Вам потрібна гнучка схема. Але що обрати — чисто гнучку друковану плату чи rigid-flex конструкцію? Неправильний вибір означає або переплату за зайву складність, або проблеми з надійністю, яких можна було б уникнути при кращій архітектурі.
Цей посібник дає чітке, засноване на даних порівняння flex PCB та rigid-flex PCB — охоплюючи конструкцію, вартість, продуктивність та конкретні сценарії, де кожен тип має перевагу.
У чому реальна різниця?
Flex PCB — це схема, побудована повністю на гнучкій поліімідній підкладці. Вона згинається, складається та пристосовується до обмежених просторів. IPC класифікує їх як Type 1 (одностороння), Type 2 (двостороння) або Type 3 (багатошарова flex).
Rigid-flex PCB поєднує жорсткі секції з FR-4 та гнучкі поліімідні секції в єдиній платі. Жорсткі ділянки несуть компоненти; гнучкі ділянки замінюють кабелі та з'єднувачі між ними. IPC класифікує їх як Type 4 за стандартом IPC-2223.
Ключова відмінність: rigid-flex — це не просто flex плата з прикрученими ребрами жорсткості. Жорсткі та гнучкі шари ламінуються разом під час виробництва, утворюючи єдину інтегровану структуру зі спільними мідними шарами, які безперервно проходять від жорстких до гнучких зон.
"Найпоширеніше хибне уявлення, з яким я стикаюся — інженери сприймають rigid-flex як 'flex PCB плюс кілька жорстких частин.' Це принципово різні конструкції. Rigid-flex плата виготовляється як єдиний інтегрований виріб — жорсткі та гнучкі секції мають спільні мідні шари та ламінуються разом. Це забезпечує електричну безперервність та механічну надійність, яку жодне рішення на основі з'єднувачів не здатне забезпечити."
— Hommer Zhao, Engineering Director at FlexiPCB
Пряме порівняння
| Параметр | Flex PCB | Rigid-Flex PCB |
|---|---|---|
| Конструкція | Повністю гнучкий поліімід | FR-4 жорсткі + поліімідні flex зони |
| Тип IPC | Type 1, 2 або 3 | Type 4 (IPC-2223) |
| Типова кількість шарів | 1–6 | 4–20+ |
| Монтаж компонентів | Обмежений (потрібні ребра жорсткості) | Повна можливість на жорстких секціях |
| Радіус згину (статичний) | 6x товщина плати | 12–24x товщина flex секції |
| Радіус згину (динамічний) | 100x товщина плати | Не рекомендується у flex зонах |
| Потрібні з'єднувачі | Так, для підключення до жорстких плат | Ні — жорсткі секції замінюють з'єднувачі |
| Економія ваги vs жорстка плата+кабель | 50–60% | 60–75% |
| Вартість прототипу (10 шт.) | 150–500 USD | 600–1 200+ USD |
| Виробнича вартість (10 000 шт.) | 1–10 USD/шт. | 5–15 USD/шт. |
| Термін виготовлення (прототип) | 1–2 тижні | 2–4 тижні |
| Складність проєктування | Середня | Висока |
| Найкраще підходить для | Заміна кабелів, динамічний згин, просте з'єднання | Інтеграція кількох плат, 3D компонування, висока надійність |
Порівняння вартості: Реальні цифри
Вартість зазвичай є вирішальним фактором. Ось як вони порівнюються при різних обсягах:
| Обсяг | Flex PCB (2-шарова) | Rigid-Flex (4-шарова) | Жорстка PCB + кабелі |
|---|---|---|---|
| Прототип (10 шт.) | 250–500 USD | 600–1 200 USD | 50–100 USD + кабелі |
| Малий обсяг (500 шт.) | 5–15 USD/шт. | 25–60 USD/шт. | 8–20 USD/шт. загалом |
| Середній обсяг (5 000 шт.) | 3–8 USD/шт. | 12–30 USD/шт. | 5–12 USD/шт. загалом |
| Великий обсяг (10 000+ шт.) | 1–3 USD/шт. | 5–15 USD/шт. | 3–8 USD/шт. загалом |
Вартість виготовлення rigid-flex завжди вища. Але сама по собі вартість виготовлення плати є оманливою. Потрібно дивитися на загальну вартість системи.
