만 번의 굽힘을 견디는 강직-유연 회로

경직-플렉스 회로는 CAD에서 완벽해 보일 수 있으며, 3차원 제품 인클로저를 우아하게 라우팅하지만, 여섯백 번의 현장 사이클 후에도 균열이 발생할 수 있습니다. 이는 시뮬레이션 오류나 설계 규칙의 실수가 아니라, 설계 파일에 명시된 것과 구리 피로의 물리적 특성이 견디는 것 사이의 차이에서 비롯된 실패입니다. 렌더링된 적층의 미용적 완전성은 입자 구조에 대해 아무것도 말해주지 않으며, Coverlay의 응력 분포에 대해서도 거의 언급하지 않으며, 강제하는 가장 중요한 제조 현실에 대해서도 적지 않습니다. 강재의 가장자리가 응력을 집중시키거나 분산시키는지 여부를 결정하는 것은 매우 적은 정보입니다.

동적 플렉스 적용에서 신뢰성은 구리의 순환 응력 저항을 지배하는 4가지 변수 — 입자 방향, 트레이스 기하학, Coverlay 윈도잉, 그리고 강재 배치를 — 관리함으로써 얻어집니다. 입자 방향은 피로 내구성의 기초를 세우며, 트레이스 라우팅은 응력을 분산시키거나 집중시키고, Coverlay 윈도우는 중립 굽힘 축을 위치시키며, 강재는 굽힘이 시작되고 응력 피크가 되는 중요한 전이 구역을 제어합니다.

이들은 레이아웃에 독립적으로 적용된 장식이 아니라, 반복적인 변형 아래 압연 구리 호일의 물리적 거동과 일치해야 하는 상호 의존적 기계적 선택입니다. 이러한 선택의 인과 논리를 이해하는 것이 실패하는 설계와 견디는 설계의 차이입니다.

구리 피로의 역학

구리는 다결정 금속이기 때문에 반복된 굽힘에 의해 실패하며, 누적 소성 변형에 영향을 받습니다. 각 유연 사이클은 특히 곡선의 바깥면에서, 최대 인장 응력이 집중된 곳에서, 탄성 한계를 넘어서 구리를 변형시킵니다. 이 재료는 원래 상태로 돌아가지 않으며, 대신 결정 내 불일치가 이동하고 축적되어 구리를 강인하게 만들어 균열의 핵생성 부위를 형성합니다. 수백 또는 수천 번의 사이클에 걸쳐 이 미세균열이 결정 경계를 따라 확산되어 완전한 균열에 이르게 됩니다. 충분한 반복과 일정한 변형률이 있다면, 실패는 피할 수 없습니다. 설계자의 과제는 그 변형률을 줄이고, 균열이 시작하는 데 필요한 사이클 수를 비약적으로 늘리는 것입니다.

입자 구조와 결정학적 슬립

일반적으로 많은 플렉스 회로에 사용되는 전기증착 구리 호일은 호일 평면에 수직인 기둥형 입자 구조를 가지고 있습니다. 동적 응용에 적합한 롤링 어닐링 구리 호일은 연신된 입자를 롤링 방향에 맞게 정렬되어 있습니다. 구리가 굽혀질 때, 내부 결정 내 미끄럼면을 따라 전위이동이 발생하면서 소성변형이 일어나며, 이 과정에서 결정 구조 내 불일치는 움직이고 축적되어 구리를 강하게 만듭니다. 결정 경계는 이동을 방해하는 역할을 하며, 이로 인해 국소 응력이 증가합니다. 이 경계의 방향성과 적용된 응력의 방향이 결합하는 방식이 어떻게 슬립이 일어나는지와 소재 피로의 용이성을 결정합니다.

롤링 구리에서, 연장된 입자에 평행하게 굽힘이 가해지면, 불일치가 적은 경계를 넘기게 되어 변형이 더 균일하게 분산되고 균열 핵생성이 지연됩니다. 입자 방향에 수직으로 굽힐 경우, 많은 경계에 걸쳐 미끄럼이 집중되어 변형이 가속화되고 실패가 빨리 옵니다. 이 차이는 명백하며, 입자 구조가 CAD 파일에 보이지 않더라도 피로 성능에 중요한 영향을 미치는 변수입니다.

굽힘 축에서의 응력 집중

플렉스 회로가 구부러질 때, 외반경은 인장 응력을 받고 내부 반경은 압축 응력을 받으며, 그 사이의 중성 축은 응력을 경험하지 않습니다. 응력의 크기는 중성 축으로부터의 거리와 비례하며, 굽힘 반경에 반비례합니다. 더 날카로운 굽힘과 더 두꺼운 구조는 모두 더 높은 응력을 유발합니다.

