Руководство по размещению компонентов на гибких ПП: правила, зазоры и лучшие практики DFM

Партия из 500 гибких плат для носимых устройств поступила из монтажного производства с 18%-ным уровнем трещин в паяных соединениях — уже после 300 циклов изгиба при входном контроле. Коренная причина: конденсатор 0402, установленный в 1,5 мм внутри линии динамического изгиба. Тот же компонент, перенесённый на 4 мм за пределы линии изгиба при перепроектировании, выдержал 800 000 циклов без единого отказа. Перепроектирование обошлось в 3 200 долл. Переработка исходной партии — в 27 000 долл.

Размещение компонентов — это то место в проектировании гибких ПП, где решается вопрос об успехе или провале. Правила не сложны сами по себе, однако они принципиально отличаются от практики проектирования жёстких плат. Применение стандартной логики размещения для жёстких ПП к гибкой схеме даёт платы, которые безупречно работают на стенде и выходят из строя в эксплуатации.

Данное руководство охватывает все аспекты размещения компонентов для гибких ПП: требования к зазорам, правила ориентации, стратегию применения усилителей (стиффенеров), проектирование контактных площадок и контрольный перечень DFM, который производитель проверит до того, как загрузит плату в автомат поверхностного монтажа.

Правило двух зон

Каждый гибкий ПП — это схема с двумя различными областями, которые должны проектироваться по-разному. Их смешение приводит к отказам.

Зона 1 — зона компонентов: Области, в которых размещаются компоненты. Эти зоны требуют механической опоры (стиффенер или адгезивная подложка), плоских поверхностей и достаточной прочности контактных площадок для того, чтобы выдержать процесс пайки и термоциклирование. Зоны компонентов не должны изгибаться в процессе нормальной эксплуатации изделия.

Зона 2 — гибкая зона: Области, которые изгибаются или деформируются в процессе использования. Эти зоны должны быть свободны от компонентов, переходных отверстий (либо необходимо применять специальные конструкции переходных отверстий) и острых изломов проводников. Гибкая зона существует исключительно для передачи электрических сигналов через изгиб.

Правило двух зон просто: компоненты находятся в зоне 1, изгиб происходит в зоне 2, и эти две зоны никогда не перекрываются.

Большинство отказов гибких ПП восходит к нарушению этого правила — как правило, потому что инженер применил мышление проектировщика жёстких плат и рассматривал всю плату как равномерную поверхность для размещения компонентов.

«Самая дорогостоящая ошибка в гибких ПП, которую мне доводилось наблюдать, — это размещение компонентов в динамических зонах изгиба. В инструменте проектирования всё выглядит нормально. Прототип проходит испытания. А затем, на третьем месяце, начинаются возвраты из поля — когда потребители начинают использовать устройство именно так, как оно было задумано. Исправление всегда требует полного перепроектирования. Задайте границу между зоной 1 и зоной 2 в файле ограничений конструкции ещё до размещения первого компонента.»

— Хоммер Чжао, Технический директор, FlexiPCB

Зазоры компонентов относительно линий изгиба

Определение минимального зазора между компонентами и границей зоны изгиба является наиболее критичным размерным ограничением при проектировании гибких ПП. Эти зазоры должны учитывать допуски как при производстве гибкой подложки, так и в процессе монтажа.

Матрица зазоров компонентов

Зазоры отмеряются от края посадочного места компонента (не от корпуса компонента) до ближайшей границы зоны изгиба. При наличии сомнений следует выбирать более консервативный столбец — один неудачный цикл переработки обходится значительно дороже, чем 2 мм дополнительного зазора.

Стандарт IPC-2223 — отраслевой стандарт конструирования гибких печатных плат — требует, чтобы компоненты не размещались в зоне изгиба без механической опоры. Приведённые выше зазоры превышают минимальные значения IPC-2223, чтобы учесть реальные производственные отклонения и накопление усталости в высоконагруженных приложениях.

Почему зазоры увеличиваются с ростом числа циклов изгиба

Резистор 0402, установленный в 2 мм от линии статического изгиба, скорее всего, выдержит. Тот же 0402 в 2 мм от линии динамического изгиба при 50 000 циклах в год выйдет из строя — не сразу, но после накопления усталостных трещин, распространяющихся через паяное соединение. Сам припой — не слабое звено; им является термически затронутая зона на границе раздела площадка–проводник.

