Độ dày đồng Flex PCB: Dòng điện và tuổi thọ uốn cong

Hai chương trình trên thiết bị đeo có thể bắt đầu với cùng một sơ đồ và kết thúc ở những vị trí rất khác nhau. Một nhóm chọn 1 oz đồng ở mọi nơi vì "nhiều đồng hơn có nghĩa là độ tin cậy cao hơn", sau đó phát hiện ra trong EVT rằng phần đuôi động bị nứt sau 8.000 chu kỳ bản lề. Một nhóm khác chỉ sử dụng 1 oz trong phần tĩnh điện, giảm diện tích uốn cong xuống còn 0,5 oz đồng đã ủ và vượt qua 100.000 chu kỳ với điện trở ổn định. Sự khác biệt không phải là may mắn. Đó là kỷ luật dày đồng.

Trong 15 năm trích dẫn mạch linh hoạt và đánh giá DFM, quyết định về đồng là một trong những cách nhanh nhất để tách biệt một thiết kế có thể sản xuất được khỏi một dự án hoàn vốn tại hiện trường. Nó thiết lập biến dạng uốn, chiều rộng dấu vết tối thiểu, khả năng chịu ăn mòn, độ dày xếp chồng, độ khó cán và chi phí đơn vị cuối cùng cùng một lúc. Nếu bạn chọn muộn, mọi lựa chọn thiết kế khác sẽ bắt đầu gây khó khăn cho bạn.

Hướng dẫn này giải thích cách chọn độ dày đồng PCB uốn cong khi công suất dòng điện, tuổi thọ uốn cong, trở kháng và chi phí kéo theo các hướng ngược nhau. Mục đích không phải là ghi nhớ một trọng lượng đồng "tốt nhất". Đó là để tránh cái mà chúng tôi gọi là bẫy trọng lượng đồng: chỉ định đồng dày để giải quyết một vấn đề về điện lẽ ra phải được giải quyết bằng định tuyến, phân vùng xếp chồng hoặc kiến ​​trúc cơ khí.

Tại sao độ dày đồng là quyết định PCB Flex bậc nhất

Độ dày đồng là biến thiết kế bậc nhất vì nó ảnh hưởng ngay lập tức đến cả hoạt động điện và cơ. Trong một PCB cứng nhắc, các nhà thiết kế thường có thể thêm trọng lượng đồng và chấp nhận mức tăng chi phí khiêm tốn. Trong PCB linh hoạt, sự thay đổi tương tự sẽ làm tăng độ cứng, đẩy đồng ra xa trục trung tính, tăng bán kính uốn cong tối thiểu và khiến việc khắc chi tiết tinh xảo trở nên khó khăn hơn. Một lựa chọn có vẻ bảo toàn về mặt điện có thể trở nên hung hãn về mặt cơ học.

Sự căng thẳng đó quan trọng nhất trong bốn tình huống:

• các đoạn uốn cong động phải tồn tại sau 10.000 đến 1.000.000 chu kỳ
• dấu vết nguồn cần mang 1 A trở lên mà không tăng nhiệt độ quá mức
• dấu vết trở kháng được kiểm soát trong đó cấu hình đồng thay đổi dung sai trở kháng
• xếp chồng linh hoạt nhiều lớp hoặc linh hoạt cứng nhắc trong đó mỗi micron được thêm vào sẽ tạo ra độ cứng

Nguyên tắc thực tế rất đơn giản: chọn loại đồng mỏng nhất có khả năng xử lý dòng điện một cách an toàn, sau đó thêm biên độ dòng điện bằng hình học trước khi thêm khối lượng đồng. Hướng dẫn thiết kế flex PCB và hướng dẫn bán kính uốn cong của chúng tôi đều chỉ ra một sự thật: độ dày không bao giờ tự do trong một mạch chuyển động.

"Trên PCB linh hoạt, đồng không chỉ là chất dẫn điện. Nó còn là một lò xo, một bộ phận gây mỏi và là yếu tố điều khiển chi phí. Nếu bạn tăng trọng lượng đồng theo thói quen thay vì tính toán, thì bạn thường phải trả giá gấp ba lần cho quyết định đó: về độ tin cậy khi uốn cong, năng suất ăn mòn và thời gian thực hiện."

