Návrh rigid-flex spojů v Altium Designeru

Flexibilní a kombinované (rigid-flex) plošné spoje jsou v elektrotechnice používány již několik desítek let. První patenty jsou více než sto let staré. Snad každý z elektrotechniků se s nimi setkal při opravách fotoaparátů, kamer, displejů nebo i různých hraček. V poslední době se s nimi setkáváme především v podobě LED pásků. I přesto je tato technologie často považována za nedostupnou. Důvody jsou různé. Obvykle se jedná o vysokou cenu výroby takových spojů nebo nedostatek zkušeností s jejich návrhem. Pojďme se ale obecně podívat na výhody této technologie, které by mohly do tohoto stavu vnést jiný úhel pohledu.

Technologie

Čistě flexibilní plošné spoje, tedy ty, které jsou ohebné v celé své ploše, jsou vyráběny především z polyimidů (třeba Kapton). Vyznačují se proto výraznou tepelnou, mechanickou i chemickou odolností a dobrými dielektrickými vlastnostmi. Na druhou stranu se jedná o materiál, který má nízkou adhezi a na spojování s ostatními materiály je potřebné mít dobré technologické zázemí. Na povrchu polyimidů se používají různě upravené měděné fólie (válcovaná-žíhaná, galvanická), které jsou především pružné. Překrytí spojů se realizuje klasicky, tedy nepájivou maskou (pružnou variantou) nebo tzv. coverlay vrstvou (také polyimid s lepidlem a předem vyřezanými otvory).

Obr. 1 Ukázka rigid-flex plošného spoje

Toto složení plošného spoje mu propůjčuje celkovou ohebnost a současně také pevnost. Tím jsou vhodným kandidátem do prostředí se zvýšenými vibracemi nebo pro trvale se pohybující části zařízení, stejně jako do prostorově složitých konstrukcí, kde se využije možnost přizpůsobit tvar během montáže. Typických aplikací existuje velké množství. Zajímavá jsou například použití flexibilních spojů na pohyblivé části některých CNC strojů, podobně jako u tiskových hlav inkoustových tiskáren nebo třeba napojení LCD displejů na řídicí elektroniku.

Kombinované rigid-flex spoje se vyrábí stejně jako flexibilní plošné spoje, pouze se na ně v požadovaných místech dolaminuje klasický pevný (rigid) plošný spoj, a to i vícevrstvý. Flexibilní plošný spoj je tedy uvnitř této konstrukce jako jeho nedílná součást. Případně se některá část flexibilního plošného spoje pouze zpevní podložkou (stiffener). Pevná část je využita k osazení větších součástek, zatímco flexibilní část obvykle plní roli trvale připojené kabeláže, na které mohou být i některé menší součástky. Jelikož mají polyimidy výhodné dielektrické vlastnosti a flexibilní a pevná část nemá mezi sebou znatelné přechody ve formě konektorů, tak byly úspěšně vytvořeny cenově velmi efektivní konstrukce, kde se pomocí flexibilní části šíří signály v oblasti 10 Gbit/s. Při těchto rychlostech jsou konektory i vlastní přenosové médium poměrně drahé, v případě rigid-flex spojů potřeba jejich použití odpadá.

Zvýšená náročnost i cena rigid-flex technologie se vrací především v podobě snížených nákladů za součástky (není potřeba použít alespoň část konektorů a kabeláže), sestavení (kabeláž se nepřipojuje), testování (testuje se již od začátku zařízení jako celek) a klesá i celková chybovost výroby (není možné zapojit kabeláž špatným způsobem).

Tyto argumenty jsou samozřejmě platné pouze pro některá zařízení. V každém případě je dobré využití flexibilních technologií alespoň zvážit před zahájením vývoje zařízení a případně i prodiskutovat, stejně jako u komplexních vícevrstvých klasických plošných spojů, požadavky konkrétního projektu s výrobcem PCB.

Rigid-flex v Altium Designeru

Altium Designer byl ve verzi 14 doplněn o podporu návrhu flexibilních a rigid-flex plošných spojů. Altium Designer se tak stal prvním ve své kategorii, který nabízí nástroje cílené na tuto technologii a představil tak revoluční novinku v návrhu rigid-flex PCB.

