Разработка гибких печатных плат

Подробности: Автор: Марк Финстад

При использовании гибких материалов нет гарантии, что гибкая плата будет надежно функционировать при сгибании. Имеется множество факторов, способствующие увеличению надежности гибких печатных плат, и все эти факторы должны приниматься во внимание в процессе разработки для обеспечения надежной работы гибких печатных плат.

Выбор гибкой конструкции печатных плат

При разработке гибкой платы разработчик должен учитывать все факторы, которые могут влиять на их способность изгибаться в условиях конкретного применения. Это включает в себя следующее, (но не ограничивается этим): будет ли плата в неподвижном состоянии или в движении, радиусы изгибов, толщина и тип диэлектрика, масса фольги, толщина меди, удельная толщина платы, число слоев и количество и частота изгибов.

Когда печатная плата изгибается, слои с внешней стороны растягиваются, а внутренние слои сжимаются. Чем сильнее изгибается схема, тем больше концентрация механических напряжений. Если конструкция схемы однородна, близкий к середине слой будет являться, что называется нейтральной осью изгиба, на которой материал не подвергается значительному растяжению или сжатию. Некоторые проблемы могут возникать в случаях изгиба схемы под острым углом. При сжатии с внутренней стороны могут образовываться морщины. Изгибы также могут приводить к возникновению деформации проводников. Морщины приводят к расслаиванию, а деформация проводников приводит к трещинам. Подобное как правило приводит к разрывам материала или разрушению проводников с внешней стороны изгиба. Если внешний проводник растягивается и образуется волосяная трещина, ее бывает очень трудно обнаружить при визуальной проверке, и она даже может пройти тест на проводимость. Результатом будет дефектная схема, и если она затем будет установлена в готовый узел, наверняка произойдет обрыв проводника при вибрациях или манипуляциях.

Схема должна разрабатываться так, чтобы она выдерживала растяжение и сжатие без появления всех вышеупомянутых проблем. Эти проблемы становятся более существенными в тех случаях, когда схема изгибается под углом более 90 градусов. Если угол изгиба превышает 90 градусов, вероятность повреждения в результате растяжения или сжатия существенно возрастает. Каждый раз, когда при разработке рассчитывают на изгиб более чем 90 градусов при малом радиусе, подразумевается только однократный изгиб схемы. При изгибах более чем на 90 градусов рекомендуется разрабатывать схему фасонной формы, чтобы она не могла распрямиться или неожиданно развернуться.

Начало разработки механической конструкции

Хорошей стартовой точкой для разработки механической конструкции является определение требований к готовому узлу. Одним из самых важных условий является определение радиуса изгиба.

Общим правилом является то, что чем меньше становится радиус изгиба, тем больше вероятность поломки при изгибании. Другим важным параметром является определение предельной толщины гибкой печатной платы в зоне изгиба. Используя эти два параметра можно рассчитать отношение радиуса изгиба к толщине. Это число является показателем того, будет ли надежна эта конструкция, или же будет большая вероятность ее поломки. Если радиус изгиба по меньшей мере в десять раз больше толщины материала, увеличиваются шансы надежной работы схемы. Если рассчитываемое отношение радиуса изгиба к толщине по величине равно от десяти до единицы, надежность конструкции может оказаться сомнительной. Формулы для расчета минимально допустимого радиуса изгиба для схем различных типов можно найти в стандарте IPS-2223 на гибкие печатные платы для составных конструкций (IPC-2223 Sectional Design Standart for Flexible Printed Wiring).

Имеется много приемов, которые можно применить при разработке конструкций с малыми радиусами изгиба, чтобы обеспечить их надежность. По возможности схему следует разрабатывать таким образом, чтобы в зоне изгиба на проводниках не было медного покрытия. Электрически осаждаемая медь имеет значительно меньшую пластичность, чем медь, скручиваемая в виде колец. Низкая пластичность покрытия меди делает ее более неустойчивой к разрывам при изгибании. При использовании специально выбранных покрытий или при добавлении к схеме дополнительных внешних слоев только на контактных площадках можно избежать медного покрытия на изгибаемых проводниках. При исключении медных покрытий уменьшается также удельная толщина платы (только в зоне изгиба слоев с контактными площадками), уменьшая толщину покрытия слоя, изготовитель может сократить и толщину клеевого слоя. Каждый из этих методов может потребовать дополнительных расходов, но эти расходы будут меньше, чем стоимость устранения неисправности. По тем же причинам следует избегать в зоне изгиба и других типов покрытий, таких как золотых или никелевых.
Другая возможность увеличения надежности при низком соотношении толщины к радиусу изгиба заключается в поиске путей уменьшения удельной толщины платы в зоне изгиба. Это может быть осуществлено путем уменьшения массы меди на основе (и соответственно, толщины клеевого слоя) или уменьшения толщины диэлектрика. Следующая возможность заключается в применении материалов с меньшим содержанием клея. Материалы с меньшим содержанием клея обычно позволяют уменьшить начальную толщину каждой подложки на 0,001–0,002 дюйма по сравнению с подложками на клеевой основе. Уменьшение толщины на несколько сотых долей дюйма может показаться тривиальным решением, однако если при этом соотношение изгиба получается более чем 10:1, результат будет ощутимым. Тип диэлектрика также является важным фактором обеспечения гибкости и, в конечном результате, надежности схемы. Разные диэлектрики одной и той же толщины будут иметь существенно различную гибкость. Естественно, чем более жесткий материал используется в конструкции, тем прочнее будет готовое изделие.

