Thông tin PCB - Làm cho bảng mạch PCB dễ chế tạo và giảm chi phí xử lý

Bảng mạch PCB cứng nhắc không phải là một bảng mạch thông thường. Quá trình kết hợp các lớp mỏng của chất nền dẻo và cứng thành một thành phần duy nhất đưa ra những thách thức và cơ hội độc đáo. Khi các nhà thiết kế bắt đầu thiết kế các PCB cứng-linh hoạt khối, họ nhận thấy rằng hầu hết những gì họ đã học trước đây về thiết kế PCB đều có vấn đề. Những gì họ thiết kế không còn là một mặt phẳng hai chiều, mà là một kết nối ba chiều bên trong có thể uốn cong và gấp lại. Tôi dám khẳng định, đây sẽ là một PCB mạnh hơn. Các nhà thiết kế bảng mạch uốn cứng thay thế bảng mạch in phức hợp với nhiều đầu nối, cáp và cáp ruy-băng bằng một thành phần duy nhất để có hiệu suất và độ ổn định cao hơn. Họ giới hạn phạm vi thiết kế trong một thành phần duy nhất, các đường uốn và gấp giống như một chồng thiên nga giấy để tối ưu hóa không gian có sẵn. Thuật ngữ chung Theo nghĩa đen, "mạch uốn" giống như một sự thay thế cho cáp ruy-băng nhiều dây. Trên cùng của bề mặt phẳng linh hoạt là các lớp mạch, được gắn vào nhau từ đầu đến cuối. Kết nối này thường thấy giữa đầu in và bo mạch điều khiển của máy in phun. Trong thuật ngữ mạch flex, tính linh hoạt liên tục này được gọi là "linh hoạt động". Trong các ứng dụng flex động, các mạch flex thường (nhưng không giới hạn ở) một mặt, để đạt được hiệu suất cao và độ tin cậy cao. Mạch Flex được sử dụng để kết nối giữa các hệ thống con khác nhau, chẳng hạn như kết nối đầu in với bảng điều khiển.

Trong suốt vòng đời của mạch uốn, nó phải được uốn, gấp và lắp ráp với độ lệch nhỏ, được gọi là "uốn để lắp". Các cài đặt linh hoạt có sẵn trong nhiều cấu hình khác nhau, từ một lớp đến nhiều lớp, tùy thuộc vào nhu cầu của ứng dụng. Độ uốn giới hạn trong suốt thời gian tồn tại là tốt để hạn chế ứng suất trên dây dẫn và để tạo ra nhiều lớp hơn. Trong quá trình lắp đặt flex, khi cần lắp đặt thành phần một mặt, chiến lược là định vị và cán các vật liệu cứng vào mạch flex để gia cố các khu vực cụ thể. Loại thiết kế mạch uốn này được gọi là "uốn cứng". Vật liệu cứng (thường là FR4) không chứa dây dẫn và chủ yếu được sử dụng để gia cố phần đế hoặc khu vực kết nối của một bộ phận. Bảng cứng-flex có ưu điểm là mạch dẻo và vật liệu cứng, nhưng giá thành cao hơn; ván cứng-flex có thể được sử dụng để thay thế cho ván cứng-uốn. Vật liệu cứng không cần khắc hoặc mạ, mà chỉ cần khoan và thêm vào thành đường, giảm thời gian xử lý PCB. Trong quá trình lắp đặt flex, nếu cần lắp đặt mô-đun hai mặt hoặc bạn cần các bảng mạch in siêu mỏng, thì một bảng flex-cứng có thể là một giải pháp khả thi. Bảng cứng-flex có cả một lớp cứng và một lớp dẻo, và là một bảng mạch in nhiều lớp. Một bảng mạch in cứng nhắc (bốn lớp) điển hình có lõi polyimide được phủ bằng lá đồng ở cả mặt trên và mặt dưới. Các lớp cứng bên ngoài bao gồm FR4 một mặt được dát mỏng vào cả hai mặt của lõi uốn để lắp ráp PCB nhiều lớp. Ván cứng-flex được sử dụng rộng rãi, nhưng do sử dụng hỗn hợp nhiều vật liệu và nhiều bước sản xuất, thời gian xử lý ván cứng-uốn lâu hơn và chi phí sản xuất cao hơn. Khi chế tạo ván cứng-flex nhiều lớp, việc xử lý lớp uốn rất khác so với lớp FR4 bên ngoài. Các lớp làm bằng các vật liệu khác nhau phải được ghép lại với nhau bằng cách cán mỏng, sau đó được khoan và mạ điện. Do đó, có thể mất 5 đến 7 lần để tạo ra một PCB cứng-linh hoạt bốn lớp điển hình so với việc tạo ra một PCB cứng bốn lớp tiêu chuẩn

