Designing a Rigid-Flex PCB in Altium Designer

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리지드-플렉스란 무엇인가요?

이름에서 알 수 있듯이, Flex 인쇄 회로는 유연한 절연 필름에 인쇄된 도체 패턴입니다. 리지드-플렉스는 이미지에서 보여지는 것처럼 유연한(Flex) 회로와 리지드(Rigid) 회로의 조합으로 이루어진 인쇄 회로를 말합니다.

Flex 회로 기술은 우주 프로그램을 위해 공간과 무게를 절약하기 위해 처음 개발되었습니다. 오늘날에는 공간과 무게를 절약할 뿐만 아니라(모바일 폰과 태블릿과 같은 휴대용 기기에 이상적임), 포장 복잡성을 줄이고, 제품 신뢰성을 향상시키며, 비용을 절감할 수 있기 때문에 인기가 있습니다.

Flex 회로는 일반적으로 두 가지 사용 클래스로 나뉩니다:  static(정적) flexible 회로와 dynamic(동적) flexible회로. 정적 Flex 회로(또한 사용 A로 불림)는 조립 및 서비스 중 최소한의 굴곡을 겪는 회로입니다. 동적 Flex 회로(또한 사용 B로 불림)는 자주 굴곡되도록 설계된 회로로, 디스크 드라이브 헤드, 프린터 헤드 또는 노트북 화면의 힌지 부분과 같은 것입니다. 이 구분은 재료 선택과 구성 방법론에 영향을 미치기 때문에 중요합니다. 리지드-플렉스로 제작될 수 있는 여러 레이어 스택업 구성이 있으며, 각각은 자체적인 전기적, 물리적 및 비용적 이점을 가지고 있습니다.

기계적 리지드-플렉스 디자인

플렉스 또는 리지드-플렉스 회로를 디자인하는 것은 전기기계적 과정입니다. 모든 PCB를 디자인하는 것은 3차원 디자인 과정이지만, 플렉스 또는 리지드-플렉스 디자인의 경우 3차원 요구 사항이 훨씬 더 중요합니다. 왜냐하면 리지드-플렉스 보드는 제품 케이스 내 여러 표면에 부착될 수 있으며, 부착 및 접는 과정은 종종 제품 조립 중에 발생하기 때문입니다. 작동하는 전기기계적 디자인을 제공하려면 기계 및 전기 엔지니어링 팀 간의 긴밀하고 지속적인 협력이 필요합니다. 접힌 보드가 케이스 내에 맞는지 확인하기 위한 전통적인 접근 방식은 기계적 모형을 만드는 것이었습니다 - 이를 Paper Doll 컷아웃이라고 합니다. 이 방식의 본질상, 필요한 정확성과 사실성을 달성하기 어렵습니다.

ECAD PCB 편집기와 MCAD에서 Flex 영역으로 연결된 두 개의 리지드 영역이 있는 보드.

Altium은 CoDesigner라는 정교한 기계-전자 설계 인터페이스 기술로 이러한 도전을 해결하는 데 도움을 주고 있습니다. CoDesigner를 통해 엔지니어들은 ECAD와 MCAD 설계 도메인 간에 직접 보드 형상과 구성 요소 변경 사항을 주고받을 수 있습니다.

• Altium의 MCAD CoDesigner 기술 개요
• 기술 문서 참조, ECAD-MCAD CoDesign에 대해 자세히 알아보기
• 리지드-플렉스 설계를 MCAD로 전송에 대해 자세히 알아보기

리지드-플렉스 PCB 설계하기

인쇄 회로 기판은 서로 위에 쌓인 일련의 레이어로 설계됩니다. 전통적인 리지드 인쇄 회로 기판의 경우, 보드 형상은 X-Y 평면에서 보드를 정의하고, 레이어의 적층은 Z 평면에서 보드를 정의합니다. X-Y 보드 형상은 주 PCB 편집 창에서 정의되며, 레이어는 레이어 스택 매니저에서 구성됩니다. 리지드-플렉스 PCB의 경우, 완성된 인쇄 회로 기판에는 하나 이상의 영역 또는 지역이 있으며, 각 지역은 다른 레이어 세트를 사용할 수 있습니다.