Следует также проанализировать топологию проводников для определения методов по упрочению схемы. Перед выполнением разработки следует поставить перед собой ряд вопросов:

   Сбалансирована ли конструкция?
   Важно сбалансировать конструкцию с каждой из сторон нейтральной оси изгиба. Массы проводников и толщины материала должны быть приблизительно одинаковыми с каждой стороны от нейтральной оси. Поскольку внутренний и внешний слои будут подвергаться наиболее значительным механическим напряжениям, наиболее тяжелые проводники должны размещаться на этих слоях. По возможности, более узкие и менее прочные проводники должны располагаться ближе к нейтральной оси изгиба, чтобы в результате изгиба обеспечить для них максимальную защиту от напряжений. Проводники должны распределяться в слоях так, чтобы они не наслаивались один поверх другого. При наложенных друг на друга проводниках существенно увеличивается величина растяжения, которому должны противостоять внешние слои.

   Должны ли проводники проходить через зоны изгиба перпендикулярно линии изгиба?
   Проводники всегда должны проходить через зоны изгиба в направлении как можно более близком к перпендикулярному.

   Могут ли отверстия с металлизацией располагаться в зоне изгиба или вблизи нее?
   По возможности следует избегать располагать отверстия с металлизацией в зонах изгиба. Трудно предвидеть, каким будет растяжение проводника одного слоя и сжатие проводника другого слоя у металлизированного отверстия, соединяющего эти два слоя. Поскольку конечный результат непредсказуем, и поскольку дефект отверстия очень трудно обнаружить, подобного следует избегать.

   Должны ли быть снабжены буртиками контактные площадки вблизи зон изгиба?
   Если схема будет изгибаться на расстоянии до 1 дюйма от нахождения контактных площадок, на границах каждого проводника должны иметься буртики. Снабжение буртиками всех контактных площадок желательно для всей печатной схемы, но это особенно важно вблизи зоны изгиба. Площадки без буртиков будут точками концентрации механических напряжений. Это особенно верно, если отверстие не полностью охватывает контактное покрытие площадки и открывает промежуток между проводником. Напряжения от изгиба не изолировано от непосредственной области изгиба, и остаточные напряжения будут распространяться на другие места. Эти напряжения могут вызвать проблемы в точках концентрации напряжений, например, у контактных площадок без буртиков.
   Если для схемы требуется наличие экранов или пластин заземления, рекомендуется использовать не сплошные медные пластины, а сетчатые. Благодаря этому уменьшится количество меди в этих слоях и увеличится их гибкость.
   В разных устройствах могут применяться различные сетчатые детали, в зависимости от частоты экранируемых помех. Обычно отверстия сетки должны быть меньше одной десятой длины волны электрической помехи. Другой возможностью при экранировании является замена медных экранов, изготовленных методом трафаретной печати, проводящим покрытием, например из эпоксидной смолы с серебром. Проводящее покрытие может быть более гибким, чем медный экран.
   Должны быть также проанализированы другие места концентрации механических напряжений в зоне изгиба конструкции. В случаях использования в неподвижном положении или с небольшой динамикой (<100 циклов), подавляющее большинство неисправностей возникают в следствии концентрации напряжений. Некоторые точки концентрации напряжений, такие как места наиболее сильных изгибов, очевидны. Другие бывает трудно обнаружить. Нет таких методов, которые позволяли бы предсказать характерные признаки или комбинации таковых, приводящие к концентрациям напряжений при изгибе в небольших зонах.

Имеется несколько факторов, которых не должен допускать разработчик:

* Вблизи места изгиба не должно быть разорванных промежутков в верхнем покрытии или в подложке.
* Толщина проводника и его ширина должны быть постоянными в зонах изгиба (т.е. не должны меняться размеры пластин или других покрытий и желательно избегать сужения проводников).
* Внешний контур схемы должен иметь такую конструкцию чтобы в готовом узле не возникало никаких искажений. При сборке готовых узлов искажения могут привести к появлению неравномерных напряжений на внешних краях схемы. Шероховатости, неровности возникшие при сборке, способны привести к разрыву микросхемы.
* В гибких схемах прорези часто делают для того, чтобы изгибать получившиеся полосы в различных направлениях. Хотя это и является хорошим способом увеличения коэффициента полезного использования, все же края прорезей представляют собой потенциальные места для начала и распространения разрывов. Чтобы избежать этого, необходимо располагать на краях прорезей просверленные отверстия для снятия напряжений и армировать эти места прочным материалом или накладками из толстого гибкого материала или тефлона. Другой способ заключается в изготовлении как можно более широкой прорези и таком положении изгиба, чтобы весь радиус изгиба проходил по краю прорези. Если армирование невозможно, схему не следует изгибать более чем на полдюйма у края прорези.