— Hommer Zhao, Giám đốc Kỹ thuật tại FlexiPCB

Trọng lượng đồng tiêu chuẩn và ý nghĩa thực sự của chúng

Hầu hết các cuộc thảo luận về PCB linh hoạt đều sử dụng ngôn ngữ ounce, nhưng quyết định kỹ thuật sẽ dễ dàng hơn khi bạn nghĩ bằng micron. Các tùy chọn bắt đầu phổ biến là 12 um, 18 um, 35 um, 70 um và đôi khi là 105 um. Mỗi bước thay đổi nhiều hơn ampacity.

Bảng này quan trọng vì nhiều đội nhảy trực tiếp từ 0,5 oz lên 1 oz mà không hỏi liệu sản phẩm có chuyển động động nào hay không. Trên một nếp gấp tĩnh chỉ được sử dụng trong quá trình lắp ráp, 1 oz có thể hoàn toàn hợp lý. Đối với bản lề đeo được, đây có thể là lý do chính xác khiến nguyên mẫu bị lỗi sau khi sàng lọc áp lực môi trường.

Điểm thực tế thứ hai: đồng thành phẩm thực tế có thể thay đổi sau khi xử lý. Đồng cơ bản, mạ và hoàn thiện bề mặt đều ảnh hưởng đến hình dạng dây dẫn cuối cùng. Đó là lý do tại sao các tính toán trở kháng và độ uốn nên sử dụng các giả định về đồng đã hoàn thiện chứ không chỉ các giá trị danh mục lớp mỏng.

Công suất hiện tại và tuổi thọ uốn cong: Sự đánh đổi cốt lõi

Đồng dày hơn cải thiện công suất dòng điện vì điện trở giảm khi diện tích mặt cắt tăng lên. Nhưng đồng dày hơn cũng làm giảm tuổi thọ uốn cong vì sức căng ở lớp đồng bên ngoài tăng theo độ dày và tổng chiều cao xếp chồng lên nhau. Do đó, thiết kế linh hoạt là một sự thỏa hiệp có kiểm soát, không phải là sự tối ưu hóa xung quanh một số liệu duy nhất.

Cách dễ nhất để đưa ra lựa chọn là dựa trên mục đích thiết kế.

Đây là lúc bẫy trọng lượng đồng xuất hiện. Các kỹ sư nhận thấy sự sụt giảm điện áp hoặc tăng nhiệt độ trên một phạm vi hẹp, sau đó giải quyết vấn đề bằng cách tăng gấp đôi lượng đồng. Thông thường, cách khắc phục tốt hơn là mở rộng đường từ 20% đến 40%, rút ​​ngắn tuyến đường, thêm đường dẫn trở lại hoặc chia một đường nặng thành hai dây dẫn song song bên ngoài vùng uốn cong. Điều đó giữ cho mạch linh hoạt trong khi vẫn đáp ứng được ngân sách điện.

Để có cái nhìn rộng hơn về vật liệu, hướng dẫn về vật liệu PCB linh hoạt của chúng tôi giải thích cách độ dày polyimide, hệ thống kết dính và loại đồng thay đổi kết quả ngay cả khi giá trị ounce danh nghĩa vẫn giữ nguyên.

Khung lựa chọn thực tế với ngưỡng thực

Một quy tắc đồng có thể sử dụng được phải bắt đầu bằng các con số. Các ngưỡng dưới đây không phải là quy luật phổ quát nhưng chúng là điểm khởi đầu vững chắc để xem xét DFM trên hầu hết các chương trình linh hoạt.

