תכנון של לוח Rigid-Flex PCB הוא הרבה מעבר לחיבורים חשמליים. כדי למנוע כשל מכני, צריך לשלוט היטב במבנה השכבות, ברדיוס הכיפוף ובאזור המעבר בין החלק הקשיח לחלק הגמיש.
ברוב המקרים, סדקים באזור הכיפוף אינם תוצאה של פגם ייצור אקראי. בדרך כלל הם נגרמים מכמה טעויות תכנון מוכרות: מיקום של ויה או פאד קרוב מדי לאזור הכיפוף, ניתוב מוליכים בצורה שמגדילה את המאמץ המכני, או בחירת רדיוס כיפוף קטן מדי ביחס לעובי החלק הגמיש. באופן כללי, רדיוס הכיפוף המינימלי נקבע לפי העובי הכולל של החלק הגמיש כפול מקדם שמתאים ליישום. בתכנונים רב-שכבתיים או כאלה שעובדים בכיפוף דינמי, נדרשים בדרך כלל יחסים גדולים יותר.
תכנון אמין של Rigid-Flex מתחיל בכמה כללי יסוד: להשאיר רכיבים ו-vias מחוץ לאזורי הכיפוף, לנתב מוליכים בניצב לציר הכיפוף ככל האפשר, ליצור מעבר הדרגתי בין האזורים הקשיחים והגמישים, ולתכנן לפי תקנים מוכרים כמו IPC-2223. כאשר הדרישות המכניות האלה נלקחות בחשבון כבר בתחילת הדרך, לוחות Rigid-Flex יכולים לספק גם חיסכון במקום וגם אמינות גבוהה.
תשובה מהירה: למה לוחות Rigid-Flex נסדקים באזור הכיפוף?
לוחות Rigid-Flex נוטים להיסדק כאשר החלק הגמיש נדרש להתכופף מעבר למה שהעובי, מספר השכבות ומבנה הנחושת שלו יכולים לשאת בבטחה.
הסיבות הנפוצות ביותר כוללות:
- רדיוס כיפוף קטן מדי
- vias או pads שנמצאים בתוך אזור הכיפוף או קרוב אליו
- גאומטריה חדה של מסלולי הנחושת
- אזורי נחושת גדולים וקשיחים מדי בחלק הגמיש
אם רוצים לשפר את אורך החיים של החלק הגמיש, צריך לטפל בנקודות האלה כבר בשלב התכנון, ולא רק אחרי שהאב-טיפוס הראשון נכשל.
5 כללי ה-DFM במבט מהיר
| כלל DFM | למה הוא חשוב | איזה כשל הוא מסייע למנוע |
|---|---|---|
| להגדיר קודם את היישום ואת מבנה השכבות | חיי החלק הגמיש תלויים בסוג התנועה, בעובי ובמבנה השכבות | אזור גמיש חזק מדי או חלש מדי |
| לחשב את רדיוס הכיפוף לפני תחילת ה-layout | רדיוס הכיפוף קובע את רמת המאמץ בחלק הגמיש | סדקי נחושת והתנתקות שכבות |
| להרחיק vias, pads ורכיבים מאזורי כיפוף ומעבר | אזורים קשיחים יוצרים ריכוז מאמצים | סדקים בדפנות via והרמת pads |
| לנתב מסלולים בהתאם לכיפוף | כיוון המסלול והצורה שלו משפיעים על עייפות מכנית | שברים במסלולים ליד פינות או הצרויות |
| לתכנן נכון את הנחושת, ה-pads והחיזוקים | מבנה הנחושת וצורת ה-pad משפיעים ישירות על העמידות | עייפות מוקדמת, היצמדות חלשה וכשל מכני |
הכללים האלו חוזרים שוב ושוב במקורות המובילים בתחום התכנון של לוחות Flex ו-Rigid-Flex.
למה לוחות Rigid-Flex נסדקים באזור הכיפוף
בשורש העניין, כשל באזור הכיפוף הוא בעיית מאמץ מכני.
