แนวทางการออกแบบ Flex PCB: 10 กฎที่วิศวกรทุกคนต้องปฏิบัติตาม

การออกแบบ Flex PCB ไม่เหมือนกับการออกแบบบอร์ดแข็งที่สามารถดัดงอได้ วิศวกรที่มองว่าวงจรแบบยืดหยุ่นเป็น "บอร์ดแข็งที่ดัดงอได้" มักเผชิญกับปัญหาสายแตก, การแยกชั้น, และต้นแบบที่ล้มเหลว งานวิจัยพบว่า 78% ของความล้มเหลวของ Flex PCB สามารถสืบย้อนไปถึงการละเมิดกฎรัศมีการดัดงอเพียงอย่างเดียว

คู่มือนี้ครอบคลุม 10 กฎการออกแบบที่แยกวงจรแบบยืดหยุ่นที่เชื่อถือได้ออกจากความล้มเหลวที่มีราคาแพง ไม่ว่าคุณจะออกแบบ Flex PCB ครั้งแรกหรือปรับปรุงการออกแบบสำหรับการผลิต กฎเหล่านี้จะช่วยประหยัดเวลา เงิน และรอบการออกแบบใหม่

ทำไมการออกแบบ Flex PCB จึงต้องใช้กฎที่แตกต่าง

Flex PCB ใช้วัสดุพื้นฐานโพลีอิไมด์แทน FR-4, ทองแดงอบอ่อนแบบรีดแทนทองแดงชุบไฟฟ้า, และคัฟเวอร์เลย์แทนโซลเดอร์มาสก์ วัสดุแต่ละชนิดมีพฤติกรรมที่แตกต่างกันภายใต้ความเครียด, อุณหภูมิ, และการดัดงอซ้ำๆ

ตลาดแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นทั่วโลกคาดว่าจะเติบโตถึง $45.42 พันล้านดอลลาร์ภายในปี 2030 ที่อัตรา CAGR 10% เมื่อวงจรแบบยืดหยุ่นเคลื่อนที่เข้าสู่อุปกรณ์สวมใส่ได้, ยานยนต์, อุปกรณ์ทางการแพทย์, และอิเล็กทรอนิกส์พับได้ การออกแบบที่ถูกต้องตั้งแต่ครั้งแรกจึงมีความสำคัญมากกว่าที่เคย

"ความผิดพลาดที่ใหญ่ที่สุดที่ฉันเห็นจากนักออกแบบ flex ครั้งแรกคือการนำกฎการออกแบบ Rigid PCB มาใช้กับวงจรแบบยืดหยุ่น Flex PCB ต้องการแนวทางที่แตกต่างโดยพื้นฐาน — ตั้งแต่การเลือกวัสดุไปจนถึงการกำหนดเส้นทางสายไปจนถึงการวางรูเจาะ หากพลาดกฎใดกฎหนึ่ง คุณจะเห็นความล้มเหลวภายในสัปดาห์ ไม่ใช่ปี"

— Hommer Zhao, ผู้อำนวยการวิศวกรรมที่ FlexiPCB

กฎที่ 1: เคารพรัศมีการดัดงอขั้นต่ำ

รัศมีการดัดงอเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในการออกแบบ Flex PCB การละเมิดจะทำให้เกิดความล้าของทองแดง, การแตกร้าว, และความล้มเหลวของสาย — มักเกิดขึ้นหลังจากรอบการดัดงอเพียงไม่กี่ร้อยครั้ง

IPC-2223 กำหนดรัศมีการดัดงอขั้นต่ำตามจำนวนชั้น:

สำหรับ Flex PCB 2 ชั้นทั่วไปที่มีความหนารวม 0.2 mm รัศมีการดัดงอแบบคงที่ขั้นต่ำคือ 2.4 mm และรัศมีการดัดงอแบบไดนามิกขั้นต่ำคือ 8–10 mm

แนวปฏิบัติที่ดีที่สุด: เพิ่มระยะความปลอดภัย 20% เกินค่าขั้นต่ำของ IPC หากค่าขั้นต่ำที่คำนวณได้คือ 2.4 mm ให้ออกแบบสำหรับ 3.0 mm สิ่งนี้จะพิจารณาความคลาดเคลื่อนในการผลิตและความแปรปรวนของวัสดุ

