Progettazione di PCB rigidi e flessibili: vantaggi e migliori pratiche di progettazione

Utilizzando un PCB rigido-flessibile (FPC rigido), i substrati dei circuiti flessibili e quelli dei circuiti rigidi vengono ricoperti insieme. I PCB rigido-flessibili superano i limiti dei circuiti stampati convenzionali. PCB rigidi e le proprietà uniche dei circuiti flessibili che utilizzano conduttori in rame rinforzato elettrodeposti ad alta flessibilità o spostati, incisi su una pellicola protettiva flessibile.

I circuiti flessibili incorporano stack-up prodotti utilizzando un poliimmide flessibile, ad esempio Kapton o Norton, e ricoperti di rame insieme tramite calore, cemento acrilico e peso.

Allo stesso modo, con i PCB tradizionali, è possibile montare i segmenti su entrambi i lati della scheda rigida. Grazie alla combinazione tra circuiti rigidi e flessibili, una configurazione rigido-flessibile non utilizza connettori o cavi di collegamento tra i segmenti. Piuttosto, i circuiti flessibili collegano elettricamente la struttura.

L'assenza di connettori e cavi di collegamento consente di ottenere alcuni risultati:

• Migliora la capacità del circuito di trasmettere segnali senza problemi
• Accoglie l'impedenza controllata
• Elimina i problemi di associazione, ad esempio le articolazioni fredde
• Riduce il peso
• Libera spazio per parti diverse

Ogni PCB rigido-flessibile è suddiviso in zone che contengono materiali diversi e con diversi livelli di stratificazione. Le zone rigide a volte presentano più strati rispetto alle zone flessibili, e i materiali passano da FR-4 a poliimmide, presentando zone di variazione significative.

Le strutture complesse cambiano frequentemente da rigide a flessibili e viceversa in diverse occasioni. Quando si verificano queste convergenze, il rivestimento dei materiali rigido-flessibili richiede aperture di protezione dalla zona di transizione per garantire la trasparenza. Allo stesso modo, molti progetti rigido-flessibili incorporano rinforzi in acciaio temprato o alluminio che forniscono ulteriore supporto a connettori e segmenti.

I circuiti FPC rigidi costano molto di più di circuiti rigidi praticamente identici e in genere costano diverse volte di più di un circuito flessibile con rinforzo.

Tuttavia, la spesa aumentata è legittimata in relazione ad applicazioni e situazioni specifiche, ad esempio:

• Applicazioni ad alta resistenza. Nel caso in cui un componente sia esposto a urti eccessivi o ripetuti, o a forti vibrazioni, i connettori con cavi flessibili sono più inclini a rompersi. L'FPC rigido offre un'affidabilità eccezionale anche in caso di applicazioni con vibrazioni e urti intensi.
• Applicazioni ad alto spessore. All'interno di un'area limitata, a volte è difficile installare tutti i cavi e i connettori necessari per la configurazione di un PCB elettronico. I fogli rigidi in FPC possono essere sovrapposti in profili molto piccoli, offrendo in questo caso notevoli investimenti di spazio.
• Cinque o più fogli rigidi. Nel caso in cui la vostra applicazione preveda l'utilizzo di cinque o più fogli rigidi collegati tra loro con cavi flessibili, una soluzione coordinata rigido-flessibile è spesso la soluzione ideale e più conveniente.

Diverse regole di progettazione si applicano alla progettazione PO rigido-flessibile

Diverse difficoltà controbilanciano l'adattabilità e la flessibilità che consentono di realizzare progetti e prodotti tridimensionali. I progetti PO rigido-flessibili convenzionali permettevano di montare segmenti, connettori e la struttura del prodotto sulla parte rigida fisicamente più solida del gruppo. Ancora una volta, per quanto riguarda i progetti tradizionali, il circuito flessibile fungeva semplicemente da interconnessione, riducendo al contempo la massa e migliorando la protezione dalle vibrazioni.

Le nuove strutture degli articoli, combinate con innovazioni migliorate nei circuiti flessibili, hanno introdotto nuove regole di progettazione per gli ordini di acquisto rigido-flessibile. Il vostro team di progettazione ha ora l'opportunità di inserire componenti nell'area dei circuiti flessibili. Consolidare questa opportunità con un approccio multistrato alla gestione della configurazione rigido-flessibile consente a voi e al vostro team di integrare più hardware nella struttura. Tuttavia, cogliere questa opportunità comporta alcune difficoltà in termini di direzione e spazi vuoti.

I circuiti flessibili presentano costantemente linee di torsione che influenzano la direzione. A causa della potenziale pressione del materiale, non è possibile posizionare componenti o vie vicino alla linea di torsione. Inoltre, quando i segmenti sono posizionati correttamente, i circuiti flessibili con curvatura presentano pesi meccanici ripetuti sui cuscinetti a montaggio superficiale e sulle aperture passanti. Il vostro team può ridurre questi problemi utilizzando una placcatura per le aperture passanti e rinforzando il supporto del cuscinetto con una sovrapposizione aggiuntiva per ancorare i cuscinetti.

Durante la pianificazione del follow steering, seguite le procedure che riducono il peso sui vostri circuiti. Utilizzate poligoni incubati per mantenere la flessibilità quando si trasporta un piano di alimentazione o di massa sul vostro circuito flessibile. Dovreste utilizzare follow piegati invece di bordi a 90° o 45° e utilizzare modelli a strappo per modificare la larghezza dei follow. Queste pratiche riducono l'attenzione e le aree traballanti. Un'altra buona pratica è quella di trasmettere la preoccupazione tra i follow, smussando i follow superiori e inferiori per i circuiti flessibili a due lati. Bilanciare i follow impedisce che si sovrappongano l'uno all'altro e rafforza il PO.

Allo stesso modo, dovresti seguire la direzione opposta alla linea di torsione per ridurre la pressione. Quando sostituisci il rigido con il flessibile e viceversa, la quantità di strati da un mezzo all'altro può variare. Puoi utilizzare la direzione di direzione per aggiungere solidità al circuito flessibile bilanciando la direzione per gli strati adiacenti.

Linee guida rigide per la progettazione FPC

In generale, una configurazione rigido-flessibile assomiglierà esteticamente a una struttura in cartone rigido, con gli strati flessibili che si estendono completamente nelle regioni rigide del pannello. Analogamente, anche per i formati in cartone rigido, un pacchetto di creazione rigido-flessibile includerà livelli Gerber, insieme a documenti di perforazione, livelli di patch veil, classificazione, record di percorso perimetrale, un livello di copertura e così via.

Di solito, ci sono alcune differenze fondamentali tra i pacchetti di produzione per FPC rigidi e applicazioni in pannelli duri:

• Un FPC rigido, in genere, presenta molte più misure e dovrebbe caratterizzare in modo mirato i requisiti, poiché questi fogli sono comunemente utilizzati in applicazioni 3D. Dovrebbe anche caratterizzare con precisione le zone di avanzamento da rigido a flessibile, poiché queste non sono sempre chiare quando si esaminano solo i livelli Gerber.
• La disposizione dei materiali nei fogli flessibili rigidi è fondamentale e deve essere definita in collaborazione con il vostro produttore. Il vostro produttore può aiutarvi a scegliere i materiali più adatti in base alle vostre esigenze, ad esempio la classificazione di combustibilità UL, i raggi di torsione minimi richiesti, le considerazioni meccaniche, il controllo dell'impedenza sia sugli strati flessibili che su quelli rigidi, la certificazione RoHS, la compatibilità con materiali senza piombo e altre considerazioni.
• I fogli rigidi flessibili, di norma, richiedono strati aggiuntivi nei documenti Gerber. Gli strati 1 e X avranno strati di velo di saldatura, ma saranno necessari anche strati di grafica che caratterizzino lo strato di copertura e i segmenti di bondply (ove previsto) del pannello, e la quantità di ciascuno di essi nei pannelli rigidi. Lo standard IPC 2223 suggerisce 0.100", ma il vostro produttore potrebbe essere in grado di accettare una quantità inferiore.

Cosa influenza la progettazione dei PCB rigido-flessibili

Fattori elettromeccanici influenzano la progettazione

Quando si progettano PCB rigido-flessibili, è importante considerare i fattori elettromeccanici che influenzano il circuito flessibile e la scheda rigida. Durante la progettazione, è fondamentale concentrarsi sul rapporto tra ampiezza della curva e spessore. Con i circuiti flessibili, curve strette o uno spessore maggiore nella zona di torsione aumentano le probabilità di errore. I produttori consigliano di mantenere l'ampiezza della curva almeno due volte lo spessore del materiale del circuito flessibile e di costruire una "maschera" dello stesso circuito per individuare i punti in cui si verificano le torsioni.

