Советы и рекомендации по проектированию жестко-гибких плат

автор Крейг Арменти (Craig Armenti), MENTOR GRAPHICS |

Жестко-гибкие разработки становятся очень распространенными во многих отраслевых сегментах; знание терминологии, требований, процессов и рекомендаций совершенно необходимо для того, чтобы обеспечить высокую вероятность успеха с первого раза. Как понятно из названия, жестко-гибкие схемы созданы из комбинации технологий жестких и гибких плат. Такие типы разработок состоят из нескольких слоев гибких подложек, установленных с внешней или внутренней стороны на одну или более жестких плат.

Рис. 1: Три жесткие платы и две гибкие ПП в плоском состоянии.

За счет комбинирования преимуществ обеих технологий разработчики получают больше опций при работе с плотными разработками, чем может предложить каждая технология по отдельности. Жестко-гибкая технология действительно эффективна, так как позволяет командам разработчиков продукта эффективно применять большую функциональность на меньшем пространстве одновременно обеспечивая механическую стабильность, требуемую большинством устройств.

До появления жестко-гибкой технологии, когда продукт требовал гибкую ПП (или несколько гибких плат), гибкие и жесткие платы разрабатывались отдельно. Каждая печатная плата имела один или более физических соединительных разъёмов, чтобы собрать отдельные платы в конструкцию на уровне продукта. В этой методике гибкие разработки отдавались специалисту, который был знаком со структурой слоев и опциями материала, а также с рекомендациями и требованиями для гибких элементов, такие как зоны сгиба и углы жесткости. В итоге сложилась определенная наука для гибких разработок, которая при правильном применении может обеспечить успех с первого раза. Хотя этот традиционных подход «разработал-по-отдельности-затем-соединил» минимизировал потенциальные проблемы с гибкими частями продукта, он все же имел несколько характерных недостатков. Они включают стоимость, связанную с физическими соединителями; пространство, необходимое для физических соединителей; необходимость надлежащим образом управлять межсоединениями для обеспечения соединения между отдельными жесткими и гибкими ПП (через соединительные разъемы); и конечно, время и стоимость, связанные со сборкой. Переход на нынешнее поколение жестко-гибких технологий убирает эти проблемы; однако, их заменили другой комплекс сложностей и забот. Хорошая новость в том, что эти сложности и заботы могут преодолены просто используя некоторые проверенные рекомендации и советы.

Рис. 2: Три жестких и две гибких печатных платы в трехмерном состоянии.

Преимущества и сложности гибко-жестких плат

Текущее поколение гибко-жестких разработок обычно встречается в мобильных телефонах, LCD телевизорах, цифровых камерах и лэптопах, если называть некоторые из них. В общем, если продукт должен быть компактным и/или легким по весу и/или гибким, скорее всего будет применена жестко-гибкая технология.

Преимущества жестко-гибкой технологии:

  • Снижение затрат и увеличение надежности за счет устранения физических соединителей, используемых в традиционном «разработал отдельно – затем собрал» подходе.
  • Улучшенная целостность сигнала за счет устранения поперечных изменений проводников (устранение физических соединителей и связанных с ними паяных соединений).
  • Снижение необходимого пространства, так как детали могут быть размещены, а дорожки могут быть проложены в трех измерениях.
  • Улучшение электромеханической функциональности, включая динамический изгиб, толерантность к вибрации и шоку, устойчивость к температуре и уменьшение веса.

Чтобы группы разработчиков продуктов осознали эти преимущества, разработчики, которые раньше были экспертами только в жесткой технологии, должны очень быстро расширять свою базу знаний и включать в нее жестко-гибкую технологию. Таким разработчикам следует проработать и свою индивидуальную кривую обучения и различные сложности жестко-гибкой технологии, так как и то и другое имеет потенциал к подрыву проекта и может привести к дорогостоящим неудачам. К сожалению, сложности жестко-гибкой технологии сами по себе могут быть еще более усугублены, если используемые командой разработчиков инструменты ECAD не облегчают процесс и не обеспечивают соответствие процессов.

 

Рекомендации и советы

Как было замечено ранее, образование по терминологии, требованиям, процессам и рекомендациям является жизненно необходимым, чтобы справиться с проблемами, связанными с жестко-гибкими разработками. Ниже приводятся некоторые из фундаментальных проблем и связанные с ними рекомендации и советы.

• Работа со структурой слоев: структуры слоев для гибких и жестких ПП почти всегда будут отличаться, поэтому разработчик должен работать с ними эффективно и убедиться в том, что они переданы производителю должным образом. Инструмент ECAD, который поддерживает специализированные по зонам структуры слоев (не идеально) и специализированные по платам структуры слоев (предпочтительно), поможет упростить эту сложную задачу.

• Работа с конфигурацией платы: Многослойные платы жёстко-гибкой технологии нуждаются в правильном конфигурировании и управлении во время процесса разработки. Жестко-гибкие платы в действительности являются электромеханическими проектами, которое требует сотрудничества между электрическими и механическими доменами. Способность импортировать и автоматически создавать многослойные (и потенциально комплексные) конфигурации плат из механических данных CAD сбережет время и снизит потенциальные вероятности ошибок.

• Взаимодействие с производителем: этот аспект жестко-гибких разработок нельзя недооценивать. Обратная связь от производителя по структуре слоев, материалу, ключевым зонам, требованиям по изгибу, ребрам жёсткости и т.д. помогут вам убедиться, что ваш дизайн можно произвести с высокой надежностью.