이 응력은 균일하지 않습니다. 굽힘 중앙에서 정점에 달하고 강체 구간 쪽으로 떨어집니다. 이 응력장에 장애를 일으키는 모든 특징—갑작스러운 트레이스 폭 변경, 잘못 배치된 스티펜더—는 응력 집중을 만듭니다. 균열은 무작위가 아니라 이러한 집중 부위에서 시작됩니다. 그러므로 플렉스 회로 설계는 단순히 굴곡 반경을 선택하는 것 이상입니다. 응력이 정점에 달할 곳을 찾아내고, 그 정점들을 구리의 피로 한계 이하로 유지하며, 새로운 집중 부위를 만드는 기하학적 장애물을 제거하는 것이 핵심입니다.

1. 구리 입자 방향: 주요 변수

수천 회 이상의 사이클을 목표로 하는 어떤 애플리케이션이든, 구리 박의 롤링 방향은 굽힘 축에 수직이도록 지정해야 합니다. 이것은 가이드라인이 아니라, 롤링 구리의 이방성 피로 거동에서 유래한 재료 제약입니다. 결정 방향을 제어하지 않는 가공업체는 동전 던지기 같은 결과를 내는데, 구리의 방향이 가장 약한 방향으로 배치될 50%의 확률이 있기 때문입니다. 지정하지 않는 설계자는 가장 중요한 신뢰성 변수를 우연에 맡기게 되는 셈입니다.

롤링 방향 지정

제조 도면에는 모든 동적 플렉스 구역에 대해 결정 방향 표시기를 포함해야 합니다. 단일 축 힌지의 경우, 하나의 화살표와 “구리 롤링 방향, 굽힘 축에 수직”과 같은 주석이 마련되어야 합니다. 설계자는 또한 제조업체가 정의된 결정 방향으로 롤링된 어닐링 구리를 공급하는지 확인해야 합니다. 모두가 할 수 있는 것은 아닙니다. 저비용 또는 빠른 전환 공급업체들은 종종 전기도금된 포일을 사용하거나, 결정 방향을 추적하지 않는 롤링 구리 시트를 구입하곤 합니다.

회로가 여러 방향으로 굽혀질 경우, 모든 축에 유리하게 결정 배치를 정렬하는 것이 불가능할 수 있습니다. 그러면 설계자는 가장 높은 사이클 수 또는 변형률이 있는 축을 우선시하고, 다른 곳에서는 성능 저하를 감수해야 합니다. 이 교환은 문서화하고 명확히 전달되어야 하며, 암묵적이 되어서는 안 됩니다. 가공업체의 공정 능력이 중요합니다. 연속 롤 처리 방식을 사용하는 공급자는 쉽게 판넬을 지정에 맞게 정렬할 수 있지만, 시트 투입 방식은 제어가 더 어렵거나 추가 비용이 발생할 수 있습니다. 이는 설계 검토 과정에서 확인되어야 합니다.

롤 결정 방향 제어가 불가능할 때

곡선 방향을 제어할 수 없을 경우, 설계는 기하학적 방법으로 보상해야 합니다. 굽힘 반경을 늘려 변형을 줄이십시오. 트레이스를 넓혀 전류 밀도와 발열을 낮추십시오. 적용 가능하다면 목표 사이클 수를 줄이십시오. 직선 대신 해칭 또는 곡선 트레이스를 사용하여 응력을 분산시키십시오. 가능하면 더 얇은 구리층을 지정하십시오. 이는 낮은 응력으로 더 낮은 반경에서 구부러지기 때문입니다. 이러한 전략들은 모두 올바른 곡물 정렬의 성능을 완전히 회복시키지 못하지만, 이들을 통해 낮은 수천 사이클에 적합한 비제어 설계가 가능하게 됩니다.

2. 트레이스 라우팅 기하학

트레이스가 플렉스 존을 통과하는 경로는 굽힘 응력을 어떻게 분산시키는지에 따라 결정됩니다. 동적 플렉스를 위한 라우팅은 트레이스 길이를 최소화하거나 밀도를 극대화하는 것이 아닙니다. 응력을 고르게 분산시키고 불연속성을 피하는 기하학적 구조를 만드는 것이 핵심입니다.

트레이스 배향

이상적으로, 모든 트레이스는 굽힘 축에 평행하게 배치되어야 하며, 긴 가장자리를 따라 플렉스 존에 진입하고 나가야 합니다. 이렇게 하면 각 트레이스는 거의 일정한 응력 영역 내에 머무를 수 있으며, 인장과 압축 그라디언트를 통과시켜야 하는 불필요한 이동을 피할 수 있습니다. 이러한 간단한 선택은 수직 라우팅에 비해 피로 수명을 세 배 이상 향상시킬 수 있으며, 올바른 결정 정렬도 이루어진 경우입니다.

트레이스가 굽힘 축을 교차해야 하는 경우—예를 들어, 반대편에 있는 구성요소를 연결하기 위해—교차 횟수를 최소화하세요. 현재의 전류와 임피던스 요구사항에 맞게 트레이스 폭을 넓히세요, 폭이 넓을수록 더 높은 응력을 견딥니다. 여러 트레이스가 교차해야 할 경우, 교차점을 중앙이 아닌 플렉스 존의 길이 전체에 걸쳐 계단식으로 배치하세요.

폭, 간격, 해칭

플렉스 존에서 폭이 변경되는 트레이스는 전이 지점에서 응력 집중을 유발합니다. 전체 플렉스 존 내내 일정한 트레이스 폭을 유지하세요. 필요한 폭 변경은 강성 섹션 내부, 즉 플렉스 경계에서 최소 5배의 트레이스 폭 거리 내에 이루어져야 합니다.

제한된 임피던스 또는 좁은 플렉스 폭에서 높은 전류가 필요한 설계의 경우, 해칭된 트레이스가 타협점을 제공합니다. 해칭된 트레이스는 일정한 간격으로 슬롯이 뚫린 구리 영역으로, 굽힘 축에 평행하게 배치됩니다. 이 구조는 좁은 손가락들을 만들어 쉽게 구부러져 구리 층의 유효 강성을 줄이고 응력을 낮춥니다. 단점은 전류 용량이 감소하고 제조가 복잡해지는 점입니다.

트레이스 간격은 여유롭게 유지하세요. 밀접하게 배치된 트레이스는 강성 구리 층을 형성하여 응력을 집중시킵니다. 최소한 트레이스 폭의 두 배 이상 간격을 두는 것이 좋은 시작점이며, 매우 작은 굽힘 반경의 경우 그 폭의 3배 또는 4배로 늘리세요.

앵커링 및 눈물 방울

경직된 구간에서 유연 구간으로의 전환은 갑작스러운 기계적 변화와 높은 응력 지점을 나타냅니다. 트라스가 날카로운 모서리와 함께 플렉스 존에 들어가면 그 특징이 파손 지점이 됩니다. 트레이스는 굽힘의 중간이 아닌 앵커 부위에서 갈라집니다.

눈물 방울은 표준 솔루션입니다. 눈물 방울은 비아 또는 패드에서 출구할 때 트레이스를 점진적으로 넓힙니다. 강성-유연 전이 시, 이 개념은 전체 앵커 영역에 적용됩니다. 트레이스는 플렉스 경계에 접근할 때 넓어지고, 그 후 응력 집중이 높은 구역을 벗어나면 다시 요구하는 너비로 테이퍼링됩니다. 이렇게 하면 응력 구배가 더 긴 거리 동안 분산됩니다. 경계에 바로 비아를 앵커링하는 것을 피하세요. 필요시 비아를 강성 구간 안으로 최소 1mm 이상 오프셋하고, 부드럽고 곡선형 경로를 사용해 유연 구역으로 연결하세요.

3. 중립축 제어를 위한 Coverlay 윈도잉

중립 축은 굽힘 동안 0 응력을 경험하는 플렉스 회로 내의 평면입니다. 완벽하게 대칭인 스태커업에서는이 축이 구리층 안에 위치하여 응력을 최소화합니다. 하지만 표준 플렉스 구조는 비대칭입니다. 보호 커버레이 필름은 일반적으로 구리 아래의 베이스 폴리이미드보다 두껍기 때문에 중립 축이 구리에서 멀어지고 더 두꺼운 커버레이 쪽으로 이동합니다. 이 작은 이동이 구리의 응력을 증가시켜 피로 수명을 30-50%까지 단축시킬 수 있습니다.

커버레이 윈도잉은 대칭을 복원하는 기술입니다. 이는 굽힘의 가장 높은 응력 영역에서 커버레이와 접착제를 제거하고, 베이스 폴리이미드와 구리만 남기는 방식입니다. 이는 중립 축을 구리 쪽으로 다시 이동시켜 피로 수명을 크게 늘립니다. 단, 구리가 노출되기 때문에, 이 방법은 환경 보호가 필요 없거나 나중에 추가할 수 있는 경우에만 적합합니다.

윈도우 형태는 매우 중요합니다. 굽힘 축의 중심에 위치시키고, 축을 따라 최소 3배 이상의 굽힘 반경만큼 확장해야 합니다. 윈도우의 가장자리는 강성-유연 경계에서 2mm 이상 떨어져 있어야 하며, 이는 스태커업 강성의 급작스러운 변화로 인한 새로운 응력 집중을 방지하기 위함입니다. 커버레이를 제거할 수 없으면, 얇은 폴리이미드 층을 구리 위에 적층하는 대칭 스태커업을 처음부터 지정하는 것도 한 방법입니다. 더 비용이 들지만, 구리를 노출시키지 않고 같은 효과를 얻을 수 있습니다.