리지드-플렉스 보드를 설계하려면:

• 필요한 리지드-플렉스 모드를 활성화합니다 (레이어 스택 매니저, 도구 » 기능 » 리지드-플렉스, 또는 도구 » 기능 » 리지드-플렉스 (고급) 명령) (Tools » Features » Rigid-Flex, or Tools » Features » Rigid-Flex (Advanced))
• 보드의 각 지역에 필요한 서브스택을 정의하고, 그 서브스택들이 Z 평면에서 서로 어떻게 정렬되는지 구성합니다.
• X-Y 평면에서 각 리지드 및 플렉스 지역의 형상을 정의하고, 각 지역에 올바른 서브스택을 할당합니다.

리지드-플렉스 설계 활성화하기

현대 리지드-플렉스 인쇄 회로 기판에 존재하는 복잡한 구조를 지원하기 위해, Z 평면 편집기인 레이어 스택 매니저는 보드의 구조를 편집하기 위한 다양한 디스플레이 모드를 제공합니다. 디자인 » 레이어 스택 매니저(Design » Layer Stack Manager) 명령을 선택하여 레이어 스택 매니저를 열고, 필요한 리지드-플렉스 모드를 활성화하고, 리지드-플렉스 설계에 필요한 서브스택을 생성하고 정렬할 수 있습니다.

레이어 스택 매니저가 열리면 현재 보드 레이어 스택업이 표시됩니다. 새로운 PCB의 경우, 이는 간단한 2층 보드일 것입니다. 리지드-플렉스 보드를 설계하는 데 필요한 기능을 활성화하려면 도구 » 기능(Tools » Features) 하위 메뉴를 열거나 기능 버튼( )을 클릭하여 리지드-플렉스(Rigid-Flex) 명령 또는 리지드-플렉스 (고급)(Rigid-Flex (Advanced))명령을 선택합니다.

필요한 리지드-플렉스 모드를 활성화하는 명령을 선택하세요.

보드 영역 작업하기

보드 영역이란 보드의 각 사용자 정의 영역을 설명하는 용어로, 리지드-플렉스 PCB에는 고유한 레이어 스택이 할당되어야 합니다. 아래 이미지에서 보드 형태는 세 개의 독립된 보드 영역으로 나뉘어져 있습니다: 상단 원형 영역, 가운데 얇은 스트립, 하단 원형 영역.

보드 계획 모드에서 본 리지드-플렉스 보드, 보드 형태가 세 개의 독립된 보드 영역으로 나뉘어져 있으며 각각의 영역 이름과 할당된 레이어 스택이 표시됩니다.

새 보드를 생성하면 기본적으로 단일 보드 영역을 가지고 있습니다. 보드 디자인에 여러 영역이 필요한 경우 다음 중 하나를 할 수 있습니다:

• 단일 보드 영역을 여러 영역으로 분할하기 (표준 리지드-플렉스 모드 또는 고급 리지드-플렉스 모드), 또는
• 전체 형태를 구성하기 위해 여러 보드 영역을 배치하기 (고급 리지드-플렉스 모드).

보드 영역은 보드 계획 모드(보기(View) 메뉴)에서 정의하고 편집합니다.

굽힘 선(Bending Lines) 작업하기

굽힘 선은 보드 계획 모드(보기(View) 메뉴)에서 정의하고 편집합니다.

굽힘 선의 속성

굽힘 선은 다음과 같은 상호 관련된 속성을 가집니다:

• 굽힘 각도(Bend Angle) (a) - 유연 영역의 표면이 굽혀질 각도입니다.
• 반경(Radius) (r) - 굽힘 표면으로부터 굽힘 중심점이 위치한 거리입니다.
• 너비(Width) (w) - 주어진 반경과 굽힘 각도에 대해 굽혀질 표면 영역의 너비입니다.

굽힘 각도, 반경 및 너비 간의 관계는 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

• w = a/360 * 2*Pi*r
• 또는 말로 표현하면, 너비 = 굽혀지는 원주의 분수 * 원주

레이어 스택 영역 및 굽힘 선 탐색하기

PCB 패널의 레이어 스택 영역(Layer Stack Regions) 모드에서는 세 가지 주요 영역이 다음과 같이 변경됩니다(위에서부터 순서대로):

• 사용 가능한 레이어 스택(Layer Stacks)의 이름들입니다.
• 보드에 정의된 스택업 영역(Stackup Regions) 또는 선택된 레이어 스택에 할당된 영역입니다.
• 선택된 스택업 영역의 굽힘 선(Bending Lines) 목록입니다.