1. Nếu phần uốn cong liên tục và dòng điện trên mỗi vết nhỏ hơn 0,5 A, hãy bắt đầu ở mức 12-18 um đồng RA.
2. Nếu phần tĩnh sau khi lắp đặt và dòng điện trên mỗi vết là 0,5-1,5 A, hãy bắt đầu ở mức 18-35 um đồng và xem lại bán kính uốn cong.
3. Nếu bất kỳ dây dẫn nào trong khu vực di chuyển cần nhiều hơn 1,5 A liên tục, hãy thiết kế lại kiến ​​trúc trước khi mặc định là đồng 70 um.
4. Nếu độ dày xếp chồng hoàn thiện ở chỗ uốn vượt quá khoảng 0,20 mm, hãy kiểm tra lại xem bán kính uốn cong yêu cầu có còn phù hợp với vỏ bọc hay không.
5. Nếu các cặp vi sai tốc độ cao trên 1 Gbps vượt qua đường cong, hãy giữ đồng mỏng hơn và hình học chặt hơn trước khi yêu cầu giấy bạc nặng hơn.

Các ngưỡng này rất quan trọng vì dòng điện, nhiệt độ và độ uốn hiếm khi đạt cực đại ở cùng một vị trí. Bảng linh hoạt dành cho thiết bị đeo y tế có thể cần dòng sạc 1,2 A trong một nhánh tĩnh và chỉ dòng điện cảm biến 50 mA ở cổ chuyển động. Sử dụng một trọng lượng đồng toàn cầu cho cả hai khu vực là kỹ thuật lười biếng. Phân vùng thiết kế là yếu tố giữ cho sản phẩm vừa an toàn vừa có thể sản xuất được.

"Khi khách hàng nói với tôi rằng họ cần 2 oz đồng trên toàn bộ linh hoạt vì một nhánh mang 1,8 ampe, tôi biết chúng tôi sắp thiết kế lại kiến trúc. Mật độ nguồn là cục bộ. Hình phạt linh hoạt là toàn cầu. Các ngăn xếp tốt cách ly dòng điện lớn nơi bo mạch không di chuyển."

— Hommer Zhao, Giám đốc Kỹ thuật tại FlexiPCB

Tại sao loại đồng lại quan trọng bằng độ dày của đồng

Chú thích bằng đồng 35 um sẽ không đầy đủ trừ khi nó cũng đề cập đến loại đồng. Đối với uốn động, đồng ủ và đồng mạ điện không hoạt động giống nhau. Đồng ủ được cán có độ giãn dài và khả năng chống mỏi tốt hơn, đó là lý do tại sao nó được khuyến nghị mặc định cho các mạch chuyển động. Đồng được mạ điện có thể được chấp nhận đối với các cấu trúc linh hoạt tĩnh và nhạy cảm với chi phí, nhưng sẽ là một món hời khi mạch phải tồn tại trong các chu kỳ lặp đi lặp lại.

Vấn đề không phải là đồng ED xấu. Đó là độ dày và loại đồng tương tác. Thiết kế RA 18 um có thể tồn tại lâu hơn thiết kế ED 35 um nhờ biên độ rộng trong cùng một ứng dụng chuyển động. Nếu bạn chỉ so sánh các giá trị ounce, bạn sẽ bỏ lỡ biến thực sự quyết định tuổi thọ của trường.

Bạn có thể thấy ý tưởng tương tự trong hướng dẫn rộng hơn của IPC: bối cảnh cơ học xung quanh dây dẫn cũng quan trọng như bản thân dây dẫn.

Độ dày thay đổi như thế nào Năng suất và chi phí sản xuất

Độ dày đồng ảnh hưởng đến việc chế tạo theo cách mà người mua thường đánh giá thấp. Đồng dày hơn cần khoảng cách rộng hơn để khắc sạch, khiến việc tạo ảnh có độ phân giải cao khó hơn, có thể yêu cầu bù mạnh hơn và có thể yêu cầu kiểm soát quy trình bổ sung về căn chỉnh lớp phủ và áp suất cán.

Về mặt báo giá, việc chuyển từ 18 um lên 35 um có thể làm tăng chi phí một cách khiêm tốn. Việc chuyển từ 35 um sang 70 um thường làm thay đổi toàn bộ cuộc trò chuyện: mức độ sử dụng bảng điều khiển giảm xuống, kích thước tính năng tối thiểu bị nới lỏng, rủi ro phế liệu tăng lên và thời gian thực hiện nguyên mẫu có thể kéo dài vài ngày. Đối với các nhóm tìm nguồn cung ứng, hướng dẫn định giá chi phí PCB linh hoạt của chúng tôi giải thích lý do chi phí nguyên vật liệu chỉ bằng một phần nhỏ so với phí bảo hiểm cuối cùng.

