Знакомство с материалами для гибких печатных плат

Материалы для гибких печатных плат должны отвечать нескольким целям проектирования и эксплуатации: статическая или динамическая гибкость, способность выдерживать стандартные технологические процессы сборки и возможность использования простых процедур изготовления с высокой производительностью. На первый взгляд эти материалы могут показаться экзотическими, однако при производстве гибких и гибко-жестких печатных плат широко используется относительно небольшое количество материалов. В этом руководстве мы рассмотрим некоторые основные свойства таких материалов и то, как они используются для создания гибких или гибко-жестких печатных плат. 

Подложки и покровные пленки

В качестве основного материала для большинства стандартных жестких печатных плат используется тканое стекловолокно, пропитанное эпоксидной смолой. Фактически это ткань, и хотя мы используем термин «жесткий», если взять один слой ламината, то он обладает достаточной гибкостью. Жесткость плате придает отвердевшая эпоксидная смола. Из-за использования эпоксидных смол их часто называют органическими жесткими печатными платами. Они не обладают достаточной гибкостью для многих применений, но вполне могут использоваться в простых конструкциях, где не предполагается постоянное движение.

Наиболее распространенным материалом, который используется в качестве подложки гибких печатных плат, является полиимид. Этот материал отличается большой гибкостью, высокой прочностью и невероятной термостойкостью.

Гибкая полиимидная пленка (источник: Shinmax Technology Ltd.)

В большинстве случаев применения гибких плат требуется более гибкий пластик, чем обычная эпоксидная смола на ткани. В таких случаях чаще используется полиимид (PI), поскольку он отличается большой гибкостью, высокой прочностью (его невозможно порвать или заметно растянуть руками, что позволяет использовать его при сборке изделий), а также исключительной термостойкостью. За счет этих свойств он хорошо переносит многократные циклы пайки и достаточно устойчив к расширению и сжатию при колебаниях температуры.

Другим широко используемым материалом для гибких плат является полиэстер (PET), однако он недостаточно устойчив к высоким температурам, чтобы выдержать пайку. Я видел, как он использовался в очень дешевой электронике, где гибкая часть содержала печатные проводники (при этом PET не выдерживал нагрева при ламинировании), и нет нужды говорить, что к ней нельзя было ничего припаять — контакт достигался грубым прижатием изотропного проводящего эластомера.

Экран в таком изделии (это были часы-радио) никогда не работал должным образом из-за низкого качества подключения гибкой платы. Поэтому в случае гибко-жестких решений лучше придерживаться пленки PI. (Есть и другие материалы, но они используются не часто).

Пленки PI и PET, а также тонкий гибкий слой из эпоксидной смолы и стекловолокна формируют типичные подложки для гибких плат. Затем на платы необходимо нанести дополнительное пленочное покрытие (обычно это пленка из PI или PET, иногда гибкие чернила для паяльной маски). Покровная пленка изолирует проводники на наружной поверхности и защищает их от коррозии и повреждений подобно тому, как это делает паяльная маска на жесткой плате. Толщина пленок PI и PET варьируется от ⅓ до 3 мил, при этом типичными вариантами считаются 1 или 2 мила. Толщина подложек из стекловолокна и эпоксидной смолы ощутимо больше — от 2 до 4 мил.

Проводники

Хотя в упомянутой выше дешевой электронике могут использоваться печатные проводники — обычно это какая-то углеродная пленка или чернила на основе серебра — чаще всего в качестве проводника используется медь. В зависимости от области применения следует рассматривать различные формы меди. Если вы используете гибкую часть платы просто для сокращения сроков и стоимости производства за счет отказа от кабелей и разъемов, то для этого вполне подойдет обычная ламинированная медная фольга (электроосажденная или ED) для жестких плат. Она также может использоваться там, где требуется большая толщина медного слоя, чтобы обеспечить минимальную допустимую ширину проводников, по которым проходит большой ток, как в плоских индукторах.

Однако медь также печально знаменита деформационным упрочнением и усталостью. Если конечное применение предполагает многократное смятие или смещение гибкой платы, то следует использовать прокатанную отожженную (RA) фольгу более высокого класса. Очевидно, что дополнительный этап отжига фольги существенно увеличивает стоимость. Но отожженная медь способна больше растягиваться до появления усталостных трещин и более пружиниста при отклонении в направлении Z, а это именно то, что нужно для гибкой платы, которая будет постоянно сгибаться или скручиваться. Это связано с тем, что процесс прокатного отжига удлиняет структуру зерна вдоль плоскости.

Если вы используете гибкую часть платы просто для сокращения сроков и стоимости производства за счет отказа от кабелей и разъемов, то для этого вполне подойдет обычная ламинированная медная фольга для жестких плат.

