Flex PCB alkatrész-elhelyezési útmutató: szabályok, távolságok és DFM ajánlások

Egy 500 darabos wearable rugalmas áramkörös sorozat a szerelésből visszatérve 18%-os forrasztási törési aránnyal érkezett be, mindössze 300 hajlítási ciklus után a bejövő ellenőrzés során. Az alapvető ok: egy 0402-es kondenzátor, amelyet 1,5 mm-re helyeztek el a dinamikus hajtásvonaltól belülre. Ugyanez az alkatrész, 4 mm-rel a hajtásvonal külső oldalára áthelyezve az újratervezés során, 800 000 ciklust élt túl egyetlen meghibásodás nélkül. Az újratervezés költsége: 3 200$. Az eredeti sorozat javításának költsége: 27 000$.

Az alkatrész-elhelyezés az a pont, ahol a flex PCB tervek eldőlnek — sikeres vagy sikertelen. A szabályok nem bonyolultak, de alapvetően különböznek a merev áramköri lapoknál alkalmazott bevált gyakorlatoktól. A standard merev PCB elhelyezési logika rugalmas áramkörre való alkalmazása olyan lapokat eredményez, amelyek tökéletesen működnek a laborban, és meghibásodnak a valós körülmények között.

Ez az útmutató a flex PCB alkatrész-elhelyezés minden aspektusát lefedi: távolságkövetelmények, tájolási szabályok, merevítő stratégia, pad-tervezés és az a DFM-ellenőrzési lista, amelyet a gyártó átvizsgál, mielőtt a lapot a pick-and-place gépbe töltené.

A kétzónás szabály

Minden flex PCB egy áramkör, amelynek két elkülönített régiója van, amelyeket eltérően kell megtervezni. Összekeverésük meghibásodásokhoz vezet.

1. zóna — Alkatrész-zóna: Területek, ahol alkatrészeket helyeznek el. Ezek a zónák mechanikai támaszt igényelnek (merevítő vagy ragasztó alátét), sík felületeket és elegendő pad-szilárdságot a forrasztási folyamat és a hőciklus túléléséhez. Az alkatrész-zónák normál termékhasználat során soha nem hajolhatnak meg.

2. zóna — Flex-zóna: Területek, amelyek használat során hajlanak vagy rugalmasan deformálódnak. Ezeknek a zónáknak mentesnek kell lenniük alkatrészektől, átvezetékektől (vagy speciális via-kialakításokat kell alkalmazni), és éles nyomvonalszögektől. A flex-zóna kizárólag az elektromos jelek hajláson átvezetéséhez létezik.

A kétzónás szabály egyszerű: az alkatrészek az 1. zónában vannak, a hajlítás a 2. zónában történik, és a két zóna soha nem fed át.

A legtöbb flex PCB meghibásodás visszavezethető erre a szabályra — általában azért, mert a tervező merev PCB elhelyezési gondolkodást alkalmazott, és az egész lapot egységes elhelyezési felületként kezelte.

«A legdrágább flex PCB-hibát, amit valaha láttam, az alkatrészek dinamikus hajlítási zónákba helyezése okozta. A tervezőeszközben minden rendben néz ki. Az prototípusokon átmegy. Aztán a harmadik hónaptól kezdenek beérkezni a tereptől a visszáruk, amikor az ügyfelek pontosan úgy kezdik használni az eszközt, ahogyan tervezték. A javítás mindig teljes újratervezést igényel. Építse be a kétzónás határt a tervezési korlátok fájljába, mielőtt egyetlen alkatrészt is elhelyez.»

— Hommer Zhao, Mérnöki igazgató, FlexiPCB

Alkatrész-távolságok a hajlítási vonalaktól

Az alkatrészek és a hajlítási zóna határa közötti minimális távolság meghatározása a flex PCB tervezés legkritikusabb méretbeli korlátja. Ezeknek a távolságoknak figyelembe kell venniük a rugalmas hordozó gyártásában és a szerelési folyamatban egyaránt fennálló tűréseket.

Az alkatrész-távolság mátrix

Ezek a távolságok az alkatrész lábnyomának szélétől (nem az alkatrész testétől) a hajlítási zóna legközelebbi határáig értendők. Kétség esetén a konzervatívabb oszlopot alkalmazza — egy sikertelen újraforrasztási ciklus sokkal többe kerül, mint 2 mm extra távolság.

