Размышления о дизайне жёстко-гибких печатных плат

Все больше и больше конструкторов сталкиваются с необходимостью уменьшать размер и стоимость разрабатываемой продукции, одновременно увеличивая плотность и упрощая сборку. Жестко-гибкие платы (те, которые включают гибкие участки между отдельными жесткими секциями) становятся все более распространенным решением. Этот блог является началом короткой серии, которая обсуждает материалы, изготовление и методы проектирования для использования технологии жестко-гибких плат.

Как следует из названия этого блога, в последнее время я много думал о жестко-гибких печатных платах. Жестко-гибкие платы могут иметь множество преимуществ, и многие конструкторы сегодня, по крайней мере, рассматривают их, хотя раньше это не было необходимо. Кажется, что все больше конструкторов сталкиваются с более высокими требованиями к созданию все более плотно упакованной электроники, и вместе с этим возникает давление на сокращение затрат и времени на производство. Ну, конечно, это действительно ничего нового. Просто круг инженеров и конструкторов, которым приходится реагировать на эти давления, непрерывно расширяется.

Но есть аспекты жестко-гибких плат, которые могут стать подводными камнями на пути для новичков в этой технологии. Поэтому мудро сначала понять, как на самом деле изготавливаются гибкие платы и жестко-гибкие платы. Оттуда мы можем рассмотреть проблемы дизайна и найти четкий путь вперед. На данный момент давайте рассмотрим, из каких основных материалов состоят эти платы.

Материалы для гибких плат

Подложка и покрывающие пленки

Начните с представления обычной жесткой печатной платы - базовый материал обычно представляет собой стеклоткань и эпоксидную смолу. На самом деле это ткань, и хотя мы называем их «жесткими», если взять один слой ламината, у них есть разумное количество эластичности. Это эпоксидная смола, отвердевшая, делает плату более жесткой. Однако это не достаточно гибко для многих приложений, хотя для простых сборок, где постоянное движение не предвидится, это подходит.

• Узнайте больше о материалах для гибких печатных плат

Для большинства приложений требуется более гибкий пластик, чем обычная сетка эпоксидной смолы. Наиболее распространенным выбором является полиимид, поскольку он очень гибкий, очень прочный (его нельзя разорвать или заметно растянуть руками, что делает его устойчивым при сборке продукта), а также невероятно термостойкий. Это делает его высокоустойчивым к многократным циклам переплавки и относительно стабильным при расширении и сжатии из-за колебаний температуры.

Полиэстер (ПЭТ) - еще один часто используемый материал для гибких печатных плат, но он не выдерживает высоких температур и менее размерно стабилен, чем полиимидные (ПИ) пленки. Я видел его использование в очень дешевой электронике, где гибкая часть имела напечатанные проводники (где ПЭТ не мог выдержать температуру ламинирования), и не нужно говорить, что к нему ничего не было припаяно - скорее, контакт осуществлялся за счет грубого давления. Мне кажется, что дисплей в этом продукте (радиочасы) никогда не работал должным образом из-за низкого качества соединения гибкой печатной платы. Так что для жестко-гибких плат мы будем предполагать, что мы придерживаемся ПИ пленки. (Доступны и другие материалы, но они используются нечасто).

Пленки PI и PET, а также тонкие эпоксидные и стекловолоконные основы являются обычными подложками для гибких плат. Затем для покрытия необходимо использовать дополнительные пленки (обычно PI или PET, иногда гибкую маску для пайки) в качестве коверлея. Коверлей изолирует внешние проводники и защищает их от коррозии и повреждений так же, как маска для пайки на жесткой плате. Толщина пленок PI и PET варьируется от ⅓ мил (миллидюйма) до 3 мил, при этом типичными являются 1 или 2 мила. Стекловолокно и эпоксидные подложки заметно толще, их толщина составляет от 2 до 4 мил.

Проводники

В то время как упомянутая выше дешевая электроника может использовать напечатанные проводники - обычно это какой-то углеродный слой или чернила на основе серебра - медь является наиболее типичным проводником. В зависимости от применения необходимо рассмотреть различные формы меди. Если вы просто используете гибкую часть схемы для сокращения времени и стоимости производства за счет устранения кабелей и соединителей, то обычная ламинированная медная фольга (электроосажденная, или ED) для использования на жестких платах подойдет. Это также может использоваться там, где желательны более тяжелые медные веса для поддержания проводников с высокой токовой нагрузкой минимально возможной ширины, как в планарных индукторах.

