Jak projektuje się i wykonuje termoformowane elastyczne płytki drukowane (Flex PCB)

Obwody elastyczne nadal stanowią doskonałe rozwiązanie, gdy wymagana jest trwałość i kompaktowy rozmiar. Oczywiste korzyści, jakie niosą ze sobą - bycie cieńszym i lżejszym oraz możliwość gięcia i składania - są łatwe do zrozumienia, a technologia ta jest wykorzystywana od dziesięcioleci.

Chociaż często skupiamy się na materiałach, sposobach projektowania pod kątem elastyczności oraz rozumieniu procesu fabrykacji, dzisiaj szczególnie przyjrzymy się termoformowanym elastycznym płytkom drukowanym. Ta technologia jest szczególnie interesująca, ponieważ obwody mogą być formowane w określone kształty, jednocześnie zachowując swoją wydajność. Podobnie jak w bardziej tradycyjnych zastosowaniach dla materiałów elastycznych, termoformowanie nie jest nową technologią, ale dodaje kolejną warstwę złożoności zarówno do projektowania obwodów, jak i procesu fabrykacji.

Rozważania dotyczące projektowania obwodów

Termoformowane elastyczne PCB to specjalny rodzaj elastycznej płytki drukowanej, która może być trwale ukształtowana podczas produkcji. Elastyczne PCB mogą być mechanicznie zginane do pożądanego stałego promienia zgięcia, jak omawia Zach Peterson w tym powiązanym artykule. W przeciwieństwie do zwykłych elastycznych PCB, które tylko się zgina i elastycznie dopasowuje, lub które są mechanicznie mocowane po fabrykacji, termoformowane elastyczne PCB są formowane w stałe kształty.

Są zwykle projektowane w miejscach, gdzie przestrzeń jest ograniczona, a potrzebne są precyzyjne kształty, jak w samochodach, urządzeniach medycznych i urządzeniach do noszenia. Jeśli weźmiemy pod uwagę aplikacje takie jak deska rozdzielcza w samochodzie czy najnowszy monitor zdrowia do noszenia, termoformowane elastyczne PCB umożliwiają te eleganckie projekty, pasując do kompaktowych przestrzeni i dopasowując się do złożonych kształtów.

Przykład termoformowanego elastycznego PCB obrazy od FreddieHong19 na github

Jeśli chodzi o projektowanie mechaniczne, musisz myśleć o tym, jak PCB będzie się zginać i elastycznie dopasowywać, zarówno podczas procesu formowania, jak i w jego ostatecznym użyciu. Unikaj umieszczania ścieżek i komponentów w obszarach wysokiego stresu. Użycie zakrzywionych ścieżek i przesuniętych przelotek może pomóc rozłożyć stres i zmniejszyć ryzyko pęknięć. Są one bardzo podobne do urządzeń z formowanymi połączeniami (MID), ale główna różnica polega na tym, że termoformowane PCB są gięte po zakończeniu produkcji.

Chociaż wydaje się, że technologia termoformowanych elastycznych PCB byłaby fantastycznym rozwiązaniem w wielu aplikacjach, jest to również trudna technologia do wytworzenia, a następnie do zaprojektowania. Istnieje wiele czynników, które należy wziąć pod uwagę, aby zapewnić pomyślne zakończenie.

Proces produkcji termoformowanych elastycznych PCB

Proces fabrykacji termoformowanych elastycznych PCB obejmuje kilka precyzyjnych kroków, aby osiągnąć pożądany kształt i funkcjonalność, i myślę, że ważne jest, aby zaznaczyć, że termoformowanie nie jest "standardową" ani nawet typową zdolnością dla większości producentów obwodów elastycznych. Wymaga to ścisłej kontroli procesu i innego poziomu zdolności procesowych.

Poliamid i poliester (np. poli(tereftalan etylenu)) są popularnymi materiałami, ponieważ są elastyczne i mogą wytrzymać ciepło dzięki swoim wysokim temperaturom rozkładu i wysokim temperaturom przejścia szklistego. Poliamid jest ulubieńcem, ponieważ może wytrzymać wysokie temperatury podczas procesu termoformowania, a jego przetwarzanie jest dobrze zrozumiane przez wiele zakładów produkcyjnych.

Narzędzia do termoformowania: Tworzenie 2D wersji elastycznego obwodu jest takie, jak można się spodziewać dla każdego procesu fabrykacji elastycznych obwodów. Gdy wzór obwodu jest stworzony i przeszedł przegląd jakości, następuje termoformowanie.