כאשר לוח Rigid-Flex מתכופף, הנחושת והחומרים שסביבה נמתחים בצד אחד ונלחצים בצד השני. אם החלק הגמיש עבה מדי, אם הכיפוף חד מדי, או אם הגיאומטריה של התכנון מרכזת את המאמץ באזור קטן, הנחושת מתחילה להתעייף לאורך זמן. התוצאה יכולה להיות סדקים במסלולים, הרמת pads או התקלפות שכבות ליד אזור הכיפוף או באזור המעבר בין הקשיח לגמיש.
לכן, תכנון של Rigid-Flex חייב להילקח מההתחלה גם כמשימה מכנית, לא רק כמשימה חשמלית.
כיפוף סטטי מול כיפוף דינמי: ההבדל שמשנה הכול
אחת השאלות הראשונות שצריך לענות עליהן היא האם הלוח מתכופף פעם אחת בלבד, או שוב ושוב לאורך חיי המוצר.
- כיפוף סטטי: הלוח מתכופף בזמן ההרכבה או ההתקנה ולאחר מכן נשאר במצב הזה
- כיפוף דינמי: הלוח מתכופף שוב ושוב במהלך העבודה השוטפת של המוצר
להבחנה הזו יש השפעה כמעט על כל החלטת תכנון. יישומים דינמיים מחייבים בדרך כלל רדיוסי כיפוף גדולים יותר, שכבות נחושת דקות יותר ותכנון שמרני יותר מבחינה מכנית.
אזור המעבר הוא אזור סיכון גבוה
האזור שבו הלוח עובר מחלק קשיח לחלק גמיש הוא לא רק קו גבול בשרטוט. זהו אזור שבו הקשיחות משתנה בבת אחת, ולכן הוא רגיש מאוד מבחינה מכנית.
כאשר מניחים vias, pads או אלמנטים קשיחים אחרים קרוב מדי לאזור הזה, הסיכוי לסדקים עולה משמעותית. לכן צריך להתייחס לאזור המעבר כאל אזור מוגן עם כללי מרחק ברורים, ולא כאל גבול רגיל של ה-layout.
כלל DFM מס' 1: להגדיר את סוג היישום ואת מבנה השכבות לפני תחילת ה-layout
הרבה בעיות ב-Rigid-Flex מתחילות עוד לפני שמנתבים את המסלול הראשון.
לעיתים קרובות ה-layout מתחיל עוד לפני שהוגדרו הדרישות המכניות בפועל. לפני שמתחילים לנתב, צריך לדעת איך הלוח יתכופף, כמה פעמים הוא יתכופף, ומהו העובי המקסימלי שהחלק הגמיש יכול לשאת בלי לייצר מאמץ מוגזם. אם השאלות האלה לא נענות בזמן, התכנון יכול להיראות מצוין בתוכנת ה-CAD, אבל להיכשל בשימוש אמיתי.
למה ה-Stackup כל כך חשוב
ב-Rigid-Flex, מבנה השכבות לא משמש רק לסידור חשמלי של השכבות. הוא משפיע ישירות על:
- הגמישות
- אורך החיים תחת כיפוף
- קלות הייצור
- פיזור המאמצים
- האמינות בשטח
חלק גמיש עבה יותר ידרוש רדיוס כיפוף גדול יותר. יותר שכבות נחושת בדרך כלל יפחיתו את הגמישות. גם בחירת ה-coverlay, מבנה החומרים והאופן שבו מתבצע המעבר בין החלק הקשיח לחלק הגמיש ישפיעו על כמות המאמץ בזמן הכיפוף.
לכן ה-stackup צריך להיות החלטת תכנון מרכזית, ולא פרט שנסגר בדיעבד.
מה חייבים להגדיר לפני שמתחילים layout
לפני שמתחילים לנתב, כדאי לוודא שהנקודות הבאות כבר הוגדרו:
- האם היישום סטטי או דינמי
- כמה פעמים החלק הגמיש צפוי להתכופף
- מהו העובי המותר לחלק הגמיש
- כמה שכבות גמישות באמת נדרשות
- איפה בדיוק מתחילים ונגמרים האזורים הקשיחים והגמישים
הסדר הזה נשמע פשוט, אבל הוא מונע הרבה בעיות שמתגלות מאוחר יותר כאמינות נמוכה.
