Проектирование с применением сверхтонких гибких печатных плат

Гибкие печатные платы (PCB) на этапе проектирования, не сильно отличаются от жестких плат за исключением того, что разработчик должен учитывать механическую сложность, связанную с гибкими цепями (рис.1). Например, гибкая печатная плата может разорваться, если ее согнуть во время установки.

Поэтому очень важно создать механическую модель печатной платы и проверить ее на правильную посадку, прежде чем приступать к электрическому дизайну. Это также позволит проверить эргономику установки, любые рассогласования и сложности обслуживания. Кроме того, позволит разработчикам понимать различные типы гибких схем и способ их работы.

Гибкие печатные платы


Типы гибких печатных плат

В зависимости от применения доступны несколько типов гибких печатных плат, главным из которых являются гибкие, гибко-жесткие и печатные платы с высокой плотностью межсоединений (HDI).


Гибкие печатные платы (Flexible PCBs)

Это вариант обычных жестких печатных плат с уникальными возможностями, такими как гибкость и устойчивость к вибрации. Дополнительные функции сочетаются с обычной надежностью, повторяемостью и высокой плотностью, уже предлагаемыми жесткими печатными платами. Основным преимуществом перед жесткими печатными платами является гибкая схема, позволяющая принимать трехмерные конфигурации. Одним из наиболее распространенных применений гибких печатных плат является замена проволочных жгутов.


Гибко-жосткие печатные платы (Rigid-Flex PCBs)

Эти PCBs представляют собой смесь жесткого и гибкого, предлагая лучшее из обеих конструкций, добавляя некоторые уникальные возможности, которые ни один из типов не имеет. Например, типичная жестко-гибкая конфигурация будет представлять собой ряд жестких печатных плат, соединенных интегрированными гибкими цепями. Благодаря интеграции жестких областей, добавленных в гибкие детали, инженеры могут значительно увеличить проектные возможности своих цепей.

В то время как жесткие области превосходны в качестве жестких точек крепления для шасси, разъемов и компонентов, гибкие области обеспечивают динамическое сгибание, зоны виброустойчивости и гибкость при монтаже. Такая смесь предлагает разработчикам множество возможностей для создания креативных решений для самых требовательных приложений.


Печатные платы с высокой плотностью межсоединений (HDI Flexible PCBs)

Платы с высокой плотностью соединения полезны, когда варианты, предлагаемые типичными гибкими схемами, не являются адекватными. Гибкие схемы HDI предлагают лучшие варианты проектирования, компоновки и строения, включая такие функции, как микропереходы. Среди их достоинств — повышенная функциональность, меньший форм-фактор и высокоплотная гибкая схема.

Хоть в них и используются более тонкие материалы, технология HDI обеспечивает лучшую надежность, улучшенную электрическую производительность и доступ к расширенному использованию IC-корпусов.


Преимущества гибких схем

В качестве замены для ленточного кабеля или дискретной проводки, гибкие цепи позволяют создавать индивидуальные повторяемые маршруты разводки по всей сборке. Гибкие схемы могут сократить количество прозвонов из-за их большей надежности.

На гибких платах их проводники покрывают полиимидом, диэлектрическим слоем, который защищает контур лучше, чем простая паяльная маска. Производители используют другие базовые и покровные материалы для обработки более широкого диапазона условий окружающей среды и жестких условий эксплуатации.

Хотя гибкие платы и могут быть очень тонкими, они способны выдерживать много циклов сгибания. Используя подходящий конструкционный материал, они могут быть достаточно прочными, чтобы выдерживатьмиллионы циклов сгибания, одновременно перенося мощность и сигнал без разрывов.

Низкая масса и высокая пластичность гибких цепей являются огромным преимуществом при высоком ускорении и/или вибрации. Напряжение и воздействие на паяные соединения на гибкой печатной плате намного ниже, чем у паяных соединений и компонентов на жесткой печатной плате при тех же условиях работы.


Использование гибких схем

Разработчики применяют гибкие схемы там, где невозможно использовать любой другой тип печатной платы. Можно думать как о гибких схемах так и о гибридной комбинации обычной печатной платы и круглых проводов, демонстрируя при этом свои индивидуальные преимущества. Благодаря гибким схемам можно сохранить точность, плотность и повторяемость обычных печатных плат, а также обеспечить неограниченную свободу для геометрии упаковки.

Схемы Flex обычно используются для замены жгута проводов. Это позволяет одной гибкой схеме вытеснять несколько разъемов, кабелей и древесноволокнистых плит за одну операцию. Сборка идет намного быстрее, потому что она устраняет необходимость разделять провода по цветовому коду и завертывать их в пучки. Объем производства растет, в то время как затраты на установку снижаются, а вероятность сбоев в работе снижается.

