Кратко об основных условиях разработки и производства гибко-жестких печатных плат
Гибкие платы чаще рассматриваются применительно к специальным случаям гибко-жестких вариантов. Нередко основная цель — обеспечить хорошее, надежное и эффективное соединение между двумя платами, не лежащими в одной плоскости. В этом случае гибкая часть платы может быть изогнута единожды, только во время конечной сборки изделия, и никогда больше.
В данном аспекте гибко-жесткость может использоваться как простая альтернатива для соединения плат или как замена кабелю. Одна гибкая часть платы заменяет как минимум кабель и два соединителя, что улучшает рабочие характеристики изделия, а также освобождает место, которое заняли бы разъемы. Экономия места очень важна для разработчиков таких устройств, как, например, носимая и портативная электроника, где используется каждый миллиметр пространства и нужно разместить две или более печатные платы. В последнее время различная носимая электроника и личные переносные устройства, для которых одним из самых важных факторов являются вес и размер, становится одной из наиболее быстро растущих и развивающихся областей, где широко распространены гибко-жесткие печатные платы (рис. 1).
Другие преимущества применения гибких плат в качестве соединителей состоят в повышении надежности (в основном именно из-за того, что не требуются разъемы и необходимая для них пайка) и улучшении контроля сигнала между схемами плат на каждом переходе от гибкой платы к жесткой. В настоящее время процессу разработки способствует появление программного обеспечения для дизайна плат с возможностью 3D-моделирования — это помогает максимально использовать пространство, чтобы исключить взаимные помехи между компонентами плат. Кроме того, есть возможность смоделировать изгиб нежесткой части платы в динамическом режиме, чтобы определить радиус изгиба и проверить работу всей схемы системы. Динамический режим позволяет проверить, как будут двигаться жесткие платы при обычной эксплуатации изделия.
Главные правила
Производство гибко-жестких плат — это проверенная и отработанная технология, и ее правила хорошо известны.
Первое правило — обеспечение технологичности — позволяет избежать ошибок при разработке, и оно не касается технологии или геометрии. Скорее оно помогает установить диалог между конструктором и технологом, чтобы гарантировать, что не только любые изменения в проектных нормах найдут отражение при конструировании и сборке платы, но и процесс конструирования и сборки платы будет соответствовать проектным нормам.
Многие регламенты, предусматривающие получение хорошего результата при разработке гибко-жестких печатных плат, проистекают из свойств материалов. Часто в качестве базового материала для жесткой части платы выбирают FR‑4 (или более сложные его варианты) — упрочненное стекловолоконное полотно, пропитанное смолой. Гибкая часть обычно представляет собой полиимидную пленку (нередко употребляют материалы Kapton производства компании DuPont) с покрытием из медной фольги, нанесенной локально вместо паяльной маски.
То, как свойства выбранного материала соответствуют задаче, сразу видно по возникающим проблемам. Соединение медь-пленка — это соединение между двумя различными материалами, соответственно, чем больше радиус их изгиба, тем больше напряжение на границе их соединения и выше риск разъединения. Дорожки, хотя они и тонкие, тем не менее сделаны из меди, поэтому, даже если радиус их изгиба будет невелик, повторяющееся изгибание может привести к усталостному перелому. Переход между жесткой и гибкой частями платы — очень важная область. То же самое относится и к концевому контакту кабеля: сила изгиба не должна действовать прямо на переход, поскольку может получиться очень маленький радиус изгиба на чрезвычайно ограниченной площади. Вот почему динамическое моделирование в 3D-режиме становится весьма полезным, а правильная сборка слоев превращается в основное условие надежности и технологичности изделия.
Многих общих ошибок удается избежать, если уделить внимание нескольким ключевым этапам процесса разработки плат. Мы уже отмечали, что требуется применять специальные правила для гибкой области и соблюдать стандартные нормы для жестких плат. Например, для медных поясков вокруг отверстий в гибкой плате необходимо оставлять больший интервал между отверстиями/площадками и смежными им дорожками. Спецификация IPC для гибких плат (IPC‑2223) регулирует величину данного интервала. С гибкой пленкой то же самое, и в течение процесса производства следует учитывать, что гибкость влияет на величину нормального допуска на этот интервал, увеличивая его. При изгибе сквозные отверстия могут потерять концентричность со своей контактной площадкой на некоторую величину отклонения, но отверстие будет все равно закрыто, электрическое соединение с помощью этого переходного отверстия не нарушится, но возникнет риск короткого замыкания с дорожкой, проходящей слишком близко к отверстию.