Для высоконагруженных применений (>100 000 циклов) требуются не только увеличенные зазоры, но и изменения геометрии контактных площадок. Подробнее см. раздел «Проектирование контактных площадок» ниже.

Ориентация компонентов относительно оси изгиба

Место размещения компонентов важно. Их ориентация — второй по значимости выбор.

Ось изгиба — это линия, вокруг которой гибкая схема изгибается. Напряжение концентрируется перпендикулярно оси изгиба — растягивающее на наружной поверхности, сжимающее на внутренней.

Правила ориентации

Для чип-резисторов и конденсаторов (0201–0805): Располагайте так, чтобы длинная ось компонента была перпендикулярна оси изгиба. Это помещает паяные соединения в точки концентрации напряжений, что может показаться нелогичным, однако является верным: паяные соединения, спроектированные по стандарту IPC-2223, лучше выдерживают нагрузку вдоль длинной оси, чем при боковом скручивании.

Для корпусов SOT и SOD: Ориентируйте так, чтобы два торцевых вывода располагались перпендикулярно оси изгиба. Это распределяет нагрузку между обоими выводами, а не концентрирует её на одном при асимметричном изгибе.

Для разъёмов: Разъёмы должны всегда устанавливаться на жёстких (усиленных стиффенером) секциях. Ориентация корпуса разъёма должна отводить подвижные части (фиксаторы, ZIF-механизмы) от направления основного изгиба.

Для несимметричных корпусов (SOIC, QFP): Такие компоненты не следует устанавливать в зонах с большим числом циклов изгиба. При необходимости размещения в зонах статического изгиба ориентируйте компонент длинной стороной перпендикулярно оси изгиба, чтобы минимизировать плечо рычага, передающего изгибающий момент в паяные соединения.

«Я проанализировал сотни топологий гибких ПП, в которых каждый зазор был соблюдён, но ориентация компонентов была неправильной. Конденсатор 0402, ориентированный длинной осью параллельно оси изгиба, передаёт изгибающий момент одновременно в оба паяных соединения. Это удваивает напряжение по сравнению с перпендикулярной ориентацией. IPC-2223 не требует конкретной ориентации — однако данные об отказах в эксплуатации однозначно указывают на её необходимость.»

— Хоммер Чжао, Технический директор, FlexiPCB

Стратегия размещения стиффенеров

Стиффенеры — это жёсткие несущие материалы, приклеиваемые к гибкой подложке под зонами размещения компонентов. Они превращают гибкую область в временно жёсткую поверхность для монтажа компонентов и защищают паяные соединения от прогиба подложки, ведущего к отказам.

Когда стиффенеры обязательны

Любая зона гибкого ПП с компонентами тяжелее пассивных 0402 требует стиффенера для обеспечения долгосрочной надёжности. В частности:

• Все разъёмы (ZIF, FFC, board-to-board, wire-to-board)
• Компоненты массой более 0,1 г
• ИС в любом корпусе крупнее SOT-23
• Компоненты со сквозными выводами
• Области с плотным расположением SMD-компонентов, создающих жёсткие «острова», которые при многократном термоциклировании могут отслаиваться от гибкой подложки

Подробные правила выбора материала и проектирования стиффенеров см. в нашем специализированном руководстве по стиффенерам.

Правила подбора размеров стиффенеров

Правила перекрытия:

• Стиффенер должен выступать не менее чем на 2 мм за пределы посадочного места компонента со всех сторон
• Края стиффенера должны перекрывать покровный слой не менее чем на 0,5 мм (предпочтительно 1,0 мм)
• Стиффенер НЕ должен заходить в динамическую гибкую зону
• Для ZIF-разъёмов: толщина стиффенера должна обеспечивать общую толщину сборки 0,30 мм ± 0,05 мм для правильного усилия введения ZIF согласно IPC-2223 Приложение B

Проектирование контактных площадок и посадочных мест для гибких подложек

Гибкие подложки деформируются. Это смещение передаёт механическое напряжение в паяные соединения через переход площадка–проводник. Стандартная геометрия контактных площадок жёстких ПП, рассчитанная исключительно на термоциклирование, не подходит для гибких схем.

