Elektroniikan pitää sopia kortilla yhä tiukempaan samalla kun suunnitteluun kuluvan ajan täytyy lyhentyä. Usein paras keino on hyödyntää suunnittelussa sekä jäykkiä että taipuisia elementtejä. Rigid-flex kuitenkin vaatii suunnittelijalta hieman enemmän.

Artikkelin kirjoittaja Benjamin Jordan työskentelee Altiumilla sisältömarkkinoinnin strategioista vastaavana johtajana. Aiemmin hän on työskennellyt Altiumin Pohjois-Amerikan yksikössä teknisen tuen päällikkönä ja asiakaspäällikköä. Benjaminilla on tutkinto Southern Queenslandin yliopistosta Australian Toowoombasta.

Yhä useampi suunnittelija joutuu suunnittelemaan hyvin tiheitä elektroniikkakortteja samalla, kun valmistusaikojen ja kustannusten pitäisi pienentyä. Näihin vaatimuksiin vastatakseen suunnittelutiimit kääntyvät yhä useammin kolmiulotteisten taipuisien ja jäykkien korttien puoleen, joilla suorituskyvyn ja tuotantovaatimuksiin vastataan. Rigid-flex- eli taipuisien ja jäykkien korttien suunnittelu vaatii aiempaa läheisempää yhteistyötä suunnittelijan ja valmistajan kesken kuin perinteinen piirikorttisuunnittelu. Onnistunut rigid-flex -suunnittelu vaatii uusia suunnittelusääntöjä, jotka suunnittelija voi kehittää valmistajan tietojen perusteella. Huomioon otettavia asioita ovat suunnittelun kerrosten lukumäärä, materiaalien valinnat, johdinlinjojen ja läpivientien koot, liimausmetodit ja mittojen kontrolli.

Aiemmin kokeneet PCB-suunnittelijat sivuuttivat rigid-flex-suunnittelun liittämällä toisiinsa kaksi jäykkää piirilevyä joustavalla lattakaapeliliittimellä. Tämä tapa toimi hyvin pienten sarjojen suunnittelussa. Tämä lähestymistapa kuitenkin kasvattaa kustannuksia levyllä liittimen, kokoonpanon ja joustavan kaapelin takia. Kuvassa 1 näkyy kustannusvertailu perinteisen jäykän piirikortin ja uuden 3D-rakenteen (rigid-flex) välillä.

Kaavio osoittaa simuloidut valmistuskustannukset, jotka perustuvat todellisiin PCB-valmistushintoihin nelikerroksisessa PCB-kortissa, jossa kaksi sisintä kerrosta ovat joustavia. Vaihtoehto eli jäykkien korttien liittäminen joustavalla kaapelilla ja liittimillä perustuu myös oikeisiin hintoihin, jotka on saatu PCB-valmistajilta. Tässä tapauksessa on laskettu yhteen kahden erillisen nelikerroksisen levyn hinta sekä liittimien ja kaapelien hinta kokoonpanoineen.

Laskelma ei ota huomioon rigid-flex -suunnittelun parantunutta luotettavuutta eikä tuotteen laadun paranemista. Erillisten jäykkien levyjen käyttö voi kaapeleineen ja liittimineen tuottaa "kylmiä liitoksia", jotka johtavat toimintavirheisiin. Rigid-flex -suunnittelussa tällaisia liitoksia ei tietenkään voi tulla.

On ehkä hieman yllättävää, että heti kun projektissa pitää valmistaa yli sata piirikorttia, taipuisan ja jäykän yhdistelmästä tulee itsestäänselvä valinta. Miksi näin? Koska rigid-flex -suunnitteluun ei tulee liittimiä eikä liittimien kokoonapanoa, ja koska suunnittelun luotettavuus ja prosessin saanto paranevat.

Kuva 1. Rigid-flex-piirikortin ja perinteisen kahden jäykän levyn yhdistävän PCB-kokoonpanon kustannusvertailu.

