Гибко-жёсткие печатные платы (Delta Design)

Автор: Сергей Попов (popov.sn@eremex.ru)

Введение

Мобильность и портативность электронных устройств, сопровождающих человека в его повседневной жизни, предъявляет жёсткие требования по своим массовым и габаритным характеристикам. Эти требования приходится учитывать инженерам-электронщикам при разработке современных устройств. Сложная внутренняя архитектура – одна материнская плата и наборы периферийных устройств, а также требования по надёжности и долговечности электронных устройств привели к тому, что одним из мировых трендов на протяжении уже долгого времени является разработка радиоэлектронных устройств с использованием гибко-жёстких печатных плат (ГЖПП) [1].

Пользователи САПР Delta Design неоднократно обращались к разработчикам системы с просьбой реализовать поддержку создания гибко-жёстких конструкций. Ответом на запросы пользователей стало комплексное решение, которое позволяет создавать варианты областей платы с различными наборами слоёв, и при этом осуществляет контроль правильности создания топологии в области гибкой части платы. 

Новые материалы 

В системе Delta Design работа над проектом печатной платы начинается с редактора «Материалы», в котором разработчик формирует необходимый ему набор конструктивных элементов печатной платы (препрег, маска, фольга, основа) и задаёт их основные характеристики: толщину, диэлектрическую проницаемость или проводимость. 

Для разработки конструкций ГЖПП в системе Delta Design был модифицирован и расширен список доступных для использования конструктивных элементов. Функция конструктивного элемента «Маска» как защитного покрытия была расширена и на гибкую часть платы. Комбинация конструктивного элемента «Маска» и материала «Полиимидная плёнка» соответствует покровной пленке. Покровная плёнка – это название защитного покрытия в гибкой области платы обычно используют инженеры-технологи. Кроме модификации маски был расширен список материалов для основ печатных плат, для них доступны материалы из полиимида. К основным характеристикам всех конструктивных элементов был добавлен параметр «Гибкость» (рис. 1).

Рис. 1. Редактор «Материалы»

Данный параметр определяет возможность использования конструктивного элемента в гибкой и жёсткой частях платы.

Разработчики Delta Design обновили таблицу, добавили в неё базовые материалы, которые наиболее часто используются производителями печатных плат (рис. 1). Новые конструктивные элементы и их материалы доступны пользователю сразу после установки системы. 

В случае если на начальных этапах проектирования печатной платы пользователь не располагает данными относительно того, каким образом будет сформирован конструктив разрабатываемой платы, данный этап можно пропустить, такой сценарий вполне возможен. По мере продвижения в разработке конструкции печатной платы, после формирования и уточнения требований пользователь всегда может вернуться к таблице «Материалы» (рис. 1), дополнить и отредактировать её в соответствии с требованиями производителя. 

Редактор слоёв. Стеки

Как конечное изделие, гибко-жёсткая плата представляет собой единую неразборную конструкцию. На ней можно выделить два типа характерных областей: жёсткую и гибкую. Эти области значительно отличаются друг от друга по своим механическим характеристикам. Процесс изготовления платы осуществляется с учётом специфики этих зон [2]. Для того чтобы учесть специфику областей гибко-жёсткой конструкции и предоставить инженеру-топологу возможность правильно описать их с точки зрения используемых материалов, в системе Delta Design был изменён редактор слоёв. 

В обновлённой версии редактора слоёв в таблице отображён весь список конструктивных элементов, из которых состоит гибко-жёсткая плата. Для того чтобы инженер мог учитывать конструктивные особенности отдельных областей платы, в редакторе слоёв были реализованы новые объекты – стеки. Стеки – наборы конструктивных элементов (слоёв платы), обладающие признаком «жёсткий» или «гибкий». Наличие одного из данных признаков ограничивает выбор доступных конструктивных элементов, которые пользователь может включать в стек (рис. 2).