Obr. 2 Rigid-flex plošný spoj v Altium Designeru

Tato podpora spočívá především v možnosti nadefinovat v plošném spoji několik různých variant složení vrstev plošného spoje. To odráží skutečnost, že určitá část návrhu se skládá pouze z flexibilních vrstev a jiná je kombinací flexibilních vrstev s pevnými vrstvami. Těch může být také v rámci jednoho návrhu několik různých typů. Hlavní část může být například 8vrstvá, zatímco malé části plošného spoje na konci flexibilních částí mohou být laminovány pouze na 2 rigid vrstvy apod. Tato nastavení se realizují pomocí přepracovaného Layer Stack Manageru v režimu Advanced, kde lze v PCB dokumentu zadat jeden hlavní Layer Stack a k němu další odvozené Layer Stacky, přesně podle použité technologie. Layer Stack Manager byl navíc předělán tak, aby bylo možné jeho údaje jednoduše dokumentovat a přenášet do jiných PCB dokumentů. Také nově dovoluje umisťování součástek do vnitřních vrstev PCB, což otevírá cestu k technologii embedded součástek.

Obr. 3 Ilustrace ohybů flexibilních částí u pohyblivého aktuátoru

Nadefinované složení plošného spoje musíme ještě přiřadit určité oblasti návrhu. K tomu slouží nový zobrazovací mód View » Board Planning Mode. V něm se nově upravuje vnější tvar plošného spoje, který se dělí pomocí Split Lines na sekce a těmto sekcím se přiřazují jednotlivá složení vrstev (Layer Stack). Mimo to se ještě nabízí nastavit ohebným částem osu a poloměr ohýbání pomocí Bending Lines. Díky nim Altium Designer dokáže simulovat ohyby tak, jak budou použity ve výsledném zařízení.

Obr. 4 Zobrazení Board Planning Mode

Další návrh probíhá shodně jako pro běžné plošné spoje. Systém však hlídá, zda jsou spoje, součástky nebo i potisk umístěny v dané oblasti na dostupných vrstvách, a předchází se tak omylům a nedorozuměním. Hlavním benefitem podpory flexibilních plošných spojů je pak simulace ohybu plošného spoje ve 3D zobrazení, kde je možné stisknutím jediné klávesy (klávesa „5”) dosáhnout zobrazení výsledného složeného stavu. Dostupné je i postupné ohýbání, aby bylo možné zkontrolovat celý proces ohýbání.

Obr. 5 Stav rozloženo a složeno

Vizuální kontrola by však byla většinou nedostatečná. Altium Designer pokračuje ve své tradici kvalitního nástroje pro 3D kontroly návrhů a i pro flexibilní spoje proto nabízí plnohodnotné 3D kontroly vzdáleností jednotlivých součástek vůči sobě v libovolném stavu složení navrhovaného plošného spoje.

Obr. 6 Porušení minimální vzdálenosti (collision) součástek při ohnutí plošného spoje

Stav skládání nebo i rozkládání plošného spoje je možné zachytit i prostřednictvím videa a vytvořit tak velmi jednoduše interaktivní dokumentaci pro výrobní závod nebo pro prezentaci výrobku.

Benefity rigid-flex v Altium Designeru:

• kompletní zdokumentování složení jednotlivých částí plošného spoje
• simulace ohybů plošného spoje ve 3D zobrazení
• 3D kontroly kolizí součástek při ohybu PCB
• kontroly použití správných vrstev
• tvorba 3D videa s animací skládání

Závěr

Navrhnout rigid-flex plošný spoj je možné i bez podpory v návrhovém CAD systému. Na druhou stranu přímá podpora rigid-flex plošných spojů odstraňuje některé manuálně prováděné kroky, zaplňuje mezery v dokumentaci a pomáhá odhalit nepřesnosti v prostorovém uspořádání celého návrhu. Podrobnosti o implementaci flexibilních plošných spojů v Altium Designeru naleznete v dokumentaci [1].

Pokud vás technologie rigid-flex zaujala, tak další podrobnosti o ní zjistíte v pětidílném seriálu na Altium Blogu [2] nebo v knize Flexible Circuit Technology [3] od Josepha Fjelstada a skupiny autorů (ke stažení zdarma).

Více o Altium Designeru a ukázky jeho používání si můžete naživo prohlédnout během našeho setkání současných a budoucích uživatelů v rámci jarní části Altium Designer Roadshow v Plzni, Hradci Králové a Ostravě 3.–5. 6. a v Trenčíně a Liptovském Mikuláši 11. a 12. 6. Těšíme se na setkání s vámi. Podrobnosti naleznete na www.edatools.cz/roadshow