กฎที่ 2: เลือกทองแดงที่เหมาะสม — RA vs. ED

การเลือกทองแดงมีผลโดยตรงต่อจำนวนรอบการดัดงอที่ Flex PCB ของคุณสามารถอยู่รอดได้

ทองแดงรีดอบอ่อน (RA) มีโครงสร้างเกรนที่ยาวซึ่งต้านทานความล้าระหว่างการดัดงอซ้ำๆ สามารถรับมือกับรอบการดัดงอมากกว่า 100,000 ครั้งในการใช้งานแบบไดนามิก

ทองแดงชุบไฟฟ้า (ED) มีโครงสร้างเกรนแบบเสาที่แตกหักได้ง่ายกว่าภายใต้ความเครียด เหมาะสำหรับการใช้งานแบบคงที่ (น้อยกว่า 100 ครั้งในช่วงอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์) แต่จะล้มเหลวในการใช้งานแบบไดนามิก

ระบุทองแดง RA เสมอสำหรับส่วนใดๆ ที่จะดัดงอระหว่างอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ สำหรับการออกแบบ rigid-flex ทองแดง ED ในส่วนแข็งนั้นยอมรับได้

กฎที่ 3: กำหนดเส้นทางสายตั้งฉากกับแกนการดัดงอ

วิธีที่คุณกำหนดเส้นทางสายผ่านโซนการดัดงอจะกำหนดว่าพวกมันจะอยู่รอดหรือแตก สายที่วิ่งขนานกับแกนการดัดงอจะประสบกับความเครียดแรงดึงสูงสุดที่พื้นผิวด้านนอกและความเครียดแรงอัดที่พื้นผิวด้านใน สายที่วิ่งตั้งฉากจะกระจายความเครียดอย่างสม่ำเสมอ

กฎการกำหนดเส้นทางหลักสำหรับโซน flex:

• กำหนดเส้นทางสายที่ 90° ต่อเส้นพับ (ตั้งฉากกับแกนการดัดงอ)
• ห้ามใช้มุม 90° แหลม — ใช้ส่วนโค้งหรือมุม 45°
• กระจายสายบนชั้นตรงกันข้าม — อย่าซ้อนทับกันโดยตรง
• ใช้สายที่กว้างกว่าในโซนการดัดงอ (แนะนำขั้นต่ำ 8 mils)
• รักษาระยะห่างของสายให้เท่ากันผ่านพื้นที่การดัดงอ

การซ้อนสายบนด้านตรงกันข้ามของชั้น flex จะสร้าง เอฟเฟกต์คานรูปตัวไอ ที่ทำให้โซนการดัดงอแข็งขึ้น การชดเชยสายครึ่งหนึ่งของระยะห่างสายจะขจัดปัญหานี้

"การกำหนดเส้นทางสายขนานกับการดัดงอเป็นความผิดพลาดที่พบบ่อยเป็นอันดับสองหลังจากการละเมิดรัศมีการดัดงอ ฉันเคยเห็นการออกแบบที่สายวิ่งที่มุม 45° ต่อการดัดงอ — ซึ่งดูเหมือนเป็นการประนีประนอมที่สมเหตุสมผล — แต่แม้แต่สิ่งนั้นก็เพิ่มความเสี่ยงของความล้มเหลวอย่างมีนัยสำคัญ กำหนดเส้นทางตั้งฉากเสมอ"

— Hommer Zhao, ผู้อำนวยการวิศวกรรมที่ FlexiPCB

กฎที่ 4: ใช้ Copper Pours แบบ Hatched ไม่ใช่แบบเต็ม

ระนาบทองแดงแบบเต็มในโซน flex สร้างส่วนแข็งที่ต้านทานการดัดงอ สิ่งนี้จะรวมความเครียดไว้ที่ขอบเขตระหว่าง copper pour และพื้นที่ flex ทำให้เกิดการแตกและการแยกชั้น

