Bukaan Coverlay PCB Fleksibel yang Tidak Memberi Stres pada Kabeltembaga

Ada jenis keheningan tertentu yang turun di atas lantai fabrikasi ketika paket data baru tiba dengan lubang persegi sempurna dan 90 derajat di lapisan coverlay. Ini adalah keheningan seorang insinyur CAM yang menantikan Pertanyaan Teknik (EQ) yang tak terelakkan—atau yang lebih buruk, keheningan dari tempat sampah yang penuh tiga minggu kemudian.

Bagi perancang yang duduk di depan monitor resolusi tinggi, sudut tajam itu tampak tajam, profesional, dan tepat. Mereka cocok dengan logika ortogonal papan kaku yang telah mereka lalui sepanjang kariernya. Tapi di dunia nyata sirkuit fleksibel, di mana bahan-bahan dikenai panas, tekanan, dan tekukan mekanis berulang, sudut tajam itu adalah tanggung jawab struktural.

Fisika tidak peduli tentang preferensi estetika tata letak CAD Anda. Ketika sirkuit fleksibel membengkok, gaya tersebar di seluruh permukaan sampai mencapai diskontinuitas. Sudut persegi di coverlay—lapisan isolasi polimida yang dilemaskan ke atas tembaga—bertindak sebagai sumber stres besar. Ia memusatkan energi mekanik dari pembengkokan ke satu titik mikroskopis pada jejak tembaga di bawahnya. Hasilnya adalah papan yang melewati setiap Pemeriksaan Aturan Desain (DRC) dalam perangkat lunak tetapi gagal secara katastrofik pertama kali dipasang di engsel atau dalam penutup yang ketat.

Geometri Senjata Pembunuh

Anda tidak dapat memperlakukan lubang coverlay seperti soldermask kaku. Anda harus membayangkan susunan lapisan bukan sebagai satu papan tunggal, tetapi sebagai sandwich bahan berbeda yang saling berjuang. Dasarnya adalah polimida; konduktornya adalah tembaga; lapisan atasnya adalah coverlay. Ketika sandwich ini membengkok, lapisan luar meregang dan lapisan dalam menekan.

Jika coverlay memiliki sudut tajam 90 derajat yang melintasi jejak tembaga, itu menciptakan 'cekungan mekanis.' Coverlay lebih keras daripada lem di bawahnya, sehingga bertindak seperti tepi pisau yang menekan ke tembaga setiap kali flex dimanipulasi.

Perancang sering menunjuk pemotongan laser modern sebagai pembelaan. Mereka berargumen bahwa laser dapat mengablas polimida dalam bentuk persegi sempurna tanpa batas radius dari mata bor CNC mekanis. Ini secara teknis benar tetapi secara praktis tidak relevan. Kemampuan alat tidak mengurangi mekanika bahan. Bahkan jika toko memotong persegi sempurna, konsentrasi stres tetap ada. Jejak tembaga yang berjalan di bawah sudut tersebut akan mengalami peningkatan tegangan yang bisa 3 sampai 5 kali lebih tinggi daripada di area sekitarnya.

Dalam aplikasi dinamis—seperti sensor geser dalam kamera atau engsel laptop—di sinilah retakan dimulai. Ia menyebar dari ujung lubang coverlay, melalui tembaga, dan menyebabkan sirkuit terbuka setelah kurang dari 1.000 siklus.

Perbaikannya sederhana dalam desain tetapi kritis dalam fungsi: setiap lubang coverlay harus memiliki sudut ber-radius. Praktik standar menetapkan radius sudut minimum sebesar 0,2mm (sekitar 8 mil). Ini memungkinkan stres tersebar di atas kurva daripada fokus pada satu titik. Jika desain mengizinkan, radius yang lebih besar selalu lebih baik.

Bagi mereka yang mencoba melakukan pelacakan jalur di dekat bukaan ini, aturan “tear-drop” atau fillet berlaku. Transisi dari area tertutup ke bantalan terbuka tidak pernah boleh tiba-tiba. Sebuah fillet sederhana 0,2mm menyelesaikan seluruh masalah struktural, mengubah potensi kegagalan lapangan menjadi koneksi yang kokoh.

Faktor Lendir: Lem adalah Cairan

Masalah mendasar kedua adalah sifat dari sambungan itu sendiri. Tidak seperti solder mask foto-reaktif cair (LPI) yang digunakan pada papan rigid, yang mengeras menjadi lapisan keras, coverlay adalah lembaran polimida padat yang direkatkan dengan perekat akrilik atau epoksi.

Selama proses laminasi, tumpukan ditangguhkan dengan panas dan tekanan tinggi. Pada tahap ini, perekat mencair. Ia bergerak. Ia mengalir.

