Menguasai Desain Rigid-Flex PCB: Keterampilan Ahli untuk Papan Berkualitas Tinggi dan Cepat

Desain PCB rigid-flex, sejauh ini, dianggap sebagai PCB yang kompleks untuk dirancang karena memerlukan penguasaan keterampilan teknis untuk membuat satu. Tentu saja, itu berbeda dari desain papan sirkuit biasa karena kesophistikasiannya. Tidak dapat diingkari, fitur PCB rigid-flex telah mengarah pada adopsi di kemajuan teknologi modern yang lebih banyak.

Oleh karena itu, mengetahui dan menguasai proses desain sangat penting dalam merancang PCB berkualitas. Dalam artikel ini, kami akan mempelajari proses desain yang disertai dengan panduan. Selain itu, kami akan menyebutkan masalah tertentu yang mungkin terjadi dan langkah pencegahan yang harus diambil saat terjadi. 

(ilustrasi berwarna dari PCB rigid-flex)

1. Apa itu PCB Rigid-Flex?

Seperti yang namanya saran, papan sirkuit cetak rigid-flex (RFP) adalah papan hibrid yang menggunakan integrasi teknologi papan fleksibel dan kaku dalam aplikasi elektronik. Hampir semua desain PCB rigid-flex merancang komponen poliamida fleksibel pada penguat tipe 4 (FR4) Flame Retardant tetap. 

Anda akan menemukan bahwa beberapa bagian papan fleksibel sementara yang lain kaku saat diperiksa. Yang lebih lagi, Anda dapat dengan mudah membengkokkan atau melipat sirkuit dan masih mempertahankan bentuk area yang membutuhkan dukungan lebih. 

（Latar belakang teknologi tinggi dari PCB rigid-flex）

2. Desain Tipe Stack Layer Rigid-Flex

Produsen merancang PCB sebagai stack multilayer untuk mendefinisikan tata letak setiap layer secara vertikal, juga dikenal sebagai plane Z. Stack layer memiliki pembuatan satu unit di setiap papan. 

2.1 Strategi stacking layer terbaik

Strategi stack-up layer yang sempurna harus memungkinkan Anda untuk menyusun jejak dan ground plane untuk memblokir EMI. Selain itu, harus dapat menyesuaikan dengan desain rigid-flex dan suhu desain. 

Stack multilayer yang baik diinginkan. Itu karena alasan-alasan berikut;

• Dapat bergantir antara signal plane dan ground plane.
• Setiap layer memiliki dielektrik atau prepreg di antaranya. 
• Ia mempertimbangkan masalah termal. 
• Ia menampung perangkat dengan elemen analog dan digital. Namun, perangkat harus menggunakan ground layer terpisah dalam stack up. Esensi pemisahan adalah untuk menghindari noise coupling dan mencegah EMI. 

2.2 Fitur single layer

• Memiliki satu atau dua outer cover layer poliamida.
• Memiliki lubang yang dapat diakses di satu atau kedua sisi.
• Lubang komponen tidak dilapisi.
• Anda dapat menggunakan komponen, penguat, pin, dan konektor pada tipe single layer.
• Sangat direkomendasikan dalam aplikasi yang berurusan dengan flex statis dan dinamis.

2.3 Fitur double layer

• Desainer plating melalui lubang sehingga memungkinkan koneksi antara dua layer.
• Anda dapat menggunakan komponen, penguat, pin, dan konektor meskipun mungkin tidak ada penguat. 
• Ada dua conducting layer dengan insulator di antaranya. Desainer dapat menutup outer layer atau meninggalkan pad terbuka.
• Pad yang tidak tertutup atau lubang akses ada di kedua sisi- via dapat memiliki cover di kedua sisi. 
• Dapat diterapkan untuk aplikasi flex stasioner dan aktif. 

2.4 Fitur multilayer

• Pertama, PCB multilayer memiliki tiga atau lebih conductive layer fleksibel. Desainer kemudian menempatkan komponen insulator fleksibel di antara setiap layer. Terakhir, mereka dapat memilih untuk menutup outer layer atau mengekspos pad.
• Via dapat ditutup atau diekspos juga.
• Lubang kontak atau pad bebas ada di satu atau kedua sisi PCB.
• Berbagai bahan dapat digunakan, misalnya, komponen, penguat, pin, dan konektor.
•  Sering ditemukan dalam aplikasi flex statis.