Слезовидные (teardrop) площадки

Расширения площадок в форме капли (teardrop) в месте перехода площадка–проводник увеличивают площадь сечения в наиболее нагруженной точке. Это снижает концентрацию напряжений и продлевает срок службы при усталостном нагружении на 30–60% по сравнению со стандартными прямоугольными площадками — согласно данным по усталости IPC-2223.

Применяйте слезовидные площадки ко всем SMD-площадкам в зоне компонентов — не только к площадкам вблизи границы гибкой зоны. Гибкие подложки прогибаются при термоциклировании даже в номинально статических зонах.

Якорные площадки и разгрузка от напряжений

Для разъёмов и компонентов со сквозными выводами добавляйте якорные площадки (нефункциональные медные площадки, склеенные с покровным слоем) рядом с функциональными площадками. Они распределяют усилие отрыва по большей площади покровного слоя, предотвращая отслоение посадочного места разъёма от полиимидной подложки.

Размещайте якорные площадки во всех четырёх углах посадочных мест разъёмов; их размеры должны соответствовать запретной зоне (keep-out pad) компонента.

Размещение переходных отверстий в зонах компонентов

Переходные отверстия в зонах компонентов требуют тщательного размещения:

• Никогда не размещайте переходные отверстия внутри посадочных мест SMD-площадок (via-in-pad на гибкой плате создаёт пути утечки припоя)
• Выдерживайте расстояние не менее 1 мм от любого края SMD-площадки до переходного отверстия
• В укреплённых стиффенером секциях переходные отверстия ведут себя как в жёстких ПП — применяются стандартные правила
• В неподкреплённых гибких секциях с компонентами по возможности избегайте переходных отверстий полностью

Полные правила проектирования переходных отверстий в многослойных конструкциях см. в руководстве по проектированию многослойных гибких ПП.

Ограничения по высоте компонентов

Высота компонентов на неподкреплённых гибких секциях ограничена механическими и технологическими соображениями, а не только правилами зазоров.

Предельная высота по типу зоны

Ограничение в 0,5 мм для неподкреплённых статических зон отражает практический предел жёсткости гибкой подложки. Компонент высотой более 0,5 мм на неподкреплённой гибкой секции создаёт плечо рычага, способное оторвать его от подложки при транспортировке — ещё до того, как плата попадёт к конечному пользователю.

Риск опрокидывания на гибкой плате

Опрокидывание (tombstoning — когда один торец чип-компонента приподнимается при оплавлении из-за неравномерного поверхностного натяжения) на гибких подложках происходит в 2–3 раза чаще, чем на FR4. Первопричина — неравномерный нагрев: тонкая гибкая подложка нагревается быстрее, чем зоны, подкреплённые стиффенером, что создаёт температурный градиент, нарушающий баланс поверхностного натяжения припоя в фазе расплавления.

Меры противодействия: при монтаже гибких ПП производители используют профили оплавления с ступенчатым нагревом (ramp-soak-spike), выравнивающие температуру по всей плате. На уровне проектирования убеждайтесь, что оба вывода одного компонента находятся в одной тепловой зоне — никогда не располагайте 0402 на границе стиффенера.

Правила размещения разъёмов

Разъёмы — наиболее механически нагруженный компонент на любом гибком ПП. Они передают внешние механические нагрузки (циклы подключения/отключения кабелей, боковую нагрузку от сопряжённых разъёмов) непосредственно в гибкую подложку.

Разъёмы ZIF и FFC требуют:

1. Стиффенера из FR4 или нержавеющей стали, охватывающего посадочное место разъёма с запасом 2 мм со всех сторон
2. Толщины стиффенера, обеспечивающей соответствие сборки спецификации разъёма (как правило, 0,3 мм ± 0,05 мм)
3. Ориентации корпуса разъёма параллельно примыкающей гибкой секции — вытягивание ZIF-разъёма в направлении, перпендикулярном расположению гибких проводников, создаёт разрушительный крутящий момент
4. Не менее 8 мм прямолинейной (без изгибов) гибкой длины между краем посадочного места разъёма и первой зоной изгиба

Разъёмы board-to-board и wire-to-board обеспечивают усилие фиксации порядка 5–15 Н. Это усилие должно поглощаться стиффенером, а не гибкой подложкой. Убедитесь, что стиффенер перекрывает всю площадь фиксирующих элементов разъёма (а не только паяные выводы).

