คู่มือการออกแบบกฎสำหรับโซนเปลี่ยนผ่าน Rigid-Flex

PCB แบบ rigid-flex มักไม่ค่อยพังในบริเวณตรงกลางของพื้นที่คงที่แข็งแรง มันมักจะพังในจุดที่การก่อสร้างเปลี่ยนจากแข็งเป็นยืดหยุ่น และทีมออกแบบคิดว่าเส้นขอบทางกลไกเป็นแค่รายละเอียดบนแบบภาพวาด ในการผลิต เส้นขอบนั้นคือจุดรวมความเค้น สภาพเรขาคณิตของทองแดงเปลี่ยนแปลง ระบบกาวเปลี่ยนแปลง ความหนาเปลี่ยนแปลง และภาระต่างๆ จากการประกอบมักสะสมอยู่ในระยะไม่กี่มิลลิเมตรเดียวกัน นั่นคือเหตุผลที่โซนเปลี่ยนผ่านสมควรได้รับการทบทวนการออกแบบเป็นพิเศษ ถ้าคุณวางจุดโค้งงอใกล้ขอบแข็งเกินไป เดินทองแดงเป็นเส้นตรงผ่านขั้นการเปลี่ยนแปลงที่คม หรือยึดคอนเน็กเตอร์ไว้ในพื้นที่ทางเข้า flex บอร์ดอาจผ่านการทดสอบไฟฟ้าผ่าน แต่ยังคงแตกหลังการประกอบ การทดสอบการตก หรือการใช้งานจริง บทเรียนเดียวกันนี้พบในพฤติกรรมของวัสดุ polyimide กลศาสตร์ fatigue และในการทบทวน DFM ของ flex ทุกครั้งที่ดี

คู่มือนี้จะอธิบายวิธีการออกแบบโซนเปลี่ยนผ่าน rigid-flex ที่ทนต่อกระบวนการผลิต การประกอบ และอายุการใช้งาน หากคุณต้องการบริบทที่กว้างขึ้น ยังสามารถศึกษาเพิ่มเติมได้ที่คู่มือ ระยะโค้งงอ, การซ้อนชั้นหลายชั้น, และ การออกแบบสติฟเฟนเนอร์.

ทำไมโซนเปลี่ยนผ่านจึงเป็นพื้นที่เสี่ยงสูงสุด

ขอบเขตระหว่างแข็งกับอ่อนคือจุดที่บอร์ดหยุดทำงานแบบ PCB แข็งและเริ่มทำตัวเหมือนสปริงลามิเนต การเปลี่ยนแปลงนั้นฟังดูเรียบง่าย แต่มีแหล่งความเค้นหลายแหล่งที่เป็นอิสระต่อกันซ้อนทับอยู่ ณ จุดนั้น:

• ส่วน flex ต้องการเคลื่อนไหวในขณะที่ส่วนแข็งต้านการเคลื่อนไหว
• รอยทองแดงประสบความเครียดเฉพาะที่ในจุดที่ความหนาและความแข็งเปลี่ยนแปลง
• กาว, ฝาปิด (coverlay), พรีเพรก, และโพลีอิไมด์ขยายตัวแตกต่างกันตามความร้อนและการเคลื่อนที่
• ชิ้นส่วน SMT, สติฟเฟนเนอร์, หรือคอนเน็กเตอร์มักเพิ่มมวลเฉพาะที่ใกล้ขอบเดียวกัน
• เครื่องมือประกอบอาจยึดจับพื้นที่แข็งในขณะที่หาง flex ถูกดัดทันทีหลังการบัดกรี

กล่าวอีกนัยหนึ่ง โซนเปลี่ยนผ่านเป็นทั้งเส้นขอบของวัสดุและเส้นขอบของกระบวนการ กฎที่ไม่ดีในที่นี้จะนำไปสู่การแตกของทองแดง การยกตัวของฝาปิด ความเค้นในบาร์เรลของรูชุบใกล้ขอบ ความล้าของจุดบัดกรี และการเปิดวงจรเป็นระยะที่ยากต่อการตรวจสอบ