Az IPC-2223, a rugalmas nyomtatott lapok tervezési szabványa megköveteli, hogy az alkatrészeket mechanikai támaszt nélkül ne helyezzék el a hajlítási zónán belül. A fenti távolságok meghaladják az IPC-2223 minimumait, hogy figyelembe vegyék a valós gyártási változékonyságot és a nagyfrekvenciás alkalmazásokban felhalmozódó fáradást.

Miért nőnek a távolságok a hajlítási ciklusok számával

Egy 2 mm-re elhelyezett 0402-es ellenállás egy statikus hajtásvonaltól valószínűleg kitart. Ugyanez a 0402-es 2 mm-re egy dinamikus hajtásvonaltól, amely évente 50 000-szer ciklizálódik, meg fog hibásodni — nem azonnal, hanem miután a kumulatív fáradási repedések átterjednek a forrasztási kötésen. Maga a forrasztás nem a gyenge pont; a pad-nyomvonal határfelületnél lévő hőhatásos zóna az.

A nagyciklusú alkalmazások (>100 000 ciklus) nem csupán nagyobb távolságokat, hanem pad-geometria módosításokat is igényelnek. Lásd az alábbi Pad-tervezés részt.

Alkatrész-tájolás a hajlítási tengelyhez képest

Az elhelyezés helye számít. Az orientáció a második döntés.

A hajlítási tengely az a vonal, amely körül a rugalmas áramkör hajlik. A feszültség a hajlítási tengelyre merőlegesen koncentrálódik — húzóerő a külső felszínen, nyomóerő a belső felszínen.

Tájolási szabályok

Chip ellenállásokhoz és kondenzátorokhoz (0201–0805): Tájoljon úgy, hogy az alkatrész hosszú tengelye merőleges legyen a hajlítási tengelyre. Ez a forrasztási kötéseket a feszültség koncentrációs pontjaira helyezi, ami ellentétes az intuícióval, de helyes: az IPC-2223 specifikációkra tervezett forrasztási kötések jobban viselik a terhelést, ha a hosszú tengelyük mentén hat, mintsem ha oldalirányban csavarodik.

SOT és SOD tokozásokhoz: Tájoljon úgy, hogy a két végső pad merőleges legyen a hajlítási tengelyre. Ez a feszültséget mindkét padra elosztja ahelyett, hogy aszimmetrikus hajlítás során egy padra koncentrálná.

Csatlakozókhoz: A csatlakozókat mindig merevített szakaszokon kell elhelyezni. A csatlakozó testének tájolása pozicionálja a mozgó részeket (reteszek, ZIF-mechanizmusok) az elsődleges hajlítás irányától el.

Aszimmetrikus tokozásokhoz (SOIC, QFP): Ezeket az alkatrészeket nem szabad nagyciklusú flex területeken elhelyezni. Ha statikus hajlítási zónákban szükségesek, tájoljon úgy, hogy a leghosszabb méret merőleges legyen a hajlítási tengelyre, minimalizálva a forrasztási kötésekbe átvitt hajlítási nyomaték karját.

«Több száz flex PCB elrendezést vizsgáltam felül, ahol minden alkatrész-távolság helyes volt, de a tájolás rossz. Egy 0402-es kondenzátor, amelynek hosszú tengelye párhuzamos a hajlítási tengellyel, egyszerre viszi át a hajlítási nyomatékot mindkét forrasztási kötésbe. Ez megduplázza a feszültséget a merőleges tájoláshoz képest. Az IPC-2223 nem írja elő a tájolást — de a terepi meghibásodási adatok igen.»

— Hommer Zhao, Mérnöki igazgató, FlexiPCB

Merevítő elhelyezési stratégia

A merevítők azok a merev alátét anyagok, amelyeket az alkatrész-elhelyezési zónák alatt a rugalmas hordozóra ragasztanak. Egy rugalmas régiót átmenetileg merev alkatrész-rögzítési felületté alakítanak, és megvédik a forrasztási kötéseket a hordozó elhajlásától, amely meghibásodásokat okoz.