Замена жгутов проводов с помощью гибких контуров увеличивает повторяемость проводов. Это устраняет ошибки при прокладке проводов, тем самым уменьшая отказы, переделку и время тестирования. Соединения более надежны, поскольку плоские проводники из фольги могут лучше рассеивать тепло и нести больше тока, чем круглые провода с одинаковой площадью поперечного сечения. Поскольку разработчик формирует более однородный рисунок проводника в гибком контуре, легче контролировать импеданс, перекрестные помехи и шум.

Кроме того, использование гибкой схемы может сократить пространство и/или вес обычной проводки на 75%. По сравнению с использованием жгутов проводов, повторяющиеся затраты на гибкие цепи ниже. Поскольку гибкие цепи более устойчивы к вибрации и ударам, затраты на ремонт и замену намного ниже, чем у твердых плат. Кроме того, путем размещения связанных ребер жесткости в требуемых областях, поверхностные компоненты могут быть легко смонтированы на гибких платах.


Преимущества гибко-жестких схем

Гибкая печатная плата

Гибкие схемы имеют преимущества перед жесткими печатными платами, но они также требуют больше внимания при разработке.


При общей стоимости всего изделия, использование жесткой гибкой схемы является выгодным в том, что она заменяет максимальное количество компонентов. Компоненты поверхностного монтажа монтируются с обеих сторон платы, а жестко-гибкие схемы позволяют интегрировать наилучшие черты упруго-гибких зон с устойчивыми жесткими областями, тем самым предлагая самые высокие возможности и максимальную виброустойчивость. Так как обеспечивается плавный переход между жесткими и гибкими участками при сохранении преимуществ каждого из них, эта комбинация является наилучшим вариантом при установке компонентов с высокой массой.


HDI платы в разрезе

Одним из наиболее важных аспектов первоначальной разработки многослойной печатной платы является определение ее соответствующей структуры. Это важно для больших плотных печатных плат с несколькими BGA-компонентами, особенно если стандартные компоновки не соответствуют требованиям затрат и производительности. HDI стекап является жизнеспособной для альтернативой большого числа слоев, обеспечивая более низкую стоимость с более высокой производительностью, если должным образом и правильно разработано.

Для плат с большим количеством BGA-выводов могут быть три типа конструктивов — стандартное ламинирование с сквозными отверстиями, последовательное ламинирование со слепыми и заглубленными сквозными отверстиями, а также наращивание с помощью микропереходов. Платы HDI в основном используют наращивание с микропереходами, поскольку оно имеет ряд преимуществ:

  • Отверстия и трассы имеют меньшие размеры элементов, что приводит к большей плотности маршрутизации и меньшему количеству слоев.
  • Можно более эффективно использовать шаблоны Micro-through, которые открывают больше каналов для маршрутизации и приводят к потенциально меньшему количеству слоев
  • Это единственный практичный способ проектирования с несколькими большими BGA с шагом менее 0,8 мм.
  • Самая низкая стоимость для плат высокой плотности.
  • Соответствующее определение конструктива позволяет улучшить целостность сигнала и мощности.
  • Соответствующие материалы для процессов, которые должны соответствовать стандартам RoHS.
  • Более новые материалы доступны для более высокой производительности при меньших затратах, хоть и эти новые материалы подходить не для всех типов ламинирования.

Выдающиеся производители печатных плат выпускают структуру HDI PCB с 16 слоями, где общая толщина платы составляет всего 66 ± 7 Мил. Это требует последовательного наращивания (SUB) и имеет просверленные лазером микро отверстия.


Влияние на стоимость

Хотя гибкие схемы дороже, чем жесткие печатные платы, затраты обычно нужно рассматривают комплексно. Поэтому, возможно, следует рассмотреть варианты минимизации вытекающих затрат. Например, две двухслойные схемы могут оказаться менее дорогими по сравнению с использованием одной четырехслойной схемы.

Есть так-же другие факторы могут снизить общую стоимость в пользу гибких схем. Например, способность складывать гибкую схему может сэкономить пространство и слои. В зависимости от ситуации время, затраченное на оценку проекта, может привести к значительной общей экономии.

Акбер Рой является генеральным директором RUSH PCB Inc. Он имеет 20-летний опыт в работе контрактного производства. Сайт RUSH PCB предоставляет подробные ресурсы для разработки печатных плат.

Тип статьи:
Перевод
0
20.09.2017
120

1 комментарий

10.10.2017 16:40
Мне нужна была печатная плата. Я обратился к одной компании по разработке и производству печатных плат. Подробнее на m-l-teh.com

Будь в курсе новостей!

Раз в неделю мы отправляем дайджест с самыми популярными статьями.