"ในการออกแบบ rigid-flex 1–2 ชั้นส่วนใหญ่ การย้ายโค้งงอที่มีการเคลื่อนไหวให้ห่างจากขอบแข็งแม้เพียง 3 มม. ก็ลดการแตกร้าวของทองแดงในช่วงแรกได้อย่างมาก เมื่อความหนารวมสูงเกิน 0.20 มม. ฉันมักต้องการพื้นที่กันกระแทกทางกลมากกว่า 5 มม. ก่อนโค้งงอจริงครั้งแรก"

— Hommer Zhao, ผู้อำนวยการฝ่ายวิศวกรรมที่ FlexiPCB

กฎข้อ 1: รักษาโค้งงอให้ห่างจากขอบแข็ง

กฎข้อแรกและสำคัญที่สุดนั้นเรียบง่าย: อย่าโค้งงอที่ขอบแข็ง โซนเปลี่ยนผ่านควรได้รับการปฏิบัติเสมือนเป็นพื้นที่รองรับความเครียด ไม่ใช่จุดพับที่ใช้งานของผลิตภัณฑ์

หลายทีมมักอ้างถึงคำแนะนำการโค้งงอแบบ IPC โดยไม่ปรับให้เป็นระยะห้ามเข้าใกล้ที่แท้จริง นั่นเป็นความผิดพลาด รัศมีการโค้งงอและระยะห่างของโซนเปลี่ยนผ่านต้องได้รับการตรวจสอบร่วมกัน บอร์ดอาจผ่านตามกฎรัศมีโค้งงอตามพิกัด แต่ยังคงล้มเหลวเพราะการโค้งงอเริ่มต้นตรงจุดที่ความแข็งของซ้อนชั้นเปลี่ยนแปลงพอดี

ค่าเริ่มต้นที่ใช้ได้จริงสำหรับการออกแบบหลายชนิดคือ:

• ระยะห่างขั้นต่ำ 3 มม. จากขอบแข็งถึงโค้งงอที่มีการใช้งานครั้งแรกในงานก่อสร้างแบบบาง รอบการใช้งานต่ำ
• ควรใช้ 5 มม. หรือมากกว่าเมื่อความหนา น้ำหนักทองแดง หรือจำนวนรอบการใช้งานเพิ่มขึ้น
• เพิ่มบัฟเฟอร์ให้มากขึ้นสำหรับการใช้งานแบบไดนามิก ทองแดงหนา การก่อสร้างหลายชั้น หรืองานที่มีสติฟเฟนเนอร์ใกล้ขอบ

สำหรับฝ่ายจัดซื้อ นี่ก็เป็นประเด็นในการขอใบเสนอราคาด้วย หากแบบเขียนระบุเพียง “rigid-flex” แต่ไม่กำหนดตำแหน่งโค้งงอ ซัพพลายเออร์จะถูกบังคับให้เดาความต้องการทางกลที่แท้จริง จงใช้วินัย DFM แบบเดียวกับที่คุณใช้สำหรับการเลือกคลาส IPC หรือการควบคุมอิมพีแดนซ์

กฎข้อ 2: หลีกเลี่ยงเรขาคณิตทองแดงที่เปลี่ยนแปลงฉับพลันในโซนเปลี่ยนผ่าน

ทองแดงมักเป็นสิ่งแรกที่แตกเพราะมันรับความเครียดเฉพาะที่สูงที่สุด นักออกแบบมักสร้างปัญหาขึ้นเองโดยการเดินรอยตรงเข้าไปในโซนเปลี่ยนผ่านที่มีการเปลี่ยนแปลงความกว้างอย่างรวดเร็ว การบีบแคบหนาแน่น หรือแพดที่ไม่มีตัวรองรับ

