Technologie

Rigid-flex je hit. Prozradíme vám proč

Flexibilní a rigid-flex desky se dnes stávají dynamicky rostoucím segmentem v portfoliích výrobců elektroniky. Jedním z důvodů je minimalizace elektroniky a s ní spojená nutnost využít veškerý dostupný prostor efektivně. Také postupné zavádění technologií pro novou generaci 5G sítí vyžaduje použití nových odolných materiálů schopných pracovat na vysokých frekvencích i ve velmi různorodých prostředích. Dalším výrazným impulzem pro flexibilní spoje je dnes výroba elektromobilů, a především jejich baterií, ve kterých se spojuje úspora hmotnosti i místa oproti konvenčním řešením.

Proč flexibilní spoje?

Flexibilní spoje přináší zcela nové možnosti při konstrukci elektroniky, protože designéří HW nejsou omezeni na dva rozměry jako u pevné desky. Mohou tedy výsledný tvar přizpůsobit přesně tvaru výrobku. Pružné spoje také usnadňují montáž součástek, snižují riziko chyby při zapojení a snižují nároky na testování. Tyto spoje jsou navíc konstruovány tak, aby odolaly jak vyšším teplotám, nepříznivému prostředí, tak i mnoha ohnutím (tisíce až miliony cyklů) a rovněž dobře snášejí vibrace.

Výhody a srovnání rigid vs. flexi

Hlavní výhodou flexibilních spojů je úspora místa a hmotnosti. Kvalitním návrhem lze ušetřit až 75% objemu a hmotnosti oproti pevným deskám. Jeden flexibilní spoj může nahradit několik pevných desek, kabelových svazků a konektorů. U flexibilních spojů není nutné hlídat barevné značení vodičů a zapojení kabelových svazků. Tím šetřit čas potřebný pro testování, předělávání či oprav. Ploché spoje navíc odvádí daleko lépe teplo než klasické dráty o stejném průřezu. U pružných spojů je také jednodušší spočítat a předvídat hlučnost, přeslechy i impedanční charakteristiky. Vodiče flexibilního spoje navíc mají jednotné elektrické charakteristiky.

Cena flexibilního spoje

Cena flexibilního spoje je dána především použitými materiály. Pokud bychom srovnávali pouze cenu surového materiálu, tak při stejných parametrech je cena flexibilního spoje asi dvojnásobná. Na druhou stranu je potřeba započítat nejen náklady na materiál, ale také náklady na osazování či zapojení vodičů, testování zapojení a také opravy. Především u větších sérií jsou tyto položky významnou částí ceny. Při chytrém designu desky a výrobního panelu by mělo být možné dosáhnout na cenu asi o 50% vyšší, ale vyváženou lepšími vlastnostmi a odolností základního materiálu.

Čím se řídí výroba

Pro design flexibilních spojů doporučujeme použít novější návrhové SW (Altium designer apod.), které jsou schopné pracovat s flexibilními materiály, ale také vypočítat požadované charakteristiky a zobrazovat desky trojrozměrně. Výroba samotná se řídí aktuální normou IPC 600 pro výrobu plošných spojů, a především částí IPC-6013 pro flexibilní poje.

Semi-flex

Je technologie, která v určitých případech může nahradit flexibilní spoj. Ale pouze tehdy kdy nedochází k vícenásobnému ohnutí spoje. Ze své podstaty je každá deska pružná, protože je vyrobena ze skelných vláken a pryskyřice. Pokud tedy odfrézujeme materiál z jedné strany a ponecháme alespoň nezbytné minimum 200 µm, pak je možné takovou desku jedenkrát ohnout a umístit do zařízení. Je nutné dodržet minimální rádius (dle typu materiálu a jeho tloušťky, ale min. 5 mm) a použít speciální flexibilní nepájivou masku.

Materiály, válcovaná vs. elektrolytická měď

Pro pružné spoje je nutné použít mnohem flexibilnější materiál. Nejčastěji používaným materiálem je polyimid (PI). Tento materiál je velice pružný nelze jednoduše přetrhnout či zlomit. Také dobře odolává vysokým teplotám a má malou tepelnou roztažnost. Lze tedy provést několik pájecích cyklů za sebou. Jistou alternativou může být použití polyethylenu (PET), který je sice levnější alternativou, ale neodolává vysokým teplotám, takže se nedoporučuje pro umístění součástek. Proto ho Gatema nevyužívá ani pro výrobu nejjednodušších flexibilních spojů.