“Squeeze-out” ini adalah musuh dari interkoneksi berkapasitas tinggi. Jika seorang perancang membuat bukaan coverlay yang cocok dengan ukuran bantalan tembaga (1:1), perekat tak terelakkan akan merembes keluar ke permukaan bantalan selama laminasi. Remasan ini sering transparan dan mikroskopis, membentuk penghalang tak terlihat antara akhir emas atau timah dan ujung komponen.

Pabrik perakitan akan melaporkan ini sebagai “kegagalan basah bantalan” atau “penyepitan plating yang buruk.” Mereka akan mengirimkan foto-foto solder yang menggumpal dan menolak menempel pada bantalan. Penyebab utamanya, bagaimanapun, bukanlah kimia plating. Ini adalah fisika dari laminasi. Perekat mengalir 0,05mm hingga 0,15mm ke bantalan, mengisolasinya.

Karena aliran perekat bervariasi tergantung pada usia pre-preg, tekanan dari mesin laminasi, dan merek bahan tertentu (DuPont Pyralux vs. setara generik), desain harus mempertimbangkan skenario terburuk. Standar industri adalah oversize bukaan coverlay minimal 0,25mm (10 mils) lebih besar dari bantalan yang diungkapkan. Ini menyediakan area “dinding penahan” di mana perekat dapat mengalir tanpa mengganggu permukaan yang dapat disolder.

Untuk pitch yang sangat rapat di mana 10 mils ruang tidak tersedia, perancang harus menentukan perekat “aliran rendah” atau beralih ke Laser Direct Imaging (LDI) soldermask, meskipun hal tersebut memiliki risiko mekanis tersendiri.

Mitos dan Ankring Material

Dalam dunia rigid, daya lekat tembaga ke inti FR4 sangat kuat. Dalam dunia fleksibel, tembaga secara efektif melayang di atas lapisan polimer lembut. Ketika panas diterapkan selama reflow atau penyolderan tangan, ketidaksesuaian ekspansi termal dapat menyebabkan bantalan tembaga kecil mengelupas dari bahan dasar. Ini disebut “pengangkatan bantalan,” dan ini adalah penyebab utama limbah pekerjaan ulang.

Coverlay membantu menahan bantalan, tetapi hanya jika bukaan dirancang untuk menjebak tembaga. Bantalan persegi panjang yang sepenuhnya terbuka oleh bukaan coverlay yang lebih besar tidak memiliki retensi mekanis. Itu bergantung sepenuhnya pada ikatan kimia dari perekat.

Untuk memperbaikinya, perancang harus menggunakan “ jangkar,” “spurs,” atau “bunny ears”—proyeksi tembaga yang memanjang di bawah coverlay. Coverlay berfungsi sebagai penjepit mekanis, menahan spur agar tidak mengangkat selama penyolderan.

Sering ada godaan untuk menghindari semua masalah geometri ini dengan menggunakan soldermask photoimageable cair (LPI)—zat hijau itu—pada sirkuit fleksibel. Ini memungkinkan dinding penahan yang lebih rapat dan sudut persegi. Namun, LPI rapuh. Dalam aplikasi statis (pasang-untuk-cocok), ini dapat diterima. Tetapi dalam aplikasi dinamis apa pun, LPI akan retak seperti lumpur kering di tepi sungai yang melengkung. Setelah masker retak, itu menyebar ke dalam tembaga, memotong jejak sama efektifnya dengan sudut coverlay persegi. Kecuali aplikasi benar-benar statis, coverlay polimida standar wajib digunakan.

Aturan Lantai Fabrikasi

Untuk menjaga agar sebuah desain tidak masuk ke antrian query rekayasa dan memastikan hasil yang tinggi di lantai manufaktur, beberapa aturan yang tidak dapat dinegosiasikan berlaku. Ini bukan saran estetika. Mereka adalah persyaratan untuk kelangsungan mekanis.

• Sudut Melengkung: Semua bukaan coverlay harus memiliki jari-jari sudut minimal 0,2mm. Tidak ada sudut tajam.
• Ukuran Terlalu Besar untuk Squeeze-Out: Bukaan harus 0,25mm (10 mils) lebih besar dari pad untuk mengakomodasi aliran lem.
• Jangkar untuk Pad: Pad yang tidak didukung perlu memiliki coppor spur yang memanjang minimal 0,15mm di bawah coverlay untuk mencegah terangkat.
• Tetesan Air Mata: Semua transisi trace ke pad harus berbentuk tetesan air mata untuk mencegah retak di persimpangan.

Keandalan dalam sirkuit fleksibel didefinisikan oleh sudut terkecil. Dengan menghormati sifat material coverlay dan perekat, desain beralih dari model teoretis dalam CAD menjadi kenyataan yang berfungsi di lapangan.