แนวปฏิบัติที่ดีได้แก่:

• ลดความกว้างของรอยให้ค่อยๆ เรียวลงก่อนที่จะเข้าสู่แนวโค้งงอ
• หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงเรขาคณิตทองแดงแบบหักมุม 90 องศาอย่างฉับพลันใกล้ขอบ
• วางรอยให้เหลื่อมกันเมื่อเป็นไปได้ แทนที่จะเรียงตัวนำทั้งหมดในแนวความเครียดเดียวกัน
• เก็บแพด เวีย และ teardrop ให้ออกจากแนวโค้งงอที่มีความเค้นสูงสุด
• ใช้ทองแดงแบบรีดอบอ่อน (rolled annealed) เมื่อความน่าเชื่อถือแบบไดนามิกมีความสำคัญ

หากวงจรมีคู่สัญญาณต่าง (differential pair) หรือทองแดงที่นำกระแส การออกแบบทางไฟฟ้ายังคงสำคัญ แต่กฎทางกลต้องมาก่อน โซนเปลี่ยนผ่านที่ดูดีใน CAD แต่รวมความเครียดไว้ในกลุ่มทองแดงแคบๆ หนึ่งกลุ่มจะอยู่รอดในสนามได้ไม่นาน

กฎข้อ 3: สมดุลซ้อนชั้นและควบคุมขั้นเปลี่ยนความหนา

โซนเปลี่ยนผ่าน rigid-flex ไม่ใช่แค่ปัญหาการเดินเส้น แต่มันเป็นปัญหาของซ้อนชั้นด้วย

ความไม่เข้ากันทางกลระหว่างลามิเนตแข็ง บอนด์พลาย โพลีอิไมด์ ระบบกาว ฝาปิด และสติฟเฟนเนอร์ เป็นตัวกำหนดว่าความเครียดจะเพิ่มสูงขึ้นที่ขอบมากเพียงใด การออกแบบที่ดูคุ้มค่าในกระดาษมักไม่เสถียรเพราะโซนเปลี่ยนผ่านมีการเปลี่ยนแปลงความหนาฉับพลันมากเกินไปในระยะสั้น

ใช้รายการตรวจสอบต่อไปนี้ระหว่างการทบทวนซ้อนชั้น:

เมื่อคุณทบทวนแบบเขียน ให้ถามคำถามตรงๆ ว่า: การเปลี่ยนแปลงความหนาเกิดขึ้นที่ใด และผลิตภัณฑ์เคลื่อนไหวจริงที่ใด? หากคำตอบทั้งสองชี้ไปที่จุดเดียวกัน การออกแบบนั้นจำเป็นต้องปรับปรุง

"เมื่อใดก็ตามที่โซนเปลี่ยนผ่านหนึ่งๆ มีสติฟเฟนเนอร์ที่ติดกาว ทองแดงหนา และคอนเน็กเตอร์ SMT รวมกันอยู่ภายในแนว 10 มม. เดียวกัน อัตราผลผลิตจะลดลงอย่างรวดเร็ว ซ้อนชั้นแบบนั้นต้องการระยะห้ามเข้าใกล้ที่บันทึกไว้ แผนอุปกรณ์จับยึด และลำดับการขึ้นรูปจริง ก่อนปล่อย Gerber"

— Hommer Zhao, ผู้อำนวยการฝ่ายวิศวกรรมที่ FlexiPCB

กฎข้อ 4: เก็บชิ้นส่วน คอนเน็กเตอร์ และรูให้ห่างจากแนวทางเข้า

ความล้มเหลวในโซนเปลี่ยนผ่านมักถูกโทษว่าเป็นความผิดของวัสดุ flex ทั้งที่ปัญหาที่แท้จริงคือการวางตำแหน่งชิ้นส่วน คอนเน็กเตอร์ กลุ่มแพดทดสอบ รูชุบ หรือชิ้นส่วนยึดแข็งที่วางใกล้พื้นที่ทางเข้า flex เกินไป ทำให้เกิดจุดรวมความเค้นเฉพาะที่ ในระหว่างการแยกชิ้นงาน การขึ้นรูป การรีโฟลว์ หรือการสั่นสะเทือนในสนาม ภาระจะถ่ายเทเข้าสู่จุดต่อระหว่างทองแดงและกาวโดยตรง