Copper pours แบบ hatched (crosshatched) รักษาการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าในขณะที่รักษาความยืดหยุ่น รูปแบบ hatch ทั่วไปใช้ความกว้างสาย 10–15 mil ด้วยช่องเปิด 20–30 mil ให้ความครอบคลุมทองแดงประมาณ 40–60%

สำหรับเส้นทางกลับกราวด์ ระนาบกราวด์แบบ hatched ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่รักษาข้อกำหนดรัศมีการดัดงอ หากต้องการควบคุมอิมพีแดนซ์ ทำงานกับผู้ผลิตของคุณเพื่อสร้างแบบจำลองอิมพีแดนซ์ด้วยรูปแบบ hatched — ระนาบแบบเต็มไม่ใช่ตัวเลือกในโซน flex แบบไดนามิก

กฎที่ 5: เก็บรูเจาะและแผ่นรองให้พ้นจากโซนการดัดงอ

รูเจาะสร้างจุดยึดแข็งที่จำกัดการเสียรูปของวัสดุตามธรรมชาติ เมื่อวัสดุ flex โดยรอบดัดงอ ความเครียดจะรวมตัวที่ตัวรูเจาะ ทำให้เกิดการแยกชั้น, การแตกของตัวรู, หรือการหลุดของแผ่นรอง

กฎการวางรูเจาะ:

• ไม่มีรูเจาะภายใน 20 mils ของพื้นที่การดัดงอใดๆ
• ไม่มีรูทะลุชุบภายใน 30 mils ของการเปลี่ยน rigid-to-flex
• รักษาระยะห่าง 50 mil ระหว่างรูเจาะและขอบของ stiffener
• ใช้การเปลี่ยนแผ่นรองรูปหยดน้ำเพื่อลดการรวมตัวของความเครียด
• ลบแผ่นรองที่ไม่ทำงานบนชั้น flex
• วงแหวนรอบนอกขั้นต่ำ 8 mils สำหรับ Flex PCB

หากการออกแบบของคุณต้องการรูเจาะใกล้โซน flex พิจารณารูเจาะแบบตาบอดหรือรูฝังที่ไม่ผ่านทุกชั้น สิ่งนี้จะลดเอฟเฟกต์จุดยึดแข็ง

กฎที่ 6: เลือก Coverlay แทนโซลเดอร์มาสก์ในพื้นที่ Flex

โซลเดอร์มาสก์แบบถ่ายภาพด้วยของเหลว (LPI) มาตรฐานนั้นเปราะ มันแตกและหลุดลอกเมื่อดัดงอ ทำให้สายสัมผัสกับความเสียหายจากสิ่งแวดล้อมและอาจเกิดการลัดวงจร

Coverlay เป็นฟิล์มโพลีอิไมด์ที่ตัดไว้แล้วซึ่งเคลือบด้วยกาว มันยืดหยุ่น, ทนทาน, และรักษาการป้องกันผ่านรอบการดัดงอหลายล้านครั้ง

สำหรับการออกแบบ rigid-flex ใช้โซลเดอร์มาสก์ LPI บนส่วนแข็ง (ที่คุณต้องการช่องเปิดชิ้นส่วนระยะห่างละเอียด) และ coverlay บนส่วน flex โซนการเปลี่ยนระหว่างโซลเดอร์มาสก์และ coverlay ต้องอยู่ในพื้นที่ไม่ใช่การดัดงอ

กฎที่ 7: เพิ่ม Stiffeners ที่ชิ้นส่วนพบกับ Flex

Stiffeners ให้การรองรับทางกลสำหรับการติดตั้งชิ้นส่วน, การต่อเชื่อมต่อ, และการจัดการระหว่างการประกอบ หากไม่มี stiffeners จุดต่อบัดกรีจะดัดงอภายใต้น้ำหนักของชิ้นส่วนและการสั่นสะเทือน ทำให้เกิดความล้มเหลวจากความล้า

วัสดุ stiffener ทั่วไป:

