Гибкие и гибко-жесткие печатные платы. Комментарии к стандарту IPC-2223A. Часть 2.
В статье приведены основные положения зарубежного стандарта IPC-2223A, определяющего критерии проектирования, изготовления и контроля гибких и гибко-жестких печатных плат. Автор приводит комментарии к стандарту и дает рекомендации отечественным разработчикам аппаратуры по вопросам проектирования и применения гибких печатных плат. Желающие получить полный текст и перевод этого стандарта могут обратиться по адресу: pcb@pcbtech.ru.
В части 1 (ЭК №10, 2005) были рассмотрены конструкции и типы гибких и гибко-жестких печатных плат, применяемые материалы, вопросы, связанные с технологией изготовления печатных плат, выбора материалов и оптимизации конструкции. В настоящем продолжении в основном освещены вопросы конструирования гибких печатных плат.
КОНТУР ПЛАТЫ (ОЧЕРТАНИЯ)
Контур платы может быть получен с использованием стального штампа, лазерной обрезкой, фрезеровкой или механической обработкой.
ИЗ ПРАКТИКИ PCB TECHNOLOGY
Наш опыт показывает, что основные ошибки при разработке динамических гибких плат связаны с недооценкой важности грамотного проектирования контура платы. Проекты приходят со слишком маленьким радиусом округления углов, без усилений во внутренних углах и вырезах. Не учитывается пониженная прочность материалов.
МИНИМАЛЬНЫЙ РАДИУС (ГИБКАЯ ЧАСТЬ ПЛАТЫ)
Минимальный радиус во внутренних углах контура платы должен составлять 1,6 мм; тем не менее, больший радиус обеспечивает более высокую надежность изделия и имеет лучшую устойчивость к разрыву (см. рис. 10 и 11). Для обеспечения повышенной устойчивости к разрыву может потребоваться добавление дополнительных материалов во внутренние углы (см. рис. 12).
РАССТОЯНИЕ ОТ ОТВЕРСТИЯ ДО КРАЯ (ГИБКАЯ И ЖЕСТКАЯ ЧАСТИ)
Минимальное расстояние между внешним краем платы и внутренним краем неметаллизированного отверстия (или внутренних вырезов) должно быть не менее 0,5 мм. При этом место расположения, допуски на размеры и на обработку контура должны быть приняты во внимание при проектировании.
РАССТОЯНИЕ ОТ ОТВЕРСТИЯ ДО КРАЯ (ПЕРЕХОД МЕЖДУ ЖЕСТКОЙ И ГИБКОЙ ЧАСТЯМИ)
Минимальное расстояние от края перехода (между гибкой и жесткой частями) до внутреннего края металлизированного отверстия или до края освобождения во внутреннем слое не должна быть менее 1,9 мм.
РАЗРЕЗЫ И ВЫРЕЗЫ
Все разрезы и вырезы должны заканчиваться отверстием диаметром 1,5 мм или более, как показано на рис. 13. Это особенно важно, когда соседние части гибкой платы должны двигаться независимо.
РАЗЛИЧНЫЕ ТОЛЩИНЫ ЧАСТЕЙ
Жесткие части многослойных гибких и гибко-жестких плат должны иметь одинаковую толщину для обеспечения корректной металлизации отверстий. Последовательное ламинирование или разная толщина увеличивает стоимость изготовления.
ИЗ ПРАКТИКИ PCB TECHNOLOGY
Крайне нежелательно закладывать разную толщину для нескольких жестких частей. Это может не только повысить стоимость и затянуть срок изготовления проекта, но и привести к невозможности его реализации в принципе. Оптимальным решением является одинаковая структура для всех жестких частей гибко-жесткой платы. Однако для опытных заказов возможно применение нестандартной конструкции, которая должна быть согласована с изготовителем перед началом проектирования.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЖЕСТКОЙ ЧАСТИ
Требования к проектированию жесткой части гибко-жестких плат близки к таковым для обычных жестких плат, однако есть ряд важных особенностей.