Mikor szükségesek merevítők

Minden flex PCB régió, amely 0402-es passzív alkatrészeknél nehezebb komponenseket hordoz, merevítőt igényel a megbízható hosszú távú teljesítményhez. Konkrétan:

• Minden csatlakozó (ZIF, FFC, board-to-board, wire-to-board)
• 0,1 g-nál nehezebb alkatrészek
• IC-k bármely SOT-23-nál nagyobb tokozásban
• Átmenőfuratú alkatrészek
• Sűrű SMD populációjú területek, amelyek merev „szigeteket" hoznak létre, és ismétlődő termikus ciklizálás alatt leválnak a rugalmas hordozóról

A részletes merevítő anyagkiválasztáshoz és tervezési szabályokhoz tekintse meg dedikált merevítő útmutatónkat.

Merevítő méretezési szabályok

Fedési szabályok:

• A merevítőnek minden oldalon legalább 2 mm-rel túl kell érni az alkatrész lábnyomán
• A merevítő szélének legalább 0,5 mm-rel (preferáltan 1,0 mm) át kell fednie a fedőlakkot
• A merevítő NEM érhet be a dinamikus flex-zónába
• ZIF csatlakozóknál: a merevítő vastagsága a teljes szerelvényt 0,30 mm ± 0,05 mm-re kell hogy hozza a helyes ZIF behelyezési erőhöz az IPC-2223 B. függeléke szerint

Pad és lábnyom tervezés rugalmas hordozóra

A rugalmas hordozók mozognak. Ez a mozgás mechanikai feszültséget visz át a forrasztási kötésekbe a pad-nyomvonal kapcsolódáson keresztül. A szabványos merev PCB pad-geometria, amelyet csak a termikus ciklusra terveztek, nem megfelelő rugalmas áramkörökhöz.

Csepp alakú padok (Teardrop)

A pad-nyomvonal kapcsolódásnál lévő csepp alakú pad-kiterjesztések növelik a keresztmetszetét a legmagasabb feszültség pontján. Ez csökkenti a feszültség koncentrációját és 30–60%-kal meghosszabbítja a fárasztóélettartamot a szabványos téglalap alakú padokhoz képest, az IPC-2223 fárasztó adatok alapján.

Alkalmazza a csepp alakú padokat az alkatrész-zóna minden SMD padjára — nem csak a flex-zóna határához közeli padokra. A rugalmas hordozók termikus ciklusok hatására elhajlanak a névlegesen statikus zónákban is.

Horgonypadok és feszültség-tehermentesítés

Csatlakozóknál és átmenőfuratú alkatrészeknél adjon hozzá horgony padokat (nem funkcionális réz padok a fedőlakkhoz ragasztva) a funkcionális padok mellé. Ezek a leválasztási erőt nagyobb felületen elosztják a fedőlakkon, megakadályozva a csatlakozó lábnyomának leválását a poliimid hordozóról.

Helyezzen horgony padokat a csatlakozó lábnyomok mind a négy sarkában, az alkatrész keep-out padjával megegyező méretekkel.

Via elhelyezés az alkatrész-zónákban

Az alkatrész-zónákban lévő átvezetékek gondos elhelyezést igényelnek:

• Soha ne helyezzen via-t SMD pad lábnyomok belsejébe (via-in-pad flexen forrasztó elvezető útvonalakat hoz létre)
• Tartsa a via-kat legalább 1 mm-re minden SMD pad szélétől
• A merevített szakaszokon a via-k merev PCB via-kként viselkednek — a standard szabályok érvényesek
• Nem merevített flex szakaszokon alkatrészekkel lehetőség szerint kerülje el a via-kat

A többrétegű flex PCB-k via tervezési szabályainak teljes leírásáért tekintse meg a többrétegű flex PCB tervezési útmutatót.

Alkatrészmagasság-korlátok

A nem merevített flex szakaszokon lévő alkatrészek magasságát mechanikai és szerelési megfontolások korlátozzák, nem csupán a távolságszabályok.

Magasság korlátok zónatípusonként

A nem merevített statikus zónakon lévő 0,5 mm-es korlát a rugalmas hordozó merevségének gyakorlati határát tükrözi. Egy 0,5 mm-nél magasabb alkatrész nem merevített flex szakaszon olyan emelőkart hoz létre, amely a kezelés során leemelheti az alkatrészt a hordozóról — még mielőtt a lap a végfelhasználóhoz jutna.

