Жесткогибкие печатные платы позволяют сгибать или складывать схемы в электронных изделиях, уменьшая количество разъемов и улучшая механическую интеграцию. Однако гибкие участки платы также наиболее уязвимы к механическим нагрузкам.
Если радиус изгиба слишком мал или медные конструкции плохо спроектированы, многократные изгибы могут привести к усталости меди, растрескиванию трасс или разделению слоев.
Поэтому понимание механических ограничений гибких схем необходимо для надежного проектирования жестко-гибких печатных плат.
Более подробный обзор технологии жесткого сгибания см. Проектирование жестко-гибких печатных плат: Основы и применение.
Что такое радиус изгиба в жестко-гибких печатных платах?
Радиус изгиба означает минимальный радиус, на который гибкая схема может согнуться без повреждения проводящих слоев или диэлектрических материалов.
В жестко-гибких плитах радиус изгиба в основном влияет на Гибкая область, где полиимидные слои заменяют жесткие ламинаты FR-4.
Чем меньше радиус, тем больше механическая деформация, действующая на медные дорожки и диэлектрические материалы.
Правильно рассчитанный радиус изгиба распределяет механическое напряжение по слоям гибкого материала и предотвращает локальную концентрацию напряжения.
Более подробно о структурах слоев рассказано в Руководство по проектированию жестко-гибких печатных плат.
Рекомендации по радиусу изгиба
Рекомендуемый радиус изгиба зависит, прежде всего, от толщины гибкого штабеля и типа изгиба.
В жестко-гибких печатных платах существует два распространенных сценария изгиба.
Статический изгиб
Статический изгиб - это когда плата сгибается один раз во время сборки, а затем остается неподвижной.
Типичное правило проектирования:
Минимальный радиус изгиба ≈ 10 × толщина изгиба
Например, если толщина гибкой секции составляет 0,2 мм, минимальный радиус изгиба должен быть около 2 мм.
Статический изгиб обычно используется в компактной электронике, где плата складывается при монтаже.
Динамический изгиб
Динамический изгиб возникает при многократном перемещении гибкой цепи во время работы.
Приложения включают:
- медицинские инструменты
- робототехника
- складная бытовая электроника
Динамический изгиб требует большего радиуса для предотвращения усталостного разрушения.
Типичное правило проектирования:
Минимальный радиус изгиба ≈ 20 × толщина изгиба
В высоконадежных приложениях конструкторы могут увеличить этот коэффициент еще больше.
Структура меди и сопротивление усталости
Структура меди играет важную роль в долговечности гибких схем.
В жестко-гибких печатных платах обычно используются два типа меди.
Прокатная отожженная медь
Прокатная отожженная медь подвергается механической обработке для улучшения структуры зерна. Этот материал обеспечивает лучшую гибкость и усталостную прочность.
Он широко используется в гибких схемах, которые подвергаются многократным изгибам.
Электроосажденная медь
Электроосажденная медь чаще встречается в жестких печатных платах и менее устойчива к повторяющимся механическим нагрузкам.
Хотя его можно использовать в гибких схемах, он может снизить долговременную надежность в динамических приложениях.
Поскольку усталость меди является распространенной причиной отказа, при планировании штабеля следует тщательно учитывать тип меди.
Другие соображения, связанные со стеком, обсуждаются в Руководство по проектированию жестко-гибких печатных плат.
Прокладка трассы в зонах изгиба
Методы прокладки могут существенно повлиять на надежность гибких цепей.
При проектировании жестко-гибких печатных плат широко используются несколько рекомендаций по маршрутизации.
Используйте изогнутые трассы вместо острых углов, чтобы уменьшить концентрацию напряжения.
Избегайте прокладки трасс перпендикулярно оси изгиба. Трассы, проложенные параллельно направлению изгиба, испытывают меньшую деформацию.
Поддерживайте равномерное распределение меди по всей области изгиба, чтобы избежать неравномерного напряжения при изгибе.
По возможности расставляйте трассы в разные стороны, чтобы предотвратить концентрацию напряжения на одной линии.
Соблюдение этих правил помогает снизить усталость меди и повысить долговременную механическую надежность.
Избегание виа в гибких областях
Как правило, следует избегать использования диафрагм в зоне изгиба.
Просверленные отверстия нарушают структуру меди и создают точки механического напряжения. При многократных циклах изгиба эти участки могут стать точками зарождения трещин или расслоения.
Если необходимо использовать виасы, их следует размещать за пределами активной области изгиба.
Во многих жестко-гибких конструкциях сигналы прокладываются через жесткие секции, а гибкая область используется в основном для межсоединений.
Более подробно производственные вопросы рассматриваются в Процесс изготовления жестко-гибких печатных плат и руководство по проектированию.
Покрытие и армирующие конструкции
Для защиты медных трасс гибких схем часто используются покровные слои.
Накладной материал обеспечивает изоляцию, а также помогает распределить механическое напряжение при сгибании.
В некоторых конструкциях для предотвращения чрезмерных нагрузок в местах расположения деталей добавляются дополнительные усиливающие конструкции, например, ребра жесткости.
Сочетание правильной прокладки медных проводов, правильного радиуса изгиба и защитных материалов значительно повышает механическую надежность жесткогибких плат.
Распространенные виды отказов в гибких цепях
При несоблюдении правил проектирования жестко-гибких конструкций обычно наблюдается несколько механизмов разрушения.
Растрескивание медной трассы, вызванное чрезмерной механической деформацией.
Расслаивание между слоями полиимида из-за повторяющихся изгибающих нагрузок.
Сквозные трещины или изломы в районе изгибов.
Отслоение покрытия в результате плохого сцепления материалов.
Такие отказы часто возникают после длительного механического воздействия, и их трудно обнаружить на ранних этапах тестирования.
Тщательный дизайн и выбор материала позволяют предотвратить большинство этих проблем.
Заключение
Радиус изгиба является основным конструктивным параметром жестко-гибких печатных плат.
Надежная конструкция должна учитывать толщину гибкого слоя, тип меди, схемы разводки и механические условия, в которых будет работать плата.
Соблюдая соответствующие рекомендации по радиусу изгиба и избегая концентрации напряжений в зонах изгиба, инженеры могут значительно повысить долговечность жестко-гибких схем.
В сочетании с правильным планированием укладки и совместным производством жестко-гибкие печатные платы могут обеспечить превосходную надежность в сложных электронных системах.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
О: Минимальный радиус изгиба зависит от толщины гибкого материала и типа применения. Общим ориентиром является 10× толщина изгиба для статических изгибов и Толщина 20× толщина гибкого слоя для динамического изгиба.
О: Медные трассы могут треснуть из-за чрезмерной механической деформации, особенно если радиус изгиба слишком мал или трассы проложены перпендикулярно направлению изгиба.
О: Обычно рекомендуется избегать размещения межслойных отверстий в зонах изгиба, поскольку просверленные отверстия создают точки напряжения, которые могут привести к образованию трещин при изгибе.
О: Прокатная отожженная медь обычно предпочтительнее для гибких схем, поскольку она обеспечивает лучшую усталостную прочность по сравнению с электроосажденной медью.
О: Надежность можно повысить, соблюдая правильный радиус изгиба, используя отожженную медь, избегая прокладок в зонах изгиба и следуя надлежащей практике маршрутизации.