Рис. 2. Редактор слоёв с тремя стеками «Плата», «Переход», «Дисплей»

Стеки в табличном виде описывают сложную гибко-жёсткую трёхмерную конструкцию. Также стеки позволяют пользователю посмотреть на плату в разрезе, в каждой из её характерных областей. В редакторе слоёв были добавлены проверки, которые отслеживают правильность создания стека каждого типа. Например, если пользователь ввёл недопустимое сочетание конструктивных элементов или не сформировал минимальный необходимый набор, то система не позволит сохранить такую конфигурацию стеков. 
Изменение редактора затронуло вкладку «Переходные отверстия». В обновлённом редакторе пользователь может задать наборы стилей переходных отверстий для каждого стека (рис. 3). 

Рис. 3. Редактор слоёв. Переходные отверстия

Составная граница гибко-жёсткой печатной платы

В новой версии системы Delta Design создание границ печатной платы происходит с помощью специализированных инструментов, расположенных в главном меню программы: «Инструменты → Граница платы → Задать границу платы ….»
Отметим, что разработчики оставили возможность использовать старый подход по формированию границы, но он потребует дополнительных шагов по преобразованию обычных графических объектов в границу печатной платы. Этот путь позволит создать границу при импорте границы из машиностроительных САПР в dxf-формате. Если же пользователь создаёт новый проект и рисует контур платы самостоятельно, то наиболее правильным и надёжным способом является использование специализированных инструментов создания границы, указанных выше (рис. 4).

Рис. 4. Инструменты создания границы платы

Чтобы нарисовать границу гибко-жёсткой печатной платы, сначала инженеру необходимо отобразить её развёртку на плоскости. При этом ему нужно нарисовать границу каждой области платы и расположить получившиеся фигуры контуров платы вплотную друг к другу. В результате получается сложная граница платы, состоящая из отдельных примыкающих друг к другу областей.

Для каждой области такой сложносоставной границы печатной платы назначается стек, который был ранее создан в редакторе слоёв. После назначения стеков областям платы система начнёт контролировать то, насколько смежные области платы соотносятся друг с другом по заданным слоям в стеках.

Определение области сгиба

Для формирования областей, в которых плата подвергается механической деформации, в системе Delta Design был реализован новый инструмент – «Разместить линию сгиба». Линия сгиба – это проекция оси воображаемого цилиндра, по поверхности которого происходит сгиб гибкой части платы. Также, одновременно с проекцией оси, на плате отображается развёртка части поверхности цилиндра. Ширина развёртки определяется углом, на который плата сгибается, и радиусом воображаемого цилиндра (рис. 5). 

Рис. 5. Создание области сгиба. ГЖПП – вид сбоку

Значения параметров угла и радиуса указываются в свойствах нового составного объекта «Сгиб», который создаётся после окончания работы инструмента «Разместить линию сгиба». Объект – «Сгиб» описывает саму область сгиба платы, а также содержит линию сгиба, описанную выше. Пользователь может редактировать полученную область сгиба, менять её положение и наклон относительно сгибаемой части платы. В панели «Свойства» могут быть отредактированы значения угла и радиуса сгиба размещённой области.

3D-визуализация

После задания основных параметров области сгиба пользователь может перейти от 2D-представления платы к 3D. В Delta Design реализовано двух­этапное построение 3D-вида ГЖПП. На первом этапе плата показывается без выполнения сгиба, на втором этапе плата показывается со сгибом. Таким образом, инженер всегда может контролировать конечный результат и соотнести его со своими ожиданиями (рис. 6, 7).

Рис. 6. 3D-вид гибко-жёсткой печатной платы до сгиба


Рис. 7. 3D-вид гибко-жёсткой печатной платы после сгиба. Параметры сгиба (угол 90 град, радиус 2 мм)

При необходимости 3D-вид платы может быть сохранён в stp или stl-формате.