Tombstoning kockázata flexen

A tombstoning (chip-alkatrész egyik végének felemelkedése az újraolvasztás során egyenetlen felületi feszültség miatt) 2–3-szor valószínűbb rugalmas hordozókon, mint FR4-en. Az alapvető ok az egyenetlen fűtés: a vékony rugalmas hordozó gyorsabban melegszik fel, mint a merevítővel alátámasztott zónák, hőmérsékleti gradienst teremtve, amely a folyékonyodási fázisban egyensúlytalanná teszi a forraszanyag felületi feszültségét.

Megelőzés: A flex PCB szerelés során a gyártók ramp-soak-spike újraolvasztó profilokat alkalmaznak, amelyek egyenletes hőmérsékletet biztosítanak a flex lapon. Tervezési szinten győződjön meg arról, hogy az adott alkatrész bármely két padja ugyanazon a termikus zónán van — ne nyúljon 0402-es alkatrészzel merevítő szél fölé.

Csatlakozó elhelyezési szabályok

A csatlakozók a legmagasabb mechanikai igénybevételű alkatrészek bármely flex PCB-n. Külső mechanikai terheléseket (kábel csatlakoztatási/leválasztási ciklusok, párban lévő csatlakozóktól érkező oldalirányú erők) közvetlenül a rugalmas hordozóba visznek át.

ZIF és FFC csatlakozók esetén szükséges:

1. FR4 vagy rozsdamentes acél merevítő, amelynek mérete megfelel a csatlakozó lábnyomának + 2 mm ráhagyás minden oldalon
2. Merevítő vastagság, amely a szerelvényt a csatlakozó specifikációjára hozza (jellemzően 0,3 mm ± 0,05 mm)
3. Csatlakozó test a szomszédos flex szakasszal párhuzamosan tájolva — a ZIF csatlakozó merőleges irányú húzása a szomszédos flex nyomvonalakra káros csavarónyomatékot hoz létre
4. Legalább 8 mm egyenes (nem hajlított) flex hossz a csatlakozó lábnyom széle és az első hajlítási zóna között

Board-to-board és wire-to-board csatlakozók 5–15 N nagyságrendű rögzítési erőt adnak hozzá. Ezt az erőt a merevítőnek kell felvennie, nem a rugalmas hordozónak. Győződjön meg arról, hogy a merevítő teljes egészében lefedi a csatlakozó rögzítő elemeinek területét (nem csak a forrasztott tűket).

A csatlakozó-opciók és specifikációik teljes útmutatójáért tekintse meg a flex PCB csatlakozó típusok útmutatóját.

DFM ellenőrzési lista az elrendezés benyújtása előtt

Amikor benyújtja flex PCB-jét gyártásra, a DFM-felülvizsgálat minden elemet ellenőriz ebből a listából. Az önálló elvégzése megelőzhetően kiküszöböli a tervismétlések 90%-át.

Zóna és távolság ellenőrzések:

• Minden alkatrész a flex-zónán kívül van (egyetlen alkatrész-lábnyom sem fed át a hajtásos/hajlítási területtel)
• Az alkatrész hajlítási vonaltól való távolsága meghaladja a mátrix értékeit a hajlítási ciklus-követelménynek megfelelő oszlopban
• Nincsenek átmenőfuratú via-k a flex-zónában
• A fedőlakk-nyílások nem nyúlnak be a flex-zónába

Tájolás és pad ellenőrzések:

• Az SMD chip-alkatrészek hosszú tengellyel az elsődleges hajlítási tengelyre merőlegesen vannak tájolva
• Csepp alakú padok alkalmazva az alkatrész-zónák minden SMD padjára
• Horgony padok hozzáadva minden csatlakozó-lábnyomhoz
• Nincsenek via-k SMD padok alatt

Merevítő ellenőrzések:

• Merevítő meghatározva minden 0402-es passzívaknál nehezebb alkatrész-területre
• A merevítő minden alkatrész-lábnyomon 2 mm-rel túlnyúlik
• A ZIF/FFC csatlakozó merevítő vastagsága a gyártási rajzon meghatározva
• A merevítő nem nyúlik be a flex-zónába