Měď na pružném jádru může být nanášená elektrolyticky (ED) nebo válcováním (RA). Elektrolytickou měď je možné použít, pokud se jedná o náhradu za kabelový svazek, u kterého se nepočítá s vysokým počtem ohnutí. Pro všechny ostatní výrobky doporučujeme použít válcovanou měď u které je prokázáno, že odolá i statisícům ohnutí. To platí zejména pro prototypovou výrobu, kdy cenová úspora není natolik výrazná, aby ospravedlnila riziko desky s nefunkčním flexibilním spojem.

Jádra

Gatema používá na jádra materiál Thinflex, případně je možné použít materiál Pyralux. Tloušťka jádra je 50 µm tloušťka mědi může být 18 či 35 µm.

Coverlay nebo nepájivá maska

V konstrukci pružné části desky je možné použít buď flexibilní masku nebo coverlay - polyimidovou krycí vrstvu (Pyralux®), případně jejich kombinaci. Flexibilní maska se hodí tam, kde nedochází k extrémnímu namáhání (do 20 cyklů za životnost výrobku). Pro rigid-flex desky s vnitřním (inner) spojem je potřeba vždy použít coverlay. Stejně tak pro namáhané spoje, případně pro spoje se součástkami. Gatema nabízí coverlay v jedné tloušťce 25 µm polyimidu a ve dvou různých tloušťkách akrylového lepidla 25-50 µm voleného podle výsledné výšky Cu motivu.

Stiffener

Pokud flexibilní spoj složí místo konektoru je možné flexibilní spoj podpořit FR-4 deskou o tloušťce 0,1-1,5mm. Tato podpora se lepí k desce pomocí oboustranné pásky. Je pro nás také možné vyrobit pružný spoj pouze s lepicí páskou, kterou se spoj přichytí až při zapojení sestavy. Na výrobu používáme oboustranné lepící pásky 3M o tloušťce lepidla 0,05 mm a 0,130 mm s teplotní odolností až 220°

Tipy pro výrobu (tear drop, spoje na přeskáčku, hexagony, ohyb v rozích, napojení vodičů, příprava dat).

  • Pro přípravu dat doporučujeme použít návrhový software, který je určený pro flexibilní spoje. Návrh by měl odpovídat normě IPC 2223 (Sectional Design Standard for Flexible/Rigid-Flexible Printed Boards). Taktéž doporučujeme seznámit se s aktuálními technickými možnostmi výrobce zde.
  • Flexibilní spoje skvěle odolávají vibracím, ale na druhou stranu je nutné počítat s tím, že napojení a pájecí body jsou namáhány tím více a musí být konstruovány s ohledem na jejich použití. Doporučujeme navrhovat pájecí plošky co největší.
  • Pokud je nutné změnit šířku vodiče ve flexibilní části je lepší udělat takový přechod plynule sešikmeně.
  •  
Image
gatema pcb
  • U napojení pájecích plošek je třeba využít tear drop.
  • U vícevrstvých se vyhněte vedení spojů nad sebou, pokud je to možné.

 

Image
gatema pcb print

 

  • U rigif-flex DPS je potřeba dbát na minimální vzdálenost via otvorů (1-2 mm) od přechodové oblasti.
  • V přechodových zónách použijte frézu s rádiusem alespoň 1 mm.

 

Image
gatema pcb
  • Pokud potřebujete navýšit finální tloušťku desky nebo ji někde zpevnit, použijte stiffener.
  • Rozlitá zem musí být ve flexibilním spoji šrafovaná (nejlépe hexagonální).

 

Image
gatema pcb flex

 

  • Odmaskování pomocí coverlay má jiné parametry než odmaskování pomocí flexibilní zelené masky.
Image
gatema pcb flex

       

  • Vodiče v místě ohybu by měly vést přímo.
Image
Gatema flex

 

  • Pokud je to možné, umístěte širší spoj na vnější stranu pružného spoje, které zabrání případnému roztržení spoje.
Image
gatema pcb flex

 

 

Care to know more on the subject?
Connect with our specialists
Štěpán Přichystal
technik TPV