(close up pada PCB multilayer)

3. Rentang Aplikasi PCB Rigid-Flex

RFP memiliki rentang aplikasi yang luas di elektronik dan kadang-kadang dalam sistem kontrol. Bergantung pada produk di mana digunakan, Anda akan menemukan aplikasinya di;

• peralatan konsumen 
• industri otomotif 
• industri penerbangan
• sistem menara kontrol
• sistem pengawasan CCTV
• sistem otomatisasi industri
• panel kontrol

(contoh aplikasi PCB rigid-flex pada motherboard)

4. Pedoman Desain Rigid-Flex. 

Tanpa pedoman yang tepat dalam merakit/merancang RFP Anda, produk akhir dapat rentan terhadap tantangan. Oleh karena itu, mengikuti instruksi yang ditetapkan secara teliti dapat menghemat banyak hal. 

Berikut adalah beberapa pedoman standar yang dapat Anda ikuti saat merancang PCB Anda.

• Pertama, siapkan jenis bahan (lem, konduktor, dll.), metode manufaktur (apakah tekanan dan panas diperlukan) dan jumlah layer.
• Kedua, pastikan untuk menempatkan jejak tembaga pada sudut 90° dari lenturan rigid dan fleksibel.
• Kemudian, pertimbangkan faktor elektrokimia yang mempengaruhi baik sirkuit fleksibel maupun papan rigid. Terkait itu, Anda perlu fokus pada rasio radius lenturan terhadap ketebalan. Sebagai aturan, radius lenturan harus minimal sepuluh kali ketebalan material fleksibel. 
• Selain itu, Anda harus meninggalkan jarak 0,5 mm antara copper annulus dan via yang berdekatan. Koneksi yang dekat dapat menyebabkan kelelahan yang sering terjadi setelah lenturan yang berulang. Lagi, via harus berada di area yang tidak bergerak pada papan, yaitu di mana jarang bergerak.
• Terakhir, periksa kondisi operasi produk. Untuk mengatakan dengan cara lain, periksa kondisi lingkungan, misalnya, perubahan suhu, pendinginan, kelembaban, benturan, non-kedap api, dan getaran.

5. Material Apa yang Harus Anda Pilih untuk Desain PCB Rigid-Flex?

Substrate dan film Coverlay

Jenis yang diinginkan adalah kaca serat tenun yang diisi di dalam epoxy resin. Kaca serat memiliki tingkat elastisitas tertentu. Di sisi lain, epoxy yang telah kuring membuat papan tampak rigid. Penggunaan epoxy memerlukan keadaan di mana ada gerakan yang lebih sedikit.

Poliamida adalah pengganti untuk epoxy karena fleksibilitas yang ditingkatkan. Selain itu, Anda tidak dapat dengan mudah merobek atau meregangkan material ini dengan tangan. Terakhir, sangat tahan panas, sehingga menjaga stabilitas selama fluktuasi suhu. 

Poliester (PET) sering digunakan dalam desain. Kelemahan material ini adalah fakta bahwa tidak dapat bertahan lama dalam suhu ekstrim. Jadi, Anda akan menemukan aplikasinya dalam produk elektronik biaya rendah. 

Politetrafluoroetilena (PTFE) dapat bertindak sebagai pengganti PET. Anda sebagian besar akan menggunakannya dalam produk frekuensi tinggi dengan konstanta dielektrik rendah. 

Coverlay bertindak sebagai isolator dan melindungi permukaan luar dari kerusakan dan kemusnahan yang tidak diinginkan. 

(close up pada epoxy resin)

Konduktor

Pilihan bervariasi dari carbon film dan tinta berbasis perak, tetapi yang paling disukai adalah tembaga. Pilihan tembaga pasti akan disesuaikan dengan aplikasinya. Misalnya, copper foil (Electro-Deposited) yang dilaminasi cocok untuk bagian sirkuit fleksibel sederhana atau copper berat yang cocok untuk menyimpan konduktor arus tinggi. 

Konduktor lain di pasar adalah foils Rolled Annealed (RA). Memiliki biaya yang lebih tinggi daripada tembaga standar, tetapi kualitas dalam meregang dan memulihkan sangat luar biasa.

Lem

Lem adalah untuk fleksibilitas. Fungsinya adalah untuk melekatkan copper foil ke poliamida atau film lain karena panas dan tekanan saja tidak dapat membentuk koneksi yang dapat diandalkan. Bahan yang digunakan termasuk lem berbasis akrilik atau epoxy dengan ketebalan sekitar 0,5-1 mil.

Anda juga dapat menggunakan silikon dan lem panas di antarmuka fleks dan rigid. 