Magasság és szerelés ellenőrzések:

• Nem merevített szakaszokon nincs 0,5 mm-nél magasabb alkatrész
• Egyetlen alkatrész sem nyúlik át merevítő széleken
• Az alkatrész-tájolások megegyeznek a pick-and-place iránnyal minden zónában

Tipikus alkatrész-elhelyezési hibák, amelyek terepi meghibásodásokat okoznak

1. hiba: Leválasztó kondenzátorok elhelyezése a flex-zónában. A leválasztó kondenzátorokat elhelyezési szokásból közel helyezik az IC-jeikhez. Flex PCB-ken az IC merevített zónában van, de a leválasztó kondenzátor lábnyoma a flex-zónába esik. Tolja beljebb az IC lábnyomot, vagy adjon hozzá egy kis merevítő szakaszt, amely lefedi mind az IC-t, mind a leválasztó kondenzátorokat.

2. hiba: Ugyanolyan pad-nyomvonal kapcsolódási geometria alkalmazása, mint a merev PCB könyvtárban. A standard PCB lábnyom-könyvtárak nem tartalmaznak csepp alakú kiterjesztéseket. Alkalmazza a cseppeket az egész lapra az elrendezés után — ne csak a problémás területekre — az EDA-eszköz utófeldolgozási funkciójával.

3. hiba: A merevítő méretének pontosan az alkatrészre szabása. Egy merevítő, amely pontosan egyezik egy csatlakozó lábnyomával, a szélein fog leválni. A 2 mm-es ráhagyási szabály azért létezik, mert a merevítő széleinél lévő fedőlakk-kötés a meghibásodási pont, nem a közép.

4. hiba: A csatlakozó csatlakoztatási irányának figyelmen kívül hagyása. Egy 90°-ban a flex irányára merőlegesen elhelyezett csatlakozó oldalirányú csavarónyomatékot kap csatlakoztatáskor. Ezt a nyomatékot teljes egészében a forrasztási kötések veszik fel, mivel a rugalmas hordozónak nincs oldalirányú merevsége. Tervezze át úgy, hogy a csatlakozó csatlakoztatási iránya a legközelebbi merevítő széllel összhangban legyen.

5. hiba: A statikus flex-zónák külön kezelést nem igénylőnek feltételezése. A „statikus" azt jelenti, hogy a lap összeszerelésnél egyszer hajlik össze, nem használat közben. De a szerelési műveletek feszültségciklusokat vezetnek be, a terepi termikus ciklizálás pedig további mozgást generál. Rugalmas hordozón lévő minden alkatrész-zóna profitál a csepp alakú padokból és a merevítő-alátámasztásból, függetlenül a hajlítási ciklusok számától.

Kulcsteljesítmény-mutatók a flex PCB alkatrész megbízhatóságához

Hivatkozások

1. PCB Component Placement Rules — Sierra Circuits
2. Flex Circuit Design Guide: Getting Started with Flexible Circuits — Altium
3. IPC-2223 Sectional Design Standard for Flexible Printed Boards
4. Surface-Mount Technology (SMT) — Wikipedia

Gyakran ismételt kérdések

Milyen messze kell lenniük az alkatrészeknek a flex PCB hajlítási zónáktól?

A távolság a hajlítási ciklusok számától függ. A 100 000 ciklust meghaladó dinamikus hajlításoknál a 0402-es passzívakat legalább 5 mm-re tartsa a hajlítási zóna szélétől; 0603-asokhoz és nagyobbakhoz minimum 6 mm. Statikus hajlításokhoz (összeszerelésnél egyszer összehajtva) kis passzíváknál 1,5–2 mm távolság elfogadható. A távolságok az alkatrész-lábnyom szélétől értendők, nem az alkatrész testétől.

Elhelyezhetek alkatrészeket egy flex PCB mindkét oldalán?

Igen, de további korlátozásokkal. A kétoldalas flex PCB-k mindkét alkatrész-felülethez merevítőt igényelnek, és a két merevítő nem hozhat létre egymással ellentétes merevséget, amely megakadályozza az irányított hajlítást. Lehetőség szerint helyezze a nehéz alkatrészeket (csatlakozók, IC-k) ugyanarra az oldalra. A másik oldalon korlátozza az alkatrészeket 0402-es vagy kisebb passzívákra, és tartsa ezeket az elsődleges oldali alkatrészekkel megegyező merevített zónában.