ИЗГИБ И СКРУЧИВАНИЕ
Вследствие особых свойств комбинации гибких и жестких материалов, может потребоваться специальная конструкция или обработка плат для выполнения требований плоскостности для поверхностного монтажа. Для плат, сгруппированных в панели для целей монтажа, должны быть определены требования по допустимому изгибу и скручиванию платы.
НАДЕЖНОСТЬ МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХ ОТВЕРСТИЙ
Чтобы уменьшить расширение по толщине платы, доля низкотемпературных (акриловых) адгезивов в жесткой части должна быть сведена к минимуму. Это может быть достигнуто применением безадгезивных базовых материалов, а также частичного защитного слоя для гибкой части (см. рис. 9). Частичный защитный слой гибкой части должен перекрываться c жесткой частью на 1,27...2,54 мм. В жесткой части в качестве связующего материала рекомендуется использовать препрег.
ИЗ ПРАКТИКИ PCB TECHNOLOGY
Недавно к нам обратился заказчик с просьбой изготовить многослойную гибко-жесткую печатную плату, имеющую 16 слоев в двух жестких частях и 8 слоев в гибком шлейфе. Плата была спроектирована таким образом, что все 8 гибких слоев были связаны с помощью адгезивных пленок и гибкий шлейф целиком заходил в жесткую часть. Мы предупредили, что это чревато разрушением медных стенок переходных отверстий, и порекомендовали полностью убрать адгезив из жесткой части. В ответ заказчик сообщил, что, в подтверждение наших слов, подобная плата, изготовленная ранее другим поставщиком, имела именно такой дефект — наличие адгезива действительно снизило качество и надежность металлизированных отверстий. Заказчик согласился с нашей аргументацией и поменял структуру платы.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
К жесткой части для облегчения обработки плат при изготовлении может быть добавлен дополнительный диэлектрический материал, закрывающий гибкие элементы (так называемый «мешок» или «кокон») при условии, что выполняются требования по общей толщине жесткой части. Материал «мешка» удаляется с гибких частей платы после обработки и должен оставлять минимальные выступы на торцах жесткой части после удаления (см. рис. 9).
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИБКОЙ ЧАСТИ ПЛАТЫ
Вот факторы, которые следует рассмотреть при определении максимально допустимого количества слоев:
– количество сигнальных проводников, которые должны пройти через гибкую часть;
– ширина проводника, необходимая для протекания заданного тока;
– расстояние между проводниками, необходимое для обеспечения изоляции;
– экранирование электромагнитных излучений;
– импеданс;
– требования по напряжению пробоя;
– механическая форма гибкой части, позволяющая развести проводники.
Например, относительно небольшое количество проводников для малых токов (на порядок меньших предельно допустимых значений) могут быть изготовлены в одном медном слое толщиной 35 мкм на фольгированном безадгезивном ламинате с толщиной диэлектрика 50 мкм и защитной полиимидной пленкой (25 мкм) с адгезивным слоем 25 мкм (минимальная толщина адгезива для медного слоя 35 мкм). Суммарная толщина получается 135 мкм. Однако если величина протекающего тока требует применения 70-микронного слоя меди, толщина адгезива также должна быть увеличена до 50 мкм, чтобы корректно покрыть проводники. В этом случае суммарная толщина увеличится до 195 мкм.
Другой фактор, который следует учитывать наряду с толщиной фольги, - это механические требования. Если имеется требование повышенной механической прочности, может оказаться необходимым увеличить толщину защитной полиимидной пленки до 50 мкм и более вне зависимости от толщины адгезива.
