende ontwerp voldoet aan alle eisen op het gebied van integriteit. Nadat de fabrikant de eerste berekeningen heeft uitgevoerd, kan de fabrikant deze controleren en een nauwkeuriger beeld geven van de impedantie-eigenschappen van de printplaat en de benodigde materialen om deze eigenschappen te bereiken.

Als de impedantie-eigenschappen niet te specifiek zijn, bent u op zoek naar de goedkoopste en meest stabiele voorstellen voor rigid-flex-constructies. Het Rigid-Flex-systeem biedt de laagste totale materiaalkosten voor rigid-flex-constructies en biedt bovendien een veilige start voor ontwerpers die nieuw zijn in de rigid-flex-constructie.

Wilt u snel een inschatting maken van de kosten die uw rigid-flex configuratie kan kosten? Probeer dan onze Rigid-Flex Kostencalculator. De rigid-flex kostencalculator houdt rekening met uw behoeften en geeft u een verwachte prijs voor lage opwekkingshoeveelheden. Dit is een uitstekende start om te controleren of uw plan financieel haalbaar is binnen uw systeemvereisten.

De stijve segmenten van rigid-flexplaten bestaan ​​over het algemeen uit 20 lagen of minder. Soms hebben ze er meer, maar meer dan twintig lagen zijn over het algemeen ongebruikelijk. De hardboarddelen hoeven niet allemaal hetzelfde aantal lagen te hebben. Zo kunt u bijvoorbeeld één stijf segment hebben met 16 lagen hardware en één met 12. Zolang de materiaalopbouw voor beide vergelijkbaar is en de ladingen een vergelijkbare dikte hebben, zullen er geen montageproblemen optreden. Soms kan een configuratie gebruikmaken van hardboarden die in dikte verschillen, maar dergelijke configuraties zijn aanzienlijk lastiger te maken en er moeten andere keuzes worden overwogen.

De flexibele delen van rigid-flexplaten bestaan ​​doorgaans uit één (singlet), twee (doublet), drie (triplet) of vier lagen (quad). Soms heeft een constructeur meer dan vier lagen nodig over de flexibele delen van de lading, maar deze zijn vaak niet verlijmd. Versterkte flexibele delen met meer dan vier lagen kunnen zeer goed bestand zijn tegen torsie en buiging. De koperen ladingen op de flexibele lagen van de rigid-flexplaten zijn meestal een halve en één ounce lading.

Af en toe vereist de elektrische interesse een lading van 57 gram. In die gevallen moet de ontwerper nauw samenwerken met de fabrikant om de juiste prepreg zonder stroom te kiezen, om de dikkere circuits in de hardboards op een bevredigende manier te vullen. Prepreg zonder stroom wil door de configuratie niet stromen en hardware van 57 gram kan enkele problemen opleveren. Kopergewicht van 87 gram wordt af en toe gebruikt en kan om dezelfde reden aanzienlijke problemen opleveren bij de montage.

Rigid-Flex PCB-ontwerp vereist teamwork

Nieuwe PCB-configuratietools stellen uw ontwerpteam in staat om met verschillende lagenstapels om te gaan, 3D-elektromechanische structuren te visualiseren, configuratiecontroles te controleren en de activiteit van flexibele circuits te simuleren. Zelfs met deze tools in de buurt, is de effectieve structuur van een rigid-flex PCB afhankelijk van de samenwerking tussen uw team en de fabrikanten.

Teamwork moet al in de meest punctuele fasen van de onderneming van start gaan en doorlopend plaatsvinden tijdens het hele structuurproces. Daarbij is continue communicatie essentieel.

TestPcbas stelt u gerust met sterke capaciteiten en expertise. Als u behoefte heeft aan een rigide FPC, bent u van harte welkom om ons te bezoeken. https://www.testpcbas.com/