Việc sử dụng mạch in dẻo (Flex PCB) và mạch kết hợp (Rigid Flex) đã tăng trưởng mạnh, chủ yếu từ xu hướng thu nhỏ thiết bị điện tử. Tuy nhiên, do đặc tính vật liệu mỏng và dễ uốn cong, mạch in dẻo mỏng manh hơn nhiều so với mạch cứng tiêu chuẩn FR4. Điều này khiến tỷ lệ lỗi trong quá trình gia công tăng cao, kéo theo chi phí sản xuất đội lên đáng kể.
Để giải quyết bài toán này, việc áp dụng phân tích DFM cho mạch dẻo là quy trình cần thiết.
Hình 1. Mạch mềm đặt ra những thách thức mới so với mạch cứng như khả năng uốn cong và uốn dẻo cũng như đặc tính bám dính khác nhau của các đường đồng.
1. 10 rào cản khi chế tạo mạch Flex/ Rigid-Flex
Sự khác biệt lớn nhất giữa mạch dẻo và mạch cứng nằm ở đặc tính giãn nở nhiệt và độ bám dính của lớp đồng. Dưới đây là 10 rủi ro trong gia công phổ biến nhất trên mạch in dẻo và cách để giải quyết.
1.1. Gắn linh kiện SMT trên vật liệu dẻo
Có thể đặt các linh kiện dán bề mặt (SMT) trên mạch dẻo bằng cách sử dụng các vật liệu gia cường liên kết có chọn lọc khi cần thiết. Lớp đồng trên nền vật liệu dẻo dễ bị tách lớp hơn so với một tấm cứng thông thường. Do đó, các Pad gắn linh kiện bề mặt cần được hỗ trợ thêm, thường là sử dụng lớp phủ đè lên một phần của Pad và lỗ via.
Cũng có thể sử dụng các Pad hàn lớn hơn thay cho lớp phủ, giúp tạo ra diện tích bề mặt lớn hơn để bám dính. Tuy nhiên, việc sử dụng kết hợp cả hai phương pháp hỗ trợ này sẽ tạo ra miếng đệm có độ bám dính tốt hơn.
1.2. Làm cho Pad hàn lớn hơn lỗ mở
Việc thiết kế Pad hàn lớn hơn các lỗ mở trên lớp phủcó thể làm tăng đáng kể độ bền liên kết, đồng thời giảm khả năng tách lớp. Kỹ thuật này tương tự như thiết kế Pad SMD đối với mạch cứng. Với các thiết kế phải uốn cong, lớp phủ sẽ bổ sung thêm khả năng neo giữ chắc chắn vào các chi tiết đồng.
1.3. Khoảng cách giữa các đường mạch ở vùng uốn cong
Khu vực uốn cong là một khu vực khác cần được thiết kế cực kỳ cẩn thận. Nguyên tắc chung cho khoảng cách của đường mạch là phải duy trì 5 mm giữa phần mạch cứng và khu vực uốn cong của mạch dẻo (Hình 2). Các khúc uốn nằm gần vùng mạch cứng hơn khoảng cách này sẽ dễ bị đứt gãy hơn rất nhiều.
Ngoài ra, nếu không đảm bảo khoảng cách thích hợp, lớp phủ nằm ngay bên dưới khu vực mạch cứng có thể bị bong tróc và làm lộ lớp đồng.
1.4. Góc định tuyến đường mạch tại các điểm uốn
Có một vấn đề rủi ro tại các vùng uốn cong liên quan đến hướng đi của đường mạch. Độ tin cậy và chất lượng của mạch dẻo có thể được cải thiện bằng cách đảm bảo rằng các đường mạch đi vào vùng uốn với ít hoặc không có sự thay đổi về hướng (Hình 2).
Nếu bắt buộc phải thay đổi hướng của các đường mạch bên trong chỗ uốn, hãy sử dụng các đường cong bo tròn thay vì các đường bẻ góc nhọn để giảm khả năng nứt gãy đường mạch.
Hình 2. Khoảng cách giữa các dây dẫn phải là 5 mm giữa mạch cứng và phần uốn cong. Ngoài ra, các vết không được thay đổi hướng trong khu vực uốn cong.
1.5. Chiều rộng đường mạch
Chiều rộng của dây dẫn cũng đặc biệt quan trọng. Một nguyên tắc chung an toàn là hãy thiết kế chiều rộng đường mạch lớn ít nhất gấp năm lần độ dày của chúng. Khuyến nghị của chúng tôi là sử dụng đường đồng mỏng nhất có thể để truyền tải tín hiệu một cách an toàn, sau đó điều chỉnh độ rộng đường mạch cho phù hợp.
1.6. Plane hatching – Đổ đồng dạng lưới
Ứng suất tại các điểm uốn có thể được giảm bớt bằng một kỹ thuật gọi là đổ đồng dạng lưới (plane hatching). Mặc dù hình dạng tổ ong (hình lục giác) sẽ làm giảm ứng suất góc hiệu quả nhất, nhưng nhìn chung, bất kỳ hình dạng lưới nào cũng sẽ giúp giảm ứng suất tốt hơn so với đổ mảng đồng đặc.