레이어 스택 영역(Layer Stack Regions) 모드의 PCB 패널을 사용하는 동안, 보기 » 보드 계획 모드(View » Board Planning Mode) 메뉴를 통해 보드 계획 모드 뷰로 변경하거나 단축키 1를 사용하세요.

보드는 특정 레이어 스택업 배열(레이어 스택)이 할당된 별개의 영역(스택업 영역)으로 나뉠 수 있습니다. 접는 영역(굽힘 선)은 보드의 유연한 영역에 정의됩니다.

특정한 레이어 스택 이름이 PCB 패널의 레이어 스택 영역에서 선택되면, 필터링이 레이어 스택을 필터의 범위로 사용하여 적용됩니다. 그 스택업에 할당된 보드 영역은 따라서 패널의 스택업 영역에 나열됩니다. 차례로, 선택된 스택업 영역에 정의된 모든 굽힘선은 굽힘선 목록 영역에 나열됩니다.

목록에서 스택업 영역을 더블 클릭하거나 (또는 디자인 공간에서 보드 영역 자체를 더블 클릭하면) 보드 영역 대화 상자 (표준 리지드-플렉스 모드) 또는 속성 패널의 보드 영역 모드 (고급 리지드-플렉스 모드)가 열립니다. 이 대화 상자/패널을 사용하여 영역의 이름을 변경하거나 레이어 스택에 할당하거나 3D 속성을 잠글 수 있습니다.

패널의 굽힘선 영역 목록에서 굽힘선을 더블 클릭하면 굽힘선 대화 상자가 열리며, 이 대화 상자에서 선의 속성을 자세히 편집할 수 있습니다.

3D에서 리지드-플렉스 디자인 표시 및 접기

PCB 편집기에는 로드된 회로 기판의 매우 사실적인 3차원 표현을 제공하는 강력한 3D 렌더링 엔진이 포함되어 있습니다. 이 엔진은 리지드-플렉스 회로도 지원하며, PCB 패널의 접힘 상태(Fold State) 슬라이더와 결합하여 사용하면, 디자이너는 리지드-플렉스 디자인을 평평한 상태(굽힘선 설정이 적용되지 않음), 완전히 접힌 상태(모든 굽힘선 설정이 적용됨) 및 그 사이의 상태를 검토할 수 있습니다.

3D 디스플레이 모드로 전환하려면 3 단축키를 누르십시오 (2D로 돌아가려면 2를 누르고, 보드 계획 모드로 돌아가려면 1을 누르십시오). 보드가 3D로 표시됩니다. 부품의 풋프린트에 장착된 부품를 정의하는 3D 본체 객체가 포함되어 있다면 이것들도 표시됩니다. 아래 이미지에서 볼 수 있듯이 보드에는 배터리와 배터리 클립이 포함되어 있습니다.

모든 굽힘선을 적용하려면, 아래 이미지에서 강조된 것처럼 PCB 패널을 레이어 스택 영역 모드로 설정한 상태에서 접힘 상태 슬라이더를 이동하십시오. 굽힘은 시퀀스 번호에 의해 정의된 순서대로 적용됩니다. 굽힘선은 동일한 시퀀스 번호를 공유할 수 있습니다; 단순히 접힘 상태 슬라이더를 사용할 때 해당 굽힘이 동시에 접힌다는 것을 의미합니다. 보드는 보기 » 접기/펼치기(View » Fold/Unfold) 명령을 실행하거나 (5 단축키를 눌러) 접었다 펼칠 수도 있습니다.

강한 접힘 상태 슬라이더(또는 5 단축키)를 사용하여 시퀀스 값(접힘 인덱스)에 의해 정의된 순서대로 모든 접힘 선을 적용하세요.

리지드-플렉스 디자인을 위한 3D 무비 메이커 지원

리지드-플렉스 디자인을 접는 기능은 3D 영상으로도 캡처할 수 있습니다. 이것은 매우 간단하며 접는 순서 동안 영상 키 프레임을 사용할 필요가 없습니다.

