Il processo di produzione e fabbricazione di PCB rigido-flessibili

Se pensavi che il processo di fabbricazione di PCB rigidi fosse complesso, la produzione di PCB flessibili comporta un livello di complessità nettamente superiore. Tuttavia, molti dei passaggi utilizzati nella fabbricazione di schede rigide standard si applicano anche alla fabbricazione di PCB flessibili. Questa guida fornisce una panoramica di tutti i passaggi implementati nel processo di produzione di PCB flessibili (flexible pcb manufacturing process). Essi sono molto simili ai processi di fabbricazione di PCB rigidi, ma utilizzano diversi set di materiali, come illustrato nella guida ai materiali per PCB flessibili.

Realizzazione di PCB rigid flex

A prima vista, un circuito stampato flessibile o rigido-flessibile sembra semplice. Tuttavia, la natura di queste schede richiede diversi passaggi aggiuntivi nel processo di creazione. Il principio di qualsiasi PCB rigido-flessibile è sempre il singolo o doppio layer flessibile. Il produttore può iniziare con uno strato flessibile pre-laminato oppure con una pellicola in PI non rivestita, quindi laminare o placcare il rame per il rivestimento iniziale. La laminazione della pellicola richiede un sottile strato di adesivo, mentre il rivestimento privo di adesivo richiede uno strato di "sedimento" di rame. Questo strato di sedimento viene inizialmente impiantato usando tecniche di sedimentazione a vapore (ad esempio con il versamento) e fornisce il codice su cui è placcato il rame depositato chimicamente. Questo circuito flessibile singolo o bilaterale viene perforato, placcato e inciso, in modo analogo ai tipici nuclei a 2 lati su schede rigide.

Passaggi della produzione di circuiti stampati flessibili

Le seguenti fasi mostrano la creazione di un circuito flessibile per un tipico circuito flessibile a due lati.

Passaggio 1: applicazione del rivestimento adesivo/sedimento

Viene applicato un adesivo epossidico o acrilico oppure viene utilizzata la tecnica di versamento, utile alla creazione di un sottile strato di rame per un codice di placcatura.

Passaggio 2: aggiunta del foglio di rame

Viene aggiunto un foglio di rame, mediante laminazione sull'adesivo (l'approccio più tradizionale) o placcatura chimica sullo strato di sedimentazione. I processi di fabbricazione di circuiti stampati rigid flex più recenti, implementati dai fornitori di materiali, consentono, in alternativa, la laminazione senza adesivo del rame ricotto laminato.

Passaggio 3: foratura

I fori sui fori di via e sulle piazzole sono spesso eseguiti meccanicamente. È possibile perforare più substrati flessibili placcati contemporaneamente, combinandoli con più bobine su tamburi, perforando tra le piastre di lavoro, per poi distenderli su bobine separate sull'altro lato della perforatrice. I pannelli flessibili precedentemente sezionati possono essere combinati e perforati tra gli spazi rigidi, allo stesso modo in cui vengono perforati i nuclei rigidi, anche se questo processo richiede un'incisione più accurata, con la conseguente riduzione della precisione di allineamento. Per fori molto piccoli è disponibile la perforazione laser, sebbene a costi molto più elevati, poiché ogni pellicola deve essere perforata separatamente. Questo processo utilizza laser a eccimeri (a raggi ultravioletti), laser YAG (a raggi infrarossi) per una maggiore precisione (microvie) oppure laser CO₂ per fori medi (4 mm o misure superiori). Vengono praticati fori e ritagli di grandi dimensioni, anche se questa è una fase di processo separata.

Passaggio 4: placcatura a foro passante

Una volta realizzati i fori, il rame viene depositato e placcato chimicamente così come i nuclei rigidi del PCB (comunemente indicati come Cuposit). Si raccomanda che lo spessore della placcatura a foro passante nei circuiti flessibili sia di almeno 1 mm, per aggiungere supporto meccanico alla piazzola o alla via, mentre un tipico circuito stampato rigido a basso costo può avere solamente mezzo millimetro di cuposit.

Passaggio 5: stampa resistente all'incisione

La resistenza all'incisione fotosensibile è ottenuta rivestendo le superfici della pellicola e il modello di maschera desiderato viene utilizzato per esporre e sviluppare il rivestimento protettivo prima dell'incisione chimica del rame.

Passaggio 6: incisione e rimozione del rivestimento

Dopo l'incisione del rame esposto, l'inchiostro resistente all'incisione viene rimosso chimicamente dal circuito flessibile.

Passaggio 7: rivestimento o isolante

Le aree superiori e inferiori del circuito flessibile sono protette da strati isolanti tagliati in profili. Potrebbero esserci componenti effettivamente montati su sezioni del circuito flessibile, in cui il rivestimento agisce anche come maschera di saldatura. Il materiale di rivestimento più comune è la pellicola aggiuntiva di poliimmide con adesivo, sebbene siano disponibili processi senza adesivo. Nel processo senza adesivo, viene utilizzata una maschera per saldatura fotosensibile (la stessa usata per le sezioni di scheda rigida), sostanzialmente stampando il rivestimento sul circuito stampato flessibile. Per i progetti più approssimativi ed economici, anche la serigrafia è un'opzione utilizzata, con l'indurimento finale di questa pellicola di isolamento per l'esposizione ai raggi UV. Fondamentalmente, la differenza consiste nel fatto che il rivestimento è una pellicola laminata, mentre l'isolamento è un rivestimento in materiale applicato che deve quindi essere fatto indurire.