Rigid-flex плата, що замінює 3 жорсткі PCB, 2 flex кабелі та 4 з'єднувачі, усуває:
- 2–20 USD витрат на з'єднувачі
- 1–10 USD витрат на кабелі
- 5–15 хвилин складальної роботи на одиницю
- Численні паяні з'єднання, що є потенційними точками відмови
При обсягах понад 2 000 одиниць rigid-flex часто забезпечує економію 15–25% загальної вартості порівняно з багатоплатною альтернативою. Для детальнішого аналізу вартості дивіться наш Посібник з вартості Flex PCB.
"Інженери часто відхиляють rigid-flex, побачивши цінову пропозицію на виготовлення плати. Але коли ми розраховуємо загальну вартість — включно з усуненими з'єднувачами, скороченням часу складання, меншою кількістю тестових точок та нижчим рівнем відмов в експлуатації — rigid-flex перемагає при серійному виробництві. Точка беззбитковості зазвичай знаходиться біля 2 000 одиниць."
— Hommer Zhao, Engineering Director at FlexiPCB
Коли обрати Flex PCB
Чисто гнучка PCB — правильний вибір, коли:
Ваша схема потребує динамічного згинання. Якщо flex зона буде багаторазово згинатися під час використання виробу — уявіть завіси ноутбука, друкувальні головки або носимі пристрої — чисто flex конструкція з відпаленою прокатаною міддю витримує мільйони циклів згинання. Rigid-flex плати не розраховані на динамічне згинання у своїх flex зонах.
Ви замінюєте плоский кабель або стрічковий з'єднувач. Проста 1–2 шарова flex схема, що з'єднує дві жорсткі плати, дешевша та надійніша за FFC/FPC з'єднувачі, при цьому коштує значно менше за rigid-flex конструкцію.
Розмір та вага — ваші головні пріоритети. Flex PCB можуть бути товщиною лише 0,1 мм. Для застосувань як-от складані телефони чи слухові апарати, де має значення кожна десята міліметра, flex забезпечує найтонший можливий профіль.
Бюджет обмежений і обсяг невеликий. Для прототипів або дрібносерійного виробництва до 1 000 одиниць flex PCB коштують на 50–70% менше за rigid-flex.
Ваш проєкт має 1–2 шари. Якщо схему можна розвести на 1–2 шарах, рідко є причина використовувати rigid-flex. Одношарова або двошарова flex PCB впорається із завданням за малу частину вартості.
Коли обрати Rigid-Flex PCB
Rigid-flex — правильний вибір, коли:
Ви з'єднуєте 3 або більше жорстких секцій. Щойно ваш проєкт передбачає кілька плат, з'єднаних кабелями, rigid-flex починає економити загальну вартість та підвищувати надійність. Послуга rigid-flex усуває кожен з'єднувач та кабель між платами.
Вам потрібні густо заповнені компонентами жорсткі ділянки та гнучкі з'єднання. Корпуси BGA, QFP з малим кроком та з'єднувачі з великою кількістю виводів потребують жорсткої монтажної поверхні. Rigid-flex забезпечує повну можливість монтажу на жорстких секціях з гнучкою розводкою між ними.
Стійкість до вібрацій та ударів є критичною. В автомобільних, аерокосмічних та військових/промислових застосуваннях з'єднувачі є причиною №1 відмов при вібраціях. Rigid-flex повністю їх усуває.
Ваш проєкт потребує 4+ шарів. Багатошаровий flex понад 4 шари надзвичайно дорогий та складний у виробництві. Rigid-flex забезпечує складну багатошарову розводку на жорстких секціях, залишаючи flex зони на 1–2 шарах.
Потрібне 3D компонування. Коли схема повинна складатися у конкретну тривимірну форму для розміщення в корпусі, rigid-flex створений саме для цього. Жорсткі секції зберігають форму, а flex зони згинаються під точними кутами.
Вам потрібен контрольований імпеданс по всій збірці. У rigid-flex доріжки з контрольованим імпедансом проходять безперервно від жорстких до flex зон без розривів, які вносять з'єднувачі. Це важливо для високошвидкісних цифрових та ВЧ застосувань.