3D 영상을 만드는 방법에 대한 자세한 설명은 3D PCB 비디오 준비 페이지를 참조하세요. 기본 가이드로:

1. PCB 편집기를 3D 모드로 전환하세요.
2. PCB 3D 무비 에디터 패널을 열고 새로 만들기(New) 버튼을 클릭하여 새 비디오를 만듭니다. 영상 제목(Movie Title) 영역에서 새로 생성된 비디오를 클릭한 다음 적절한 이름을 지정하세요.
3. 보드가 펼쳐진 상태에서 초기 키 프레임(Key Frame)을 만듭니다.
4. 접힘 상태(Fold State) 슬라이더를 움직여 리지드-플렉스 디자인을 접은 상태로 보여주고, 접힌 보드를 필요한 위치에 배치하세요.
5. 이제 이 뷰에 대한 두 번째 키 프레임을 만들고 시간을 설정하세요. 리지드-플렉스 디자인을 접는 데 걸리는 시간(지속 시간(Duration) 설정)을 고려하세요; 일반적으로 몇 초가 될 것입니다.

6. 비디오가 접는 과정을 올바르게 캡처하는지 확인하려면 재생 버튼(패널 하단의 플레이어 컨트롤에 위치)을 클릭하세요.

   

7. 영상 파일을 생성하려면 출력 작업 파일에 PCB 3D Video 문서 출력을 추가하세요. 비디오 설정 대화 상자에서 비디오 형식 옵션을 구성하는 것을 잊지 마세요.
8. 영화 파일을 생성하기 위해 출력 작업 파일에서 콘텐츠 생성(Generate Content) 링크를 클릭하세요.

아래 비디오는 이 과정을 사용하여 생성되었습니다. 위에서 설명한 두 개의 키 프레임 외에도 마지막에 최종 위치를 몇 초 동안 유지하기 위해 추가된 하나의 추가 키 프레임이 있습니다.

세 개의 키 프레임에서 만들어진 간단한 3D 영상; 접는 동작은 접힘 선 시퀀스 값에 의해 정의됩니다.

► 3D PCB 비디오 준비에 대해 더 알아보세요

설계 고려 사항

리지드-플렉스 PCB를 디자인할 때 고려해야 할 주요 설계 영역의 요약입니다:

• 도체 라우팅 - Flex 영역을 지나는 라우트의 모서리 스타일 선택이 중요합니다; 날카로운 모서리는 피하고, 최소한의 스트레스를 위해 곡선을 사용하세요.
• 패드 모양과 면적 - 단면 Flex 회로에는 테어드롭(teardrops)과 래빗 이어(rabbit ears, 닻 모양의 돌기)를 사용하세요. 목표는 커버레이어로 패드 모양의 일부를 포착하는 것입니다.
• 스루 홀 - 특히 동적 응용 프로그램에서는 굽힘 영역에 스루 홀을 피하려고 노력하세요.
• 커버레이어 - 스트레스 리저(stress risers, 들어오는 트랙을 노출시키는 것)를 피하고, 커버레이어의 개구부를 250um으로 줄이세요.
• 플레인 - 가능하다면 교차해칭(crosshatched)을 사용하세요.
• 계단식 길이 - Flex 레이어 층의 뒤틀림을 피하기 위해 (책등 제본처럼), 층의 두께의 약 1.5배로 층 길이를 계단식으로 하세요.
• 서비스 루프 - 조립/분해를 돕고 제품 치수 변동을 허용하기 위해 Flex 영역을 약간 더 길게 만드세요 (추가 길이를 서비스 루프라고 합니다).
• 카파 절약 - Flex 회로가 어떻게 패널화될지 고려하고, 재료 사용을 최적화하기 위해 디자인을 조정하는 것이 좋을 수 있습니다.
• 패널화 - 재료의 결을 따라 굽히도록 Flex 영역을 배치하세요.
• 눈물 저항 - 곡선 모서리; 모서리에 드릴 구멍; 슬릿에 구멍; 모서리에 금속을 남겨두세요.
• 라우팅 - I 빔 현상을 피하기 위해 두 층 보드에서 라우트를 계단식으로 하고, 굽힘 영역을 통과하는 라우트를 넓히세요 (특히 영구적인 굽힘에 매우 중요합니다).
• 정적 굽힘 비율 - 굽힘 반경과 회로 두께의 비율 설정. 이상적으로는 다층 회로는 최소한 15:1의 굽힘 비율을 가져야 합니다. 양면 회로의 경우 최소 비율은 10:1이어야 합니다. 단층 회로의 경우 최소 비율도 최소한 5:1이어야 합니다. 동적 응용 프로그램의 경우, 20-40:1의 굽힘 비율을 목표로 하세요.
• 압연 어닐링 구리는 더 연성이 있습니다; 도금된 구리는 유연한 영역에 최선의 선택이 아닙니다.

