Решение проблем проектирования гибких и гибко-жестких печатных плат (Часть 1)

Разработчики печатных плат, работающие с технологиями гибких или гибко-жестких конструкций, сталкиваются с множеством проблем, каждая из которых может затруднить реализацию проекта и привести к дорогостоящим ошибкам в конструкции. Чтобы справиться с этими проблемами, разработчикам приходилось полагаться на свои индивидуальные навыки и опыт, поскольку традиционные инструменты проектирования печатных плат не помогают избежать осложнений, связанных с гибкостью платы. Однако сегодня гибкие и гибко-жесткие конструкции становятся все более сложными, поэтому очень важно, чтобы современные инструменты проектирования учитывали уникальные особенности конструкции при проектировании гибко-жестких конструкций.

Проблемы проектирования гибких и гибко-жестких печатных плат

В дополнение к обычным проблемам проектирования печатных плат, разработчики гибких и гибко-жестких печатных плат сталкиваются с множественными уникальными проблемами, которые, если их не решить должным образом, могут привести к ошибкам в конструкции, повторным итерациям и долгосрочным проблемам с надежностью. Ниже приведены некоторые из этих проблем:

• Множественные контуры платы, каждая с отдельными слоями;
• Специальные технологии наращивания слоев, обеспечивающие гибкость;
• Специальные типы слоев, такие как клей, покровный слой и элемент жесткости;
• Гибка и складывание стека платы;
• Трехмерный аспект сборки платы;
• Необходимость размещения проводников по поверхности изогнутой платы, не вызывающих снижения надежности;
• Проводящие полигоны сложной формы, не снижающие гибкость платы;
• Контроль правил проектирования (DRC), который учитывает особые правила технологии гибко-жесткой конструкции платы;
• Обеспечение целостности сигнала и питания многослойной платы;
• Предсказуемые результаты производства, которые точно передают замысел проектировщика.

Традиционно разработчики использовали свой опыт, чтобы избежать этих проблем, поскольку существующие инструменты САПР для проектирования печатных плат не обеспечивали автоматизацию проектирования гибко-жестких плат. Однако было создано множество сложных устройств, но успешность реализации полностью зависели от навыков и опыта проектировщика. Нельзя забывать про человеческий фактор, который может легко привести к ошибке, особенно когда приходиться выполнять работу в сжатые сроки.

Гибкие схемы стали намного сложнее, что затрудняет ручное проектирование и отнимает много времени

Решения

Расширенные возможности гибкого и гибкого-жесткого проектирования доступны в пакете Xpedition. Рассмотрим, как эти возможности могут помочь в решении только что озвученных проблем.

Зонная компоновка печатной платы

Наиболее сложные гибкие конструкции — и, конечно же, большинство гибко-жестких конструкций — включают несколько областей с разным количеством слоев. Этот стек должен быть обозначен в программе PCB CAD, чтобы его можно было использовать во всех последующих операциях, включая анализ целостности сигнала, генерации выходных файлов для производства, проверки правил проектирования, для контроля 3D-дизайна и просмотра.

Пакет проектирования использует два основных метода для создания многослойной структуры печатной платы:

1. Назначение одного контура платы и определение зон внутри этого контура с индивидуальным назначением количества слоев внутри.
2. Назначение областей с разным количеством слоев.

Xpedition использует второй метод. Хотя они могут показаться похожими, последствия даже незначительного изменения дизайна у них сильно различаются.

Если представить себе простую гибко-жесткую конструкцию, подобную приведенной ниже, для первого метода потребуется восемь (!) областей, каждая со своим собственным набором. Обратите внимание, что гибкие кабели частично перекрываются.

Теперь представьте, что нам нужно немного растянуть изогнутый гибкий кабель. Это очень распространенная операция гибкого проектирования, которая часто выполняется несколько раз в процессе проектирования. Это простое изменение означает, что необходимо изменить шесть областей платы 2, 3, 5, 6, 7 и 8. В некоторых случаях, редактирование даже потребовало бы создания новых областей и изменения стека для других зон.

В Xpedition та же самая операция просто означает, что мы расширяем область номер 3.

Нам нужно переместить 5-ю область платы немного вправо, но никаких других изменений нет, и все стеки остаются нетронутыми.

Таким образом, назначение областей с разным количеством слоев является превосходным подходом, который позволяет быстро и безопасно вносить изменения в конструкцию даже для очень сложных гибко-жестких конструкций. С Xpedition все, что вам нужно сделать для создания гибкой платы, — это обозначить несколько контуров платы и назначить каждому из них набор слоев. Каждой области платы присваивается имя, чтобы ее можно было легко идентифицировать, когда контуры частично или полностью перекрываются.