Середній варіант: Flex PCB з ребрами жорсткості
Існує варіант, який багато інженерів оминають увагою: flex PCB з локальними ребрами жорсткості. Це забезпечує жорсткі монтажні площини для компонентів (за допомогою ребер жорсткості з FR-4 або нержавіючої сталі, приклеєних до flex) при збереженні простоти та нижчої вартості чисто flex конструкції.
| Характеристика | Flex + ребра жорсткості | Rigid-Flex |
|---|---|---|
| Монтаж компонентів | Добрий (на ділянках з ребрами жорсткості) | Відмінний (справжні жорсткі секції) |
| Кількість шарів у жорсткій зоні | Така ж, як у flex зоні | Може бути більшою, ніж у flex зоні |
| Вартість виготовлення | На 30–50% менше за rigid-flex | Базова |
| Надійність перехідної зони | Добра (ребро жорсткості приклеєне) | Відмінна (ламіноване разом) |
| Контроль імпедансу | Обмежений стеком flex | Повний контроль по секціях |
| Густота перехідних отворів у жорстких зонах | Обмежена | Висока (microvias можливі) |
Обирайте flex з ребрами жорсткості, коли: потрібен монтаж компонентів у певних місцях, але не потрібна різна кількість шарів між жорсткими та flex зонами, і вартість є основним критерієм. Цей підхід добре працює для проєктів середньої складності та часто досягає 80% функціональності rigid-flex за 50–60% вартості.
Скористайтесь нашим конструктором стеку для вивчення різних конфігурацій або перевірте проєкт flex зони за допомогою калькулятора радіуса згину.
5 помилок, що призводять до хибного вибору
1. Вибір rigid-flex для єдиного flex з'єднання. Якщо вам потрібна лише одна flex зона між двома жорсткими платами, простий flex кабель майже завжди кращий вибір. Rigid-flex має економічний сенс при усуненні 3 або більше з'єднувачів чи кабелів.
2. Використання flex для проєктів з великою кількістю компонентів без ребер жорсткості. Компоненти поверхневого монтажу потребують жорсткої монтажної поверхні. Спроба паяти BGA або компоненти з малим кроком безпосередньо на незміцнений flex призводить до руйнування паяних з'єднань. Завжди додавайте ребра жорсткості або використовуйте rigid-flex.
3. Вимога динамічного згинання у rigid-flex проєкті. Flex зони rigid-flex розраховані на статичний згин — один раз зігнути під час складання, потім зафіксувати. Якщо flex зона буде згинатися багаторазово, використовуйте чисто flex кабель.
4. Ігнорування правил проєктування перехідної зони. Перехід rigid-flex — місце, де відбувається більшість відмов. Дотримуйтесь рекомендацій IPC-2223: витримуйте щонайменше 0,5 мм (20 mil) відстань від перехідних отворів до межі переходу, використовуйте краплеподібні контактні площадки та не розміщуйте компоненти ближче 2,5 мм від переходу.
5. Порівняння вартості плати замість вартості системи. Rigid-flex плата завжди коштує більше за flex кабель. Але коли додати вартість з'єднувачів, складальні роботи, витрати на тестування та рівень відмов в експлуатації, розрахунок при серійному виробництві часто змінюється на протилежний.
"Найбільша проєктна помилка, яку я бачу в rigid-flex — інженери застосовують правила жорстких PCB до flex зон. Flex секції потребують доріжок, перпендикулярних лінії згину, площин заземлення з перехресною штриховкою замість суцільної міді, та зміщених — а не стовпчастих — перехідних отворів. Порушення цих правил призводить до розтріскування міді та експлуатаційних відмов, які практично неможливо відремонтувати."
— Hommer Zhao, Engineering Director at FlexiPCB
Структура прийняття рішень: Швидкий контрольний список
Відповідайте на ці запитання, щоб визначити правильну архітектуру:
- Скільки з'єднань жорстка-жорстка існує? 1 = flex кабель. 2+ = розгляньте rigid-flex.
- Чи згинається flex зона під час використання виробу? Так = чистий flex з відпаленою прокатаною міддю. Ні = обидва варіанти підходять.
- Чи потрібна різна кількість шарів у жорстких та flex зонах? Так = rigid-flex. Ні = flex з ребрами жорсткості є прийнятним.