Но медь также известна своей склонностью к упрочнению при работе и усталости. Если ваше конечное применение включает в себя повторяющееся сгибание или движение гибкой платы, вам следует рассмотреть использование фольги высшего качества, полученной методом прокатки с последующим отжигом (RA). Очевидно, что добавление процесса отжига фольги значительно увеличивает стоимость. Но отожженная медь способна растягиваться больше, прежде чем произойдет усталостное растрескивание, и она более упруга при изгибе в направлении Z - именно то, что вам нужно для гибкой платы, которая будет постоянно изгибаться или скручиваться. Это связано с тем, что процесс прокатки с отжигом удлиняет структуру зерна в плоском направлении.

Рисунок 2: Преувеличенная иллюстрация процесса отжига, очевидно, не в масштабе. Медная фольга проходит между роликами под высоким давлением, которые удлиняют структуру зерна в плоской ориентации, делая медь гораздо более гибкой и упругой при изгибе в направлении Z.

Примеры такого применения могут быть соединения портала с головкой ЧПУ-фрезера или лазерный пикап для привода Blu-Ray (как показано ниже).

Рисунок 3: Гибкая плата, используемая для соединения лазерного пикапа с основной платой в механизме Blu-Ray. Обратите внимание, что на плате лазерной головки гибкая часть согнута под прямым углом, и для укрепления гибкой платы в месте соединения добавлена клеевая капля.

Клеи

Традиционно клеи необходимы для склеивания медной фольги с ПИ (или другими) пленками, поскольку, в отличие от типичной жесткой платы FR-4, у отожженной меди меньше «зацепления», и одних лишь тепла и давления недостаточно для формирования надежного соединения. Производители, такие как DuPont, предлагают предварительно ламинированные одно- и двусторонние медные пленки для травления гибких схем, используя акриловые или эпоксидные клеи с типичной толщиной в ½ и 1 мил. Клеи специально разработаны для гибкости.

Ламинаты без клея становятся более распространенными благодаря новым процессам, которые включают нанесение или осаждение меди непосредственно на ПИ пленку. Такие пленки выбирают, когда необходимы более мелкие шаги и меньшие переходные отверстия, как в HDI схемах.

Силиконы, горячие клеи и эпоксидные смолы также используются, когда к соединениям или интерфейсам гибко-жестких соединений добавляются защитные бусины (т.е. там, где гибкая часть стека слоев покидает жесткую часть). Они обеспечивают механическое усиление точки изгиба гибко-жесткого соединения, которое в противном случае быстро утомлялось бы и трескалось или разрывалось при повторном использовании. Пример этого показан на рисунке 3 выше.

Рисунок 4: Типичный стек слоев однослойной гибкой схемы.

Важно быть в курсе материалов, используемых в гибких и жестко-гибких схемах. Хотя вы, как правило, можете предоставить изготовителю свободу выбора материалов в зависимости от вашего приложения, незнание не защитит вас от отказов на поле у конечного продукта. Очень хорошим ресурсом, содержащим гораздо больше деталей, чем мое краткое введение здесь, является:

• Coombs, C. F. (Редактор, 2008) Руководство по печатным платам, 6-е изд. 2008 McGraw Hill, стр. 61.3 0 - 61.24.

Знание свойств материалов также поможет в механическом проектировании, оценке и испытании вашего продукта. Если вы работаете, например, над автомобильными продуктами; тепло, влажность, химикаты, удары и вибрация - все это нужно моделировать с точными свойствами материалов для определения надежности продукта и минимально допустимого радиуса изгиба. Ирония заключается в том, что ведущие потребности, заставляющие вас выбирать гибкие и жестко-гибкие решения, часто связаны с суровыми условиями окружающей среды. Например, недорогие потребительские электронные устройства часто подвергаются вибрациям, падениям, поту и худшему.

Процессы изготовления гибких и жестко-гибких плат

На первый взгляд, типичная гибкая или жестко-гибкая плата выглядит довольно просто. Однако особенности этих плат требуют нескольких дополнительных этапов в процессе создания. Начало любой жестко-гибкой платы всегда начинается с одно- или двухсторонних гибких слоев. Как было упомянуто на прошлой неделе, производитель может начать с предварительно ламинированных гибких слоев или может начать с непокрытой ПИ (полиимидной) пленки, а затем ламинировать или наносить медь для начального покрытия. Ламинирование пленки требует тонкого слоя клея, в то время как кладка без использования клея требует "зачаточного" слоя меди. Этот зачаточный слой изначально создается с помощью техник осаждения из паровой фазы (например, напыления), и служит ключом, на который химически осаждается медь. Эта одно- или двухсторонняя гибкая схема сверлится, покрывается через отверстия и травится практически такими же шагами, как и типичные двухсторонние основы в жестких платах.

