Гибкие и жестко-гибкие печатные платы являются одним из наиболее динамично развивающихся направлений в производстве электронных устройств. Они имеют множество преимуществ перед традиционными решениями — позволяют снизить вес схемы и дают большую свободу в создании привлекательной формы устройства. Давайте ознакомимся с основными принципами конструирования и изготовления жестких эластомерных цепей.

Что такое жестко-гибкие платы

Первые практические применения этой концепции имели место ещё пол века назад при конструировании космических кораблей — жестко-гибкие платы использовались для замены кабелей, соединяющих отдельные модули в аппарате, предназначенном для освоения космоса. Позже решения такого типа можно было найти в первой модели портативного компьютера (Grid Compass, разработанный НАСА для космической программы).

Жестко-гибкие печатные платы (Rigid-flex PCB) представляют собой конструкции, сочетающие в своей структуре как области, выполненные на гибкой подложке, так и традиционные платы, построенные на основе жесткого текстолита. Эти два типа подложки комбинируются друг с другом соответствующими приемами, создавая один проект.

Как и в случае с традиционными печатными платами, здесь компоненты можно монтировать с обеих сторон жесткой части. Гибкие элементы обычно служат соединителями между отдельными участками цепи, что устраняет необходимость в проводах. Их отсутствие выливается в улучшение свойств устройства. Наиболее важные положительные эффекты этого решения включают в себя:

• снижение уровня потерь передачи сигнала между отдельными цепями,
• обеспечение лучшего и более точного контроля значения сопротивления линий,
• устранение проблем со сборкой коннекторов и возможная неправильная пайка соединений,
• снижение веса всего устройства за счет уменьшение размеров печатной платы.

Конструкция каждой Rigid-flex PCB разделена на зоны, которые могут быть изготовлены из различных материалов и иметь разное количество и состав слоев, при этом жесткие зоны обычно имеют больше слоев, чем гибкие.

Одним из наиболее сложных аспектов дизайна является правильное проектирование граничных областей, которые являются связью между гибкими и жесткими зонами. Эти области подвергаются наибольшим напряжениям и деформациям, поэтому их структуру не следует ослаблять, например, размещением в них слишком большого количества различных типов отверстий.

Принципы проектирования Rigid-flex PCB

Новые возможности предлагаемые жесткими и гибкими решениями достигаются за счет дополнительных задач и проблем, связанных с процессом проектирования конструкции такого типа. В прошлом жестко гибкие конструкции разрабатывались так, чтобы компоненты размещались только на жестких участках платы, а гибкие выполняли только соединительную функцию. Более современные решения часто содержат компоненты расположенные и в гибких областях, но это связано с рядом дополнительных ограничений, связанных с трассировкой путей и размещением отверстий.

Гибкие области должны иметь ось изгиба, то есть линию по которой предполагается изгиб периметра. Эта линия влияет на форму путей. В непосредственной близости от неё, на поверхности гибкой области, не должно быть никаких компонентов или переходных отверстий. Пути, проходящие через линию изгиба, следует вести перпендикулярно ее ходу.

Даже при правильном расположении деталей невозможно избежать дополнительных напряжений на их клеммах и монтажных стыках, связанных с деформацией поверхности платы. Их уменьшение может быть достигнуто за счет металлизации отверстий (в случае сквозного монтажа) и покрытия выводов дополнительным защитным слоем.

Снижение напряжения также относится к конструкции пути. В случае гибких цепей не рекомендуется включать в проект большие сплошные участки проводника. Гораздо лучше заменить такие объекты так сказать сетчатыми областями. Следует избегать всех видов прямых и острых углов — для изменения направления пути гораздо лучше использовать дугу, а для изменения ширины путей стоит использовать плавность.

Другой хорошей практикой является снижение напряжений вдоль поверхности дорожек за счет смещения между дорожками в нижнем и верхнем слоях на гибкой подложке. При расположении путей из нижнего и верхнего слоев прямо друг напротив друга риск деформации и появления трещин в проводящем слое значительно возрастает.

Механические аспекты проектировки

В случае конструкции с областями, выполненными на гибкой подложке, необходимо учитывать совершенно новые механические аспекты, которых нет у традиционных плат, полностью реализованных на жесткой поверхности. Одним из важнейших параметров является допустимый радиус изгиба платы, а точнее его отношение к ее толщине. Как больший изгиб, так и увеличение толщины подложки в зоне изгиба, приведут к повышенному риску повреждения платы. Как правило производители рекомендуют радиус изгиба не менее десятикратной толщины.

Следует также избегать одновременного растяжения и сжатия двух разных сторон гибкой поверхности платы. По этой причине не рекомендуется допускать изгибы более 90°.

Еще одним очень важным фактором являются свойства слоя проводника, особенно его толщина и тип материала. Снижение сопутствующих напряжений может быть достигнуто за счет ограничения площади поверхности участков подвергаемых металлизации или процессу отделки металла.

Нанесение дополнительного слоя золота, никеля или меди на поверхность пластины в процессе отделки значительно снизит гибкость конструкции и повысит риск механических повреждений.

Современные инструменты проектирования оснащены продвинутым и обширным пакетом модулей для симуляции и моделирования поведения и внешнего вида схем, в том числе жестко-гибких плат. В значительной степени он позволяет проводить независимую проверку правильности работы проекта и анализ потенциальных проблем и областей повышенного риска.

Жестко-гибкие платы конечно более сложны чем их традиционные жесткие аналоги. Зато взамен они предлагают высокую надежность, свободу выбора формы конструкции, а также снижение веса устройства. Решения Rigid-flex PCB уже широко используются во многих отраслях промышленности и типах устройств, а процесс их получения хорошо известен и внедрен большинством заводов, выпускающих печатные платы.