• Polyimide (PI): ความหนา 3–10 mil, สำหรับการรองรับปานกลาง
• FR-4: ความหนา 20–62 mil, สำหรับพื้นที่ติดตั้งชิ้นส่วน
• สเตนเลสสตีล: ความแข็งแรงสูง, การป้องกัน EMI, การระบายความร้อน
• อลูมิเนียม: น้ำหนักเบา, การจัดการความร้อน

กฎการวาง: ขอบ stiffener ต้องทับซ้อน coverlay อย่างน้อย 30 mils สำหรับเชื่อมต่อ ZIF stiffener ต้องสร้างความหนา flex รวมถึง 0.012" ± 0.002" (0.30 mm ± 0.05 mm) สำหรับแรงการใส่ที่เหมาะสม

อย่าวางขอบ stiffener ภายในหรือติดกับโซนการดัดงอโดยตรง — มันสร้างจุดรวมความเครียดที่เร่งการแตกของสาย

กฎที่ 8: ออกแบบ Stack-Ups สำหรับแกนกลาง

ในการออกแบบ flex หลายชั้นหรือ rigid-flex แกนกลางคือระนาบที่การดัดงอสร้างความเครียดเป็นศูนย์ ชั้นที่แกนกลางประสบกับความเครียดน้อยที่สุดระหว่างการดัดงอ

หลักการ stack-up:

• วางชั้น flex ที่ตรงกลางของ stack-up (แกนกลาง)
• รักษาการสร้างชั้นแบบสมมาตรเหนือและใต้แกนกลาง
• เก็บส่วน flex ไว้ที่ 1–2 ชั้นเมื่อเป็นไปได้ — แต่ละชั้นเพิ่มเติมจะลดความยืดหยุ่น
• สำหรับ rigid-flex ส่วนแข็งทั้งหมดต้องใช้จำนวนชั้นเดียวกัน

ที่การเปลี่ยน rigid-to-flex ใส่ ลูกปัดอีพ็อกซี ตามแนวรอยต่อเพื่อป้องกันปัญหา "ขอบมีด" — ที่ prepreg แข็งเจาะเข้าไปในชั้น flex และตัดสายระหว่างการดัดงอ

"การออกแบบ stack-up เป็นที่ที่ต้นทุน Flex PCB ชนะหรือแพ้ ทุกชั้นที่ไม่จำเป็นในโซน flex เพิ่มต้นทุนวัสดุ, ลดความยืดหยุ่น, และทำให้ข้อกำหนดรัศมีการดัดงอของคุณแน่นขึ้น ฉันบอกลูกค้าของฉัน: ออกแบบส่วนแข็งด้วยชั้นมากเท่าที่คุณต้องการ แต่เก็บโซน flex ให้น้อยที่สุด"

— Hommer Zhao, ผู้อำนวยการวิศวกรรมที่ FlexiPCB

กฎที่ 9: ตรวจสอบการออกแบบความร้อนตั้งแต่เนิ่นๆ

โพลีอิไมด์เป็นฉนวนความร้อนที่มีการนำความร้อนเพียง 0.1–0.4 W/m·K — ประมาณ ต่ำกว่าทองแดง 1,000 เท่า ชิ้นส่วนที่สร้างความร้อนบนวงจร flex ไม่สามารถพึ่งพาพื้นผิวสำหรับการกระจายความร้อนได้

กลยุทธ์การจัดการความร้อน:

• ใช้ชั้นทองแดงที่หนากว่า (2 oz แทน 1 oz) เพื่อการกระจายความร้อนที่ดีขึ้น
• เพิ่มรูเจาะความร้อนใต้ชิ้นส่วนร้อนเพื่อถ่ายโอนความร้อนไปยังทองแดงชั้นในหรือด้านตรงกันข้าม
• ติดวงจร flex กับแชสซีโลหะหรือตัวเครื่องโดยใช้กาวนำความร้อน
• กระจายชิ้นส่วนที่สร้างความร้อนอย่างสม่ำเสมอ — หลีกเลี่ยงการรวมกลุ่มในส่วนเดียว
• เก็บชิ้นส่วนกำลังสูงไว้ในส่วนแข็งเมื่อเป็นไปได้