Правила проектирования

Для правильного создания ГЖПП были внесены дополнительные проверки в различные редакторы системы. Выше упоминалось, что в редакторе слоёв происходит контроль за правильностью наполнения жёсткого и гибкого стека. Сам редактор слоёв может быть запущен в режиме редактирования только тогда, когда все документы проекта были предварительно закрыты. В остальных случаях редактор запускается в режиме просмотра.

Редактор правил проекта был доработан, и теперь пользователь получил возможность задавать специфические наборы правил для каждого стека. В разделах «Зазоры» и «Физические» добавлены узлы, в которых пользователь определяет правила проектирования для каждой характерной области гибко-жёсткой платы. Узлы именуются по названию используемых стеков (рис. 8).

Размещение компонентов

При первичном размещении компонентов в пределах границы платы система определяет, в какую область платы попадает геометрический центр размещаемого компонента. Далее для размещаемого компонента формируется набор контактных площадок, соответствующий стеку, в области которого компонент был размещён. 

Если пользователь сначала разместил компонент в жёсткой части платы, а затем решил его передвинуть в гибкую часть, то система обозначит данный компонент как компонент, размещённый с нарушением стека. Чтобы исправить данное нарушение и задать контактным площадкам компонента правильный стек, в системе реализована специальная контекстная команда «Переразместить».

Система контролирует, в каком именно месте был расположен компонент. Согласно рекомендациям производителей печатных плат, компоненты не рекомендуется размещать в области сгиба и вблизи перехода из жёсткой в гибкую часть. Если пользователь расположил компонент в области сгиба или на расстоянии меньшем, чем 1 мм от границы перехода, то DRC-проверка определит такой компонент и сообщит об этом пользователю.

Трассировка печатных проводников

Для ГЖПП характерно различное количество слоёв в гибкой и жёсткой частях. Поэтому в алгоритмы трассировки платы были внесены изменения. Теперь система отслеживает, в какой именно области в данный момент времени происходит прокладка печатного проводника, и проверит возможность перехода из одной области в другую на выбранном слое.

Delta Design контролирует и то, каким именно образом был проложен печатный проводник. Согласно рекомендациям производителей печатаных плат, проводник должен располагаться ортогонально к линии сгиба и к границе, разделяющей жёсткую и гибкую части. Если проложить проводник под углом, отличным от 90 градусов, то при деформации платы возможно отслоение печатных проводников от полиимидного основания. Если инженер-конструктор всё же создал такую топологию печатных проводников, то DRC-проверка системы выявит такие проводники и сообщит об этом. Ещё одной важной рекомендацией является взаимное расположение проводников на соседних слоях гибкой части. Проводники рекомендуется располагать в шахматном порядке. Если проводники располагаются друг над другом, то DRC-проверка их определит и подсветит. 

Аналогично тому, как система контролирует размещение компонентов в областях сгиба и в зонах перехода, также происходит контроль за размещением переходных отверстий. Размещение переходных отверстий на участках гибко-жёсткой конструкции осуществляется с учётом тех же требований, что и для размещения компонентов. 

Трассировка проводников дугами

Со стороны производителей существуют рекомендации по созданию правильной топологии печатных проводников в гибкой части. Рекомендуется прокладывать проводники таким образом, чтобы они повторяли геометрию границы платы. Для гибкой части платы вполне возможны сложные конфигурации и вырезы, это приводит к тому, что граница представляет собой набор отрезков и дуг различного радиуса. Чтобы повторить такую сложную геометрию у печатных проводников, следует использовать инструмент постобработки топологии – «Скругление треков» [4].

Создание производственных файлов

Нанесение жидкой маски по всей области ГЖПП приводит к потере гибкости платы. Согласно данным от производителей [3] жидкая маска используется для «статичных» плат, а также в тех случаях, где необходимо сформировать масочные мостики определённой ширины. В большинстве же случаев для создания защитного слоя в гибкой части применяется покровная плёнка на основе материала «полиимид». 