Укрупненная иллюстрация процесса отжига материалов для гибких печатных плат, разумеется, не в масштабе. Медная фольга проходит между валками высокого давления, которые удлиняют структуру зерна вдоль плоскости, что делает медь в обычных условиях гораздо более гибкой и пружинистой.

Клеи

Для скрепления медной фольги и пленок PI (или других) обычно требуется клей, поскольку, в отличие от типичной жесткой платы FR-4, в отожженной меди меньше «зубцов», поэтому для образования надежного соединения недостаточно только тепла и давления. Производители предлагают предварительно ламинированные пленки с одно- или двусторонним медным покрытием для травления гибких плат, используя клеи на основе акрила или эпоксидной смолы с типичной толщиной ½ и 1 мил. Клеи специально разработаны для обеспечения гибкости.

Все большее распространение получают «бесклеевые» ламинаты благодаря новым технологическим процессам, которые предусматривают нанесение или осаждение меди непосредственно на полиимидную пленку. Эти пленки выбирают в тех случаях, когда требуется более мелкий шаг и меньшие переходные отверстия, как на платах HDI.

Также используются силиконы, термоплавкие клеи и эпоксидные смолы при установке защитных шайб на гибко-жесткие соединения или интерфейсы (т. е. где гибкая часть слоя выходит из жесткой части). Они обеспечивают механическую прочность опорных элементов гибко-жестких соединений, которые в противном случае при многократном использовании быстро устают, трескаются или рвутся.

Однослойные гибкие платы

Ниже показан пример типичной однослойной гибкой схемы в разрезе. Эта конструкция используется в большинстве серийно выпускаемых плоских гибких шлейфов (FFC, Flexible Flat Connector), которые являются альтернативой гибко-жестким печатным платам в тех случаях, когда можно установить разъемы FFC, а стоимость является определяющим фактором при принятии конструкторских решений. В однослойных гибких платах медь предварительно наносится на PI-пленку производителем материала, а затем медный слой протравливается и сверлится вместе с жесткой подложкой. В завершение на него наносится покрытие из полиимида на клеевой основе, которое предварительно перфорируется для обнажения медных контактных площадок. Клей, используемый в такой структуре покрытия, в ходе процесса может выдавливаться, но с этой проблемой можно справиться, увеличив площадки на открытых участках.

Типичный стек однослойной гибкой платы.

Важно знать, какие материалы используются в гибких и жестко-гибких платах. Даже несмотря на то что обычно вы можете предоставить изготовителю право выбирать материалы для обеспечения выпуска продукции, следует быть в курсе факторов, которые могут привести к отказу гибкой печатной платы в условиях эксплуатации. Знание свойств материала также поможет при разработке механической конструкции, оценке и испытаниях вашего изделия. Если вы работаете, например, с изделиями для автомобильной промышленности, то моделируя воздействие тепла, влаги, химикатов, ударов и вибрации, вам потребуется точно учесть свойства материалов, чтобы определить надежность изделия и минимально допустимый радиус изгиба. Ирония заключается в том, что требования, которые заставляют вас выбирать гибкие и жестко-гибкие решения, часто привязаны к жестким условиям эксплуатации. Например, недорогие бытовые персональные электронные устройства часто подвержены вибрациям, падениям, воздействию пота и т. п.

Гораздо больше подробностей, чем в вводном материале этой статьи, можно найти в отличном учебнике Кумбса, изданном в 2008 году:

• Coombs, C. F. (Editor, 2008) The Print Circuits Handbook, 7th ed. (Кумбс К.Ф. (ред. 2008), «Справочник по печатным платам», 7-е изд.) 2008 McGraw Hill.

Пример стека

Как и в случае жестких печатных плат, гибкие и гибко-жесткие платы при добавлении проводящих слоев могут иметь сложную конфигурацию. Такие стеки могут состоять из нескольких гибких участков на одной печатной плате, как показано в примере ниже. При использовании полностью гибкой платы (в отличие от жестко-гибкой) упрощается планирование стека слоев, в том числе на каждом участке печатной платы. Тем не менее, в некоторых местах, где устанавливаются компоненты или заканчивается плата, может возникнуть необходимость в установке ребер жесткости.

В вашем программном обеспечении каждый из этих участков определяется как отдельный стек и применяется к различным областям компоновки печатной платы. Когда наступит время изготовления, каждый участок платы должен быть ясно отражен в рабочих чертежах, чтобы была видна структура слоев и материалов платы. Этот важный аспект проектирования и производства гибких плат мы обсудим в следующем разделе.

Когда вы будете готовы выбрать и указать нужные материалы для гибких печатных плат, используйте полный набор функций САПР и инструментов автоматического рисования в пакете Draftsman внутри Altium Designer®. Когда вы будете готовы передать свои проектные данные производителю, вы сможете легко обмениваться проектами и совместно работать над ними через платформу Altium 365™. Все, что необходимо для проектирования и производства передовой электроники, можно найти в одном программном пакете.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .