Проектирование гибко-жестких печатных плат. Материалы, конструкции и особенности проектирования

Виды гибких и гибко-жестких печатных плат

Рассмотрим основные виды гибких печатных плат (рис. 1):

• Однослойная плата с двусторонним доступом позволяет создать площадки под пайку не только с верхней, но и с нижней стороны печатной платы, что зачастую упрощает конструирование изделия. Однако такой технологией владеют далеко не все фабрики, производящие гибкие печатные платы.
• Двухслойная гибкая печатная плата с металлизацией отверстий — пожалуй, самая распространенная конструкция. Она предоставляет разработчику достаточно большие возможности, как по количеству и плотности соединений, так и по наличию штыревых и планарных посадочных мест под пайку и по трассировке между ними. Пайка компонентов, впрочем, допускается только в тех местах, которые укреплены жесткой накладкой (далее будем называть ее «упрочнитель»).
• Многослойную гибкую печатную плату применяют при большей насыщенности соединений. В ней также возможна металлизация сквозных отверстий и наличие площадок под пайку с обеих сторон платы. Основной недостаток такой конструкции — существенное снижение гибкости. Для сохранения гибкости разработчики часто используют конструкцию с воздушными прослойками между слоями, где каждый из них выполняется как однослойная печатная плата.
• Гибко-жесткая печатная плата — дальнейшее развитие гибкой конструкции, с жесткими областями, в которых применяются уже не упрочняющие элементы, а полноценные жесткие печатные платы с металлизацией отверстий. С одной стороны, такая плата наиболее универсальна и удобна для разработки, а с другой — это самая дорогостоящая технология из всех перечисленных.

Материалы для гибких печатных плат

Материалы, используемые для изготовления гибких печатных плат (рис. 2):

• Адгезив — клеящее вещество, посредством которого скрепляются слои гибкой платы. Разработчик может применять слои адгезива как отдельные элементы в конструкции гибкой печатной платы.
• Полиимид с адгезивным слоем применяют, как правило, в качестве покрывного слоя (coverlay) для защиты проводников гибкой платы. Его функция в чем-то аналогична функции паяльной маски на жестких печатных платах. Заметим, что окна в полиимидном покрытии вырезаются заранее, поэтому есть ограничение на минимальную ширину полоски полиимида — она в несколько раз больше, чем минимальная ширина полоски маски. Кроме того, для вырубки отверстий в покрытии часто используют сверление или штамп, поэтому производители опытных образцов гибких печатных плат предпочитают открывать даже прямоугольные площадки отверстиями круглой формы, а ряды планарных площадок— одним большим прямоугольным вырезом.
• Полиимид с адгезивом с двух сторон — конструктивный элемент, который можно применять для склейки гибких частей в тех случаях, когда невозможно обойтись только слоем адгезива. Например, при склейке двух гибких слоев, если каждый из них имеет на поверхности медные проводники, просто слоя адгезива недостаточно — необходима полиимидная прослойка.
• Полиимид с адгезивом и медной фольгой — именно этот материал применяют как основу для изготовления однослойных гибких печатных плат. На этой фольге в процессе изготовления вытравливают рисунок проводников и затем поверх нее напрессовывают покрывной слой — тоже полиимид с адгезивным слоем.
• Полиимид с адгезивом и медной фольгой с двух сторон используют как основу для двухслойных печатных плат с металлизацией отверстий. В такой основе сверлят и металлизируют переходные и монтажные отверстия, потом вытравливают проводники, а затем с обеих сторон напрессовывают покрывной слой с адгезивом. Не следует забывать, что металлизированные отверстия нельзя располагать в областях изгиба, иначе надежность платы существенно снижается.
• Полиимид, ламинированный медью, (безадгезивный вариант) позволяет разработчику добиться снижения толщины гибкой печатной платы — за счет исключения слоя адгезива. Кроме того, вследствие исключения адгезива повышается надежность многослойных гибких и гибко-жестких печатных плат — об этом речь пойдет далее.

Эти материалы доступны на заводах по производству гибких печатных плат, как правило, только в определенном ассортименте. В частности, полиимид + медь (безадгезивный вариант) стал сейчас популярен в Европе, однако весьма редко пока что применяется азиатскими заводами. Кроме того, определенным производствам может быть доступен не весь ряд толщин.