(penggunaan silikon)

6. Software untuk Desain PCB Rigid-Flex

Anda dapat menggunakan software dalam desain PCB untuk menganimasikan dan secara khas mendefinisikan PCB Anda. Di sini adalah dua cara yang mungkin Anda gunakan untuk memulai proses:

Integrated ECAD/MCAD tools

ECAD/MCAD memungkinkan kolaborasi dua arah antara domain listrik dan mekanikal. Alat-alat ini memvalidasi desain secara visual dengan 3D fotorealistik untuk mengurangi iterasi. Mereka menyederhanakan proses desain dengan memeriksa hal-hal berikut.

Altium Designer 

Altium Designer's PCB adalah lingkungan desain berlapisan yang mendukung sekitar 32 signal layer dan 16 plane layer. Tidak dapat diragukan, Altium Designer yang canggih adalah satu-satunya software desain PCB dengan kemampuan untuk memberikan alat yang diperlukan untuk rangkaian PCB rigid-flex di satu platform. 

Alternatifnya, Altium Designer terdiri dari mesin rendering 3D yang kuat yang menyajikan representasi 3 dimensi yang realistis dari papan sirkuit. Mesin ini mendukung papan sirkuit rigid-flex, dan dapat memeriksa papan dalam keadaan datar. 

7. Langkah Pengaman untuk Desain PCB Rigid-Flex

Gagal mengikuti pedoman dapat mengakibatkan dampak yang bencana. Yang lebih lagi, dapat menyebabkan pemborosan material, waktu, dan uang jika Anda melewatkan langkah dalam prosedur.

Ada beberapa langkah pengaman umum yang perlu Anda ingat sebelum proses desain, dan meliputi;

• Hindari lenturan di sudut. Jika Anda melakukannya, pastikan sudutnya melengkung, tidak tajam.
• Anda tidak boleh menempatkan komponen atau via dekat garis lentur. Garis lentur mempengaruhi routing dengan menyebabkan stres material. 
• Gunakan poligon bertolak angin untuk mempertahankan fleksibilitas saat membawa ground plane atau power plane pada sirkuit fleksibel. 
• Ubah lebar jejak secara bertahap. Perubahan tiba-tiba dalam lebar jejak dapat menyebabkan titik lemah.
• Jaga layer fleksibel minimal dua untuk fleksibilitas maksimum dan biaya rendah. 
• Gunakan papan sirkuit cetak dengan ketebalan terendah dan jenis material yang lebih sedikit. RFP yang tebal mempengaruhi miniaturisasi produk rangkaian dan akibatnya mengganggu proses manufaktur. 
• Tata letak kabel menunjukkan persyaratan resistensi lipat untuk meningkatkan resistensi benturan.

8. Masalah Sering Ditemui dalam Desain PCB Rigid-Flex.

• Radius dan posisi lenturan PCB fleksibel

Saat papan membengkok dalam jangka waktu lama, beberapa bagian sirkuit fleksibel akan memiliki stres ekstra dari yang lain. Radius yang kurang bulat juga berkontribusi pada stres fisik. 

• Dapat ada masalah yang berkaitan dengan persyaratan mekanis untuk PCB rigid-flexible. Ini berkaitan dengan ketebalan papan sirkuit (papan tebal tidak efisien), bentuk lenturan, frekuensi lenturan, dan rasio diameter lubang bor terhadap ketebalan papan. 
• Jika Anda tidak menempatkan jarak antara pad dan jejak tembaga dengan benar, dapat terjadi short circuit. Oleh karena itu, jarak harus dapat menampung mask. 
• Stacked traces yang ditemukan di posisi yang sama di sisi lawan dielektrik mengalami stres karena posisinya, yang tragis menyebabkan mereka retak. Tampaknya merupakan fragmen kalimat. Pertimbangkan untuk menulis ulang sebagai kalimat lengkap. 
• Desainer dapat menyebabkan kerusakan traces di bawah dalam kasus di mana mereka menerapkan jumlah cover film yang berlebihan pada PCB.

Ringkasan：

Secara keseluruhan, mengambil langkah pencegahan menyajikan persentase efektivitas yang lebih tinggi dalam desain PCB. Tindakan semacam itu puji-puji karena menghemat biaya, memanjangkan umur papan, dan secara keseluruhan, mempertahankan kualitas rencana.

Kami berharap Anda telah memperoleh beberapa pengetahuan dasar rigid-flex dari artikel ini. Jika ada pertanyaan, kekhawatiran, atau komentar, silakan hubungi kami. Tentu saja, kami akan sangat senang memiliki Anda di sesi belajar bertahap kami.