Si dovrebbe evitare di estendere il circuito flessibile con la sua torsione esterna o di compattarlo con la torsione interna. Espandere il bordo curvo oltre i 90° crea estensione in un punto e pressione in un altro punto del circuito flessibile.

Un altro fattore chiave per la qualità della resistenza dei cavi rigido-flessibili è lo spessore e il tipo di conduttore presente nella zona di torsione. È possibile ridurre lo spessore e le sollecitazioni meccaniche riducendo la quantità di placcatura sui conduttori e utilizzando cuscinetti di placcatura. L'utilizzo di una placcatura spessa in rame, oro o nichel riduce la flessibilità in corrispondenza della curva e favorisce la formazione di stress meccanici e cricche.

Considerazioni sulla disposizione dei materiali

La disposizione dei materiali FPC rigidi influisce notevolmente su costi, producibilità e prestazioni finali del PCB, quindi è fondamentale investire tempo nella scelta del set di materiali più adatto. Ad esempio, l'impedenza controllata, l'opposizione e i requisiti di conduzione della corrente sono fattori estremamente importanti che influenzano sia i carichi di rame che la scelta del materiale.

Un progettista di PCB dovrebbe collaborare con il proprio produttore di schede per analizzare questi fattori, in modo che il progetto finale rispetti tutti i requisiti di onestà. Una volta che il progettista ha eseguito i calcoli iniziali, il produttore può verificarli e fornire una rappresentazione più precisa delle caratteristiche di impedenza della scheda e del set di materiali necessari per raggiungere tali caratteristiche.

Se le caratteristiche di impedenza non sono eccessivamente elementari, stai cercando le proposte di design rigido-flessibile più economiche e stabili. Il programma Rigid-Flex offre i costi di materiale più bassi in generale per il design rigido-flessibile, offrendo inoltre un punto di partenza sicuro per i progettisti che si avvicinano per la prima volta al design rigido-flessibile.

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I segmenti rigidi dei fogli rigido-flessibili sono generalmente composti da 20 strati o meno. A volte ne hanno di più, ma in genere più di venti strati sono davvero rari. Le aree in pannello rigido non devono avere tutte lo stesso numero di strati. Ad esempio, si potrebbe avere un segmento rigido con 16 strati di componenti hardware e uno con 12. Finché la disposizione del materiale è simile per entrambi e i carichi hanno uno spessore generale simile, non ci saranno problemi di assemblaggio. Talvolta, una configurazione può utilizzare pannelli rigidi con spessori diversi, tuttavia, tali configurazioni sono molto più difficili da realizzare e devono essere prese in considerazione opzioni diverse.

Le aree flessibili dei fogli rigido-flessibili sono in genere costituite da uno (singolo), due (doppietto), tre (tripletto) o quattro strati (sviluppo quadruplo). Talvolta un produttore necessita di più di quattro strati sulle aree flessibili del carico, ma spesso non sono legati. Le aree flessibili rinforzate con più di quattro strati possono essere molto resistenti alla torsione e alla flessione. I carichi di rame sugli strati flessibili dei fogli rigido-flessibili sono solitamente carichi da mezza oncia e da un'oncia.

A volte, l'impianto elettrico richiede carichi da due once (circa 58 g). In questi casi, il progettista dovrebbe collaborare a stretto contatto con il proprio produttore per scegliere il prepreg "no stream" corretto, in grado di riempire in modo soddisfacente i circuiti più spessi dei pannelli rigidi. Il prepreg "no stream", per sua natura, non tende a fluire e i componenti da due once (circa 58 g) possono presentare alcune difficoltà. A volte viene utilizzato anche un peso di rame da tre once (circa 75 g) che può presentare notevoli difficoltà di assemblaggio per lo stesso motivo.

La progettazione di PCB rigido-flessibili richiede lavoro di squadra

I nuovi strumenti di configurazione PCB consentono al team di progettazione di gestire diversi stack di livelli, visualizzando strutture elettromeccaniche 3D, verificando i controlli di configurazione e riproducendo il funzionamento dei circuiti flessibili. Infatti, anche con questi strumenti a portata di mano, la progettazione efficace di un PCB rigido-flessibile dipende dal lavoro di squadra tra il team e i produttori.

Il lavoro di squadra deve iniziare nelle fasi più puntuali dell'impresa e proseguire durante tutta la procedura strutturale e si basa su una comunicazione costante.

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