Как разрабатываются и изготавливаются гибкие печатные платы, изготовленные методом термоформования

Гибкие схемы продолжают оставаться выигрышным решением, когда требуются долговечность и компактный форм-фактор. Очевидные преимущества, заключающиеся в меньшей толщине и весе, а также возможности изгиба и складывания, легко понять, и технология используется уже десятилетиями.

Хотя мы часто уделяем время рассмотрению материалов, проектированию с учетом гибкости и пониманию процесса изготовления, сегодня мы собираемся конкретно рассмотреть термоформованные гибкие печатные платы. Эта технология особенно интересна тем, что схемы могут быть сформированы в определенные формы, сохраняя при этом свои характеристики. Как и в более традиционных применениях для гибких материалов, термоформование не является новой технологией, но оно добавляет еще один слой сложности как к проектированию схем, так и к процессу изготовления.

Рассмотрение Дизайна Схем

Термоформованные гибкие печатные платы представляют собой особый вид гибких печатных плат, которые могут быть постоянно сформированы во время производства. Гибкие печатные платы могут быть механически изогнуты до желаемого статического радиуса изгиба, как обсуждает Зак Петерсон в этой связанной статье. В отличие от обычных гибких печатных плат, которые просто изгибаются и гнутся, или которые механически фиксируются после изготовления, термоформованные гибкие печатные платы формуются в фиксированные формы.

Они обычно разрабатываются в местах, где пространство ограничено, и требуются точные формы, например, в автомобилях, медицинских устройствах и носимой электронике. Если рассматривать такие приложения, как панель приборов вашего автомобиля или последний монитор здоровья, носимый на теле, то термоформованные гибкие печатные платы делают возможным эти изящные дизайны, вписываясь в компактные пространства и принимая сложные формы.

Пример термоформованной гибкой печатной платы изображения от FreddieHong19 на github

Когда дело доходит до механического дизайна, необходимо подумать о том, как печатная плата будет гнуться и изгибаться, как в процессе формования, так и при ее окончательном использовании. Избегайте размещения дорожек и компонентов в зонах высоких нагрузок. Использование изогнутых дорожек и смещенных переходных отверстий может помочь распределить нагрузку и уменьшить риск трещин. Это очень похоже на литые соединительные устройства (MIDs), но основное отличие заключается в том, что термоформованные печатные платы изгибаются после завершения изготовления.

Хотя термоформованная гибкая технология кажется фантастическим решением для любого количества приложений, ее также сложно изготовить и, соответственно, спроектировать. Существует множество факторов, которые необходимо учитывать для обеспечения успешного результата.

Процесс изготовления термоформованных гибких печатных плат

Процесс изготовления гибких печатных плат методом термоформования включает несколько точных шагов для достижения желаемой формы и функциональности, и я считаю важным отметить, что термоформование не является "стандартной" или даже типичной возможностью для большинства производителей гибких печатных плат. Это требует строгого контроля процесса и другого уровня производственных возможностей.

Полиимид и полиэстер (например, полиэтилентерефталат) являются популярными материалами, поскольку они гибкие и могут выдерживать нагрев благодаря их высоким температурам разложения и высоким температурам стеклования. Полиимид является фаворитом, поскольку он может выдерживать высокие температуры в процессе термоформования, и процесс обработки хорошо понят многими производственными предприятиями.

Инструменты для термоформования: Создание 2D-версии гибкой печатной платы происходит так, как вы могли бы ожидать для любого процесса изготовления гибкой печатной платы. После создания схемы платы и прохождения контроля качества происходит термоформование.