Надежность при изгибании

   Конструкция платы должна быть однородной и прочной по всей зоне изгиба. Изменения в конструкции в зонах изгиба создают потенциальные точки концентрации механических напряжений. Поскольку сложно предвидеть, как некоторые точки концентрации напряжений влияют на всю схему, этого по возможности следует избегать. Так как надежность в местах изгиба очень важна, микросхема (поочередное нанесение слоев) в зоне изгиба требует тщательной проверки и анализа. Следует тщательно относиться к выбору материала и его поочередному наслоению в случае, если схема разрабатывается для обеспечения большой гибкости. Наиболее распространенным способом для придания многослойной схеме большей гибкости является "разделение" (отсутствие склеивания) гибких подложек одной от другой. Поскольку каждая из подложек в зоне разделения имеет значительно меньшую толщину чем сама схема, их можно изгибать сильнее, чем если бы они были склеены по всей площади.
   Внутренние слои не склеенной конструкции могут образовывать складки при изгибании схемы. Эти складки являются результатом сжатия подложек при изгибании. Использование специально выбранных технологий склеивания заставляет нейтральную ось изгиба перемещаться к самым внешним подложкам сборки. Внутренние подложки будут образовывать складки, вместо того чтобы сжиматься при изгибании. Однако этот метод имеет определенные недостатки. Образование складок может в некоторых случаях вызывать проблемы с зазорами. Так, если длина не склеенной области мала (менее 0,750 дюйма), не будет достаточного промежутка для образования складок. Результатом может быть чрезвычайно большая складка, которая может стать причиной очень малого радиуса изгиба в промежутке между склеенной и не склеенной областями. Такая ситуация может быть причиной проблем, вследствие чего приходится отказываться от не склеенных мест. Складчатость может становиться более выраженной и даже чрезмерной в случае увеличения размеров не склеенной области и при увеличении числа не склеенных подложек. Также эффект складчатости становится более выраженным и повреждения более вероятными при изгибании схемы более чем на 90 градусов. Хотя схема с большим количеством отдельных не склеенных слоев является более гибкой, она не всегда будет надежной. Если расстояние между склеенными областями сокращается до величины менее 3/4 дюйма, разработчик должен подбирать подложки так, чтобы было как можно меньше не склеенных слоев.
   Допускается отношение радиуса изгиба к толщине менее чем 10:1 в случаях, если схема изгибается при помощи специального оборудования и только один раз. Если схема будет изгибаться с очень малым радиусом изгиба, медь на внешней стороне изгиба будет растягиваться. Если схема будет распрямляться после изгиба, пластичная медь не будет возвращаться в прежнее состояние. Результатом могут быть поврежденные проводники, которые будут разрываться при повторном изгибании платы. Если плата должна изгибаться многократно, то при техническом обслуживании или ремонте устройства, конструкция должна быть доступной для ремонта. Имеются несколько возможностей, которые можно использовать для недопущения повреждения при многократном изгибании. Если зазор в изделии жестко задан, для армирования гибкой схемы может успешно применяться пленка или ребра жесткости, размещаемые каждый раз при новом изгибании. Если в конструкцию включены ребра жесткости и зона изгиба располагается непосредственно вблизи элементов жесткости, рекомендуется размещать буртик из гибкой эпоксидной смолы или другого материала вдоль края элемента жесткости в целях снятия механического напряжения. Также у зоны изгиба может применяться герметизирующая пена, чтобы не допускать деформации схемы.
   При рассмотрении требований, которые должны предъявляться к гибкой схеме в готовом узле, важно проанализировать ее предельные параметры. В конструкции должны учитываться эти параметры с допусками на ошибку. Конечные потребители гибких схем всегда будут требовать от изготовителей создавать платы еще меньшего размера. Изготовители гибких схем должны иметь возможность уменьшать параметры без ухудшения их надежности. При разработке гибких схем важно также предусмотреть использование наиболее производительного оборудования. Такое оборудование может быть изготовлено на основе накопленных знаний и опыта изготовителя. При постоянной работе с материалами и конструкциями для гибких схем, изготовитель приобретает опыт в получении оптимального качества готового продукта. Если разработчик на начальном этапе обращается за помощью к изготовителю, он существенно увеличивает надежность готовой продукции.
   В заключение следует сказать, что все разработчики, изготовители и конечные потребители так или иначе вовлеченные в создание гибких схем, должны стремиться к одной цели: получению надежной, бесперебойно-работающей гибкой платы, устанавливаемой в готовый узел. Только при взаимодействии всех сторон это может быть достигнуто.