리지드-플렉스(Rigid-Flex) PCB 제조 및 제작 공정

리지드 PCB 제조 공정이 복잡하다고 느끼셨다면, 플렉스 PCB는 복잡성의 차원이 완전히 다릅니다. 하지만 표준적인 리지드 기판 제조에 사용되는 단계 중 대다수는 그 개념이 플렉스 PCB 제조에도 적용됩니다. 이 가이드는 플렉스 PCB 제조 공정에서 구현되는 모든 단계의 개요를 제공합니다. 이러한 공정은 리지드 PCB 제조 공정과 매우 비슷하지만, 이전 가이드에서 설명한 것처럼 다른 재료가 사용됩니다.

플렉스 구축

언뜻 보기에 일반적인 플렉스 기판이나 리지드-플렉스 기판은 단순해 보입니다. 그러나 이러한 기판의 특성상 구축 공정에서 몇 가지 추가적인 단계가 필요합니다. 리지드-플렉스 기판의 시작은 항상 단면 또는 양면 플렉스 레이어입니다. 제조업체는 포일로 사전 적층된 플렉스로 시작하거나, 피복 처리되지 않은 PI 필름으로 시작하여 다음 초기 피복을 위해 구리를 적층하거나 도금할 수 있습니다. 필름을 적층하려면 얇은 접착제 레이어가 필요한 반면, 접착제를 사용하지 않는 피복은 구리의 '시드' 레이어가 필요합니다. 이 시드 레이어는 처음에 증기 증착 기법(예: 스퍼터링)으로 적용하며, 화학적으로 증착된 구리가 도금되는 키를 제공합니다. 이 단면 또는 양면 플렉스 회로는 리지드 기판의 일반적인 양면 코어와 거의 동일한 단계로 드릴링, 도금 및 에칭됩니다.

플렉스 제작 단계

아래 단계는 일반적인 양면 플렉스 회로의 플렉스 회로 생성을 나타냅니다.

1단계: 접착제/시드 코팅 적용

에폭시 또는 아크릴 접착제를 도포하거나 스퍼터링을 통해 도금 키를 위한 얇은 구리 레이어를 형성합니다.

2단계: 동박 추가

동박은 접착제에 적층(자주 사용되는 방식)하거나 시드 레이어에 화학적으로 도금하여 추가합니다. 재료 벤더의 최신 제조 공정을 통해 압연 어닐링된 구리를 접착제 없이 적층할 수 있습니다.

3단계: 드릴링

비아와 패드의 구멍은 대부분 기계식으로 뚫습니다. 여러 개의 도금 플렉스 기판을 드럼의 여러 릴에서 결합하여 작업판 사이를 드릴링한 다음, 드릴링 머신의 반대편에서 개별 릴로 롤아웃하여 여러 개의 도금 플렉스 기판을 동시에 드릴링할 수 있습니다. 미리 절단된 플렉스 패널은 리지드 코어를 드릴링하는 것과 동일한 방식으로 리지드 블랭크 사이에 결합하고 드릴링할 수 있지만, 이 경우 더 세심한 레지스트레이션이 필요하며 정렬 정확도가 떨어집니다. 초소형 홀의 경우 레이저 드릴링을 사용할 수 있지만, 각 필름을 개별적으로 드릴링해야 하므로 추가 비용이 많이 듭니다. 더 높은 정확도(마이크로비아)를 위해 엑시머(자외선) 또는 YAG(적외선) 레이저를 사용하고, 중간 크기의 구멍(4mil 이상)에 CO₂ 레이저를 사용할 수 있습니다. 큰 홀과 컷아웃은 펀칭되지만 이는 별도의 공정 단계에 해당합니다.

4단계: 스루 홀 도금

홀이 만들어지면 리지드 PCB 코어와 같은 방식으로 구리가 증착되고 화학적으로 도금됩니다(일반적으로 '무전해 도금'이라고도 함). 패드나 비아에 기계적 지지력을 더하기 위해 플렉스 회로의 스루 홀 도금 두께는 최소 1mil이 권장되지만, 일반적인 저가 리지드 PCB의 cuposit은 ½mil에 불과합니다.