ИЗ ПРАКТИКИ PCB TECHNOLOGY
Один из полученных нами заказов гибко-жестких плат содержал трудновыполнимое требование по толщине гибкой части - не более 125 мкм при толщине фольги не менее 35 мкм, причем с обратной стороны шлейфа должен был находиться клейкий слой, «скотч», входящий в суммарную толщину. Это потребовало поиска и применения специальных материалов, чтобы обеспечить плоскостность и исключить коробление и отслаивание. В результате совместно с заказчиком была найдена удовлетворяющая исходным требованиям структура гибкой части гибкожесткой платы: полиимид – адгезив – медь – адгезив – полиимид. При общей толщине 125 мкм толщина медной фольги составляла 43 мкм и с обратной стороны первого слоя полиимида был нанесен клейкий слой «скотч» 3М толщиной 25 мкм.
КОГДА НУЖНА МНОГОСЛОЙНАЯ ГИБКАЯ ЧАСТЬ
Специальные условия применения гибкой части могут потребовать более одного проводного слоя, например, если требуется электромагнитное экранирование с обеих сторон сигнального проводника, либо нужно применение полосковых конфигураций. При вычислении толщины диэлектрика между проводником и соседствующим «опорным» планом полосковой линии надо учитывать диэлектрическую постоянную материала, ширину проводника и толщину меди — параметры, влияющие на волновое сопротивление полоска. Вследствие особенностей конструкции и технологии изготовления полосковых линий реальная толщина диэлектрика между проводящими слоями может оказаться меньше расчетной.
Технология изготовления гибких плат с большим количеством слоев хорошо известна. Но большое количество слоев приводит к увеличению толщины платы, что в свою очередь приводит к существенному увеличению радиуса изгиба и нагрузок на материалы. Поэтому не рекомендуется применять многослойные гибкие платы, а если без этого не обойтись, то надо провести специальные механические проверки. Должно быть принято во внимание, что при переходе от однослойной к многослойной конфигурации происходит существенная потеря гибкости. Повысить гибкость можно путем «несклеивания» определенных частей кабеля, как это показано на рис. 9. Такой вид дизайна должен использоваться, когда в многослойной конструкции используется более четырех гибких слоев. Для динамических гибких приложений категории В (см. часть 1) максимально допустимой является двусторонняя конфигурация (см. рис. 8).
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОВОДНИКОВ В ГИБКОЙ ЧАСТИ
Для максимального динамического времени жизни (тип использования - категория B) и максимальной надежности при статической гибкости (тип использования — категория A) проводники в изгибаемой части (см. рис. 14) должны соответствовать следующим условиям:
– перпендикулярность к направлению изгиба;
– равномерное распределение по области изгиба;
– максимальная ширина в области изгиба;
– отсутствие дополнительной наращенной металлизации;
– постоянная ширина;
– «шахматное» расположение в соседних слоях;
– количество слоев в гибкой части должно быть сведено к минимуму;
– металлизированные сквозные отверстия не допускаются;
– «нейтральная ось изгиба» должна проходить через центр сечения проводника.
Сбалансированная конструкция может быть выполнена применением материалов с одинаковой толщиной и модулем жесткости с обеих сторон проводника. Это особенно важно для динамических применений гибких печатных плат. Популярны несколько типов дизайна для аппроксимации этого условия, такие как использование сочетающегося с базовым слоем слоя покрытия, а также поочередное распределение проводников на двух сторонах (см. рис. 15 и 16).
ВЫЧИСЛЕНИЕ РАДИУСА ИЗГИБА
Минимальный радиус изгиба для односторонней платы (см. рис. 17) определяется следующим образом: R = С(100 – EB)/2EB – D, где R — минимальный радиус изгиба, мм; C, D и d — толщина меди, диэлектрика и ламинированного диэлектрика соответственно, мм; EB — величина деформации меди, %. Устанавливая величину допустимой деформации меди, можно определить минимальный радиус изгиба. Для проектов с однократным сгибанием используется предельное удлинение меди на разрыв 16%, с изгибанием платы при ее установке — 10%, а для динамических гибких приложений — 0,3%.