Passaggio 8: ritaglio del circuito flessibile

L'ultimo passaggio nella creazione di un circuito flessibile è il ritaglio. Questo viene spesso definito "blanking". L'approccio economicamente vantaggioso al blanking consiste nell'utilizzare un set di punzoni e matrici idraulici, che comporta costi di attrezzaggio ragionevolmente elevati. Tuttavia, questo metodo consente di eseguire contemporaneamente la foratura di numerosi circuiti flessibili. Per i prototipi e i bassi volumi di produzione, si utilizza una lama di tranciatura. Il coltello per tranciatura è fondamentalmente una lunga lama di rasoio, piegata nella forma del profilo del circuito flessibile e fissata in una scanalatura tracciata in un pannello di supporto (MDF, compensato o plastica spessa come il teflon). I circuiti flessibili vengono quindi compressi nel coltello tranciante per essere ritagliati.

Laminazione e routing del circuito stampato rigid flex

Se il PCB flessibile deve far parte di un impilamento combinato rigido/flessibile (che è ciò a cui siamo interessati), il processo non si fermerà qui. Ora abbiamo un circuito stampato flessibile che deve essere laminato tra le sezioni rigide. Questo è lo stesso esempio di una singola coppia di layer del nucleo forato, placcato e inciso, solamente molto più sottile e più flessibile, a causa della mancanza di fibra di vetro. Come notato in precedenza, tuttavia, un layer meno flessibile potrebbe essere realizzato con PI e vetro, a seconda dell'applicazione finale. Poiché questo layer viene laminato tra le sezioni rigide, alla fine deve essere incastrato in un pannello che si accoppia anche con le sezioni del pannello della scheda rigida. I circuiti flessibili che non vengono combinati con sezioni rigide vengono temporaneamente incollati a una scheda di supporto rigida in MDF o materiali in stile FR-4.

Metodo in cui i pannelli flessibili incisi, placcati, rivestiti e sezionati vengono combinati con i pannelli rigidi in vetro epossidico.

Il circuito rigid flex è laminato all'interno del pannello assieme alle sezioni rigide e a qualsiasi altra sezione flessibile, con adesivo aggiuntivo, calore e pressione. Le sezioni flessibili multiple non sono laminate l'una accanto all'altra, a meno che tu non stia progettando layer flessibili a più strati. Ciò significa generalmente che ogni sezione flessibile ha un totale massimo di strati di rame pari a 2, in modo da mantenere la flessibilità. Queste sezioni flessibili sono separate da nuclei o strati PI adesivi rigidi preimpregnati, con adesivi epossidici o acrilici.

In sostanza, ogni pannello rigido viene tracciato separatamente nelle aree in cui la flessibilità sarà permessa. Ecco un esempio di processo di laminazione in una scheda rigido-flessibile, con due circuiti flessibili a 2 layer incorporati tra tre sezioni rigide. Il layer stack sarà simile a quello mostrato di seguito.

Nota: molti progettisti stanno abbandonando l'uso di adesivi, a causa dell'inaccettabile espansione dell'asse z durante la saldatura a riflesso.

Diagramma dettagliato della pila, inclusi i fori passanti placcati per ogni sezione flessibile e i fori passanti finali nella sezione rigida.

Nell'esempio di stack-up mostrato sopra, abbiamo due circuiti multistrato flessibili pre-incisi e sezionati, ciascuno dei quali a doppia faccia e placcato trasversalmente. Il circuito flessibile è stato sezionato in un pannello di assemblaggio finale, che include i contorni per l'intelaiatura. Ciò manterrà il circuito flessibile piatto durante l'assemblaggio finale, a seguito della laminazione con le sezioni del pannello rigido. Vi sono certamente alcuni potenziali pericoli con un supporto inadeguato dei gomiti flessibili del circuito e grandi sezioni aperte durante il montaggio, specialmente nel calore di un forno di riflusso.

Mentre questo esempio mostra i layer adesivi, è importante notare che molti progettisti si stanno allontanando dall'uso di materiali adesivi, a causa dell'inaccettabile espansione dell'asse z nel riflusso. Tuttavia, i preimpregnati FR-4 e le resine epossidiche termoindurenti ottengono effettivamente il risultato desiderato e sono a tutti gli effetti considerati layer "adesivi". È possibile ottenere un'aderenza aggiuntiva attraverso il trattamento del rame sui layer flessibili, per migliorare la "solidità" nei pre-preg laminati. In questo esempio vengono mostrati i laminati flessibili a due lati senza adesivo. Si tratta di una pellicola totalmente in poliimmide, con un rivestimento fissato in poliimmide, a cui è incollata la lamina di rame. DuPont^™ Pyralux^® e Rogers Corp. R/Flex^® sono esempi di popolari laminati senza adesivo.

Inoltre, il rivestimento viene applicato, come adesivi laminati con adesivo oppure mediante un processo di foto stampa, come menzionato in precedenza. Una volta che i pannelli finali rigidi e flessibili sono stati posizionati assieme in questo stack-up a 6 layer, vengono laminati con i layer più esterni (superiore e inferiore) del rivestimento in rame. Successivamente, viene eseguita un'ulteriore foratura per i fori passanti placcati dall'alto verso il basso. Come altra opzione, si possono realizzare fori ciechi (blind vias) mediante laser (dall'alto verso la prima flessione, dal basso verso l'ultima flessione), aggiungendo ulteriori nuovi costi al progetto. I fori sono placcati dall'alto verso il basso e i fori ciechi, se presenti, assieme ai modelli di rame del layer esterno finale, vengono incisi. Le fasi finali sono la stampa della maschera di saldatura superiore e inferiore, la serigrafia superiore e inferiore e la placcatura protettiva (come ENIG) o il livellamento ad aria calda (HASL).

Utilizzo di Altium Designer per la produzione e la fabbricazione di PCB rigid flex

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