Покровный слой

Покровный слой в исполнении гибкой платы — это форма защитного покрытия поверх металлической фольги. Он обеспечивает лучшую износостойкость и защиту от царапин, по сравнению с паяльной маской, а также, обеспечивает более надежное прикрепление металлической фольги к основному материалу, обеспечивая надежную адгезию.

Покровной слой, может использоваться по всей площади гипко-жесткой конструкции, становясь встроенным. Это называется «встроенным покровным слоем», поскольку он встроен в жесткие области печатной платы.

Рис. 1. Встроенный покровный слой

 

В Xpedition покровный слой является частью набора слоев, создавая встроенный покровный слой.

Также, покрывной слой может быть использован только на части площади платы — в выборочных зонах платы. Такую конструкцию называют «покровный слой бикини».

С Xpedition вы можете достичь этого, включив защитный слой в гибкие секции платы, оставив его (и используя вместо него другой диэлектрик) в жестких секциях:

Рис. 2. Частичный или выборочный покровный слой (покровный слой бикини)

 

При размещении компонента там, где присутствует покровный слой, то требуется вскрытие в покровном слое под контактную площадку, чтобы обеспечить пайку компонента. Известные как «отверстия в покровном слое», они имеют разные размеры и формы по сравнению с областями вскрытия в паяльной маске, поскольку покровный слой должен частично перекрывать контактные площадки, чтобы медная фольга оставалась прикрепленной к основному материалу (для улучшения адгезии меди).

Рис. 3. Вскрытие паяльной маски и покровного слоя

 

Покровный слой «приклеивается» или «склеивается» с медью и основным материалом. Клей представляет собой пленку или листовой материал значительной толщины, поэтому его необходимо включать в набор слоев для последующих аналитических инструментов.

Контактные площадки и покровный слой

При размещении компонента на жесткой печатной плате, среда проектирования PCB CAD будет обеспечивать отверстие в паяльной маске на соответствующем слое. Если мы теперь возьмем этот компонент и переместим в область, где есть покровный слой, тогда PCB CAD должен удалить отверстие паяльной маске и вместо этого сохранить отверстие в покровном слое.

В интеллектуальной стековой системе Xpedition эта функция реализована и работает. В стеке контактных площадок вы можете определить форму для использования в качестве отверстия паяльной маски, но также можно определить другую форму для использования в качестве отверстия покровного слоя. Xpedition будет отслеживать расположение компонента и автоматически менять размеры и размещение отверстий в зависимости от свойств слоем в этой области платы.

Элементы жесткости

Ребра жесткости представляют собой пластины жесткого материала, прикрепленные к гибким областям, чтобы «придать жесткость» области гибкой конструкции с целью установки компонентов на гибкой части платы, или чтобы обеспечить возможность использования монтажных отверстий. Материал обеспечения жесткости может быть как проводящим, например металлом, так и непроводящим, например пластиком или FR4.

Xpedition позволяет определить элемент жесткости как слой в стеке слоев, также дает возможность определить форму фактического элемента жесткости.

При размещении компонента со сквозным отверстием на элементе жесткости требуются отверстие, чтобы выводы компонента попадали в слой медной фольги для пайки.

Это отверстие определяется как объект в стеке слоев, аналогично отверстию в покровном слое. Xpedition автоматически устанавливает соответствующий объект в зависимости от того, где размещен компонент.

Ребра жесткости обычно производятся в отдельном процессе, а затем приклеиваются к гибкому элементу с помощью клея. Поскольку это отдельный процесс изготовления, то когда объект приклеивается к гибкой плате, существует риск смещения элемента жесткости. Если смещение окажется слишком значительным, то отверстие будет закрыто, а значит установка выводного компонента окажется невозможной. Для минимизации риска возникновения подобного сценария в элементе жесткости формируются отверстия такого размера, чтобы даже при незначительном смещении оставалось достаточное отверстие в плате, чтобы обеспечить проникновение вывода компонента через плату.

Рис. 4. Отверстия для элементов жесткости увеличенного размера компенсируют смещение при сборке стека платы

Клей

В простейшем случае клей покрывает весь слой, и все, что нужно сделать проектировщику, — это включить его в набор слоев.

Однако бывают ситуации, когда требуется клей только в определенных местах. Для этого по-прежнему необходимо определить адгезионный слой в наборе слоев, но, как и в случае с элементами жесткости, достаточно задать одну или несколько «адгезионных форм» на адгезивном слое.

Источник: mentor.com

 

Перейти к статье «Решение проблем проектирования гибких и гибко-жестких печатных плат (Часть 2)» ->