Процесс производства и изготовления гибко-жестких печатных плат

Если процесс изготовления жестких печатных плат (PCB) считается достаточно сложным, то изготовление гибких — еще более изощренная задача. Тем не менее, при изготовлении гибких PCB применяются многие из тех же стандартных этапов, что и при изготовлении жестких плат. В этом руководстве приводится обзор всех этапов процесса производства гибких PCB. Они очень похожи на этапы для жестких плат, но, как описано в одном из предыдущих руководств, включают другие наборы материалов.

Наращивание гибких секций

На первый взгляд типовая гибкая или гибко-жесткая печатная плата выглядит просто и понятно. Однако в связи с их конструкцией необходим ряд дополнительных этапов по наращиванию. В основу любой гибко-жесткой платы сначала всегда закладывают одно- или двусторонние гибкие слои. Изготовитель может начать с предварительно ламинированного гибкого слоя с фольгой или с необлицованной полиимидной (PI) пленки, а затем применить ламинирование или покрытие для меди в качестве начальной облицовки. Для ламинирования пленки необходим тонкий слой клея, а для бесклеевой облицовки необходим затравочный слой меди. Затравочный слой первоначально наносится с применением методов осаждения из паров (т. е. напыления) и формирует основу, на которую наносится химически осажденная медь. На этой одно- или двусторонней гибкой схеме высверливаются отверстия, выполняются сквозное покрытие и травление, т. е. практически те же операции, что и на типовых двусторонних сердцевинах жестких плат.

Этапы изготовления гибких секций

Ниже описаны типовые операции создания двусторонней гибкой схемы.

Шаг 1. Нанесение клея/затравочного покрытия

Наносится эпоксидный или акриловый клей либо применяется напыление, чтобы создать тонкий медный слой для гальванического покрытия.

Шаг 2. Добавление медной фольги

Медная фольга добавляется либо путем ламинирования к клеевому слою (более распространенный подход), либо химическим путем поверх затравочного слоя. Новые технологии изготовления, применяемые поставщиками материалов, позволяют в качестве альтернативы использовать бесклеевое ламинирование горячекатанной меди.

Шаг 3. Высверливание отверстий

Сквозные отверстия и контактные площадки чаще всего просверливаются механически. Несколько гибких подложек с покрытием можно просверливать одновременно, подавая их из барабанных рулонов, просверливая отверстия между рабочими пластинами, а затем раскатывая на отдельные рулоны на другой стороне сверлильного станка. Предварительно вырезанные гибкие панели можно объединять и сверлить между жесткими болванками так же, как жесткие сердцевины, хотя при этом требуется более тщательное позиционирование и снижается точность выравнивания. Для сверхмалых отверстий доступно лазерное сверление, однако оно сопряжено с гораздо большими затратами, поскольку каждую пленку требуется просверливать отдельно. Для дополнительной точности при сверлении сквозных микроотверстий применяются эксимерные лазеры (ультрафиолетовые) или YAG-лазеры (инфракрасные), а для отверстий среднего размера (более 4 мил) служат лазеры CO₂. Крупные отверстия и прорези пробиваются, но это отдельный шаг процесса.

Шаг 4. Нанесение покрытия сквозных отверстий

После формирования отверстий выполняется осаждение меди и химическое покрытие так же, как на жестких сердцевинах печатных плат (обычно это называется Cuposit). Рекомендуемая толщина покрытия сквозных отверстий на гибких схемах — не менее 1 мил, чтобы обеспечить дополнительную механическую поддержку контактной площадки или сквозного отверстия. Однако на типовой недорогой жесткой PCB толщина Cuposit может составлять всего 1/2 мил.

Шаг 5. Стойкая к травлению печать

На поверхности пленки наносится светочувствительное, стойкое к травлению покрытие, а для экспонирования и проявления защитного слоя перед химическим травлением меди используется рисунок маски.

Шаг 6. Травление и зачистка

После травления обнаженной меди защитный слой, использовавшийся во время травления, удаляется с гибкой схемы химическим способом.

Шаг 7. Покровный слой или покровное покрытие

Верхние и нижние участки гибкой схемы защищены покровными слоями, которые вырезаются по их форме. На секциях гибкой схемы могут быть установлены компоненты, и в этом случае покровный слой также выполняет функции паяльной маски. Самый распространенный материал покровного слоя — дополнительная полиимидная пленка с клеем; также доступны бесклеевые процессы. В бесклеевом процессе используется фотопроявляемая паяльная маска (такая же, как и на секциях жестких плат), которая фактически печатает покровный слой на гибкой схеме. В более простых и дешевых проектных решениях также можно использовать трафаретную печать с финальным отверждением покровного пленочного покрытия под воздействием ультрафиолета. Основная разница состоит в том, что покровный слой — это ламинированная пленка, а покровное покрытие состоит из нанесенного материала, который затем потребуется отвердить.