Đây là bài học thực tế rút ra được: nếu vấn đề thiết kế có thể được giải quyết bằng hình học vết, phân vùng đồng hoặc một nhánh điện cứng riêng biệt, thì con đường đó thường rẻ hơn so với độ dày đồng ngày càng tăng trên toàn cầu. Đồng nặng hơn phải là giải pháp sửa chữa điện cuối cùng, không phải giải pháp đầu tiên.

Tín hiệu tốc độ cao, trở kháng và cấu hình đồng

Độ dày đồng cũng làm thay đổi tính toàn vẹn của tín hiệu. Trong các thiết kế uốn cong tốc độ cao, cấu hình đồng hoàn thiện ảnh hưởng đến mục tiêu về chiều rộng vết, khả năng chịu trở kháng và suy hao chèn. Đồng dày hơn có thể hữu ích cho tổn thất điện năng thấp nhưng nó khiến việc kiểm soát trở kháng chính xác trở nên khó khăn hơn khi hình dạng dây dẫn vốn đã chật hẹp.

Đối với định tuyến vi sai 50 ohm một đầu hoặc 90 đến 100 ohm, đồng 12-18 um thường là điểm bắt đầu dễ dàng hơn. Nó cho phép phạm vi bù hẹp hơn và kiểm soát khắc mượt mà hơn. Sau khi bạn đẩy lên 35 um trở lên, cấu hình dấu vết sẽ có ảnh hưởng lớn hơn và cùng chiều rộng danh nghĩa có thể nằm ngoài dung sai sau khi xử lý nếu cửa sổ xếp chồng không được kiểm soát chặt chẽ.

Đó là lý do tại sao nhiều sản phẩm tốc độ cao có chức năng riêng biệt: đồng mỏng cho các kết nối camera, màn hình và cảm biến; đồng nặng hơn chỉ khi nguồn điện nằm trong một nhánh tĩnh hoặc phần cứng. Nói cách khác, giải pháp điện cho một lớp lưới không nhất thiết phải trở thành gánh nặng cơ học của mọi lớp lưới khác.

Khi Đồng Dày Là Câu Trả Lời Đúng

Đồng mỏng không phải là một đức tính đạo đức. Có những trường hợp đồng nặng hơn là chính xác.

• các phần uốn nối của pin được lắp đặt một lần và sau đó được cố định bằng các thanh nẹp
• các mạch gia nhiệt trong đó tải điện trở và sự lan truyền nhiệt chiếm ưu thế trong thiết kế
• đuôi phân phối điện trong thiết bị công nghiệp có số chu kỳ thấp và bán kính uốn cong lớn
• thiết kế linh hoạt cứng nhắc giữ đồng 35-70 um trong các phần cứng trong khi dây nối mềm vẫn mỏng

Quy tắc là sự trung thực về chuyển động. Nếu mạch thực sự tĩnh và vỏ bọc có đủ bán kính thì đồng 35 um hoặc thậm chí 70 um có thể là lựa chọn có rủi ro thấp nhất. Sự cố bắt đầu xảy ra khi các nhóm mô tả một phần là tĩnh mặc dù các kỹ thuật viên lắp ráp đã uốn cong nó nhiều lần, nhóm dịch vụ gấp nó lại trong khi sửa chữa hoặc người dùng cuối di chuyển sản phẩm hàng ngày.

"Hầu hết các lỗi về đồng uốn không phải là lỗi tính toán. Đó là lỗi phân loại. Một nhóm dán nhãn uốn cong là tĩnh vì thông số kỹ thuật của sản phẩm nói như vậy, nhưng dây chuyền lắp ráp uốn cong nó năm lần, hướng dẫn bảo trì uốn cong lại và người dùng xoắn nó trong đời thực. Độ dày của đồng phải tuân theo số chu kỳ thực chứ không phải số lạc quan."