Элементы конструкции гибкой печатной платы

Рассмотрим основные элементы конструкции гибкой печатной платы:

• гибкая часть с проводниками;
• ножевой разъем;
• жесткая область с планарными площадками;
• жесткая область со штыревыми площадками;
• упрочняющий элемент для укрепления жесткой области;
• планарные площадки;
• отверстия под пайку;
• переходные отверстия;
• крепежные отверстия;
• клеевые элементы.

В гибкой части проводники лежат на полиимидном основании и закрыты полиимидным покрывным слоем. Как правило, площадки или отверстия в тех частях, которые в рабочем состоянии подлежат изгибанию, не делают.

Ножевой разъем предназначен для подсоединения к другой печатной плате напрямую или через розетку. Как правило, это розетка с «нулевым усилием», или ZIF (zero insertion force). Ножевой разъем под ZIF-розетку должен иметь заданную толщину вставляемой части. Площадки на нем вскрываются единым прямоугольным вырезом в покрытии, а затем наносят иммерсионное золото по подслою никеля. Наличие полосок покрывного слоя между площадками разъема невозможно.

Жесткая область с планарными площадками предназначена под пайку планарных компонентов или низкопрофильных планарных соединительных разъемов. Стык между жесткой и гибкой областью — место, более всего подверженное излому, поэтому его укрепляют специальными методами.

Жесткую область со штыревыми площадками, как правило, выполняют с использованием более толстого упрочняющего слоя, для придания большей жесткости и удержания тяжелых компонентов. Компоненты крепятся к печатной плате механически не за счет пайки, а за счет механического контакта их корпуса с поверхностью печатной платы. В этом — основное отличие от штыревой пайки на обычную жесткую печатную плату.

Упрочняющий элемент, или упрочнитель (stiffener), служит для придания жесткости и, в некоторых случаях, заданной толщины областям гибкой печатной платы. Упрочнитель приклеивается к поверхности платы с помощью слоя адгезива. Материал упрочнителя — это, как правило, стеклотекстолит FR4 для укрепления областей под пайку и полиимид для укрепления областей под планарные разъемы. В различных местах печатной платы, с любой стороны, можно применять упрочнители разной толщины и из различных материалов. Однако для удешевления конструкции лучше уменьшить их разнообразие.

Планарные площадки выполняют путем вырезания окон в покрывном слое. Так как медь имеет низкую адгезию к основанию, рекомендуется вскрытия делать меньше, чем размер площадок, чтобы покрывной слой удерживал площадку на поверхности печатной платы.

Отверстие под пайку должно быть дополнительно вскрыто и в упрочняющем элементе, который укрепляет область пайки, причем так, чтобы обеспечить доступ жалу паяльника к металлической площадке этого отверстия.

Переходные отверстия размещают только в жестких частях печатной платы, иначе они могут быть разрушены при перегибе платы вследствие больших напряжений изгиба.

Крепежные отверстия выполняются и используются почти так же, как в жестких печатных платах. Однако рекомендуется делать вырезы под винты в гибком материале (рис. 3), потому что его плывучесть может привести к потере жесткости крепления.

Клеевые элементы удобны для фиксации элементов платы внутри электронного модуля. Их можно разместить в различных областях печатной платы и покрыть временным защитным слоем, который легко снимается при монтаже платы в изделие.

Гибко-жесткая печатнай плата в САПР

Гибко-жесткая печатная плата может быть представлена инженером-конструктором как многослойная плата, в которой некоторые из слоев меди и диэлектрика существуют только в заданных областях, а другие в качестве диэлектрика содержат полиимид (рис. 4).

В системе проектирования (САПР печатных плат) необходимо задавать общий контур платы, а в особом слое прорисовать контуры как каждой жесткой части, так и каждой гибкой части, с четким текстовым обозначением, какие части являются жесткими, а какие — гибкими. Отдельно должны быть обозначены места стыков, и показано, на какую глубину в жесткую часть заходит покрывной слой из гибкой части.

Жесткие части должны иметь одинаковую структуру, единую для всей печатной платы. Материал жесткой части — стеклотекстолит, покрытие проводников — паяльная маска, и в целом проектирование жесткой части во многом схоже с проектированием обычной многослойной печатной платы. Просто в качестве одного или нескольких внутренних слоев в ней используются слои из гибкой части.

