Sisällysluettelo
Elektroniikan ja mekaniikan risteyskohta
Perinteiset jäykät piirilevyt ovat staattisia; kun ne on asennettu, ne eivät liiku. Mutta mitä tapahtuu, kun elektroniikan on mahduttava pieneen lääketieteelliseen puettavaan laitteeseen, kiertyä robottikäden sisällä tai kestää ilmailu- ja avaruusteollisuuden moottorin jatkuvia tärinöitä? Silloin turvaudutaan Rigid-Flex-tekniikkaan.
Rigid-Flex-piirilevyt yhdistävät tavallisen FR4-materiaalin vakauden ja polyimidi (PI) -joustavien piirilevyjen dynaamisen monipuolisuuden. Niiden suunnittelu on kuitenkin tunnetusti vaikeaa, sillä siinä ei enää riitä, että on sähköinsinööri – nyt on oltava myös mekaniikka-insinööri. Tässä artikkelissa käymme läpi keskeiset jäykkä-joustopiirilevyjen suunnittelusäännöt Tämä on välttämätöntä halkeilevien johtoreittien, kerrosten irtoamisen ja katastrofaalisten käyttökatkosten estämiseksi, jotta suunnittelusi kestää koko suunnitellun elinkaarensa ajan.
Rigid-Flex-arkkitehtuurin ja materiaalien ymmärtäminen
Tyypillinen jäykkä-joustolevy ei ole pelkästään kaksi jäykkää levyä, jotka on yhdistetty nauhakaapelilla. Joustavat polyimidikerrokset on integroitu suoraan jäykkien osien kerrostukseen.
Perusmateriaalit
- Polyimidi (PI): Joustokohdan runko. PI:llä on uskomaton vetolujuus, lämpöstabiilisuus (kestää reflow-juottamisen) ja kemiallinen kestävyys.
- Valssattu ja hehkutettu (RA) kupari: Dynaamiseen taipumiseen RA-kupari on parempi vaihtoehto kuin elektrolyyttisesti pinnoitettu (ED) kupari. Sen vaakasuora rakeinen rakenne mahdollistaa miljoonien taivutusten suorittamisen ilman murtumista.
- Peitekerros vs. juotosmaski: Joustavassa osassa ei saa käyttää tavallista nestemäistä valokuvauskelpoista (LPI) juotosmaskia, sillä se halkeaa välittömästi. Sen sijaan johtojen päälle laminoidaan suojaavaksi joustava polyimidipäällyste.
Kriittinen siirtymävyöhyke
Jokaisen jäykkä-joustosuunnittelun haavoittuvin kohta on Siirtymäalue—tarkka raja, jossa jäykkä FR4-materiaali päättyy ja joustava polyimidi alkaa. Tämä liitoskohta toimii voimakkaana jännityskeskittimenä. Jos piirilevy rikkoutuu mekaanisesti, 90% tapauksista se tapahtuu juuri siirtymäalueella.
Dynaaminen vs. staattinen joustavuus
Ennen reititystä sinun on määritettävä sovellustyyppi:
* Staattinen (taivutetaan asennusta varten): Levy taivutetaan kerran kokoonpanon yhteydessä, jotta se mahtuu koteloon, eikä se enää juurikaan liiku. Tässä suhteessa säännöt ovat hieman joustavammat.
* Dynaaminen: Levy taipuu jatkuvasti käyttöikänsä aikana (esim. kannettavan tietokoneen sarana tai robottitoimilaitteisto). Suunnittelusääntöjä on tässä tapauksessa noudatettava tiukasti, jotta rakenne kestää miljoonia taivutussyklejä.
Rigid-Flex-piirilevyjen suunnittelu (keskeiset suunnittelusäännöt)
Noudata näitä suunnittelusääntöjä.
- Laske pienin taivutussäde
Älä koskaan taita joustavaa piirilevyä kuin paperia. Taivutussäteen vähimmäisarvo määrää, kuinka tiukasti levyä voi taivuttaa ilman, että kupari murtuu.
Yksi- tai kaksipuolinen Dynamic Flex: Taivutussäteen tulisi olla 10–20 kertaa joustavan osan kokonaispaksuus.
Staattinen taipuisuus: Taivutussäde voidaan kasvattaa jopa 10-kertaiseksi paksuuteen nähden.
(Esimerkki: Jos joustavan osan paksuus on 0,2 mm, dynaamisen taivutussäteen ehdoton vähimmäisarvo on 2,0–4,0 mm.) - Suojellaan siirtymäaluetta
Älä koskaan sijoita läpivientejä, metallipinnoitettuja läpivientireikiä tai pintaliitoskomponentteja alle 0,1 tuuman (2,54 mm) etäisyydelle siirtymäalueesta. Tällä rajapinnalla vaikuttava mekaaninen rasitus repii läpiviennit rikki ja katkaisee komponenttien juotosliitokset. Valmistajat lisäävät yleensä tähän liitoskohtaan epoksi- tai silikonipisaran (venymänvaimennuksen).