Вычислим радиусы изгиба для односторонней платы. Например, полиимид 50 мкм, адгезив 25 мкм, медь 35 мкм. Следовательно D = 75 мкм, C = 35 мкм. Тогда общая толщина гибкой платы T = 185 мкм. Однократное сгибание (EB = 16%): R = 16,9 мкм, R/T = 0,09. Гибкая при установке (EB = 10%): R = 0,08 мм, R/T = 0,45. Гибкая динамически (EB = 0,3%): R = 5,74 мм, R/T = 31.
Оценим радиус изгиба для двусторонней платы. Например, полиимид 50 мкм, адгезив 2 Ч 25 мкм, медь 2 Ч 35 мкм. Таким образом, d = 100 мкм, C = 35мкм. Покрытие полиимид 25 мкм, адгезив 50 мкм. Тогда D = 75 мкм, общая толщина гибкой платы T = 2D + d + 2C = 320 мкм. Радиус изгиба для двусторонней платы будет: R = (d/2 + C)(100 – EB)/EB – D. Однократное сгибание (EB = 16%): R = 0,371 мм, R/T = 1,16. Гибкая при установке (EB = 10%): R = 0,69 мм, R/T = 2,15. Гибкая динамически (EB = 0,3%): R = 28,17 мм, R/T = 88.
РАДИУС ИЗГИБА ДЛЯ ПЛАТ, «ГИБКИХ ПРИ УСТАНОВКЕ»
Радиус изгиба надо стараться оставить максимально возможным. Минимальный радиус изгиба должен не менее чем в 10 раз превосходить толщину гибкой части.
ИЗГИБАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ СКЛЕЕННЫХ ГИБКИХ ПЛАТ
Склеенные многослойные гибкие печатные платы не обладают такой гибкостью, как однослойные или двусторонние. Если требуется сохранить гибкость многослойных плат, это может быть достигнуто путем отсутствия склеивания (т.е. «несклеивания») определенных частей кабеля. Этот тип конструкции должен использоваться при наличии более 4 слоев в гибкой части.
Если требуется постоянное изгибание частей платы, следует ограничивать число медных слоев в гибкой части четырьмя слоями. Рекомендуемый радиус изгиба для кабелей с количеством слоев более двух примерно в 20 раз превышает толщину кабеля. Единожды изогнутый многослойный кабель не следует повторно распрямлять или перегибать по той же оси. Появление третьего и четвертого слоя приводит к тому, что проводник располагается слишком далеко от нейтральной оси изгиба, что приводит к неизбежному растяжению меди.
ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ ДЛИН (ГИБКО-ЖЕСТКИЕ ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ)
В гибких областях, где требуется сильный изгиб (отношение радиуса к толщине менее 6), можно применять технику «книжного переплета». Эта техника использует прогрессивное послойное увеличение длины гибкой части (см. рис. 18), но является очень дорогостоящей.
ВЫПОЛНЕНИЕ СЛОЕВ ЭКРАНИРОВАНИЯ
Для целей экранирования поверх слоя проводников может быть добавлен еще один проводящий слой. Для повышения гибкости слои экрана должны иметь минимально возможную толщину. Для еще большего повышения гибкости слои экранирования могут быть выполнены в виде сетки.
ВЫПОЛНЕНИЕ СЛОЕВ ЗЕМЛЯ/ПИТАНИЕ
В случае если земля/питание занимает отдельный проводной слой или образует большие полигоны, рекомендуется равномерно распределять медные участки по всей гибкой плате. Для улучшения гибкости и увеличения адгезии слои или шины земли/питания могут быть выполнены в виде сетки, но с учетом электрических параметров. Сквозные ячейки сетки могут быть площадью от 0,4 до 3 мм2. Увеличение площади ячейки сетки может ухудшить параметры шины земля/питание или снизить эффективность экранирования (см. рис. 19).
ЭЛЕМЕНТЫ УЖЕСТОЧЕНИЯ И ТЕПЛООТВОДЫ
Отверстия в ужесточителе или теплоотводе для доступа к площадкам гибкой платы должны быть как минимум на 0,25 мм больше в диаметре, чем площадка, для обеспечения допусков на совмещение и на выдавливание адгезива.