כלל DFM מס' 2: לחשב את רדיוס הכיפוף לפני שמתחילים לנתב
איך מחשבים רדיוס כיפוף בלוח Rigid-Flex?
נקודת פתיחה טובה היא:
רדיוס הכיפוף המינימלי = עובי החלק הגמיש × מקדם כיפוף
כלומר, ככל שהחלק הגמיש עבה יותר, כך רדיוס הכיפוף חייב להיות גדול יותר.
יש מקורות שמציגים זאת כמכפלה פשוטה, ואחרים מנסחים זאת כיחס בין רדיוס הכיפוף לעובי החלק הגמיש. אבל העיקרון זהה: רדיוס הכיפוף צריך להיגזר ממבנה החלק הגמיש ומהאופן שבו הוא באמת ישמש.
ערכי התחלה נפוצים
מקורות שונים מציגים מספרים מעט שונים, כי כל אחד מהם מניח תנאי שימוש אחרים.
כלל אצבע נפוץ:
- 1–2 שכבות גמישות: לפחות 6× העובי הכולל של החלק הגמיש
- 3 שכבות גמישות ומעלה: לפחות 12× העובי הכולל של החלק הגמיש
ביישומים דינמיים נהוג להשתמש לעיתים בערכים שמרניים יותר:
- שכבה אחת, סטטי: 10:1
- שכבה אחת, דינמי: 100:1
- 2 שכבות, סטטי: 10:1
- 2 שכבות, דינמי: 150:1
- רב-שכבתי, סטטי: 20:1
- רב-שכבתי, דינמי: בדרך כלל לא מומלץ
למה המספרים שונים בין מקורות שונים?
זו נקודה שמבלבלת לא מעט מהנדסים.
המספרים האלה לא בהכרח סותרים זה את זה. חלקם הם כללי אצבע מהירים לשלב התכנון הראשוני. אחרים הם ערכים שמרניים יותר שמתאימים לכיפוף דינמי ולחיים ארוכים יותר של החלק הגמיש. לכן המטרה היא לא לזכור מספר יחיד, אלא לבחור רדיוס שמתאים לעובי, למספר השכבות ולסוג התנועה בפועל.
דוגמאות פשוטות
כדי להמחיש את הרעיון:
- אם עובי החלק הגמיש הוא 0.20 מ"מ ומשתמשים בכלל של 6×, רדיוס הכיפוף ההתחלתי יהיה 1.2 מ"מ
- אם עבור אותו עובי משתמשים בכלל של 10:1, רדיוס הכיפוף יהיה 2.0 מ"מ
- אם מדובר ביישום דינמי, ייתכן שיהיה צורך ברדיוס גדול בהרבה
הנקודה החשובה ביותר
לא כדאי לחכות לסוף התכנון המכני או לשלב המארז כדי לראות איזה רדיוס "נכנס".
ב-Rigid-Flex, רדיוס הכיפוף הוא פרמטר תכנוני בסיסי. הוא משפיע ישירות על המאמץ המכני, על עייפות הנחושת ועל האמינות הסופית של המוצר.
כלל DFM מס' 3: להרחיק vias, pads ורכיבים מאזורי כיפוף ומעבר
אם רדיוס הכיפוף קובע כמה מאמץ קיים, אז מיקום הפיצ'רים קובע איפה המאמץ הזה יתרכז.
לכן אחד הכללים החשובים והעקביים ביותר בתכנון Rigid-Flex הוא להרחיק vias, חורים מצופי מתכת, pads ורכיבים מאזור הכיפוף ומאזור המעבר ככל האפשר.
למה הפיצ'רים האלה גורמים לבעיות
פיצ'רים כמו vias ו-pads מפריעים לזרימה האחידה של המאמץ דרך החומר הגמיש.