ตามกฎการปฏิบัติ ควรทำให้แนวโซนเปลี่ยนผ่านเงียบสงบทางกลไก:

• อย่าวางชิ้นส่วน SMT ที่ทางเข้า flex เว้นแต่จะมีกลยุทธ์รองรับแบบแข็งอย่างเต็มที่
• หลีกเลี่ยงรูชุบผ่านใกล้ขอบแข็งเมื่อพื้นที่นั้นมีการโค้งงอหรือขึ้นรูป
• เก็บ fiducials เฉพาะที่ รูสำหรับเครื่องมือ และชิ้นส่วนที่แยกออกได้ไม่ให้ทำให้แนวพับอ่อนแอลง
• หากจำเป็นต้องมีคอนเน็กเตอร์อยู่ใกล้ๆ ให้ขยายพื้นที่รองรับแข็งและตรวจสอบภาระการเสียบสายจริง

กฎนี้ยิ่งสำคัญมากขึ้นในโมดูลกล้อง อุปกรณ์สวมใส่ อุปกรณ์พับได้ อุปกรณ์การแพทย์มือถือ และชุดประกอบยานยนต์ขนาดกะทัดรัด ที่แรงกดของตัวเครื่องก่อให้เกิดแหล่งการดัดอีกแหล่งหนึ่งหลังการประกอบขั้นสุดท้าย คู่มือ การวางชิ้นส่วน ของเราครอบคลุมการตัดสินใจด้านการจัดวางที่เกี่ยวข้องอย่างละเอียดมากขึ้น

กฎข้อ 5: ใช้สติฟเฟนเนอร์เพื่อรองรับ ไม่ใช่เพื่อสร้างหน้าผาความเค้นใหม่

สติฟเฟนเนอร์ช่วยในเรื่องความเรียบของการประกอบ การรองรับคอนเน็กเตอร์ และการเสียบ ZIF แต่มันก็สามารถสร้างปัญหาการเปลี่ยนผ่านครั้งที่สองได้หากสิ้นสุดลงในตำแหน่งที่ผิด FR-4 หรือ PI ที่วางไม่ดีเพียงแต่จะย้ายความเครียดสูงสุดไปยังขอบใหม่

หลักปฏิบัติที่ดีสำหรับสติฟเฟนเนอร์มักประกอบด้วย:

• สิ้นสุดสติฟเฟนเนอร์นอกแนวโค้งงอที่เคลื่อนไหว
• หลีกเลี่ยงให้ขอบสติฟเฟนเนอร์อยู่ในแนวเดียวกับการเปิดฝาปิดหรือกลุ่มแพด
• ทบทวนความหนาของกาวและโปรไฟล์การอบร่วมกับซ้อนชั้น flex
• ยืนยันว่าสติฟเฟนเนอร์มีไว้เพื่อการจัดการ การรองรับการประกอบ หรือการใช้งานของผลิตภัณฑ์สุดท้าย

สติฟเฟนเนอร์ไม่ได้ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือโดยอัตโนมัติ มันจะมีประโยชน์ก็ต่อเมื่อเรขาคณิตของมันรองรับเส้นทางภาระที่แท้จริงในผลิตภัณฑ์เท่านั้น