สำหรับการใช้งานที่ประสิทธิภาพความร้อนมีความสำคัญ (ไดรเวอร์ LED, ตัวแปลงกำลัง, ECU ยานยนต์) พิจารณา Flex PCB แกนโลหะ หรือการออกแบบ rigid-flex แบบผสมที่วางชิ้นส่วนความร้อนบนส่วนแข็งที่รองด้วยอลูมิเนียม

กฎที่ 10: ติดต่อผู้ผลิตของคุณก่อนกำหนดเส้นทาง

ผู้ผลิต Flex PCB แต่ละรายมีความสามารถ, สินค้าคงคลังวัสดุ, และข้อจำกัดของกระบวนการที่แตกต่างกัน การออกแบบอย่างโดดเดี่ยวและส่งการออกแบบที่เสร็จสมบูรณ์เพื่อขอใบเสนอราคาเป็นแนวทางที่มีราคาแพงที่สุด

ส่งให้ผู้ผลิตของคุณก่อนกำหนดเส้นทาง:

• Stack-up เบื้องต้นพร้อมจำนวนชั้น, น้ำหนักทองแดง, และการระบุวัสดุ
• ข้อกำหนดรัศมีการดัดงอและการจำแนกแบบไดนามิก vs. คงที่
• ข้อกำหนดการควบคุมอิมพีแดนซ์ (ถ้ามี)
• ตำแหน่ง stiffener และความชอบวัสดุ
• เป้าหมายการใช้แผงสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพต้นทุน

ผู้ผลิตของคุณสามารถตั้งค่าสถานะปัญหาการออกแบบตั้งแต่เนิ่นๆ แนะนำทางเลือกที่ประหยัดต้นทุน และยืนยันว่าความสามารถของกระบวนการของพวกเขาตรงกับข้อกำหนดการออกแบบของคุณ ขั้นตอนเดียวนี้จะขจัดรอบการออกแบบใหม่ส่วนใหญ่

รายการตรวจสอบ DFM ก่อนปล่อย:

• รัศมีการดัดงอทั้งหมดตรวจสอบกับค่าขั้นต่ำ IPC-2223 (พร้อมระยะขอบ 20%)
• ไม่มีรูเจาะ, แผ่นรอง, หรือชิ้นส่วนในโซนการดัดงอ
• สายกำหนดเส้นทางตั้งฉากกับแกนการดัดงอ
• Copper pours แบบ hatched ในโซน flex (ไม่มีแบบเต็ม)
• Coverlay ระบุสำหรับพื้นที่ flex ทั้งหมด
• ตำแหน่ง stiffener บันทึกพร้อมมิติการทับซ้อน
• ทองแดง RA ระบุสำหรับพื้นที่ flex แบบไดนามิก
• ตรวจสอบความสมมาตร stack-up
• ภาพวาดการผลิตรวมตำแหน่งการดัดงอทั้งหมด, รัศมี, และการระบุวัสดุ

มาตรฐานหลักสำหรับการออกแบบ Flex PCB

สำหรับการใช้งาน flex แบบไดนามิก IPC-6013 กำหนดให้วงจรต้องอยู่รอดรอบการดัดงออย่างน้อย 100,000 ครั้งที่รัศมีการดัดงอที่กำหนดโดยไม่มีวงจรเปิดหรือการเปลี่ยนแปลงความต้านทานเกิน 10%

คำถามที่พบบ่อย

รัศมีการดัดงอขั้นต่ำสำหรับ Flex PCB 2 ชั้นคืออะไร?

สำหรับ Flex PCB 2 ชั้น รัศมีการดัดงอแบบคงที่ขั้นต่ำคือ 12x ความหนาวงจรรวมตาม IPC-2223 สำหรับการใช้งานแบบไดนามิก (การดัดงอซ้ำ) ใช้ 40–50x ความหนา สำหรับวงจรหนา 0.2 mm นั่นหมายถึง 2.4 mm แบบคงที่และ 8–10 mm แบบไดนามิก

ฉันสามารถใช้โซลเดอร์มาสก์มาตรฐานบน Flex PCB ได้หรือไม่?