במקום שהאזור יתכופף בצורה אחידה, המבנה נאלץ "להסתדר" סביב גיאומטריה קשיחה מקומית. הדבר מגדיל את הסיכון ל:
- סדקים בדופן ה-via
- הרמת pad
- שבר בנחושת ליד כניסת המסלול ל-pad
- כשל מוקדם באזור החיבור בין החלק הקשיח לגמיש
גם כאשר התכנון החשמלי נכון, נקודות המתח המקומיות האלו עלולות להפוך למקום הראשון שבו הלוח ייכשל.
סדרי עדיפויות ל-Keep-Out
הכללים היעילים ביותר הם בדרך כלל גם הפשוטים ביותר.
מה לא לשים באזור הכיפוף:
- vias
- חורים מצופי מתכת
- pads
- רכיבים
- התרחבות פתאומית של נחושת
מה דורש זהירות מיוחדת באזור המעבר:
- לשמור מרחק בטוח מהגבול בין הקשיח לגמיש
- להימנע מצפיפות של פיצ'רים ליד אזורים רגישים
- לא להצמיד את קו הכיפוף ממש לקצה האזור הקשיח
ב-layout של Rigid-Flex, שטח ריק במקום הנכון הוא לא בזבוז. הוא חלק מהאמינות.
כלל DFM מס' 4: לנתב מסלולים כך שישרדו כיפוף, לא רק כדי ליצור חיבור
ניתוב ב-Rigid-Flex צריך לקחת בחשבון תנועה.
ב-PCB קשיח רגיל, הניתוב בדרך כלל מותאם לצפיפות ולביצועים חשמליים. באזור כיפוף של Rigid-Flex יש מטרה נוספת: לוודא שהמסלולים ישרדו מאמץ מכני לאורך זמן.
אחת ההמלצות החשובות ביותר היא לנתב את המסלולים בניצב לקו הכיפוף ככל האפשר. כיוון כזה מפזר את המאמץ בצורה אחידה יותר על פני רוחב המסלול.
כללי ניתוב מומלצים לאזור הגמיש
יש כמה הרגלי layout שיכולים לשפר משמעותית את חיי החלק הגמיש:
- לנתב מסלולים בניצב לציר הכיפוף ככל האפשר
- לשמור על גיאומטריה עקבית של המסלולים בתוך אזור הכיפוף
- להימנע מפינות של 90 מעלות
- להשתמש בקווים מעוגלים במקום פניות חדות
- להימנע מהצרות חדות ופתאומיות
- לבצע מעבר הדרגתי ממסלול רחב למסלול צר
- כאשר המסלול רחב מאוד, לשקול לפצל אותו לכמה מסלולים צרים יותר באזור הכיפוף
למה גיאומטריה חדה מסוכנת
פינה חדה היא לא רק עניין אסתטי ב-layout. במבנה שמתכופף, היא הופכת לנקודת ריכוז מאמץ.
אותו דבר נכון גם לגבי שינויי רוחב פתאומיים ומעברים חדים בין צורות נחושת שונות. ככל שהגיאומטריה רכה והדרגתית יותר, כך המאמץ מתפזר טוב יותר והאזור הגמיש מחזיק זמן רב יותר.
צורת החשיבה הנכונה
ב-PCB קשיח השאלה היא לעיתים קרובות איך להעביר את כל הסיגנלים.
באזור הגמיש, השאלה החשובה יותר היא איך לנתב כך שהמבנה ישרוד את התנועה לאורך זמן.
בפועל, layouts אמינים של Rigid-Flex הם בדרך כלל כאלה שנראים פשוטים יותר ומתוכננים בצורה מודעת מבחינה מכנית.
כלל DFM מס' 5: לתכנן נכון את הנחושת, ה-pads והחיזוקים כדי לשפר את חיי החלק הגמיש
לא נכון להתייחס לחלק הגמיש כאילו הוא עוד אזור נחושת רגיל על גבי לוח קשיח.