Гибкая часть гибко-жесткой платы схожа по конструкции и функциям с конструкцией гибких печатных плат, рассмотренных ранее. Однако есть ряд ограничений:

• Не используйте планарные ножевые разъемы в гибкой части.
• Не делайте в гибкой части отдельную металлизацию отверстий.
• Не вскрывайте площадки в гибкой части.

Игнорирование этих ограничений существенно удорожает изготовление.

Стык между гибкой и жесткой частью должен быть проработан очень тщательно. Это место с повышенной вероятностью излома или расслоения. Обычно случаях инженер-конструктор предусматривает нанесение силиконового валика в место стыка: для предотвращения изгиба с недопустимо малым радиусом.

Покрывной слой гибкой печатной платы рекомендуется заводить в жесткую часть только на несколько миллиметров от стыка. Опишем подробнее, с чем это связано.

Одна из серьезных проблем гибко-жесткой платы — большой коэффициент теплового расширения адгезива, который применен для склейки слоев полиимида. Если в жесткой части печатной платы присутствует несколько слоев адгезива, при пайке сквозных монтажных отверстий тепловое расширение этих слоев настолько велико, что может привести к разрыву медных стенок отверстия и обрыву цепи.

В связи с этим конструкторы стремятся убрать адгезив из жесткой части, и удаление покрывного слоя делают именно с этой целью. Следующий шаг на пути к повышению надежности печатной платы — использование безадгезивного полиимидного основания, что позволяет выполнить жесткую часть вообще без слоев адгезива.

Макетирование гибко-жесткой конструкции печатной платы

Перед началом проектирования обязательно нужно выполнить макетирование объемной конструкции печатной платы. Контур платы вырезается из пленки или плотной бумаги и размещается в корпусе устройства (рис. 5). Необходимо давать запас на возможное сжатие, растяжение и деформацию материала. Следует учитывать, что радиус изгиба печатной платы ограничен неким минимальным значением.

Повышение надежности разводки

Общие рекомендации для повышения надежности гибкой печатной платы:

• скруглять проводники (рис. 6а);
• делать «капельки» около штыревых площадок (рис. 6б, в);
• полигон заполнять сеткой (рис. 6г);
• фиксировать площадки полиимидом (рис. 6д);
• укреплять подсоединения проводников к планарным площадкам (рис. 6е).

Эти рекомендации проиллюстрированы на рис. 6 и не требуют особых пояснений.

Усиление гибкой части печатной платы

Материал гибкой части весьма пластичен и вследствие этого подвержен излому и повреждениям — как при изгибании, так и при случайном механическом воздействии, например в процессе транспортировки, монтажа или ремонта изделий.

Традиционные пути усиления гибкой части (рис. 7):

• усиливать гибкие части медью (рис. 7а);
• усиливать панели медью (рис. 7б);
• усиливать контур медью (рис. 7в).

Повышение прочности углов печатной платы

Внутренние углы гибкой печатной платы — это те места, где прикладывается напряжение изгиба. В них более всего проявляется износ материала в случае динамического изгибания печатной платы в процессе работы. Методы усиления внутренних углов (рис. 8):

1. Усиление углов стеклотканью.
2. Углубленные вырезы.
3. Отверстия в прорезях.
4. Отверстия в углах.
5. Усиление волокном.
6. Усиление медью.
7. Большой радиус в углах.

Снижение вероятности излома на стыке

На стыке с жесткой частью или упрочнителем конструктор должен предусмотреть элементы, препятствующие надлому гибкой части. Надлом обычно происходит вследствие того, что радиус перегиба печатной платы в области стыка стремится к нулю, что создает чрезмерное растяжение материала печатной платы в очень узкой полосе сгиба и его разрыв. Два основных способа предотвращения излома (рис. 9):

• использовать фаску на упрочнителе;
• использовать силиконовый валик на стыке.

И тот, и другой способ как бы «смягчают», демпфируют гибкую печатную плату в месте соединения с жесткой частью, препятствуя возникновению излишне резкого перегиба.

Заключение

Мы рассмотрели только некоторые особенности проектирования гибких и гибко-жестких печатных плат. Были показаны основные отличия от традиционных методов разработки жестких печатных плат, а также способы повышения надежности. В последующих публикациях мы планируем осветить вопросы обеспечения динамической гибкости, расчета минимального радиуса изгиба, оптимизации стоимости платы, а также приведем конкретные примеры структур гибких и гибко-жестких печатных плат.