— Hommer Zhao, Giám đốc Kỹ thuật tại FlexiPCB

Danh sách kiểm tra DFM trước khi bạn phát hành ngăn xếp

Trước khi phát hành dữ liệu chế tạo, hãy chạy danh sách kiểm tra này trên mọi quyết định về đồng uốn:

• xác định vùng nào là động, bán tĩnh và thực sự tĩnh
• xác định dòng điện trên mỗi dây dẫn, không chỉ tổng dòng điện trên bo mạch
• chọn đồng RA cho bất kỳ khu vực nào dự kiến sẽ vượt quá vài chục lần uốn cong có ý nghĩa
• xác minh rằng độ dày đồng, polyimide và chất kết dính vẫn đáp ứng các mục tiêu về bán kính uốn cong
• xem xét dấu vết và khoảng cách tối thiểu sau khi bù khắc, không chỉ ở chiều rộng CAD danh nghĩa
• giữ vias, miếng đệm và các cạnh tăng cứng tránh xa các vòng cung uốn cong đang hoạt động
• tách các vùng có dòng điện lớn khỏi các vùng tín hiệu tốc độ cao nếu có thể
• hỏi nhà chế tạo xem đồng đã chọn có đẩy thiết kế vào phạm vi quy trình đặc biệt hay không
• xác nhận trạng thái RFQ cả trọng lượng đồng và loại đồng

Danh sách kiểm tra này tuy nhàm chán nhưng lại phát hiện được những lỗi đắt giá. Nhà chế tạo có thể sản xuất một số lượng đáng kinh ngạc các tấm ván mềm có tính rủi ro cao. Câu hỏi khó hơn là liệu bo mạch có còn hoạt động sau khi luân nhiệt, xử lý lắp ráp và sáu tháng sử dụng tại hiện trường hay không.

Cây quyết định đơn giản dành cho người mua và nhà thiết kế

Nếu bạn cần một quy tắc nhanh trong quá trình trích dẫn hoặc lập kế hoạch xếp chồng sớm, hãy sử dụng cây quyết định ngắn này.

1. Flex có di chuyển nhiều lần trong quá trình sử dụng sản phẩm thông thường không? Nếu có, hãy bắt đầu với đồng RA 12-18 um.
2. Yêu cầu hiện tại ở vùng chuyển động trên 1,5 A đó có liên tục không? Nếu có, hãy thiết kế lại đường dẫn hoặc cách ly nhánh nguồn trước khi tăng lượng đồng.
3. Khu vực có tĩnh sau khi cài đặt không? Nếu có, đồng 18-35 um thường là phạm vi bình thường.
4. Bạn có trên 35 um chỉ vì sụt áp trên một nhánh không? Nếu có, trước tiên hãy so sánh việc mở rộng dấu vết, định tuyến song song hoặc phân vùng linh hoạt cứng nhắc.
5. Bạn có trên 70 um không? Nếu có, hãy coi thiết kế như một nguồn năng lượng đặc biệt và sớm xem xét khả năng sản xuất.

Khung đó sẽ không thay thế việc đánh giá xếp chồng đầy đủ, nhưng nó ngăn ngừa lỗi vượt quá thông số kỹ thuật phổ biến nhất: áp dụng tư duy bảng điện cho một kết nối chuyển động.

Tài liệu tham khảo

1. Tổng quan về IPC và bối cảnh tiêu chuẩn mạch linh hoạt: IPC (điện tử)
2. Nền vật liệu cho tấm polyimide: Polyimide
3. Nguyên tắc cơ bản của dây dẫn và đặc tính của đồng: Copper
4. Chất liệu màng nền cho chất nền dẻo: Kapton

Câu hỏi thường gặp

Độ dày đồng nào là tốt nhất cho PCB linh hoạt?

Đối với hầu hết các mạch linh hoạt động, đồng ủ được cán 12-18 um là điểm khởi đầu an toàn nhất vì nó giúp độ căng thấp hơn và tuổi thọ mỏi cao hơn. Nếu thiết kế phải tồn tại sau 10.000 hoặc 100.000 chu kỳ, hãy bắt đầu từ đó trước, sau đó giải quyết các nhu cầu hiện tại bằng chiều rộng vết, dây dẫn song song hoặc phân vùng trước khi chuyển sang đồng 35 um.