Ứng dụng của bảng cứng-uốn
Bo mạch cứng-uốn thường được tìm thấy trong các thiết bị điện tử tiêu dùng như máy ảnh kỹ thuật số, máy quay phim và máy nghe nhạc MP3. Nó cũng có thể được sử dụng trong các hệ thống dẫn đường vũ khí cao cấp gắn trên máy bay. Theo tìm hiểu của tôi, ván cứng-flex thường được sử dụng trong sản xuất máy bay quân sự và thiết bị y tế. Các tấm cứng-flex mang lại lợi ích to lớn cho thiết kế máy bay quân sự vì nó giảm trọng lượng trong khi tăng độ tin cậy của kết nối. Tất nhiên, không thể bỏ qua những lợi ích do kích thước tổng thể nhỏ hơn mang lại. Các thiết bị y tế cấy ghép - chẳng hạn như máy điều hòa nhịp tim và cấy ghép ốc tai điện tử - cũng được hưởng lợi từ khả năng uốn cong và gấp khúc của bảng điện tử uốn dẻo trong không gian chật hẹp, cũng như độ tin cậy được cải thiện đáng kể. Bạn cũng có thể tưởng tượng sẽ như thế nào nếu máy điều hòa nhịp tim không hoạt động vì dây dẫn đến pin bị đứt. Với bảng cứng-flex, pin có thể được kết nối trực tiếp với lớp mạch và có thể được lắp đặt ở bất kỳ đâu trong cụm.

Ví dụ ứng dụng của bảng cứng-flex
Các nhà thiết kế trong các ứng dụng cứng-uốn dựa vào cứng-uốn như một cách để đạt được mục tiêu của sản phẩm. Họ có thể sử dụng các thiết kế cứng làm nguyên mẫu để kiểm tra các khái niệm thiết kế của họ trước khi tạo ra các sản phẩm mới bằng cách sử dụng bảng cứng-flex. Hệ thống hồng ngoại sẽ được lắp đặt trên một phương tiện hàng không siêu nhỏ hoặc máy bay không người lái, yêu cầu hệ thống bao phủ phạm vi giám sát của một máy ảnh kỹ thuật số cầm tay 5 inch khối có trọng tải không quá 3 ounce. Tức là, trong khi duy trì mức độ chức năng và độ tin cậy ban đầu, không gian giảm 50% và trọng lượng giảm 95%. Thử thách là làm thế nào để giảm tổng trọng lượng từ 3 pound xuống dưới 3 ounce. Giải pháp là loại bỏ cụm bảng PCB cứng được kết nối bằng nhiều đầu nối và chuyển sang bảng cứng-flex. Tôi đã gặp Jeff từ rất sớm trong quá trình thiết kế, và mặc dù đây là lần đầu tiên anh ấy sử dụng bảng cứng uốn cong, nhưng anh ấy đã làm đúng từng bước. Trong quá trình sản xuất, ông đã thuê ngoài dự án thiết kế PCB cho một nhà thiết kế ứng dụng linh hoạt cứng nhắc có kinh nghiệm và tham gia vào các nhà sản xuất PCB sớm trong quá trình này. Cơ quan chức năng cho biết: "Mặc dù giá thành của bảng cứng flex đắt hơn so với bảng cứng truyền thống, nhưng nó cung cấp một giải pháp lý tưởng cho dự án này. Chúng tôi sử dụng kết nối giữa các chất nền linh hoạt thay vì kết nối thiết bị của nhiều bảng PCB, đó là chìa khóa để giảm không gian và trọng lượng, đó là chính xác những gì chúng tôi cần. ” Vì bảng cứng uốn dẻo có thể gập lại và linh hoạt, nó có thể được sử dụng để tạo các mạch tùy chỉnh, giúp tận dụng tối ưu không gian có sẵn trong nhà. Jeff đã tận dụng lợi thế này và giảm không gian chiếm dụng của toàn bộ hệ thống. Vì thiết kế này không phải là khối lượng -sản xuất, lợi ích vượt trội so với chi phí, mặc dù chi phí sản xuất cao hơn.