4. 전이 관리를 위한 보강재 배치

강성-유연 전이는 대부분의 역동적 응용 분야에서 가장 높은 응력 구역입니다. 강성 구역은 구부러지지 않으며, 모든 변형은 유연 구간의 최초 몇 밀리미터에 집중됩니다. 스태커너는 이 전이를 관리하기 위해 사용되며, 굽힘 시작 위치를 제어하고 전이 구간을 늘려서 응력 피크를 줄입니다.

스터프니저는 일반적으로 폴리이미드 필름으로 된 재료 층으로, 강성 구역에 접합되어 굽힘 구역에 짧게 연장됩니다. 이는 적용된 곳에서 구부러짐을 방지하며, 굽힘이 그 가장자리에서 시작하게 만듭니다. 이 가장자리를 실제 강성-유연 경계에서 오프셋함으로써, 강성은 점차 낮아지고, 변형이 더 긴 거리로 분산됩니다.

스터프니저 재료 및 가장자리 형상

폴리이미드 필름은 역동적 플렉스에 가장 흔히 사용되는 스태커재입니다. 이 재료는 굽힘 위치를 제어할 만큼 강성 있지만, 단단하고 응력 집중이 되는 모서리를 만들지 않을 만큼 유연합니다. 금속 스태커는 일반적으로 적합하지 않으며, 단단한 모서리로 인해 날카로운 응력 집중이 발생할 수 있습니다.

스태커 가장자리는 정밀하게 위치해야 합니다. 일반적인 규칙은, 굽힘 중심선에서 1~2배 굽힘 반경만큼 떨어뜨리는 것입니다. 가장자리는 직선이 아니라 점진적으로 가늘게 만들어져야 하며, 이는 강성 전이도 점진적으로 만들어줍니다. 이를 위해 스태커 재료를 스키빙하거나, 여러 겹을 쌓거나, 본질적으로 가늘게 제작된 필름을 사용하는 방법이 있습니다. 이 테이퍼는 고사이클 응용에 대해 최소 3mm 이상이어야 합니다.

중앙 강성 구역에서 굽힘이 시작되는 회로의 경우, 스태커는 플렉스 구역의 경계를 정의하며, 이 구역의 길이는 굽힘을 안정적으로 수용하기 위해 충분히 길어야 합니다. 신뢰할 만한 설계 규칙은, 플렉스 구역이 굽힘 반경의 최소 6배 길이여야 한다는 것입니다. 5mm 굽힘 반경의 경우, 스태커 가장자리는 최소 30mm 이상 떨어져 있어야 합니다.

CAD 모델을 넘는 설계 검증

모든 소프트웨어 설계 규칙 검사를 통과하는 강성-유연 레이아웃도 실패할 수 있습니다. CAD 도구는 지오메트리를 설명할 뿐이며, 결정 방향, 중립 축 위치, 스태커 가장자리의 응력 집중 등을 고려하지 않습니다. 검증은 CAD 환경 외부에서 수행되어, 설계가 재료 물리학과 일치하며, 제작자가 의도한 대로 수행할 수 있는지 확인해야 합니다.

이 작업은 롤드 구리의 결정 방향을 공급할 수 있는지 여부를 제조업체와 직접 상담하는 것부터 시작합니다. 이어서, 커버레이 두께, 접착제 유형, 등록 공차 등 실제 스태커 구성을 검토하여, 일반적인 가정이 아닌 현실 기반으로 중립 축을 재계산해야 합니다. 제조업체의 스태커 배치 과정, 즉 위치 정밀도 및 모서리 테이퍼링 능력도 설계에 반영되어야 합니다.

프로토타이핑은 진실을 드러냅니다. 강직-유연 경계선에서 시작하는 균열은 스트레스 완화가 불충분함을 나타내며, 이는 스티프너 배치 또는 불량한 트레이스 앵커링 때문일 가능성이 높습니다. 유연 영역 중앙의 균열은 잘못된 결정 방향이나 너무 좁은 곡률 반경을 의미합니다. 각 실패 모드는 수정이 필요한 특정 변수를 가리킵니다.

만 개 이상의 사이클을 초과하는 대상에는 가속 시험이 필수입니다. 이는 프로토타입을 더 높은 주파수 또는 더 작은 반경으로 구부려 사이클을 빠르게 축적하는 것을 포함합니다. 시험이 견고한 설계를 대체할 수는 없지만, 예측하기 어려운 변수들 간의 복잡한 상호작용을 드러낼 수 있습니다. 설계 과정은 반복적입니다: 물리학을 바탕으로 설계하고, 제조사와 검토하며, 물리적 프로토타입을 테스트하세요. CAD 모델이 시작점이지 증거가 아닙니다.