Полное руководство по типам разъёмов и их техническим характеристикам см. в руководстве по разъёмам для гибких ПП.

Контрольный перечень DFM перед подачей топологии

Когда вы передаёте гибкий ПП в производство, проверка DFM охватит каждый пункт этого перечня. Самостоятельная проверка позволяет устранить 90% предотвратимых итераций проектирования.

Проверки зон и зазоров:

• Все компоненты находятся за пределами гибкой зоны (ни одно посадочное место не перекрывает область изгиба)
• Зазор компонентов от линии изгиба превышает значения матрицы для заданного числа циклов
• Сквозные переходные отверстия отсутствуют в гибкой зоне
• Окна в покровном слое не заходят в гибкую зону

Проверки ориентации и площадок:

• SMD чип-компоненты ориентированы длинной осью перпендикулярно главной оси изгиба
• Слезовидные площадки применены ко всем SMD-площадкам в зонах компонентов
• Якорные площадки добавлены ко всем посадочным местам разъёмов
• Переходные отверстия под SMD-площадками отсутствуют

Проверки стиффенеров:

• Стиффенер указан для всех зон компонентов тяжелее пассивных 0402
• Стиффенер выступает на 2 мм за пределы всех посадочных мест компонентов
• Толщина стиффенера разъёма ZIF/FFC задана на чертеже изготовления
• Стиффенер не заходит в гибкую зону

Проверки высоты и монтажа:

• Компоненты высотой более 0,5 мм на неподкреплённых секциях отсутствуют
• Компоненты не пересекают края стиффенеров
• Ориентации компонентов соответствуют направлению захвата-установки для каждой зоны

Типичные ошибки размещения, приводящие к отказам в эксплуатации

Ошибка 1: Размещение блокировочных конденсаторов в гибкой зоне. Блокировочные конденсаторы по привычке размещают вблизи ИС. На гибких ПП ИС находится в зоне со стиффенером, тогда как посадочное место блокировочного конденсатора попадает в гибкую зону. Следует сдвинуть посадочное место ИС вглубь либо добавить небольшой стиффенер, перекрывающий и ИС, и блокировочные конденсаторы.

Ошибка 2: Использование той же геометрии перехода площадка–проводник, что и в библиотеке жёсткого ПП. Стандартные библиотеки посадочных мест не включают расширений типа teardrop. Следует применять teardrop-расширения ко всей плате после завершения разводки — а не только к проблемным участкам — используя функцию постобработки в инструменте EDA.

Ошибка 3: Подбор стиффенера точно под размер компонента. Стиффенер, точно совпадающий с посадочным местом разъёма, отслоится по краям. Правило запаса в 2 мм существует потому, что адгезия покровного слоя по краям стиффенера и является точкой отказа, а не его центр.

Ошибка 4: Игнорирование направления сочленения разъёма. Разъём, расположенный под углом 90° к направлению изгиба, при сочленении испытывает поперечный крутящий момент. Этот момент полностью воспринимается паяными соединениями, поскольку гибкая подложка не обладает поперечной жёсткостью. Необходимо перепроектировать узел так, чтобы направление сочленения разъёма совпадало с ближайшим краем стиффенера.

Ошибка 5: Допущение о том, что статические гибкие зоны не требуют особого обращения. «Статический» означает, что плата сгибается один раз при сборке, а не в процессе эксплуатации. Однако монтажные операции вносят циклы нагружения, а термоциклирование в эксплуатации создаёт дополнительные перемещения. Любая зона компонентов на гибкой подложке выигрывает от применения slезовидных площадок и стиффенеров — независимо от числа циклов изгиба.

Ключевые показатели надёжности компонентов в гибких ПП

Ссылки

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

Часто задаваемые вопросы

На каком расстоянии должны находиться компоненты от зон изгиба гибких ПП?

