Возрастающая сложность, сокращение сроков выполнения проектов и все более жесткие допуски на точность исполнения затрудняют разработку надежной электроники. Незначительные отклонения от проектных спецификаций могут быстро привести к тому, что схема будет функционировать неправильно или вообще не будет работать.

Разработка и оптимизация электронных схем — сложная задача, поскольку часто различные спецификации противоречат друг другу. Печатная плата должна быть не только надежной, но и недорогой. Из соображений электробезопасности и требований ЭМС расстояния между дорожками и компонентами должны быть большими, но в то же время устройство должно быть миниатюрным.

В результате миниатюризации допуски производственных параметров становятся меньше, поэтому в последние годы в программное обеспечение была добавлена поддержка правил DFM (Design for Manufacturing). Благодаря им можно на постоянной основе учитывать технические характеристики различных технологических устройств, используемых в производстве.

А проектирование гибких печатных плат — ещё более непростая задача, тем более что в повседневной практике конструкторы не сталкиваются с ними так часто, как с обычными. Необходимо учитывать некоторые особенности. Вначале необходимо решить, в зависимости от потребностей приложения и доступного бюджета, какой тип гибкой печатной платы и из каких материалов будет лучшим.

Классы гибких печатных плат

Гибкие печатные платы классифицируются по нескольким признакам. В соответствии с отраслевым стандартом IPC-6013 они подразделяются на три класса в зависимости от требуемого уровня контроля и испытаний, а также ожиданий относительно надежности готового продукта, частью которого они являются.

• Платы класса 1 используются в устройствах с самыми низкими требованиями к надежности и контролю — на практике гибкие печатные платы данного класса вообще не подлежат контролю качества. Они являются самыми дешевыми и обычно используются в одноразовой электронике (музыкальные шкатулки и метки RFID).
• Платы класса 2 предъявляют умеренные требования к управлению, тестированию и надежности. Они несколько дороже. Обычно используются в бытовой электронике (телефоны, цифровые фотоаппараты, некритическое медицинское диагностическое оборудование).
• К гибким печатным платам класса 3 предъявляются самые высокие требования по контролю и тестированию, а также высокие эксплуатационные требования. Они самые дорогие по сравнению с первым и вторым классами. Используются в специализированном, военном и медицинском оборудовании, таком как важные диагностические устройства и имплантаты.

Обзор типов гибких печатных плат

Гибкие печатные платы классифицируются в IPC-6013 по типу. Определено пять, но распространены только четыре (типы 1, 2, 3 и 4). Тип печатной платы определяется количеством проводящих слоев, конструкцией, материалами, а также наличием или отсутствием металлизированных переходных отверстий.

1. Платы платы типа 1 представляют собой печатные платы с одним проводящим слоем между двумя слоями изоляции или с изоляционным материалом только с одной стороны. Это односторонние платы.
2. Гибкие платы 2 типа имеют два проводящих слоя с изолирующим слоем между ними и изолирующий внешний материал с одной или обеих сторон. Они имеют сквозные отверстия, соединяющие слои меди. Это двусторонние платы.
3. Гибкие платы типа 3 представляют собой многослойные печатные платы с тремя или более проводящими слоями, с гибкими изоляционными слоями между каждым и изолирующим материалом покрытия с одной или обеих сторон. Имеют сквозные отверстия. Допускаются глухие и скрытые переходные отверстия.
4. Платы платы типа 4 представляют собой жестко-гибкие печатные платы с двумя или более проводящими слоями, разделенными гибким или жестким изоляционным материалом. Их характерной особенностью является то, что покрытые металлом сквозные отверстия проходят как через жесткий, так и через гибкий слои. Они естественно дороже.

Печатные платы типа 5 встречаются редко. Они состоят из двух или более проводящих слоев с изолирующими слоями между ними. Имеют люверсы без покрытия.

Материалы для изготовления гибких плат

Гибкие дорожки обычно изготавливаются из медной фольги, изготовленной электрическим или прокатным способом. Первые образуются в результате осаждения частиц меди из раствора электролита на поверхность вращающегося цилиндра в процессе электролиза. Поверхность пленки, которая приклеивается к барабану, гладкая, а другая имеет зернистую структуру. Структура этого материала также позволяет легко прорезать в нем дорожки. Это также дешевле. Рулонная фольга создается путем ее перемещения между двумя барабанами. Зазор между ними уменьшают до тех пор, пока не будет достигнута нужная толщина пленки. Он более гибкий, чем произведенный электрохимически. Это делает его более популярным в гибких печатных платах.

Наиболее часто используемым изоляционным материалом по-прежнему остается полиамид. В недорогих конструкциях популярны полиэфирные пленки, уступающие ему по термостойкости и температуре стеклования, но характеризующиеся меньшим влагопоглощением, лучшей прочностью на разрыв и стабильностью размеров. Кроме того, используются жидкокристаллические полимеры и полиэтиленнафталат.

Самыми популярными связующими являются акриловые клеи. Их преимущества: хорошие характеристики текучести, прочное соединение склеиваемых поверхностей, термостойкость, термостабильность, химическая стойкость. Кроме того используются эпоксидные и фенольные связующие. Гибкие печатные платы также покрыты защитными покрытиями, защищающими от коррозии, загрязнения и повреждений. Материал покрытия выбирается в зависимости от: материала основы, необходимой толщины защитного слоя, факторов окружающей среды и процесса сборки. Примеры: никелированные покрытия с верхним слоем позолоты (ENIG), покрытия из никеля, палладия и золота (ENEPIG), выборочно наносимые оловянно-свинцовые покрытия, покрытия полученные иммерсионным лужением, органические покрытия.