Milyen merevítő anyagot használjak az alkatrészek elhelyezéséhez flex PCB-n?

Az FR4 az általános alkatrész-támasz alapértelmezett választása — olcsó, könnyen gyártható, és jól tapad a poliimid fedőlakkhoz. Használjon poliimid merevítőket ott, ahol a teljes szerelvény vastagsága kemény korlát. Válasszon rozsdamentes acélt, ha a flex PCB-nek mechanikai terhelést kell átvállalnia (csavarfoglalatok, press-fit csatlakozók). Az alumínium merevítők kettős szerepet töltenek be termikus elosztóként a teljesítmény-alkatrészekhez.

A flex PCB-men van egy IC, amelyet hajtásvonal közelébe kell elhelyeznem — milyen lehetőségeim vannak?

Három lehetőség, preferencia sorrendben: (1) Tervezze át a flex PCB geometriáját, hogy a hajtásvonalat legalább 5 mm-rel távolabb vigye az IC lábnyomától. (2) Adjon hozzá egy helyi merevítőt, amely a hajtásvonal melletti területet merev zónává alakítja, és tolja el a tényleges hajtásvonalat az IC-től távolabb. (3) Használjon kisebb IC-tokozást a távolságkövetelmények csökkentésére. Soha ne feltételezze, hogy egy IC túlélhet egy dinamikus hajlítási zónát távolságtól függetlenül — az IC-ket SOT-23-nál nagyobb tokozásban semmilyen körülmények között nem szabad dinamikus flex-zónákba helyezni.

Vonatkoznak-e a flex PCB alkatrész-elhelyezési szabályok a rigid-flex PCB-kre is?

Igen, egy fontos kiegészítéssel: rigid-flex PCB-ken a merev szakaszok már alapvetően merevítve vannak, így a merev szakaszokon lévő alkatrészek a standard PCB-elhelyezési szabályokat követik. A flex-szakasz szabályai — távolság, tájolás, pad-geometria — teljes mértékben érvényesek a rigid-flex tervezés flex részére. A merev és rugalmas szakaszok közötti átmeneti zóna igényli a legtöbb figyelmet: tartson minden alkatrész-lábnyomot legalább 3 mm-re ettől a határvonaltól, és soha ne helyezzen alkatrészeket az átmeneti zónára.

ZIF csatlakozó flex PCB-re való elhelyezésekor milyen merevítő vastagság szükséges?

A ZIF csatlakozó specifikációi meghatározzák a szükséges teljes szerelvény-vastagságot a behelyezési ponton — jellemzően 0,30 mm ± 0,05 mm a standard FPC csatlakozókhoz. Számítsa ki a merevítő vastagságát: ZIF cél-vastagság mínusz rugalmas áramkör teljes vastagsága. Egy 0,10 mm-es rugalmas áramkörhöz 0,30 mm behelyezési zóna vastagságot célozva 0,20 mm-es merevítőre van szüksége. Használjon nyomásérzékeny ragasztóval rögzített FR4 vagy poliimid merevítőt standard alkalmazásokhoz, vagy epoxid ragasztót nagy megbízhatóságú környezetekhez. Ellenőrizze a cél-vastagságot az adott csatlakozó adatlapja alapján — a ZIF specifikációk gyártónként változnak.

Az első flex PCB-emet tervezem — mi a legfontosabb alkatrész-elhelyezési szabály?

Tartson minden alkatrészt a hajlítási zónán kívül a fenti Alkatrész-távolság mátrix távolságaival. Minden más — tájolás, pad-geometria, merevítők — másodlagos ehhez a szabályhoz képest. Ha a távolságokat helyesen valósítja meg, a DFM-felülvizsgálat kiszűri a többit. Ha egy alkatrész a hajlítási zónán belülre kerül, dinamikus alkalmazásban sem pad-optimalizálás, sem merevítő-megoldás nem tudja megmenteni. Először rajzolja meg a hajlítási zóna határait, majd helyezze el az alkatrészeket.