กฎข้อ 6: รับรองคุณสมบัติโซนเปลี่ยนผ่านด้วยการทดสอบทางกลจริง

แบบเขียนเพียงอย่างเดียวไม่ได้พิสูจน์ว่าโซนเปลี่ยนผ่าน rigid-flex ปลอดภัย ซัพพลายเออร์และ OEM ต้องการอย่างน้อยหนึ่งวงจรการตรวจสอบที่สะท้อนการเคลื่อนไหวของผลิตภัณฑ์จริง

สำหรับโปรแกรม rigid-flex ส่วนใหญ่ นั่นหมายถึงการผสมผสานดังต่อไปนี้:

• การทดลองขึ้นรูปกับชิ้นงานแรก
• การทดสอบรอบการโค้งงอที่รัศมีจริงหรือกรณีเลวร้ายที่สุด
• การหมุนเวียนความร้อนเมื่อชุดประกอบต้องเจอกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างมาก
• การทบทวนภาคตัดขวางของขอบจากแข็งเป็นอ่อนหลังสัมผัสความเค้น
• การตรวจสอบความต่อเนื่องก่อนและหลังการทดสอบทางกล

จำนวนรอบที่ต้องการขึ้นอยู่กับการใช้งาน หางติดตั้งครั้งเดียวแตกต่างจากสายบานพับประตูบริการหรือบานพับอุปกรณ์สวมใส่ จุดสำคัญคือระบุตัวเลข ไม่ใช่วลีคลุมเครืออย่าง “ความน่าเชื่อถือสูง”

"ถ้าแบบเขียนระบุความน่าเชื่อถือ Class 3 แต่ทีมไม่เคยกำหนดจำนวนรอบการโค้งงอ สเปกก็ไม่สมบูรณ์ IPC-6013 และ IPC-2223 บอกให้คุณรู้ว่าจะตรวจสอบอะไร แต่ผลิตภัณฑ์ของคุณยังต้องมีเป้าหมายจริง เช่น 500, 10,000 หรือ 100,000 รอบ"

— Hommer Zhao, ผู้อำนวยการฝ่ายวิศวกรรมที่ FlexiPCB

รายการตรวจสอบ DFM สำหรับโซนเปลี่ยนผ่าน Rigid-Flex

ก่อนปล่อย RFQ ฝ่ายจัดซื้อและทีมออกแบบควรสามารถตอบคำถามทั้งหมดนี้ได้อย่างชัดเจน:

1. ตำแหน่งโค้งงอแอคทีฟแรกอยู่ห่างจากขอบแข็งกี่มิลลิเมตร?
2. ชั้นใด น้ำหนักทองแดงใด และโครงสร้างฝาปิดใดบ้างที่ผ่านโซนเปลี่ยนผ่าน?
3. มีเวีย แพด คอนเน็กเตอร์ หรือขอบสติฟเฟนเนอร์ อยู่ในแนวทางเข้าหรือไม่?
4. การกระจายทองแดงมีความสมดุลเพียงพอหรือไม่ที่จะหลีกเลี่ยงปัญหาการม้วนงอและความเรียบในการประกอบ?
5. เป้าหมายจำนวนรอบการโค้งงอหรือข้อกำหนดการขึ้นรูปใดเป็นตัวนิยามความสำเร็จ?
6. ซัพพลายเออร์เข้าใจหรือไม่ว่านี่คือ flex คงที่ (static), flex ที่มีการจำกัดการเคลื่อนไหว (limited), หรือ flex แบบไดนามิก (dynamic)?

หากยังไม่มีคำตอบเหล่านั้น การออกแบบก็ยังไม่สมบูรณ์ทางกลไก แม้ว่าไฟล์ทางไฟฟ้าจะพร้อมแล้วก็ตาม

คำถามที่พบบ่อย

ควรโค้งงอห่างจากโซนเปลี่ยนผ่าน rigid-flex เท่าใด?