סוג הנחושת, עובי הנחושת, גיאומטריית ה-pad והחיזוקים המקומיים, כולם משפיעים על השאלה אם הלוח יתכופף בצורה תקינה או ייכשל מוקדם.
להשתמש במבנה נחושת שתומך בכיפוף
נחושת דקה יותר מתאימה בדרך כלל לאזורי כיפוף יותר מנחושת עבה.
ביישומים תובעניים יותר, גם לסוג הנחושת עצמו יש משמעות, כי יש סוגי נחושת שסופגים כיפוף חוזר טוב יותר מאחרים.
להיזהר משטחי נחושת גדולים ורציפים
שטחי נחושת גדולים ורציפים יכולים להקשיח את האזור הגמיש.
לכן באזורי כיפוף מקובל לעיתים להשתמש בדפוסי נחושת מופחתים, מרושתים או hatch במקום במשטחים מלאים, כדי לשפר גמישות ולהקטין את המאמץ המכני.
לחזק את המעבר בין המסלול ל-pad
אזורי המעבר בין מסלול ל-pad הם אחת מנקודות החולשה הנפוצות בתכנון גמיש.
צורת Teardrop או מעבר מעוגל בין המסלול ל-pad עוזרים להפחית ריכוז מאמץ בנקודה שבה מסלול צר נכנס ל-pad גדול יותר. המעבר החלק גם משפר את ההיצמדות והופך את המבנה לסלחני יותר תחת כיפוף חוזר.
גודל ה-pad וה-Annular Ring חשובים יותר באזור גמיש
בהשוואה ללוחות קשיחים בלבד, בלוחות Flex ו-Rigid-Flex לעיתים קרובות עדיף להשתמש ב-pads וב-annular rings גדולים יותר.
המרווח הנוסף הזה יכול לשפר היצמדות, להפחית מאמצים מקומיים ולהפוך את התכנון לעמיד יותר בפני תנועה וטיפול.
להשתמש ב-Stiffeners בצורה חכמה
המטרה של stiffeners היא לא להפוך את כל הלוח לקשיח.
הם נועדו לחזק אזורים מסוימים, כמו אזורי מחברים, אזורי עיגון או אזורים רגישים להרכבה, בזמן שאזור הכיפוף עצמו נשאר חופשי להתכופף לפי הצורך.
כאשר משתמשים בהם נכון, stiffeners מוסיפים תמיכה בלי לפגוע בביצועי ה-flex.
טעויות תכנון נפוצות שגורמות לסדקים
שימו לב במיוחד לטעויות הבאות:
- קביעת מספר השכבות לפני שמגדירים את סוג התנועה
- בחירת רדיוס כיפוף רק לפי המקום הזמין במארז
- ניתוב פינות חדות דרך אזור הכיפוף
- מיקום vias קרוב מדי לגבול בין הקשיח לגמיש
- הכנסת pads או חורים מצופי מתכת לתוך אזור הכיפוף
- שימוש במבני נחושת שמקשיחים את החלק הגמיש יותר מדי
- התייחסות לאזור המעבר כאילו היה קצה רגיל של הלוח
אם לוח Rigid-Flex נסדק, ברוב המקרים שורש הבעיה נמצא באחת מההחלטות האלו, או בכמה מהן יחד.
מסקנה
האמינות של Rigid-Flex PCB נקבעת כבר בשלב התכנון, לא אחרי הייצור.
הדרך הטובה ביותר למנוע כשל באזור הכיפוף היא לשלוט בדברים הבסיסיים: להגדיר נכון את היישום, לבנות stackup מתאים, לחשב רדיוס כיפוף מוקדם, להרחיק vias ו-pads מאזורים רגישים, ולתכנן ניתוב ודפוסי נחושת שמפחיתים מאמץ מכני.
אלו החלטות התכנון שמשפיעות יותר מכול על האמינות ארוכת הטווח.
ב-FastTurnPCB אנחנו מתייחסים לתכנון Rigid-Flex כאל אתגר משולב של מכניקה, אלקטרוניקה וייצור — כי רק כך מתקבל לוח שעובד בצורה אמינה בעולם האמיתי.