Tôi có thể sử dụng 1 oz đồng trong PCB linh hoạt chỉ uốn cong một lần trong quá trình lắp ráp không?

Đúng. Việc gấp một lần hoặc chu kỳ thấp thường có thể sử dụng đồng 35 um nếu bán kính uốn đủ lớn và việc xếp chồng vẫn cân bằng về mặt cơ học. Điều quan trọng là phải xác minh hồ sơ xử lý thực sự: lắp ráp, thử nghiệm, làm lại và bảo trì có thể phải thực hiện thêm hơn 10 lần uốn trước khi sản phẩm đến tay khách hàng.

2 oz đồng có thực tế cho một mạch linh hoạt không?

Nó thực tế đối với các vùng tĩnh hoặc được hỗ trợ nhiều, nhưng nó thường không phù hợp với các vùng uốn cong động. Ở mức đồng thành phẩm 70 um, quá trình khắc trở nên khó hơn, độ cứng tăng mạnh và bán kính uốn cong cần thiết tăng lên. Hãy coi 2 oz như một giải pháp năng lượng dành cho mục đích đặc biệt, không phải là một tùy chọn linh hoạt mặc định.

Đồng dày hơn có luôn làm giảm tổng chi phí PCB linh hoạt vì nó làm giảm áp lực về chiều rộng vết không?

Không. Đồng dày hơn có thể làm giảm điện trở DC, nhưng nó thường làm tăng tổng chi phí bo mạch bằng cách buộc các quy tắc theo dõi và khoảng cách rộng hơn, làm giảm hiệu suất của bảng và buộc công việc phải xem xét DFM chặt chẽ hơn. Trong nhiều trường hợp, đồng 18 um với định tuyến rộng hơn sẽ rẻ hơn đồng 35 um nhưng bị phạt năng suất.

Tôi nên chỉ định đồng trong RFQ cho sản xuất PCB linh hoạt như thế nào?

Nêu rõ cả độ dày đồng và loại đồng, cộng với từng trường hợp áp dụng. Ví dụ: đồng 18 um RA ở đuôi linh hoạt và đồng 35 um ở phần nguồn cứng. Nếu bạn chỉ nói "1 oz đồng" mà không có vị trí hoặc loại vật liệu, nhà cung cấp sẽ trích dẫn một giả định đơn giản hơn và có thể không phù hợp với mục tiêu về độ tin cậy thực sự.

Độ dày đồng có ảnh hưởng đến việc điều khiển trở kháng trên mạch flex không?

Đúng. Độ dày đồng hoàn thiện thay đổi hình dạng vết và do đó trở kháng. Trên các kết nối linh hoạt 50 ohm hoặc 100 ohm trên khoảng 1 Gbps, đồng 12-18 um thường dễ điều khiển hơn đồng 35 um vì khả năng bù khắc và cấu hình dây dẫn ít ảnh hưởng hơn đến kết quả cuối cùng.

Khuyến nghị cuối cùng

Nếu bạn chọn độ dày đồng theo bản năng, hãy dừng lại và tách vấn đề thành các vùng chuyển động, vùng tĩnh, mật độ dòng điện và lớp trở kháng. Hầu hết các phương pháp xếp chồng linh hoạt thành công đều là các chiến lược hỗn hợp, không phải các câu trả lời một con số. Sử dụng loại đồng mỏng nhất đáp ứng an toàn công việc ở phần chuyển động, sau đó di chuyển dòng điện nặng và đồng dày vào những vùng không bị uốn cong.

Nếu bạn muốn đánh giá khả năng sản xuất trước khi phát hành, hãy liên hệ với các kỹ sư PCB linh hoạt của chúng tôi hoặc yêu cầu báo giá. Chúng tôi có thể xem xét phân vùng đồng, độ dày xếp chồng, lựa chọn RA và ED và giới hạn DFM trước khi phát hành công cụ đầu tiên.