Viime aikoihin asti, kun perinteinen piirikorttien suunnittelija ryhtyi työskentelemään taipuisan ja jäykän rakenteen kanssa, ei hänellä ollut käytössään 3D-suunnittelua tukevia PCB-työkaluja. Olemassaolevilla työkaluilla ei lisäksi voinut määritellä ja simuloida taipuisia kohtia ja käänteitä suunnittelun joustavassa osassa. Vieläkin suurempi ongelma oli se, etteivät työkalut tukeneet edes erilaisten kerrospinojen määrittelyä suunnittelun eri osissa, eivätkä edes sitä, mtkä osat suunnittelussa ovat taipuisia.

Tämän takia rigid-flex -suunnittelijoiden piti manuaalisesti määritellä, kuinka 3D-suunnittelun jäykät ja taipuisat osiot käännetään tasaiseksi 2D-esitykseksi piirilevyn valmistusta varten. Kaikki joustavat alueet piti lisäksi manuaalisesti dokumentoida. Lisäksi piti varmistua siitä, ettei komponentteja tai läpivientejä sijoitettu taipuisan ja jäykän osion saumakohdan lähelle. Tämä tarkoitti monien lisäsääntöjen luomista, joita aiemmat PCB-työkalut eivät yleensä tukeneet.

Ennen suunnittelun aloittamista

Kuten aiemmin mainittiin, jokainen onnistunut rigid-flex-suunnittelu edellyttää, että suunnittelutiimi tekee läheistä yhteistyötä valmistajan kanssa. Seuraavat "Kultaiset säännöt" tähtäävät siihen, että projekti päätyy onnistuneeseen valmistukseen, jossa turhilta uudelleensuunnitteluilta (respin) on vältytty.

Kultaiset säännöt

- Keskustele/kommunikoi valmistajan kanssa.
- Kvalifioi valmistajan kyky rakentaa suunniteltu rigid-flex -suunnittelu.
- Päästä valmistaja mahdollisimman aikaisessa vaiheessa mukaan suunnitteluprosessiin.
- Varmista yhteistyöllä, että suunnittelun kerrosrakenne vastaa valmistajan prosesseja.
- Käytä IPC-2223-standardia suunnittelun dokumentointiin valmistajan kassa. Muussa tapauksessa dokumentaatio voi aiheuttaa virheitä ja väärinymmärryksiä, jotka johtavat kalliisiin viiveisiin tuotannossa.
- Lopeta Gerber-tiedostojen lähettäminen valmistajalle. Sen sijaan toimita tiedostot ODB++- (v7.0 tai myöhempi) formaatissa tai muussa IPC-2581-standardin mukaisessa formaatissa, koska ne määrittelevät spesifit kerrostyypit, jotka mahdollistavat selvän dokumentaation.

Menestyneen rigid-flex-suunnittelun saavuttamiseksi suunnittelutiimin pitää myös valita materiaalit, jotka tasapainottavat kustannukset ja suorituskyvyn. Useimmat perinteiset piirkorti pohjaavat jäykkään lasikuitu/epoksi-alustaan. Vaikka alusta onkin nimetty jäykäksi, lasikuitu/epoksi on osin joustava. Ei tosin tarpeeksi joustava vaativia, liikettä edellyttäviä sovelluksia varten.

Kolmiulotteisia rigid-flex -suunnitteluja varten yleisin valinta on PI-kalvo (polyimidi), koska se säilyttää mittansa, on joustava ja kestää lämpöä. Se pysyy suhteellisen vakaana mitoiltaan, koska lämpölaajeneminen ja -supistuminen on pientä (PET-kalvoon verrattuna). Silti se kestää useita juotosjaksoja. PET-kalvoja käytetään myös yleisesti, mutta se ei kestä korkeita lämpötiloja yhtä hyvin eikä ole mitoiltaan yhä vakaa kuin PI. Ohuilla lasikuitu/epoksi-sisuksilla on myös käyttöä rigid-flex-levyissä. Alustan lisäksi suunnittelu vaatii lisäkalvoja (yleensä PI- tai PET-kalvoja, mutta toisinaan joustavia juotosmaskimusteita pintakerrokseksi). Pinta suojaa ulompia pintoliitoskomponentteja ja johtimia iskuilta ja korroosiolta, ja toimii myös johtimien eristyksenä.