Чтобы поддержать возможность формирования двух защитных слоёв, различных как по своим параметрам, так и по способу нанесения, в Delta Design был расширен список материалов для выполнения защитного покрытия. Также в системе был расширен функционал по формированию защитного слоя «Инструменты» → «Заменить маску и пасту». В новой версии Delta Design у пользователя есть возможность создания специфических вырезов в покровной плёнке, которые могут отличаться значениями отступа до контактных площадок, от таких же окон, созданных в слое жидкой маски. Также слой покровной пленки будет экспортироваться в отдельный гербер-файл.

Изменения произошли и в функционале экспорта границ платы. Если пользователь разрабатывает гибко-жёсткую конструкцию, то вместо одного производственного файла, описывающего границу платы, система в автоматическом режиме создаст набор файлов. В набор будет входить файл с общей границей платы, а также файлы, описывающие границу каждой области, для которой был задан свой стек. Файлу с общей границей будет присвоено имя, которое пользователь задаёт в окне экспорта производственных файлов, а имена остальных файлов будут составными. Первая часть составного имени – это имя, заданное пользователем, а вторая часть – это имя стека.

Ограничения на использование функционала создания гибко-жёсткой конструкции

На момент написания статьи проектирование гибко-жёстких плат было доступно только в профессиональной конфигурации системы Delta Design. Ограничения были и на использование функционала топографической трассировки TopoR. Так, если в проекте было создано два и более стеков, то вызов и использование режима TopoR становятся невозможны.

В текущей версии Delta Design не отслеживается допустимое соотношение толщины и радиуса сгиба платы. Контроль за правильностью введённых значений и полученных областей сгибов лежит на самом пользователе.

Работа с проектами различных версий

В процессе разработки нового функционала по созданию проектов гибко-жёстких плат в систему Delta Design было внесено большое количество изменений. Одна из задач, которая стояла перед разработчиками системы, – это задача по обеспечению преемственности ранее созданных проектов. Другими словами, для пользователя не будет значительной разницы при работе с ранее созданными проектами после перехода на новую версию системы Delta Design. Проекты, созданные в более ранних версиях системы, доступны для использования в новой версии. Однако после открытия проекта в новой версии Delta Design настоятельно не рекомендуется открывать проекты в более ранних версиях системы.
Для пользователей системы Delta Design, которые разрабатывают только обычные жёсткие платы, в редакторе слоёв воспроизводится старое поведение системы. Для каждого вновь созданного проекта в редакторе автоматически формируется один стек жёсткой печатной платы.

Заключение

Как было отмечено в начале статьи, в САПР Delta Design реализован комплексный подход к проектированию гибко-жёстких плат. В новой версии инженер-конструктор получил широкий набор инструментов, который позволяет создать цифровой проект печатной платы, максимально приближенный к реальной конструкции ГЖПП. Кроме этого, в систему были добавлены проверки, основанные на рекомендациях, полученных от производителей, данные проверки позволяют создавать надёжные конструкции плат.

Также отметим, что для компании Эремекс это первый шаг в направлении разработки гибко-жёстких конструкций. Существует большая вероятность того, что по мере накопления пользовательского опыта функциональные возможности системы будут дорабатываться и расширяться в соответствии с запросами пользователей, разрабатывающих различные виды гибко-жёстких печатных плат.

Литература

  1. Медведев А. и др. Конструирование гибких и гибко-жёстких печатных плат // Компоненты и технологии. 2008. № 6. URL: https://kit-e.ru/wp-content/uploads/2008_6_147.pdf.
  2. URL: https://www.rezonit.ru/pcb/gibko-zhestkie/.
  3. URL: https://www.youtube.com/watch?v=5Y9hiZid5P8&t=2705s.
  4. Эремекс. URL: [https://youtu.be/fnnrIden1ZU].



Поделиться:



Комментарии

Текст сообщения*
Защита от автоматических сообщений