1.7. Bổ sung miếng lót cải thiện độ bền
Các điểm vuốt góc giúp cải thiện năng suất và độ bền của mạch dẻo. Chúng được sử dụng trong trường hợp đường kính của Pad hàn lớn hơn chiều rộng của đường mạch nối vào nó. Bạn cũng nên tránh các góc nhọn tại vùng giao nhau giữa đường mạch và Pad để giảm thiểu ứng suất tập trung tại mối nối.
1.8. Khu vực kết nối
Thông thường, vùng chuyển tiếp này kéo dài khoảng 1,2 mm từ mép của mạch cứng lấn vào vùng uốn cong để tạo thành một khu vực kết nối kết hợp dài 2,5 mm.
Vùng kết nối này có thể mỏng manh hơn các phần còn lại của thiết kế, đòi hỏi phải cân nhắc thiết kế đặc biệt. Cụ thể, bao gồm tránh đặt các lỗ via, lỗ lắp ráp, khe rãnh, lỗ mạ xuyên ở gần nơi giao nhau giữa mạch dẻo và cứng. Đồng thời cần thiết kế góc mà các đường mạch đi vào phần mạch cứng không được là góc 90 độ.
1.9. Nới lỏng dung sai gia công
Dung sai sản xuất cho mạch dẻo bắt buộc phải được nới lỏng hơn so với mạch cứng. Các vật liệu và kỹ thuật cấu trúc được sử dụng trong mạch dẻo có thể co ngót, giãn nở, kéo giãn và nén theo những cách hoàn toàn khác biệt so với mạch cứng. Việc nới lỏng dung sai sẽ tạo khoảng biên an toàn cho phép những hiện tượng này xảy ra.
1.10. Giãn nở nhiệt
Hầu hết các vật liệu nền dẻo dựa trên chất kết dính đều không được lấp đầy, điều này có thể dẫn đến sự giãn nở nhiệt theo trục Z không được kiểm soát. Tình trạng này khiến các lỗ via và các chi tiết khác dễ bị tách lớp. Đồng thời sẽ gây ra hiện tượng kết nối chập chờn sau khi các linh kiện được hàn lên bề mặt vật liệu dẻo.
Để khắc phục điều này, các linh kiện hàn trên mạch dẻo cần một thiết kế Pad hàn chắc chắn hơn nhiều so với các khu vực mạch cứng.
Tham khảo thêm: So sánh Valor NPI và Valor Process Preparation: Hai giải pháp quan trọng trong quy trình sản xuất PCB
2. Giải pháp DFM cho mạch dẻo: Valor NPI
Thiết kế mạch dẻo và mạch kết hợp Rigid-Flex đang ngày càng phổ biến với sự thu nhỏ của công nghệ và sự bùng nổ của các thiết bị đeo. Các bản vẽ PCB liên quan đến mạch dẻo đòi hỏi những quy trình sản xuất riêng biệt. Để đảm bảo và tối ưu hóa các thiết kế này cho khâu sản xuất, một giải pháp DFM chuyên dụng kết hợp với mô hình sản xuất toàn diện, thông minh chính là công cụ tốt nhất để cải thiện năng suất, tiết kiệm chi phí và tăng độ tin cậy.
Phân tích DFM trong thiết kế mạch in dẻo cùng Valor NPI
Valor NPI là giải pháp tích hợp hệ tri thức sản xuất vào ứng dụng để cung cấp chuyên môn khi chạy phân tích DFM trên các thiết kế PCB. Valor NPI cung cấp phạm vi kiểm tra DFM hoàn chỉnh cho cả bo mạch cứng, bo mạch dẻo cũng như các điểm kết nối giữa chúng.
Valor NPI có khả năng tự động xác định các vấn đề liên quan đến 10 rào cản ở trên và nhiều thách thức khác nữa. Việc xác định và khắc phục lỗi ngay từ đầu có thể tiết kiệm thời gian, chi phí và quan trọng nhất là tránh việc phải thiết kế lại do lỗi gia công.
Mạch dẻo khó sản xuất hơn mạch cứng, và cách tốt nhất để đảm bảo các thiết kế có thể sản xuất thực tế là chạy kiểm tra DFM liên tục trong suốt quá trình Layout, cũng như chạy DFM trên quy trình phát hành sản xuất cuối cùng.
Việc chạy kiểm tra DFM trên thiết kế PCB với Valor NPI có thể giúp giảm trung bình 57% số lần phải sửa đổi bản vẽ. Đối với mạch cứng/dẻo, việc đảm bảo khả năng sản xuất trước khi gửi dữ liệu mô hình cho nhà chế tạo là vô cùng quan trọng.
Áp dụng DFM vào thiết kế PCB giúp tiết kiệm thời gian thiết kế và giảm bớt thời gian phải sửa lỗi. Liên hệ ngay để được tư vấn trực tiếp về giải pháp phù hợp với nhu cầu doanh nghiệp.