Край элемента ужесточения, находящийся рядом с гибкой частью, должен быть скошен фаской или радиусом или смягчен нанесением дополнительного слоя адгезива для предотвращения повреждения гибкой части.
УТОЛЩЕНИЯ (АНТИДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПОДКРЕПЛЕНИЯ)
Иногда используются адгезивные утолщения (антидеформационные подкрепления) в точке перехода между жесткой и гибкой частями платы типа 4 или по краю элемента ужесточения для плат типов 1, 2, 3 (см. часть 1) с частичным ужесточением. В качестве материала для утолщения могут применяться гибкие эпоксидные композиции, акрилы, силиконы, полисульфиды и другие материалы. Размер утолщения от края жесткой части обычно лежит в пределах 1,0ѕ2,5 мм. Рекомендуется использование таких утолщений с целью уменьшения стрессовых нагрузок на материалы в точке перехода (см. рис. 20).
ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА ГИБКИХ ПЛАТ
Для операций монтажа гибких и гибко-жестких печатных плат может потребоваться специальная оснастка. Следует предусмотреть в дизайне платы конструктивные элементы, по зволяющие надежно ее закрепить. Гибкие печатные платы могут быть обрезаны по контуру частично с перемычками для разделения. Затем они могут быть собраны в пакет для упрощения последующей обработки, монтажа и тестирования.
ВЛАГА
Если диэлектрик накопил влагу, температура пайки может вызвать закипание накопленной жидкости. В зависимости от количества влаги, присутствующей в диэлектрике в момент достижения температуры пайки, расслаивание платы может быть сильным, приводя к вздутию и разрушению платы, или умеренным, создавая небольшие вздутия, которые в дальнейшем могут вырасти в серьезное расслоение.
Стандартным процессом для снижения риска вздутия плат из-за накопленной влаги должна быть предварительная сушка. Важно также, чтобы время между сушкой и последующей пайкой было небольшим. В целом гибкие и гибко-жесткие платы требуют более длительного времени сушки, чем эквивалентные им жесткие платы.
ИНФРАКРАСНЫЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАГРЕВ И ОПЛАВЛЕНИЕ
Полиимидные пленки быстро абсорбируют инфракрасную энергию. При использовании инфракрасного предварительного нагрева или оплавления надо внимательно следить, чтобы гибкая плата не поглотила чрезмерно много тепла. Для этого может потребоваться дополнительная оснастка и экранирование.
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
Гибкие печатные платы могут содержать адгезив с очень низкой температурой стеклования (Tg). Поэтому все температурные воздействия в процессе монтажа должны тщательно контролироваться для предотвращения повреждений, таких как расслоение или вздутия. Время экспозиции при предварительном нагреве и при пайке должны быть минимально возможными. Могут потребоваться специальные радиаторы или тепловые защитные экраны.
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Последний год показывает, что интерес российских компаний к использованию гибких и гибко-жестких плат стремительно растет. Гибкие платы используются в приборах для замены кабелей, в шкафах для разводки соединений. Жестко-гибкие платы используют вместо задних коммутационных панелей («бэкплэйнов»). Жестко-гибкие платы применяют в приборах для устранения разъемных соединений, для обеспечения динамической гибкости, для уменьшения толщины и размеров.
Наша компания рада будет помочь всем заинтересованным российским компаниям в разработке конструкции и в подборе материалов для гибко-жесткой платы, а также оценить и выполнить заказ на изготовление пробных образцов и серий. У нас вы можете ознакомиться с полным текстом и переводом стандарта IPC-2223A и сопутствующих стандартов, приобрести эти стандарты и другую требуемую литературу, и получить бесплатную консультацию инженеров и технологов.
ЛИТЕРАТУРА
1. IPC-2223A. Sectional Design Standard for Flexible Printed Boards. www.ipc.org
2. IPC-2223A, перевод на русский язык. Разработка гибких печатных плат. www.pcbtech.ru