Cân nhắc thiết kế Khi thiết kế bảng điều khiển uốn dẻo, các đặc điểm của quá trình sản xuất và sự đa dạng của vật liệu được sử dụng phải được xem xét. Các nhà thiết kế không thể đơn giản tạo ra các loại dấu vết điển hình được sử dụng trên một PCB cứng bốn lớp và mong đợi kết quả tương tự như một bảng cứng uốn cong. Bởi vì độ ổn định steric của polyimide kém hơn gấp 3 lần so với FR4. Một khi đồng bị khắc đi, vật liệu dẻo sẽ co lại đáng kể. Hầu hết các nhà sản xuất hiểu đặc tính này của vật liệu và ước tính nó một cách chính xác, vì vậy khi PCB đi vào quá trình gia công (khoan và thêm làm dấu vết), họ cố gắng để bo mạch gần với dung sai kích thước nhất có thể. Nếu nhà thiết kế không xem xét các vấn đề sản xuất có thể xảy ra, thì rất có thể nó sẽ không thành hiện thực cho đến thời điểm thiết kế phải được cập nhật để phù hợp với quy trình gia công đặc biệt của nhà sản xuất. Để đạt được kết quả mong muốn, hãy xem xét thêm các giọt nước mắt vào tất cả các điểm nối vết và vết bằng cách tăng tối đa kích thước của lớp mạ qua vòng trên lớp uốn. Nếu lớp bên trong linh hoạt được sử dụng để kết nối các khu vực của mạch cứng, phải xem xét cẩn thận cách hỗ trợ các khu vực cứng nổi trong bo mạch trong quá trình sản xuất, vì các khu vực của lớp cứng sẽ bị loại bỏ để lộ phần mềm bên dưới. lớp. Tuy nhiên, loại bỏ quá nhiều vật liệu cứng có thể làm cho bảng dễ vỡ. Chúng tôi thường cắt lớp uốn vì cắt bế phù hợp hơn với polyimide mỏng. Các vùng trên lớp uốn cũng có thể được loại bỏ để giảm tiếp xúc với các điểm định tuyến trong lần định tuyến cuối cùng. Các khu vực "không có lớp" này phải được tính đến trong công cụ thiết kế và thiết kế có thể cần đặt các khu vực không định tuyến và / hoặc không có thành phần để ngăn một số thành phần hoặc đường treo trên các cạnh của các khu vực cứng.

Khuyến nghị thiết kế Vì mạch uốn có thể bị uốn cong và gấp lại, nên tránh tạo ra các vết xấu làm tăng khả năng hở ruột dẫn. Dưới đây là một số gợi ý để giảm ứng suất dây dẫn trong khu vực uốn cong: định tuyến qua khu vực uốn cong vuông góc với trục uốn cong; giữ cho các đường vát mép, thay đổi chiều rộng, và vias bên ngoài khu vực uốn cong; sử dụng lưới đồng thay vì đồng rắn; định tuyến song song qua các lớp liền kề, "I-Beaming"; và nhiều đề xuất tương tự xung quanh việc thiết kế mạch flex, quá nhiều để liệt kê ở đây. Kiểm tra các ấn phẩm đang mở trong phần Đọc được Đề xuất để biết thêm chi tiết và các điểm nổi bật về thiết kế. Kết luận Ý kiến của một số nhà sản xuất, hầu hết đều đề nghị khách hàng nên từ bỏ bo mạch cứng-flex và chuyển sang sử dụng bo mạch cứng-flex, vì điều này làm tăng giá thành sản xuất của bo mạch PCB và không đáp ứng được yêu cầu về giá của khách hàng. Một trong những bước quan trọng để đạt được sản lượng lớn ván uốn cứng là yêu cầu các nhà sản xuất sớm tham gia vào quá trình sản xuất. Đồng thời, chúng tôi tin rằng: "Ba yếu tố chính khiến giá ván cứng uốn tăng là nguyên liệu thô, việc sử dụng ván và năng suất. Nếu chúng tôi có thể hợp tác với các nhà thiết kế ngay từ đầu dự án, chúng tôi có thể giúp chúng đạt được Thiết kế chi phí thấp và tránh một số sai lầm tốn kém. " Khi chọn nhà cung cấp linh kiện uốn và / hoặc linh hoạt cứng, hãy xem qua số lượng các dự án lớn của họ trong lĩnh vực này. Lấy ý tưởng về trình độ kỹ năng trung bình của họ để xác định trình độ kỹ năng mà hầu hết các hội đồng của họ đang ở. Các bo mạch bạn thiết kế nên ở tầm trung hơn là cao cấp về khả năng xử lý của chúng, điều này đặc biệt đúng đối với lựa chọn bo mạch cứng-linh hoạt. Một nhóm đánh giá thiết kế bảng cứng-linh hoạt lý tưởng nên bao gồm các kỹ sư cơ khí và điện tử, nhà thiết kế bảng mạch PCB và kỹ sư xử lý bảng mạch PCB. Các kỹ sư cơ khí hiểu các ràng buộc cơ học trong các thành phần hệ thống. Kỹ sư xử lý bảng mạch PCB trong nhóm có thể điều tra sự thay đổi của camber và việc bổ sung vật liệu gia cố, để thay đổi số lượng bảng thực tế và chi phí sản xuất. Hãy nhớ rằng chi phí cho mỗi bảng PCB tỷ lệ nghịch với số lượng hình ảnh trên bảng. Nếu một bảng mạch in cứng nhắc trông giống như một con nhện nhiều chân và không làm tổ tốt trên bảng, chi phí cho mỗi thành phần sẽ tăng lên đáng kể. Nếu quyết định sử dụng bảng cứng-flex để làm bảng mạch PCB, thì nhà thiết kế nên linh hoạt hơn trong suy nghĩ để cải thiện sản xuất hàng loạt và giảm đầu tư.