5단계: 에칭 레지스트 인쇄

필름 표면에 감광성 에칭 레지스트를 코팅하고, 구리를 화학적으로 에칭하기 전에 원하는 마스크 패턴을 사용하여 레지스트를 노출하고 현상합니다.

6단계: 에칭 및 스트리핑

노출된 구리를 에칭한 후 에칭 레지스트를 플렉스 회로에서 화학적으로 제거합니다.

7단계: 커버레이 또는 커버코트

플렉스 회로의 상단 및 하단 영역은 모양에 맞게 절단된 커버레이 레이어로 보호됩니다. 플렉스 회로의 섹션에 실제로 부품이 장착되어 있을 수 있으며, 이 경우 커버레이는 솔더 마스크의 역할도 합니다. 가장 일반적인 커버레이 재료는 접착제가 포함된 추가 폴리이미드 박막이지만, 무접착 공정도 가능합니다. 무접착 공정에서는 감광성 솔더 마스크(리지드 기판 섹션에 사용되는 것과 동일한 솔더 마스크)가 사용되며, 기본적으로 커버레이를 플렉스 회로에 인쇄합니다. 덜 섬세하고 더욱 저렴한 설계의 경우, UV 노출로 이러한 커버코트 필름을 최종 경화하는 스크린 인쇄 옵션도 있습니다. 기본적인 차이점은 커버레이는 적층 필름인 반면, 커버코트는 경화를 거쳐야 하는 도포된 재료 코팅이라는 것입니다.

8단계: 플렉스 잘라내기

플렉스 회로를 만드는 마지막 단계는 잘라내는 것입니다. 이를 흔히 '블랭킹(blanking)'이라고 합니다. 유압식 펀치와 다이 세트를 사용하면 비용 효율적인 대량 블랭킹이 가능하지만, 이 경우 상당히 높은 공구 세공 비용이 발생합니다. 하지만 이 방법을 사용하면 여러 개의 플렉스 회로를 동시에 펀칭할 수 있습니다. 프로토타입 및 소량 제작의 경우 블랭킹 나이프를 사용합니다. 블랭킹 나이프는 기본적으로 긴 면도날을 플렉스 회로 윤곽선 모양으로 구부려서 백킹 보드(MDF, 합판 또는 테플론과 같은 두꺼운 플라스틱)의 라우팅 슬롯에 부착한 것입니다. 이 공정에서는 플렉스 회로를 블랭킹 나이프에 프레스하여 잘라냅니다.

적층 및 라우팅

플렉스 회로가 우리의 관심사인 리지드/플렉스 결합 스택업의 일부를 형성하는 경우, 공정은 여기서 끝나지 않습니다. 이제 리지드 섹션 사이에 플렉스 회로를 적층해야 합니다. 이는 개별 드릴링, 도금 및 에칭 코어 레이어 쌍과 동일하며 유리 섬유가 없으므로 훨씬 더 얇고 유연합니다. 다만 앞서 언급했듯이 응용 분야에 따라 PI와 유리로 덜 유연한 레이어를 만들 수도 있습니다. 이는 리지드 섹션 사이에 적층되므로, 궁극적으로 리지드 기판 패널 섹션과 결합되는 패널 안에 넣어야 합니다. 리지드 섹션과 결합되지 않는 플렉스 회로는 MDF 또는 FR-4형 재료의 리지드 백킹 보드에 임시로 부착됩니다.

에칭, 도금, 커버레이 및 블랭킹된 플렉스 패널과 유리 에폭시 리지드 패널의 결합 원리

추가 접착제, 열 및 압력을 사용하여 리지드 섹션 및 기타 유연한 섹션과 함께 플렉스 회로를 패널에 적층합니다. 다층 플렉스를 설계하지 않는 한 여러 개의 플렉스 섹션이 서로 인접하게 적층되지 않습니다. 유연성이 유지되도록 보통 각 플렉스 섹션의 최대 구리 레이어 개수는 2개입니다. 이러한 플렉스 섹션은 리지드 프리프레그 및 코어 또는 에폭시나 아크릴 접착제가 포함된 PI 본딩판에 의해 분리됩니다.