Зазор определяется числом циклов изгиба. Для динамических изгибов, превышающих 100 000 циклов, выдерживайте расстояние не менее 5 мм от края зоны изгиба для пассивных 0402; для 0603 и более крупных — минимум 6 мм. Для статических изгибов (однократный изгиб при сборке) зазор 1,5–2 мм приемлем для малых пассивных компонентов. Расстояния отмеряются от края посадочного места компонента, а не от его корпуса.

Можно ли размещать компоненты с обеих сторон гибкого ПП?

Да, однако с дополнительными ограничениями. Двусторонние гибкие ПП требуют стиффенеров для обеих поверхностей, причём два стиффенера не должны создавать встречную жёсткость, препятствующую контролируемому изгибу. По возможности размещайте тяжёлые компоненты (разъёмы, ИС) на одной стороне. На обратной стороне ограничивайтесь пассивными компонентами размера 0402 или меньше, расположенными в той же зоне со стиффенером, что и компоненты основной стороны.

Какой материал стиффенера использовать для размещения компонентов на гибких ПП?

FR4 является стандартным выбором для общей опоры компонентов — доступный, технологичный, хорошо сцепляется с полиимидным покровным слоем. Полиимидные стиффенеры применяются при жёстком ограничении суммарной толщины сборки. Нержавеющую сталь выбирают, когда гибкий ПП должен воспринимать механические нагрузки (резьбовые вставки, разъёмы типа press-fit). Алюминиевые стиффенеры выполняют двойную функцию — теплоотвод для силовых компонентов.

В моём гибком ПП есть ИС, которую нужно разместить вблизи линии изгиба — каковы варианты решения?

Три варианта в порядке предпочтения: (1) Перепроектировать геометрию гибкого ПП так, чтобы линия изгиба отстояла от посадочного места ИС не менее чем на 5 мм. (2) Добавить локальный стиффенер, преобразующий область вблизи изгиба в жёсткую зону, и перенести фактическую линию изгиба дальше от ИС. (3) Применить корпус ИС меньшего размера для снижения требований к зазорам. Никогда не рассчитывайте на то, что ИС выдержит динамическую зону изгиба вне зависимости от зазора — ИС в корпусах крупнее SOT-23 не должны находиться в динамических гибких зонах ни при каких обстоятельствах.

Применяются ли правила размещения компонентов для гибких ПП к жёстко-гибким ПП?

Да, с одним важным дополнением: на жёстко-гибких ПП жёсткие секции уже имеют встроенную жёсткость, поэтому компоненты на жёстких секциях следуют стандартным правилам размещения. Правила гибкой секции — зазоры, ориентация, геометрия площадок — в полной мере применяются к гибкой части жёстко-гибкого ПП. Переходная зона между жёсткой и гибкой секциями требует наибольшего внимания: выдерживайте все посадочные места компонентов не менее чем в 3 мм от этой границы и никогда не размещайте компоненты непосредственно в переходной зоне.

При размещении ZIF-разъёма на гибком ПП — какая толщина стиффенера требуется?

Спецификации ZIF-разъёма задают требуемую суммарную толщину сборки в точке введения — как правило, 0,30 мм ± 0,05 мм для стандартных FPC-разъёмов. Толщина стиффенера рассчитывается как: целевая толщина ZIF минус суммарная толщина гибкой схемы. Для гибкой схемы толщиной 0,10 мм при целевой толщине зоны введения 0,30 мм потребуется стиффенер 0,20 мм. Для стандартных применений используйте стиффенер из FR4 или полиимида на самоклеящейся основе; для условий повышенной надёжности — на эпоксидном клее. Обязательно проверяйте целевую толщину по документации конкретного разъёма — спецификации ZIF различаются у разных производителей.

Я проектирую свой первый гибкий ПП — какое самое важное правило размещения компонентов?

Располагайте все компоненты за пределами зоны изгиба с зазорами из матрицы зазоров компонентов. Всё остальное — ориентация, геометрия площадок, стиффенеры — второстепенно относительно этого правила. Если зазоры соблюдены, проверка DFM выявит остальное. Если компонент окажется внутри зоны изгиба, никакая оптимизация площадок или проектирование стиффенеров не спасут его в динамическом применении. Сначала нанесите границы зоны изгиба, и лишь затем размещайте компоненты.