Количество переходных отверстий в гибкой части платы желательно уменьшить, поскольку их стоимость здесь выше, чем в жесткой части (это, конечно, относится к случаю, когда нужны двусторонние гибкие платы), — это та область, где правильная конфигурация слоев становится очень важным условием. Процесс изготовления здесь в некотором роде субстрактивный, то есть в ходе производства над и под гибкой частью будут располагаться слои, которые затем выборочно удаляют, тем самым получая возможность открыть гибкий сегмент платы. Слои должны быть сконфигурированы так, чтобы слой из полиимида в области каждого сквозного отверстия имел поддержку, ведь сверло способно повредить тонкую, легко деформирующуюся пленку.
Просто перенести переходные отверстия из гибкой части в жесткую область часто бывает недостаточно (вспомним, что гибкие слои идут по всей плате, а гибкой плата становится только в тех местах, где были удалены другие слои). Ступенчатые глухие переходные отверстия от гибкой части к жесткой не всегда совпадают на каждом слое и могут быть смещены относительно друг друга, поэтому их лучше перенести из гибкой части в жесткую, при этом необходимо, чтобы расстояние между отверстием и краем было увеличено. Там, где дорожки соединяются с круглыми контактными площадками на медном слое гибкой части платы, всегда следует использовать каплевидную форму соединения, или элемент teardrop, поскольку такой плавный переход от линейного элемента к круглому снижает напряжение в точке соединения (рис. 2).
Медь на гибкой части
Использование меди в гибком слое или слоях также усложняет процесс производства, достаточно представить, как будет вести себя гибкая часть платы, если нанести на нее медный слой. Часто встречающаяся ошибка — слишком большая площадь меди на гибком слое, так как большие области медной фольги, склеенной с полиимидом, снизят гибкость. Чем больше меди в гибкой части, тем меньший изгиб возможен. Используемое количество меди непосредственно связано с целью применения гибкой платы. Самое главное правило: гибкая плата должна остаться действительно гибкой.
Радиус изгиба можно рассчитать по следующей формуле:
R = C(100–EB)/2EB–D,
где R — минимальный радиус изгиба, C — толщина меди, D — толщина диэлектрика, EB — допустимая деформация меди (%).
Если нужна большая, протяженная медная поверхность, например в качестве слоя заземления, то можно сделать ее в виде решетки. Здесь срабатывает все то же правило: большое количество меди снижает гибкость. Использование сплошной поверхности меди также возможно, если в течение сборки гибкая часть будет согнута лишь один-единственный раз. Простая или шестиугольная решетка более устойчива к изменению натяжения (рис. 3).
По тем же причинам необходимо, чтобы дорожки были проложены перпендикулярно к линии изгиба. Все медные области нужно подвергнуть травлению, так как остатки на гибкой поверхности могут кристаллизоваться, а кристаллическая структура отличается хрупкостью, что снижает надежность и продолжительность жизни поверхности.
Еще один вариант гибко-жесткой конструкции — применение специальных упрочняющих и усиливающих жесткость деталей в некоторых местах гибкого слоя. Усилители, прикрепленные к гибкой части, — это жесткие области, где нет никаких компонентов. С их помощью укрепляют поверхность для сборки, но и гибкость платы при этом снижается. Кроме того, при использовании усилителей толщина в том месте, где гибкий слой присоединяется к разъему, будет меньше. Хотя подобные усилители обеспечивают только механическую поддержку, для них действуют все те же правила, что и для перехода от гибкой части к жесткой. Существует несколько способов укрепления и усиления поверхности, и лучше всего, если разработчики и производители конкретной платы совместно выбирают нужный способ. Обычно в качестве усилителя края гибкой части или для соединения гибкой и жесткой частей используется полиимид или FR‑4.
Часто разработчики плат делают макет гибкой платы из бумаги, а гибко-жесткой конструкции платы — из бумаги и печатной платы (рис. 4). Но существующие программы CAD позволяют смоделировать необходимую конструкцию ПП в 3D-формате, с помощью всех параметров, необходимых производителю платы для получения высокого выхода годного.