- Käytä pisaranmuotoisia ja pyöristettyjä viivoja
90 asteen kulma johtopiirissä aiheuttaa jännityskeskittymän. Kun levy taipuu, kupari murtuu juuri terävässä sisäkulmassa. Käytä joustavalla alueella johtopiirien reitityksessä aina pehmeitä, kaarevia kaaria. Lisää lisäksi kaikkiin läpivientien ja liitosalustojen liitoksiin pisaranmuotoisia vahvistuksia, jotta kupariliitos vahvistuu kohdassa, jossa se yhtyy rengasmaiseen osaan.
- Järjestä johtoreitit porrastetusti (kaksipuolinen joustava piirilevy)
Jos joustavan materiaalin sekä ylä- että alapuolella on kuparijohdinreittejä, **älä reititä niitä suoraan toistensa päälle**. Tämä aiheuttaa paikallista jäykkyyttä (ns. ”I-palkkivaikutus”) ja lisää murtumisen riskiä. Sen sijaan sijoita johdinreitit porrastetusti niin, että ne vuorottelevat välien välillä, jolloin rasitus jakautuu tasaisesti.
- Käytä ristiviivoitettuja kuparivaluja
Yhtenäiset kupariset maatasot tekevät joustavasta alueesta uskomattoman jäykän ja alttiin halkeilulle. Korvaa joustavilla alueilla yhtenäiset kuparipinnat ristikkäisellä tai verkkomaisella ruudukolla. Tyypillinen suhde on 0,2 mm:n johtolinja ja 0,4 mm:n aukko. Tämä säilyttää sähköisen suojauksen ja parantaa samalla joustavuutta huomattavasti.
Jotta saavutetaan mahdollisimman suuri mekaaninen luotettavuus ja noudatetaan IPC-2223-standardeja, nämä on integroitava jäykkä-joustopiirilevyjen suunnittelusäännöt CAD-ympäristöön.
Syventäviä näkökohtia: Suurtaajuus ja HDI
Jäykkä-joustopohjaisen rakenteen yhdistäminen huipputason sähköisiin vaatimuksiin lisää monimutkaisuutta entisestään.
Jos reitität monigigabittisiä signaaleja joustavan rajan yli, sinun on varmistettava, että impedanssi pysyy vakaana. Polyimidin (PI) dielektrisyysvakio eroaa FR4:n dielektrisyysvakiosta (tyypillisesti noin 3,2 vs. 4,4), ja kiinteän maatasoalueen korvaaminen viivoitetulla maatasoalueella muuttaa johtimen kapasitanssia. Sinun on käytettävä 3D-kenttälaskuria laskeaksesi johtimen leveyden uudelleen nimenomaan joustavalle osuudelle, jotta 85 ohmin tai 100 ohmin impedanssi säilyy. Saat syvällisempää tietoa signaalin eheydestä lukemalla oppaamme aiheesta Tärkeimmät tekniikat piirilevyjen nopeaan reititykseen.
Lisäksi, jos jäykät osat vaativat äärimmäistä miniatyrisointia, voit integroida Minkä tahansa kerroksen HDI-piirilevyjen valmistus jäykkien alueiden sisällä, jolloin joustavat kerrokset rajoitetaan vain yhteen tai kahteen reitityskerrokseen taipuisuuden maksimoimiseksi.
Usein kysytyt kysymykset (FAQ)
Jäykistin on ylimääräinen pala jäykkää materiaalia (yleensä FR4, polyimidi tai ruostumaton teräs), joka on liimattu joustavan piirilevyn tiettyyn kohtaan. Sitä käytetään antamaan mekaanista tukea painavien komponenttien (kuten liittimien) alla tai paksuntamaan joustavan piirilevyn reunaa, jotta se voidaan asettaa ZIF-liittimeen (Zero Insertion Force).
Kyllä, mutta tietyin varauksin. Taivutusalueella olevien komponenttien tulee olla pieniä ja sijoitettu siten, että niiden pisin ulottuvuus on yhdensuuntainen taivutusakselin kanssa, jotta juotosliitosten rasitus voidaan minimoida. Lisäksi komponenttien, joissa on paljon nastoja, tai painavien liittimien alle on asennettava jäykisteitä, jotta joustava materiaali ei repeä.
Sitä ei suositella lainkaan. ED-kuparilla on pystysuuntainen rakeisuus, joka on altis mikrohalkeilulle toistuvan rasituksen alaisena. Valssattu ja hehkutettu (RA) kupari, jolla on vaakasuuntainen rakeisuus, on huomattavasti parempi vaihtelevaan taivutukseen.
Päätelmä
Mastering jäykkä-joustopiirilevyjen suunnittelusäännöt täyttää sähköisen toiminnallisuuden ja mekaanisen kestävyyden välisen aukon. Hallitsemalla taivutussädettä huolellisesti, vahvistamalla siirtymäalueita, porrastamalla johtoreittejä ja pyöristämällä geometrisia kulmia insinöörit voivat suunnitella erittäin dynaamisia liitäntöjä, jotka kestävät ankarimmissakin olosuhteissa. Vaikka suunnitteluvaihe on kiistatta vaativampi, lopputuloksena saavutettu tuotteen koon pienentyminen ja luotettavuuden parantuminen ovat vaivan arvoisia.