เฉพาะบนส่วนแข็งหรือพื้นที่ที่จะไม่ดัดงอเลย โซลเดอร์มาสก์ LPI มาตรฐานแตกเมื่อดัดงอ ใช้ polyimide coverlay สำหรับโซน flex ทั้งหมด การเปลี่ยนระหว่างโซลเดอร์มาสก์และ coverlay ต้องอยู่ในพื้นที่ไม่ใช่การดัดงอ

ฉันจะลดต้นทุน Flex PCB โดยไม่เสียสละความน่าเชื่อถือได้อย่างไร?

ลดจำนวนชั้นในโซน flex, ใช้แลมิเนตที่มีกาวแทนแบบไม่มีกาวที่ข้อกำหนดความร้อนอนุญาต, เพิ่มประสิทธิภาพการใช้แผงกับผู้ผลิตของคุณ, และรวมโซน flex ที่เป็นไปได้ การเลือกวัสดุและจำนวนชั้นเป็นตัวขับเคลื่อนต้นทุนที่ใหญ่ที่สุดสองตัว สำหรับรายละเอียดราคาเพิ่มเติม ดูที่ คู่มือต้นทุน flex PCB ของเรา

ฉันควรใช้ทองแดง RA หรือ ED สำหรับ Flex PCB ของฉัน?

ใช้ทองแดงรีดอบอ่อน (RA) สำหรับส่วนใดๆ ที่ดัดงอระหว่างอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ (flex แบบไดนามิก) ทองแดงชุบไฟฟ้า (ED) ยอมรับได้สำหรับการใช้งานแบบคงที่ที่ส่วน flex ดัดงอครั้งเดียวระหว่างการติดตั้งและไม่เคลื่อนที่อีก

ความแตกต่างระหว่าง static flex และ dynamic flex คืออะไร?

วงจร Static flex ดัดงอระหว่างการติดตั้งและยังคงอยู่ในตำแหน่งนั้นตลอดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ (น้อยกว่า 100 รอบการดัดงอรวม) วงจร Dynamic flex ดัดงอซ้ำๆ ระหว่างการทำงานปกติ — บานพับโทรศัพท์พับได้, แอสเซมบลีหัวพิมพ์, และแขนหุ่นยนต์เป็นตัวอย่าง Dynamic flex ต้องการทองแดง RA, รัศมีการดัดงอที่กว้างกว่า, และกฎการออกแบบที่อนุรักษ์นิยมมากขึ้น

ฉันจะออกแบบ Flex PCB ใน KiCad หรือ Altium ได้อย่างไร?

Altium Designer มีโหมดการออกแบบ rigid-flex เฉพาะพร้อมการจำลองการดัดงอ 3D KiCad รองรับ flex ผ่านการกำหนดค่า stack-up ชั้นแต่ขาดเวิร์กโฟลว์ rigid-flex เฉพาะ ในทั้งสองเครื่องมือ ตั้งค่ากฎการออกแบบเฉพาะสำหรับ flex (รัศมีการดัดงอขั้นต่ำ, ข้อจำกัดความกว้างของสาย, โซนหลีกเลี่ยงรูเจาะ) และตรวจสอบด้วยการแสดงภาพ 3D ก่อนส่งไปผลิต

อ้างอิง

1. IPC-2223E, "Sectional Design Standard for Flexible Printed Boards," IPC — Association Connecting Electronics Industries
2. Flexible Printed Circuit Board Market Report, I-Connect007
3. Flex Circuit Design Rules, Cadence PCB Design Resources
4. Getting Started with Flexible Circuits, Altium Resources
5. Why Heat Dissipation Is Important in Flex PCB Design, Epectec Blog

---

ต้องการความช่วยเหลือในการออกแบบ Flex PCB ของคุณหรือไม่? รับการตรวจสอบการออกแบบและใบเสนอราคาฟรี จากทีมวิศวกรรมของเรา เราตรวจสอบไฟล์การออกแบบของคุณ ตั้งค่าสถานะปัญหาที่อาจเกิดขึ้น และให้คำแนะนำ DFM ก่อนการผลิต