Сокращение расходов на производство плат

Конструкция каждой печатной платы должна обеспечивать желаемую функциональность, но в то же время оптимизирована по стоимости. Хотя функциональность и другие особенности, такие как надежность или устойчивость к факторам окружающей среды, не должны жертвоваться ради снижения затрат, некоторые решения могут иногда оказаться избыточными. Поэтому при проектировании гибких печатных плат следует различать те, которые не дают добавленной стоимости, а лишь увеличивают затраты. Ниже приведены примеры, о которых следует подумать заранее.

Главный вопрос который необходимо решить, это количество слоев – чем их больше, тем выше стоимость. Это вытекает из расхода материалов, а также цены исполнения.

Еще одним моментом который нельзя недооценивать является форма и размер печатной платы. Проектировщики часто изобретательны в этом отношении. Однако следует помнить, что это оказывает влияние на возможность расположения множества плат, выполненных в данной серии из одного листа, рядом друг с другом – иногда необычная форма может привести к неэффективному использованию пространства, а такая трата всегда увеличивает расходы.

Платы класса 3 требуют дополнительных испытаний, проверок и специальных конструктивных решений, что делает их более дорогими. Поэтому нужно убедиться что они реально необходимы в устройстве. Аналогично и в случае с жестко-гибкими – надо проверить самый ли это выгодный выбор, так как обычно многослойные гибкие платы с ребрами жесткости оказываются дешевле. Но если решите использовать жестко-гибкие печатные платы, помните, что платы с четным числом слоев обычно более выгодны.

Следует помнить что материалы, из которых изготовлены гибкие платы, допускают меньшие допуски на размеры чем те, из которых изготовлены жесткие платы.

Неизбежная нестабильность размеров гибких печатных схем также является причиной того, что следует избегать очень маленьких размеров, таких как переходные отверстия. Иногда может быть дешевле даже добавить дополнительные слои с более крупными элементами, чем помещать мелкие детали схемы в меньшее количество слоев. Слепые и скрытые переходные отверстия тоже дороги в производстве.

Кроме того, все участки периметра где используются металлизированные отверстия, должны иметь одинаковое количество слоев и конструкцию. Затраты также увеличиваются из-за различной обработки поверхности внешнего слоя, предусмотренной для разных участков платы, поскольку они требуют маскирования.

Советы по проектированию гибких плат

Конструкция печатной платы определяет ее механическую прочность. Для получения наилучших результатов в этом плане необходимо соблюдать ряд правил:

Наиболее распространенной причиной механических повреждений в гибких платах, таких как обрывы дорожек или разрывы изоляционного материала, является концентрация напряжений. Чтобы на печатной плате не появились места их скопления, ее конструкция не должна допускать каких-либо изменений или разрывов в месте изгиба платы или вблизи нее. Поэтому необходимо избегать, в частности, изменения ширины, толщины или направления дорожек, краев металлизации и концов покрытий или отверстий. Также лучше свести количество изгибов к минимуму.

Следует помнить что материалы, из которых изготавливаются гибкие печатные платы, отличаются высокой прочностью на разрыв, но при их разрыве обычно продолжает быстро распространяться вглубь пластины. Чтобы этого не произошло, внутренние углы печатной платы должны быть скруглены — чем больше внутренний радиус скругления, тем больше прочность на разрыв. На выступающих участках платы также делаются специальные отверстия и округлые углубления (картинка выше).

Использование ребра жесткости

Важным показателем является коэффициент изгиба, который определяется как отношение радиуса изгиба к толщине платы. В целом рекомендуется для однослойных и двухслойных 10:1, а для многослойных 20:1. Однослойная конструкция является предпочтительным типом гибкой печатной платы для устройств с динамическим изгибом.

Некоторые участки печатной платы, например там где монтируются разъемы или более тяжелые компоненты, требуют дополнительного усиления. Обычно такие вставки изготавливаются из ламината ФР4, полиимида, нержавеющей стали. Для сквозных соединений и профилей со сквозными элементами, элемент жесткости следует наносить с той же стороны, что и соединение или детали. Если же требуется усиление в сечении с компонентами SMD, то оно должно быть на стороне противоположной этим компонентам. Также хорошей практикой является создание овальных или круглых контактных площадок под SMD.

Следует помнить что для получения наиболее часто требуемого волнового сопротивления (75 Ом) в гибких платах требуется использование более толстых диэлектрических материалов. Это приводит к более жесткой конструкции в целом.

При проектировании дорожек применяются несколько правил. По возможности в районе изгиба их следует вести перпендикулярно изгибу. Это сведет к минимуму напряжения в дорожках при изгибе. Надо округлять пути вместо острых углов. Если такой возможности нет, лучше выполнять их под углом 45 градусов, чем перпендикулярно. По возможности узкие дорожки следует размещать с внутренней стороны изгиба, потому что они лучше выдерживают сжатие, чем растяжение. Также считается плохой практикой прокладывать пути один над другим на многих слоях. Их укладка увеличивает толщину платы и повышает ее жесткость, что способствует растрескиванию при изгибе.

На эффективность процесса производства, а значит и на ее стоимости, влияет ширина дорожек – в соответствии с установившейся практикой она должна быть как минимум в 5 раз больше, чем их толщина. Как правило, рекомендуется проектировать их как можно шире, и даже если требуется более тонкий участок, путь следует по возможности расширять. Концентрации напряжения также можно избежать в месте где дорожка входит в контактную площадку, сглаживая этот переход за счет расширения контактной площадки при ее входе в ту площадку.