문서화 및 도면 요구 사항

일반적으로 제안되는 문서화 요구 사항에는 다음이 포함됩니다:

1. 플렉스(Flex) PCB는 IPC-6013, 등급(여기에 요구사항 입력) 기준으로 제작되어야 합니다.
2. Flex PCB는 최소한 V-0의 난연 등급을 충족해야 합니다(필요한 경우).
3. Flex PCB는 RoHS 준수해야 합니다(필요한 경우).
4. 강성 재료는 IPC-4101/24에 따른 GFN이어야 합니다(에폭시 재료 사용 시).
5. 강성 재료는 IPC-4101/40에 따른 GIN이어야 합니다(폴리이미드 재료 사용 시).
6. Flex 구리 도금 재료는 IPC 4204/11(유연한 무접착제 구리 도금 절연 재료)이어야 합니다.
7. 커버코트 재료는 IPC 4203/1에 따라야 합니다.
8. 최대 보드 두께는 (여기에 요구사항 입력)를 초과하지 않아야 하며, 이는 모든 적층 및 도금 공정 후에 적용됩니다. 이는 완성된 도금된 표면 위에서 측정됩니다.
9. 패널의 강성 부분을 통한 아크릴 접착제의 두께는 전체 구조의 10%를 초과하지 않아야 합니다. 위의 코멘트를 참조하세요.
10. 제조의 용이성을 위해 파우치 재료를 사용할 수 있으며, 배송 전에 보드의 Flex 부분에서 제거해야 합니다.
11. Flex 섹션의 두께는 (여기에 요구사항 입력)이어야 합니다. 이 두께가 중요하지 않은 경우 이 노트를 추가하지 마십시오.
12. 도금된 관통 홀의 최소 구리 벽 두께는 (여기에 요구사항 입력; 평균 .001”이 권장됨)이며, 최소 링의 두께는 (여기에 요구사항 입력; .002가 권장됨)이어야 합니다.
13. 보드의 강성 부분에만 녹색 LPI 솔더마스크를 적용하세요(필요한 경우). 모든 노출된 금속은 (여기에 표면 마감 요구사항을 명시하세요).
14. 보드 양면에 실크스크린을 적용하세요(필요한 경우) 백색 또는 노란색(가장 일반적인) 비전도성 에폭시 잉크를 사용합니다.
15. 표시 및 식별 요구사항.
16. 전기 테스트 요구사항.
17. 포장 및 배송 요구사항.
18. 임피던스 요구사항.

추가 도면 세부사항

1. 완성된 홀 크기, 관련 허용 오차 및 도금/비도금을 상세히 설명하는 드릴 테이블.
2. 기준 데이텀, 중요 치수, 강성과 유연한 인터페이스, 굽힘 위치 및 방향 표시를 포함한 치수 도면.
3. 필요한 경우 패널화 세부사항.
4. 각 레이어에 사용된 재료, 두께 및 구리 무게를 상세히 설명하는 구조 및 레이어 세부사항.

참고문헌

플렉스 및 리지드 -플렉스 회로 기술 엔지니어링 가이드 - Epec 엔지니어링 테크놀로지스

플렉스 회로 기술 - 조 피엘스타드

플렉스 회로 설계 가이드 - 민코 프로덕트 인크

Minco 프로덕트 플렉스 자료

머신 디자인 웹사이트:

• 플렉스 회로 설계 기초 - 로버트 레파스
• 플렉스 유지하기 - 마크 핀스타드, 응용 엔지니어