Шаг 8. Вырезание гибкой схемы

Последний шаг в процессе создания гибкой схемы — это вырезание. Эту операцию также часто называют «вырубкой». Для экономически выгодной вырубки больших объемов плат применяется гидравлический пробойник и набор штампов, что подразумевает оправданно высокую цену инструментов. Однако этот метод позволяет осуществлять вырубку нескольких гибких плат одновременно. Для изготовления прототипов и небольших серий используются вырубные ножи. Фактически, вырубной нож — это длинное лезвие, изогнутое в форме контура гибкой схемы и закрепленное в прорези на подложке (из МДФ, фанеры или толстого пластика, например тефлона). Для вырезания гибкие схемы вдавливаются в вырубной нож.

Ламинация и трассировка

Если гибкая схема должна стать частью комбинированной гибко-жесткой структуры слоев (что нас и интересует), процесс на этом не заканчивается. Гибкую схему необходимо заламинировать между жесткими секциями. Это аналогично паре слоев сердцевины с отдельно высверленными отверстиями, покрытием и травлением, однако гибкая схема намного тоньше и эластичнее благодаря отсутствию стекловолокна. Тем не менее, как отмечалось выше, в зависимости от целевого применения менее гибкий слой может быть выполнен с использованием PI и стеклопластика. Поскольку схему ламинируют между жесткими секциями, затем также потребуется выполнить ее обрамление на панели, сопрягаемой с жесткими секциями панели платы. Гибкие схемы, не комбинируемые с жесткими секциями, временно прикрепляются к жесткой подложке из МДФ или материалов типа FR-4.

Какие образом гибкие панели после травления, нанесения покрытия, покровного слоя и вырубки комбинируются с жесткими панелями из эпоксидного стеклопластика.

Гибкая схема ламинируется на панели совместно с жесткими и любыми другими гибкими секциями с применением дополнительного клея, тепла и давления. Несколько гибких секций ламинируются встык, только если проектируется многослойная гибкая сборка. Как правило, это означает, что каждая гибкая секция имеет максимум два медных слоя, чтобы сохранять гибкость. Эти гибкие секции разделены жесткими предварительно пропитанными слоями и сердцевинами или связующими листами из PI, склеенными эпоксидным или акриловым клеем.

Фактически, каждая жесткая панель раздельно трассируется в тех областях, где должна сохраняться гибкость платы. Ниже приведен пример процесса ламинирования на гибко-жесткой плате с двумя двухслойными гибкими схемами, помещенными между тремя жесткими секциями. Структура слоев будет выглядеть так, как показано ниже.

Примечание. Многие конструкторы избегают использования клея из-за неприемлемого расширения по оси Z во время пайки оплавлением.

Подробная схема структуры слоев, включая отверстия со сквозным покрытием для каждой гибкой секции, а также конечные отверстия со сквозным покрытием в жесткой секции.

В примере структуры слоев выше показаны две предварительно протравленные и вырезанные гибкие схемы, и обе они двусторонние и имеют сквозное покрытие. Гибкая схема вырублена в панель финальной сборки, включая края для обрамления. Это позволит сохранить плоскость гибкой схемы во время финальной сборки после ламинирования с жесткими секциями панели. Безусловно, недостаточная поддержка углов гибкой схемы и большие открытые секции во время сборки создают риски, особенно при высокой температуре в плавильной печи.

Хотя в этом примере показаны клеевые слои, важно отметить, что многие конструкторы избегают использования клея из-за неприемлемого расширения по оси Z при оплавлении. Однако предварительно пропитанный слой FR-4 и отверждаемые эпоксидные составы фактически обеспечивают желаемый результат и по сути считаются здесь «клеевыми» слоями. Дополнительная адгезия может быть достигнута за счет обработки меди на гибких слоях для улучшения «вгрызания» в ламинированные предварительно пропитанные слои. Здесь показаны бесклеевые двусторонние гибкие ламинаты. Это полностью полиимидная пленка со склеиваемым полиимидным покрытием, к которому приклеивается медная фольга. В число популярных бесклеевых ламинатов входят DuPont^™ Pyralux^® и Rogers Corp. R/Flex^®.

Покровный слой наносится как наклейка с посадкой на клей или методом фотопечати, как говорилось выше. После размещения финальных гибких и жестких панелей в этой шестислойной структуре слоев они ламинируются внешними (верхними и нижними) финальными слоями медной фольги. Затем еще раз высверливаются сверху вниз отверстия со сквозным покрытием. Опционально с помощью лазера также могут быть высверлены глухие отверстия (от верха до первого гибкого слоя, от низа до последнего гибкого слоя), что также увеличивает стоимость конструкции. На отверстия сверху донизу наносится сквозное покрытие, а глухие отверстия (при их наличии) и финальный медный рисунок на внешних слоях протравливаются. Финальные шаги — это печать верхней и нижней паяльной маски, нанесение верхнего и нижнего трафарета и консервирующего покрытия (например, ENIG) либо выравнивание горячим воздухом (HASL).

Для создания документации к процессу изготовления гибко-жестких PCB и планирования производства используйте весь спектр функций САПР и автоматизированные чертежные инструменты из пакета Draftsman, входящего в Altium Designer®. На платформе Altium 365™ можно передавать информацию производителю, легко обмениваться проектными данными и совместно работать над проектами. Все, что необходимо для проектирования и производства сложной 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 .