기본적으로 플렉스의 구부림이 허용되는 영역에서 각 리지드 패널은 별도로 라우팅됩니다. 다음은 3개의 리지드 섹션 사이에 2개의 2-레이어 플렉스 회로가 내장된 리지드 플렉스 기판에 적층하는 공정의 예입니다. 레이어 스택은 아래와 같은 모양이 됩니다.

참고: 많은 설계자가 리플로 납땜 시 허용할 수 없는 수준의 Z축 팽장으로 인해 접착제 사용을 기피합니다.

각 플렉스 섹션의 도금된 스루 홀 및 리지드 섹션의 최종 스루 도금 홀을 포함한 상세한 스택 다이어그램

위에 표시된 예시 스택에는 두 개의 미리 에칭되고 절단된 플렉스 회로가 있습니다. 두 플렉스 회로 모두 양면이며 도금되어 있습니다. 플렉스 회로는 프레이밍용 테두리를 포함하여 최종 조립 패널에 블랭크 처리되어 있습니다. 따라서 리지드 패널 섹션과 적층 후 최종 조립 시 플렉스 회로가 평평하게 유지됩니다. 특히 리플로우 오븐의 열에서는 조립 중 플렉스 회로 엘보와 큰 개방 섹션을 부적절하게 지지할 경우 몇 가지 잠재적인 위험이 있습니다.

이 예에는 접착 레이어가 있지만, 많은 설계자는 리플로우 시 허용할 수 없는 수준의 Z축 팽창 때문에 접착제 사용을 꺼린다는 점에 유의해야 합니다. 그러나 FR-4 프리프레그와 열경화 에폭시를 사용하면 원하는 결과를 효과적으로 얻을 수 있으며, 여기의 모든 용도와 목적에서 '접착' 레이어로 간주됩니다. 플렉스 레이어에서의 구리 처리를 통해 적층 프리프레그의 '톱니'를 개선하여 접착력을 높일 수 있습니다. 이 예에서 보시는 것은 무접착제 양면 플렉스 적층이 있습니다. 이러한 적층의 성분은 100% 폴리이미드 필름으로, 이 필름에는 구리 포일이 접착되는 접착 가능한 폴리이미드 코팅이 적용되어 있습니다. 인기 있는 무접착제 적층으로는 DuPont^™ Pyralux^®와 Rogers Corp. R/Flex^® 등이 있습니다.

또한 접착제에 적층된 스티커처럼, 또는 앞서 언급한 포토프린팅 공정을 통해 커버레이를 적용합니다. 이 6-레이어 스택업의 최종 플렉스 패널과 리지드 패널을 함께 배치한 후 가장 바깥쪽(상단 및 하단)에 최종 구리 포일 레이어를 적층합니다. 그런 다음 위에서 아래로 도금된 스루 홀을 위해 한 번 더 드릴링을 실시합니다. 선택 사항으로, 레이저 드릴로 드릴링된 블라인드 비아(위에서 첫 번째 플렉스로, 맨 아래에서 마지막 플렉스로)도 만들 수 있습니다. 이 경우 설계 비용이 추가됩니다. 구멍은 위에서 아래로 도금되며, 블라인드 비아가 있는 경우 블라인드 비아를 통해 도금되고 가장 바깥쪽 레이어의 구리 패턴이 에칭됩니다. 마지막 단계는 상단 및 하단 솔더 마스크 인쇄, 상단 및 하단 실크 스크린 및 방부제 도금(예: ENIG) 또는 핫 에어 레벨링(HASL)입니다.

Rigid-flex PCB 제작 공정에 관한 문서를 생성하고 새로운 제조용 설계를 계획할 준비가 되었다면 Altium Designer®에 포함된 Draftsman 패키지의 CAD 기능과 자동화된 그리기 도구를 활용해 보세요. 설계 데이터를 제조업체에 공개할 준비가 되면 Altium 365™ 플랫폼을 통해 설계를 쉽게 공유하고 협업할 수 있습니다. 하나의 소프트웨어 패키지에서 고급 전자 장치를 설계하고 생산하는 데 필요한 모든 것을 만나 보세요.

Altium 365에서 Altium Designer로 할 수 있는 작업은 이보다 훨씬 많습니다. 지금 바로 Altium Designer + Altium 365 무료 평가판을 시작해 보세요.