• Анализ целостности сигнала и питания: большинство инструментов целостности сигнала и целостности питания подразумевают единичную ПП со стандартной структурой слоев. Для жестко-гибких разработок инструменты анализа должны узнавать гибкие слои и локальные структуры слоев, чтобы быть уверенными в корректности результатов анализа.

• 3D дизайн и проверка: способность определить параметры изгиба (радиус изгиба, угол изгиба, происхождение изгиба), редактирование разработки в 3Д, вид разработки в контексте приложения, выполнение проверки правильности выполнения 3Д жестко-гибких разработок (DRC) – все это нельзя переоценить. 3Д разработка и проверка дают уверенность в том, что команда разработчиков использует преимущества открытого образца во всех трех измерениях и в то же время определяет потенциальные проблемы разработки.

Рис. 3: DRC зоны изгиба жестко-гибкой платы может помочь обеспечить соответствие процесса.

Как отмечено выше, так как требования к гибким разработкам скорее всего будут новыми для разработчика, впервые работающего с жестко-гибкой технологией, мы приводим некоторые фундаментальные рекомендации и советы, касающиеся гибких плат:

  • Убедитесь, что ширина дорожек и пространство дорожек настолько велики, насколько это возможно.
  • Дорожки должны прокладываться с закругленными углами. Нужно избегать углов в 900. Более того, закругленные углы должны быть истинными дугами. Сегментированные дуги будут создавать трещины от стресса. В большинстве случаев контур дорожки должен повторять контур конфигурации гибкой платы. Инструмент ECAD, позволяющий прокладывать дорожки, автоматически повторяющие контур конфигурации платы, поможет сэкономить время.
  • Если есть необходимость прокладывать дорожки более, чем на одном слое, сделайте дорожки для смежных проводников.
  • Перекрестная штриховка панелей земли/питания, как позволено требованиями по электрике (перекрестная штриховка панелей оказывает значительное влияние на импеданс любого проводника, использующего это как возвратный путь).
  • Должны быть использованы ребра жесткости, если любая часть любой гибкой платы требует деталей, таких как гибкий разъем, штепсель или гнездо.

И наконец, зона гибкой платы, которая будет изгибаться или скручиваться, называемая зона изгиба гибкой платы, имеет свой собственный набор фундаментальных рекомендаций и советов, чтобы максимизировать надежность:

  • Не меняйте ширину дорожек в пределах зоны.
  • Распределяйте дорожки равномерно.
  • Прокладывайте дорожки перпендикулярно направлению изгиба (любой недостаток симметрии увеличивает шанс увеличения стресса).
  • В пределах зоны не разрешены никакие отверстия.
  • Проштрихованные панели земли/питания должны быть параллельны зоне изгиба. Как было отмечено, предпочтительно выполнять поперечную штриховку на панелях земли/питания, однако штриховка должна составлять угол 45° по отношению к линии сгиба. Инструмент ECAD, который может рассчитать угол между направлением штриховки и линией сгиба при создании заполнения панели, поможет сэкономить время и усилия, особенно для разработок с нестандартными линиями изгиба.
  • Наиболее важный аспект – расчет радиуса изгиба - вероятно, самая большая проблема, связанная с зоной изгиба, и поэтому требует тесного взаимодействия с производителем. Требования к радиусу изгиба меняются в зависимости от устройства. В общем, гибкая плата будет либо статичной (изгибается один раз во время установки) или динамичной (изгиб может происходить много раз в течении жизни продукта). Статичные гибкие платы требуют более жесткого радиуса изгиба, чем динамические платы. Радиус изгиба критичен для того, чтобы избежать проблем с компрессией (зона внутри изгиба) или напряжением.

Приведенные рекомендации являются общими по природе, поэтому не намерены быть всеобъемлющими. Есть зоны, на которых начинающий разработчик гибких плат должен сфокусироваться в большей мере и ознакомиться с ними как можно быстрее. Они все уникальны для этой технологии и почти все из них важны даже для простейшей гибкой платы. Для ссылки, другие вопросы, которые могут быть нужны производителю, включают: контроль импеданса, отверстие для дистанции интерфейса (где гибкая плата соединяется с жесткой), опции конструкции, покрытия и связующие вещества, поверхностное покрытие и дизайн верхнего слоя.

Важность использования инструментов

Как уже не раз упоминалось в данной статье, разработка жестко-гибких продуктов значительно отличается от разработки только жестких продуктов. В течение последнего десятилетия в сфере дизайна ECAD произошли огромные сдвиги. Так как более традиционный подход «разработал отдельно-затем собрал» сменился разработками жестко-гибких плат текущего поколения, командам разработчиков продуктов необходимо использовать эти преимущества, чтобы улучшить производительность и снизить затраты на разработку. Качественное образование по жестко-гибкой терминологии, требованиям, процессам и рекомендациям вместе с доступом и правильным использованием инструментов, которые упрощают, а не препятствуют соблюдению технологического процесса и правильной по конструкции разработки в равной степени важны. Образование вместе с возможностью использования инструментов упрощают процесс разработки и обеспечивают высокую вероятность успеха с первого применения.

Крейг Арменти (Craig Armenti) – специалист по маркетингу ПП для подразделения Board Systems в Mentor Graphics. Арменти имеет более 25 лет опыта в организации автоматизированного проектирования электроники. Он занимал позиции в отделах Маркетинга и Прикладной инженерии в нескольких крупнейших телекоммуникационных и софтверных компаниях.

 

Назад