Прежде чем начать нагревание, необходимо подготовить форму для придания плате формы. Эта форма обычно изготавливается из материалов, способных выдерживать высокие температуры без деформации, таких как металл или термостойкие пластики/полимеры. Форма должна быть точно обработана до точных размеров и формы, необходимых для окончательного дизайна печатной платы. Одним из новых подходов к термоформованию является использование 3D-печатных форм; смотрите, например, ниже формы от Proto3000:

Proto3000 изготовили термоформовочные пресс-формы с помощью 3D печати. (Источник изображения)

Фиксация и нагрев: Гибкий подложка печатной платы, которая уже была сформирована и покрыта, аккуратно помещается в пресс-форму. Правильное выравнивание критически важно, чтобы убедиться, что печатная плата соответствует желаемой форме без каких-либо смещений или искажений. На этом этапе часто используются специально разработанные инструменты или приспособления для выравнивания, чтобы удерживать печатную плату на месте во время процесса нагрева.

Этап нагрева и контроль процесса критически важны. Вся сборка нагревается до определенной температуры, при которой подложка становится податливой. Эту температуру необходимо точно контролировать, чтобы избежать перегрева, который может повредить материал или проводящие дорожки. Нагрев может осуществляться различными методами, включая конвекционные печи, инфракрасные обогреватели или специализированное термоформовочное оборудование. Ключевым моментом является равномерное применение тепла по всей печатной плате, чтобы обеспечить единообразную податливость.

Как только подложка достигает требуемой температуры, она становится мягкой и податливой. Затем пресс-форма придает печатной плате желаемую трехмерную форму. Этот шаг должен быть выполнен быстро, но аккуратно, чтобы убедиться, что печатная плата соответствует форме без введения каких-либо морщин, пузырей или других дефектов. При формовании давление должно распределяться равномерно, чтобы избежать перегрузки материала.

В качестве примера, DuPont предоставляет рекомендации по термоформованию для своей линейки материалов Kapton, включая оснастку и значения времени/температуры прессования в зависимости от глубины формующей формы. Читайте их рекомендации по пленкам Kapton здесь.

Охлаждение и Затвердевание: После того как печатная плата была сформирована, ее необходимо специально охладить для затвердевания в новой форме. Охлаждение должно контролироваться, чтобы избежать внутренних напряжений или дефектов, таких как коробление и трещины. Слишком быстрое или слишком медленное охлаждение может привести к дефектам в конечном дизайне. Процесс охлаждения может быть управляем с помощью контролируемого воздушного охлаждения, водяных ванн или интегрированных систем охлаждения в оборудовании для термоформования. Постепенное и равномерное охлаждение необходимо для сохранения целостности печатной платы.

Удаление гибкой платы из формы также требует большой осторожности. После того как печатная плата удалена из формы, она подвергается еще одной тщательной инспекции и проверкам качества. Это включает визуальный осмотр на предмет поверхностных дефектов, размерные проверки для обеспечения соответствия ПП к желаемой форме и механические испытания для оценки структурной целостности.

Продвинутые процессы в термоформованных гибких ПП

Область гибких печатных плат (PCB) в целом развивается, на горизонте появляются новые достижения и инновации. Ведутся исследования по разработке новых материалов с улучшенными свойствами, такими как повышенная гибкость, лучшая термостойкость и улучшенные электрические характеристики. Эти достижения расширят потенциальные области применения термоформованных гибких печатных плат и повысят их надежность.

Технологии производства с высокой плотностью, такие как лазерное прямое структурирование (LDS) и процессы аддитивного производства (mSAP или SAP), могут внести подходы проектирования с высокой плотностью соединений (HDI) в гибкие печатные платы, которые затем также могут быть использованы в термоформованных устройствах. Эти техники предлагают более высокую точность, большую гибкость в дизайне и сокращение времени производства.

Процесс термоформования - это деликатный баланс точного контроля температуры, аккуратного обращения и строгого контроля качества. Каждый шаг, от нагрева до охлаждения, должен быть тщательно управляем, чтобы производить высококачественные термоформованные гибкие печатные платы, которые могут выдержать требования их предполагаемых применений. Если вы рассматриваете термоформованную гибкую схему для вашего приложения, начните работать с вашим производителем на раннем этапе процесса проектирования, чтобы обеспечить наивысший уровень успеха.