- Чи перевищує обсяг виробництва 2 000 одиниць? Так = перевага TCO rigid-flex зростає. Ні = flex, ймовірно, дешевший.
- Чи є вимоги до вібрації/ударів критичними? Так = rigid-flex (жодних з'єднувачів, які можуть відмовити). Ні = обидва варіанти підходять.
- Чи потребує ваш проєкт контрольованого імпедансу на переходах rigid-flex? Так = rigid-flex. Ні = обидва варіанти підходять.
Якщо ви відповіли «rigid-flex» на 3 або більше запитань, rigid-flex, ймовірно, є оптимальним вибором. В іншому випадку починайте з чистого flex — він простіший, дешевший та швидший у прототипуванні.
Часті запитання
Чи може flex PCB з ребрами жорсткості замінити rigid-flex?
У багатьох випадках так. Якщо жорсткі та flex зони потребують однакової кількості шарів і вам не потрібні перехідні отвори високої густини або microvias у жорстких секціях, flex плата з ребрами жорсткості з FR-4 або нержавіючої сталі може забезпечити подібну функціональність на 30–50% дешевше. Однак для проєктів, що потребують різної кількості шарів між секціями або максимальної надійності в перехідній зоні, справжній rigid-flex є кращим вибором.
Чи надійніший rigid-flex PCB за flex PCB?
Для конкретного застосування з'єднання кількох жорстких секцій — так. Rigid-flex усуває з'єднувачі — причину №1 відмов в експлуатації в електроніці при вібраціях або термічних циклах. Проте для застосувань з динамічним згинанням чисто flex PCB з правильним вибором матеріалів (відпалена прокатана мідь, безклейовий поліімід) є надійнішим, оскільки flex зони rigid-flex не розраховані на повторюване згинання.
Який мінімальний радіус згину rigid-flex PCB?
Мінімальний статичний радіус згину flex зони в rigid-flex платі зазвичай становить 12–24x товщини flex секції, залежно від кількості flex шарів (відповідно до IPC-2223). Для flex секції товщиною 0,2 мм мінімальний радіус згину становитиме 2,4–4,8 мм. Завжди консультуйтесь з виробником та використовуйте наш калькулятор радіуса згину для перевірки.
Скільки часу потрібно для виготовлення прототипів rigid-flex PCB?
Типовий термін виготовлення прототипів rigid-flex — 2–4 тижні, порівняно з 1–2 тижнями для чистого flex та 3–5 днями для жорстких PCB. Більший термін відображає складніший виробничий процес, що включає окрему обробку жорстких та flex секцій перед фінальною ламінацією. Прискорені послуги можуть забезпечити доставку за 5–7 робочих днів з доплатою.
Чи можна перетворити існуючий багатоплатний проєкт на rigid-flex?
Так, і це одне з найпоширеніших застосувань rigid-flex. Почніть з визначення плат, що з'єднуються між собою, та з'єднань, які спричиняють проблеми надійності або збільшують вартість складання. Огляд rigid-flex проєкту з нашою інженерною командою дозволить оцінити ваш конкретний проєкт та розрахувати покращення вартості та надійності.
Які інструменти проєктування підтримують розводку rigid-flex PCB?
Altium Designer та Cadence Allegro мають найзрілішу підтримку rigid-flex, включно з 3D симуляцією згинання та управлінням стеком для кількох зон. KiCad (v8+) має базові можливості rigid-flex. EasyEDA має обмежену підтримку. При виборі інструменту проєктування переконайтеся, що він може визначати окремі стеки для жорстких та flex зон і генерувати коректні виробничі креслення з позначенням ліній згину та перехідних зон.
Отримайте експертну допомогу у виборі
Досі не впевнені, який підхід підходить для вашого проєкту? Запитайте безкоштовний огляд проєкту від нашої інженерної команди. Надішліть нам схему або попередню розводку, і ми порекомендуємо оптимальну архітектуру — flex, rigid-flex або flex з ребрами жорсткості — на основі ваших конкретних вимог, обсягу та бюджету.
Посилання:
- IPC — Association Connecting Electronics Industries. IPC-2223 Sectional Design Standard for Flexible Printed Boards
- Altium. Rigid-Flex PCBs: Advantages and Challenges
- Epectec. Design Comparison: Flex Circuit with Stiffeners vs. Rigid-Flex PCB