Jo määritelmänsä mukaan rigid-flex -piirit asettavat lisävaatimuksia johtavien materiaalien valinnalle. Perinteisissä PCB-suunnitteluissa käytetty sähkösaostettu kuparikalvo ei ole tarpeeksi joustavaa eikä kovaa. Rigid-flex -suunnitteluissa hyödynnetään valikoimaa suuremman suorituskyvyn johtavia materiaaleja ja metodeja. Kaksi yleisintä materiaalia ovat keskihintainen sitkeydeltään suuri sähkösaostettu kuparikalvo (HD-ED, high-ductility electrodeposited) ja kalliimpi rullattu-hehutettu (RA, rolled-annealed) kuparikalvo.

Prosessin alkuvaiheissa rigid-flex -suunnittelutiimin pitää määritellä ajateltujen käyttötarkoitusten mekaaniset vaatimukset suhteessa sähköisiin suorituskyvyn vaatimuksiin. Nämä kaksi vaatimusta usein törmäävät, joten suunnittelijan pitää tasapainoilla ja ratkaista ne yhdessä. Ensimmäisenä askeleena kohti optimaalista suunnittelua tiimi voi saada merkittävää näkemystä tuottamalla levystä "puumallin" (mock-up). Puumalli näyttää aikaisessa vaiheessa suunnitteluprosessia, millaisia muoto- ja sopivuusongelmia suunnitteluun voi sisältyä. Kun modernit eCAD-työkalut kehittyvät, niihin tuodaan rigid-flex -suunnittelujen 3D-mallinnus. Aivan uusimpiin on lisätty animointi. Joka tapauksessa 3D-tietokonemallin kehittäminen edellyttää useita suunnitteluvaiheita, joten paperinen puumalli tuo aina lisää informaatiota tiimille.

Rigid-flex -suunnittelu: Parhaat käytännöt

Termi "rigid-flex" osoittaa jo yhteen tärkeimmistä suunnittelun yksityiskohdista. Taipuisat-jäykät suunnittelut sisältävät useita elementtejä, jotka yhdistettäessä kasvattavat suunnittelun monimutkaisuutta. Suunnittelua tekeville suurin haaste on, kuinka määritellään kaikki alueet, kerrokset ja pinot. Vastaus: käytä pöytää määritelläksesi suunnittelun eri kerrokset. Yleisesti ottaen useimmissa rigid-flex -suunnitteluissa on erilaisia kerrosrakenteita eri osissa suunnittelua.

Yksi yksinkertainen keino on laatia suunnittelun mekaanisesta rakenteesta kaavio, joka määrittelee erilaisista kerrosrakenteista koostuvat jäykät ja taipuisat osat (kuten kuva 2 näyttää).

Kuva 2. Täyttökuvio taulukon "Flexible" ja "Rigid" -sarakkeissa kertoo, kumpaan luokkaan levyn alue kuuluu.

Kuvassa 2 näkyvä yksinkertaistettu malli näyttää graafisesti, mitkä osat suunnittelua ovat taipuisia, mitkä jäykkiä. Esimerkiksi kerros "Dielectric 1" on FR-4 -pohjainen. Kun erilaiset kerrokset on määritelty, rigid-flex -suunnittelutiimi joutuu nyt erittelemään käännökset ja taipuisat kohdat 2D-maailmassa. Tämä tarkoittaa, että suunnittelijan täytyy dokumentoida, missä suunnittelun kriittiset osat ylittävät taipuisan ja joustavan alueen rajat.

Taipuisuuden säilyttäminen

Suunnittelussa voi myös lisätä hieman pituuksia. Tämä ns. "kirjansitojan rakenne" ("bookbinder construction") tarkoittaa, että piiriä voidaan taivuttaa vain yhteen suuntaan. Yleisen peukalosäännön mukaan seuraavaan kerrokseen lisätään pituutta 1,5 kertaa edellisen kerroksen paksuuden verran. Tämä arvo kuitenkin vaihtelee taivutusten jyrkkyyden ja kerrosten määrän myötä. Myös tässä kohtaa puumalli antaa mahdollisuuden nopeaan tarkistukseen. Kirjansitojamalli vähentää taivuttamisen aiheuttamaa jännitystä ja estää sisäkerrosten vääntymistä taivekohdan lähellä.

Lisää parhaita käytäntöjä

- Vältä taivuttamista nurkissa. Kuparijohtimet toimivat parhaiten kun ne sijoitetaan oikeaan kulmaan joustavien levyjen taivekohdissa. Jos taivutusta ei voi välttää, yksi vaihtoehto on käyttää kartiomaisia taivutuksia.
- Käytä pyöreästi taivutettuja johtimia. Vältä tiukkoja käännöksiä ja jopa 45 asteen käännöksiä, koska ne lisäävät stressiä kuparijohtimiin taivuttamisen aikana.
- Älä muuta johtimien leveyttä äkillisesti. Äkillinen muutos johtimien paksuudessa tuottaa heikon kohdan.
- Vältä tiukkoja käännöksiä, sillä ne aiheuttavat rasitusta 0, 45 ja 90 asteen kulmissa. Vertailun vuoksi: kuusikulmainen käännös tuottaa optimaalisemman kuvion.
- FR-4:een verrattuna kupari irtoaa helpommin joustavalta PI-alustalta jatkuvan taivutuksen ja heikomman liimauksen takia. Moni valmistaja suositteleekin pinnoituksia reikien läpi ja lisäliitostyynyjä (pad) luotettavuuden parantamiseksi.
- Porrastetut kaksipuoliset johtimet. Päällekkäiset johtimet levyn eri puolilla aiheuttavat epätasaista jännitystä kuparikerrosten välille. Johtimien porrastaminen vähentää tai eliminoi ongelman.

Kuva 3. Tässä kaupallisessa suunnittelussa suunnittelijat eivät selvästikään käyttäneet "kirjansitojan rakennetta". Tuloksena oli kerrosten välille lisäjännitystä (punainen nuoli).

Johtopäätös

PCB-valmistuksessa käytetään yhä useammin taipuisia rakenteita. Päivitetyt PCB CAD -työkalut pitävät jo sisällään välttämättömäät ominaisuudet rigid-flex -piirilevyjen suunnitteluun. Näihin kuuluvat useiden piirilevykerrosten hallinta, komponenttien sijoittelu sisäisiin joustaviin kerroksiin sekä suunnittelun osien 3D-visualisointi ja -simulointi. Allaoleva kuva 4 kuvaa näitä ominaisuuksia Altium Designer 14 -työkalulla toteutetussa rigid-flex -suunnittelussa.

Kuva 4. Esimerkki rigid-flex -suunnittelusta Altium Designerin 3D-moodissa. Kuva näyttää aiotut taivutukset taipuisan piirinosan alueella.

Kerrosten hallinnan ja 3D-visualisoinnin lisäksi on mahdollista tarkistaa taipuisalla alustalla olevien komponenttien tilantarve. Sisäänrakennetun suunnittelusääntöjen tarkastusmoottorin osana uusi versio Altium Designerista varoittaa, mikäli lopullinen taivutusten säde aiheuttaa mekaanisia häiriöitä. Katso esimerkiksi tästä kuvaa 5.

Kuva 5. Joustavan levyn simuloitu taivutus paljastaa ongelman joustavan liitännän ja jäykän pääpiirilevyn pintaliitettävän komponentin välillä. Ongelmia aiheuttavat komponentit on kuvattu vihreällä.