Przyczyny awarii w płytkach sztywno-giętkich

Dla inżynierów niezaznajomionych z zastosowaniami PCB Rigid-Flex, identyfikacja pierwotnej przyczyny awarii może być niezwykle trudna. Jednak dzięki doświadczeniu i solidnym praktykom projektowania pod kątem produkcji (DFM), większość awarii PCB Rigid-Flex jest przewidywalna, a w efekcie również możliwa do uniknięcia. Istnieją dwie główne kategorie: błędy związane z obsługą i wyginaniem PCB oraz błędy projektowe.

Awarie związane z czynnościami operacyjnymi i zginaniem

Tego typu awarie zazwyczaj występują po wyprodukowaniu samej płytki PCB - podczas jej montażu, testowania czy instalacji. Większość problemów związanych z czynnościami operacyjnymi wynika z niewłaściwego traktowania giętkich stref płytki, które są bardziej podatne na uszkodzenia niż płytki sztywne.

• Przekroczenie promienia gięcia. Jedną z najczęstszych przyczyn awarii stref giętkich w sztywno-giętkich PCB jest ignorowanie wytycznych, dotyczących prawidłowego promienia gięcia. Gdy strefa giętka jest zginana zbyt mocno lub wielokrotnie poza swoją nominalną tolerancję, miedziane ścieżki w warstwie giętkiej mogą ulec utwardzeniu i ostatecznie pęknąć, co prowadzi do uszkodzenia obwodu. Zbyt ciasne zgięcie powoduje trwałe zagięcie, którego nie można odwrócić i które zazwyczaj pogarsza zarówno parametry mechaniczne, jak i elektryczne. Projektanci muszą przestrzegać wytycznych IPC-2223 dotyczących promienia gięcia, które różnią się w zależności od ułożenia materiału, liczby warstw oraz tego, czy zgięcie jest dynamiczne, czy statyczne.
• Nieprawidłowe umiejscowienie miejsca zgięcia. Nawet przy zachowaniu specyfikacji promienia gięcia, nieprawidłowe umiejscowienie miejsca zgięcia może powodować naprężenia mechaniczne w pobliżu sztywnych styków. Jeśli zgięcie występuje zbyt blisko krawędzi sztywnej części, prepreg lub laminat może wystawać, potencjalnie przecinając lub ściskając sąsiedni elastyczny materiał. Jest to szczególnie niebezpieczne, jeśli na przejściu znajdują się nieobrobione włókna szklane lub ostre krawędzie.
• Komponenty na elastycznych odcinkach. Kolejnym częstym błędem jest umieszczanie komponentów na elastycznych odcinkach, szczególnie w strefach, które mogą ulegać zginaniu. Pady lutownicze mogą ulec rozwarstwieniu lub wyrwaniu, szczególnie w przypadku komponentów BGA lub podobnych. Rozwiązanie jest proste: przeniesienie komponentów do sztywnych odcinków PCB lub wzmocnienie strefy giętkiej za pomocą usztywnienia. Usztywnienie zapewnia wsparcie mechaniczne i pomaga izolować komponenty od naprężeń wywołanych zginaniem.
• Pominięcie wygrzewania. Wilgoć uwięziona w materiałach PCB może się gwałtownie uwalniać podczas lutowania rozpływowego, powodując rozwarstwienie, powstawanie pęcherzy lub efektu popcornu. Dlatego niezbędne jest wstępne wygrzewanie płytek przed montażem, szczególnie w przypadku projektów zawierających warstwy poliimidowe, kleje i złożone struktury laminowane. Pominięcie tego kroku jest główną przyczyną usterek na etapie montażu.

Usterki projektowe

Niektóre usterki są dosłownie ‘wpisane’ w projekt od samego początku. Nawet przy dochowaniu wszelkiej staranności na etapie produkcji/montażu, błędy projektowe układu lub tworzenia stosu PCB może wprost prowadzić do wad, które ujawniają się podczas cykli termicznych, lutowania rozpływowego lub operacji mechanicznych.

• Umiejscowienie przelotek zbyt blisko interfejsów sztywno-giętkich. Umieszczanie przelotek w pobliżu przejść sztywno-giętkich jest częstym błędem, szczególnie podczas trasowania elementów o ciasnym rozstawie pinów. Jest to sprzeczne z zasadami projektowania IPC-2223, ponieważ różne współczynniki rozszerzalności cieplnej (CTE) między materiałami sztywnymi i giętkimi mogą powodować naprężenia wewnątrz cylindra przelotki. Może to objawiać się miejscowym brakiem styku, pęknięciami przelotek, a nawet całkowitym rozwarstwieniem podczas lutowania rozpływowego. Aby tego uniknąć, projektanci muszą przestrzegać minimalnych odstępów między przelotkami a interfejsem i - jeśli to możliwe - rozważyć zakończenie struktur przelotek w obszarach całkowicie sztywnych.
• Ostre kąty ścieżek w obszarach giętkich. Prowadzenie ścieżek w strefach giętkich ma większe znaczenie, niż wielu zdaje sobie sprawę. Ścieżki z ostrymi narożnikami lub ostrymi zakrętami działają jako punkty koncentracji naprężeń, szczególnie w obszarach narażonych na wielokrotne zginanie. Tworzy to punkt dający potencjalny początek pęknięcia warstwy miedzi. Aby zminimalizować naprężenia mechaniczne i równomiernie rozłożyć naprężenia podczas zginania, należy używać tras z dużymi promieniami łuku.
• Awarie związane z usztywnieniami. Usztywnienia są dodawane jako wzmocnienie elastycznej części płytki, ale ich złe rozplanowanie może prowadzić do powstawania nowych zagrożeń. Jeśli usztywnienia znajdują się zbyt blisko przelotek lub nie pokrywają się odpowiednio z warstwami kryjącymi, naprężenia mechaniczne mogą koncentrować się na styku, powodując pękanie przelotek lub rozwarstwianie. Aby tego uniknąć, należy upewnić się, że usztywnienia są rozmieszczone z dala od krytycznych połączeń. Należy również skoordynować projekt usztywnień z producentem, aby zweryfikować kompatybilność materiałów pod kątem współczynnika rozszerzalności cieplnej.
• Niezrównoważony stos i odkształcenia. Powszechnym, ale często pomijanym błędem projektowym jest stosowanie niezrównoważonego układu warstw, szczególnie w asymetrycznych konstrukcjach sztywno-giętkich. Może to prowadzić do odkształceń, skręceń lub wygięć w sztywnych obszarach, utrudniając montaż płytki lub uniemożliwiając jej kompatybilność z obudową. Jeśli to możliwe, zawsze należy dążyć do stosowania symetrycznych układów warstw. Niezrównoważona konstrukcja nie tylko powoduje problemy na etapie produkcji, ale może również powodować naprężenia w połączeniach lutowanych i stwarzać długoterminowe ryzyko dla niezawodności.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 19 marca 2026. Zapisz się tutaj!