Przed rozpoczęciem jakiegokolwiek ogrzewania, forma używana do kształtowania PCB musi być przygotowana. Ta forma jest zwykle wykonana z materiałów, które mogą wytrzymać wysokie temperatury bez deformacji, takich jak metal lub tworzywa/polimery odporne na ciepło. Forma musi być precyzyjnie obrabiana do dokładnych wymiarów i kształtu wymaganego dla końcowego projektu PCB. Jednym z nowych podejść do termoformowania jest użycie form drukowanych 3D; zobacz na przykład poniższe formy z Proto3000:

Proto3000 wydrukowało termoformowalne formy 3D. (Źródło obrazu)

Umocowanie i ogrzewanie: Elastyczne podłoże PCB, które zostało już wzorowane i pokryte, jest ostrożnie umieszczane w formie. Prawidłowe wyrównanie jest kluczowe, aby zapewnić, że PCB odpowiada pożądanemu kształtowi bez żadnych niezgodności czy zniekształceń. Ten krok często wymaga użycia specjalnie zaprojektowanych narzędzi lub oprzyrządowania do wyrównania, aby utrzymać PCB na miejscu podczas procesu ogrzewania.

Etapa ogrzewania i kontrola procesu są krytyczne. Cały zespół jest ogrzewany do określonej temperatury, przy której podłoże staje się plastyczne. Temperatura ta musi być precyzyjnie kontrolowana, aby uniknąć przegrzania, co może uszkodzić materiał lub ścieżki przewodzące. Ogrzewanie może być przeprowadzane różnymi metodami, w tym piekarnikami konwekcyjnymi, grzejnikami podczerwieni lub specjalistycznym sprzętem do termoformowania. Kluczem jest równomierne stosowanie ciepła na całej powierzchni PCB, aby zapewnić jednolitą plastyczność.

Po osiągnięciu przez podłoże wymaganej temperatury, staje się ono miękkie i plastyczne. Forma następnie kształtuje PCB w pożądaną trójwymiarową formę. Ten krok musi być wykonany szybko, lecz ostrożnie, aby zapewnić, że PCB odpowiada formie bez wprowadzania żadnych zmarszczek, pęcherzy czy innych defektów. Nacisk stosowany podczas formowania musi być równomiernie rozłożony, aby uniknąć nadmiernego obciążenia materiału.

Na przykład, DuPont dostarcza wskazówki dotyczące termoformowania dla swojej linii materiałów Kapton, w tym mocowanie i czas/temperaturę prasowania w zależności od głębokości formy. Przeczytaj ich wytyczne dotyczące folii Kapton tutaj.

Chłodzenie i krzepnięcie: Po nadaniu PCB odpowiedniego kształtu, należy je odpowiednio schłodzić, aby ustabilizować jego nową formę. Chłodzenie musi być kontrolowane, aby uniknąć wprowadzenia wewnętrznych naprężeń lub defektów, takich jak wykrzywianie się i pękanie. Zbyt szybkie lub zbyt wolne chłodzenie może prowadzić do defektów w finalnym projekcie. Proces chłodzenia można zarządzać za pomocą kontrolowanego chłodzenia powietrzem, kąpieli wodnych lub zintegrowanych systemów chłodzenia w sprzęcie do termoformowania. Stopniowe i równomierne chłodzenie jest niezbędne, aby zachować integralność PCB.

Usunięcie elastycznego obwodu z formy również wymaga dużej ostrożności. Po wyjęciu PCB z formy, przechodzi ono kolejną dokładną inspekcję i kontrole jakości. Obejmuje to wizualne inspekcje w poszukiwaniu defektów powierzchniowych, pomiary wymiarowe, aby upewnić się, że PCB odpowiada pożądanemu kształtowi, oraz testy mechaniczne oceniające integralność strukturalną.

Zaawansowane procesy w termoformowanych elastycznych PCB

Dziedzina elastycznych obwodów drukowanych (PCB) ogólnie rozwija się, pojawiają się nowe postępy i innowacje. Trwają badania nad opracowaniem nowych materiałów o lepszych właściwościach, takich jak zwiększona elastyczność, lepsza stabilność termiczna i poprawiona wydajność elektryczna. Te postępy poszerzą potencjalne zastosowania termoformowalnych elastycznych PCB i poprawią ich niezawodność.

Technologie produkcji o wyższej gęstości, takie jak bezpośrednie strukturyzowanie laserowe (LDS) i procesy produkcyjne addytywne (mSAP lub SAP), mogą wprowadzić podejścia projektowe wysokiej gęstości połączeń (HDI) do elastycznych PCB, które następnie mogą być również używane w urządzeniach termoformowalnych. Te techniki oferują wyższą precyzję, większą elastyczność w projektowaniu i skrócone czasy produkcji.

Proces termoformowania to delikatna równowaga precyzyjnej kontroli temperatury, ostrożnego obchodzenia się i rygorystycznej kontroli jakości. Każdy krok, od ogrzewania po chłodzenie, musi być starannie zarządzany, aby wyprodukować wysokiej jakości termoformowalne elastyczne PCB, które mogą wytrzymać wymagania ich zamierzonych zastosowań. Jeśli rozważasz zastosowanie termoformowalnego obwodu elastycznego w swojej aplikacji, współpracuj z producentem już na wczesnym etapie procesu projektowego, aby zapewnić najwyższy poziom sukcesu.