Анимация GIF ниже показывает этапы создания гибкой платы для типичной двухсторонней гибкой схемы.

• Узнайте больше о производстве гибких и жестко-гибких печатных плат

Рисунок 5: Анимация GIF, показывающая процесс создания гибкой схемы.

1. Нанесение клея/зачаточного покрытия

Либо применяется эпоксидный или акриловый клей, либо используется напыление для создания тонкого слоя меди, который служит ключом для гальваники.

2. Добавление медного фольги

Либо путем ламинирования медной фольги RA/ED на клей (более распространенный метод), либо химическим осаждением на затравочный слой.

3. Сверление

Отверстия под переходные отверстия и контактные площадки обычно сверлятся механически. Несколько слоев гибких плат с металлизацией могут быть просверлены одновременно, если их соединить с нескольких катушек, просверлить между рабочими пластинами, а затем размотать на другие катушки с другой стороны сверлильного станка. Предварительно нарезанные гибкие панели могут быть объединены и просверлены между жесткими заготовками таким же образом, как и жесткие сердечники, хотя это требует более тщательной регистрации, и точность выравнивания снижается. Для сверления очень маленьких отверстий доступно лазерное сверление, хотя это значительно увеличивает стоимость, поскольку каждая пленка должна быть просверлена отдельно. Для этого используются лазеры Excimer (ультрафиолетовые) или YAG (инфракрасные) для повышения точности (микровиа), лазеры CO2 для отверстий среднего размера (4+ мил). Большие отверстия и вырезы выполняются вырубкой, но это отдельный этап процесса.

4. Металлизация сквозных отверстий

После того, как отверстия сделаны, медь наносится и химически покрывается таким же образом, как и в случае с жесткими платами.

5. Нанесение защитного слоя против травления

На поверхности пленки наносится фоточувствительный защитный слой против травления, и используется желаемый шаблон маски для экспонирования и разработки защитного слоя перед химическим травлением меди.

6. Травление и удаление защитного слоя

После травления обнаженной меди, защитный слой против травления химически удаляется с гибкой платы.

7. Защитное покрытие

Верхние и нижние области гибкой платы защищены защитным покрытием, которое вырезается по форме. На некоторых участках гибкой платы могут быть установлены компоненты, в этом случае защитное покрытие также выполняет функцию маски для предотвращения пайки. Наиболее распространенным материалом для защитного покрытия является дополнительная пленка полиимида с клеем, хотя доступны и процессы без использования клея. В процессе без клея используется фотообразуемая паяльная маска (такая же, как и на жестких участках платы), фактически печатая защитное покрытие на гибкую плату. Для более грубых, дешевых конструкций также возможен вариант с использованием шелкографии и окончательным отверждением под воздействием УФ-излучения.

Рисунок 6: Пример гибкой платы с защитным покрытием - обратите внимание, что отверстия в защитном покрытии обычно меньше, чем площадки компонентов.

Важно отметить, что коверлей обычно наносится только на те части гибкой платы, которые в конечном итоге будут открыты. Для жестко-гибких плат это означает, что коверлей не наносится в местах, где будут жесткие секции, за исключением небольшого перекрытия - обычно около ½ мм. Коверлей может быть включен во всю жесткую секцию, хотя это негативно сказывается на адгезии и стабильности по оси Z жесткой платы. Такой выборочный коверлей называется "бикини-коверлей" производителями плат, использующими этот процесс, потому что он покрывает только самое необходимое. Также, вырезы для компонентов или соединительных площадок в коверлее оставляют по крайней мере две стороны площадки для закрепления под ним. Мы вернемся к этому в следующем блоге.