สำหรับการออกแบบ rigid-flex แบบบางหลายชนิด 3 มม. คือจุดเริ่มต้นขั้นต่ำที่สุด ขณะที่ 5 มม. หรือมากกว่านั้นปลอดภัยกว่าเมื่อความหนาเกินประมาณ 0.20 มม. หรือผลิตภัณฑ์มีการเคลื่อนที่ซ้ำๆ การใช้งานแบบไดนามิกมักต้องการบัฟเฟอร์ที่ใหญ่กว่า โดยตรวจสอบด้วยการทดสอบ

สามารถวางเวียในโซนเปลี่ยนผ่านได้หรือไม่?

จะดีกว่าถ้าไม่วาง เวียที่ขอบแข็งหรือในแนวที่มีความเครียดสูงสุดเพิ่มความเสี่ยงต่อการแตกของแพด ความเค้นในบาร์เรล และการเปิดวงจรเป็นระยะ โดยเฉพาะหลังจากรอบความร้อนหรือทางกลเกิน 500 รอบ

สติฟเฟนเนอร์มีประโยชน์เสมอใกล้โซนเปลี่ยนผ่านหรือไม่?

ไม่ใช่ สติฟเฟนเนอร์จะช่วยได้ก็ต่อเมื่อมันรองรับภาระจากการประกอบหรือการเสียบ โดยไม่ได้สิ้นสุดในแนวโค้งงอ หากขอบสติฟเฟนเนอร์ตกลงในหน้าต่างความเค้น 3 ถึง 10 มม. เดียวกัน มันอาจสร้างจุดเริ่มต้นรอยร้าวใหม่

ทองแดงชนิดใดดีกว่าสำหรับการโค้งงอ rigid-flex?

ทองแดงแบบรีดอบอ่อน (rolled annealed) มักจะถูกเลือกใช้เมื่อส่วน flex มีการเคลื่อนไหวซ้ำๆ เพราะมันจัดการกับความเครียดแบบวนรอบได้ดีกว่าทองแดงแบบอิเล็กโตรดีพอสิท (electrodeposited) ทั่วไป สำหรับงานแบบคงที่ การตัดสินใจอาจถ่วงดุลกับต้นทุนและความพร้อมใช้งาน

ควรอ้างอิงมาตรฐานใดสำหรับคุณภาพโซนเปลี่ยนผ่าน rigid-flex?

ทีมส่วนใหญ่ใช้ IPC-2223 สำหรับคำแนะนำการออกแบบ flex และ IPC-6013 สำหรับข้อกำหนดการรับรองคุณภาพ flex และ rigid-flex แบบของคุณควรเพิ่มตำแหน่งโค้งงอ จำนวนรอบ และข้อจำกัดการประกอบที่เฉพาะเจาะจงของผลิตภัณฑ์ด้วย

ควรส่งอะไรให้ซัพพลายเออร์ก่อนขอใบเสนอราคา?

ส่งซ้อนชั้น เป้าหมายความหนาของส่วนแข็งและ flex ตำแหน่งโค้งงอที่ตั้งใจ จำนวนรอบโค้งงอโดยประมาณ แผนที่ชิ้นส่วนใกล้โซนเปลี่ยนผ่าน และลำดับการขึ้นรูปหรือข้อจำกัดของตัวเครื่องใดๆ หากไม่มีข้อมูลดังกล่าว ซัพพลายเออร์จะตั้งราคาบนความไม่แน่นอนมากกว่าการออกแบบที่ควบคุมได้

หากคุณต้องการความช่วยเหลือในการทบทวนโซนเปลี่ยนผ่าน rigid-flex ก่อนปล่อย ติดต่อทีม flex PCB ของเรา หรือ ขอใบเสนอราคา เราสามารถตรวจสอบระยะห่างโค้งงอ ความสมดุลของซ้อนชั้น การวางสติฟเฟนเนอร์ และภาระจากการประกอบ ก่อนที่ทางลัดเล็กๆ น้อยๆ ในเลย์เอาต์จะกลายเป็นรอยร้าวของทองแดงหรือการคืนของจากสนาม