8. Вырезание гибкой платы

Последний шаг в создании гибкой печатной платы - это её вырезка. Этот процесс часто называют "вырубкой". Экономически выгодный метод вырубки на больших объемах - это использование гидравлического пресса и штампа, что влечёт за собой довольно высокие затраты на оснастку. Однако этот метод позволяет одновременно вырубать множество гибких плат. Для прототипов и мелкосерийного производства используется вырубной нож. Вырубной нож - это по сути длинное лезвие бритвы, согнутое в форму контура гибкой платы и закреплённое в выфрезерованном пазу в подложке (МДФ, фанера или толстый пластик, например, тефлон). Затем гибкие платы прижимают к вырубному ножу для вырезки. Для ещё меньших прототипных партий могут быть использованы режущие устройства X/Y (похожие на те, что используются при изготовлении виниловых знаков).

Ламинирование и фрезеровка

Если гибкая плата должна быть частью комбинированного жестко-гибкого многослойного пакета (что нас и интересует), процесс на этом не останавливается. Теперь у нас есть гибкая плата, которую необходимо заламинировать между жесткими секциями. Это то же самое, что и отдельный просверленный, металлизированный и травленый слой ядра, только гораздо тоньше и более гибкое из-за отсутствия стекловолокна. Как было отмечено ранее, менее гибкий слой может быть изготовлен из PI и стекла в зависимости от целевого применения. Поскольку это заламинировано вместе с жесткими секциями, в конечном итоге это должно быть оформлено в панель, которая соединяется с секциями панели жесткой платы также.

Ламинированные многослойные пакеты

Гибкая плата заламинирована в панель вместе с жесткими и любыми другими гибкими секциями с использованием дополнительного клея, тепла и давления. Несколько гибких секций не заламинированы рядом друг с другом. Это обычно означает, что каждая гибкая секция имеет максимальное количество слоев меди 2, чтобы сохранить гибкость. Эти гибкие секции разделены жесткими препрегами и ядрами или PI связующими листами с эпоксидными или акриловыми клеями.

По сути, каждая жесткая панель отдельно вырезается в областях, где гибкой части будет разрешено, ну, гибнуть.

Вот пример процесса ламинирования в жестко-гибкую плату, с двумя встроенными гибкими схемами из 2 слоев, расположенными между тремя жесткими секциями. Структура слоев будет выглядеть так, как показано на рисунках 3 и 4.

Рисунок 7: Как соединяются травленые, покрытые металлом, с покрытием и вырезанные гибкие панели с жесткими панелями из стеклоэпоксида.

Рисунок 8: Подробная структура слоев, показывающая сквозные металлизированные отверстия для каждой гибкой секции, а также окончательные сквозные металлизированные отверстия в жесткой секции.

В показанной на рисунке 8 примерной структуре слоев у нас есть две предварительно травленые и вырезанные гибкие схемы, каждая двусторонняя и с металлизацией сквозных отверстий. Гибкая схема была вырезана в окончательную сборочную панель, включая рамки для каркаса - это позволит сохранить гибкую схему плоской во время окончательной сборки после ламинирования с жесткими секциями панелей. Определенно существуют потенциальные опасности с недостаточной поддержкой гибких углов схемы и больших открытых секций во время сборки - особенно в тепле печи переплавки. Я рассмотрю некоторые из этих проблем, когда буду рассматривать аспекты дизайна в моем следующем блоге.

Каверлей также наносится - как наклейки, ламинированные с помощью клея, или методом фотопечати, о котором упоминалось ранее. Как только финальные гибкие и жесткие панели в этой компоновке из 6 слоев собраны вместе, они ламинируются с наружными (верхним и нижним) окончательными слоями медной фольги. Затем выполняется еще одно сверление для сквозных металлизированных отверстий сверху вниз. По желанию, также могут быть выполнены лазерно просверленные скрытые переходы (сверху к первому гибкому слою, снизу к последнему гибкому слою), что снова увеличивает стоимость дизайна.

Заключительные этапы включают печать верхней и нижней маски паяльной стопы, верхнего и нижнего шелкографического слоя и защитного покрытия (такого как ENIG) или уровнирования горячим воздухом (HASL).

Несколько гибких подслоев

Хотя теоретически возможно создать любую конструкцию с жесткими и гибкими секциями, это может стать невероятно дорогостоящим, если не учитывать этапы производства и свойства материалов. Одним из важных аспектов гибких плат является напряжение в материалах, возникающее при изгибе платы. Снова стоит отметить, что медь подвержена упрочнению при деформации, и в конечном итоге при многократном изгибе и малых радиусах изгиба появятся усталостные трещины. Один из способов минимизировать это - использовать однослойные гибкие платы, в этом случае медь находится в центре среднего радиуса изгиба, и, таким образом, пленочная подложка и защитное покрытие испытывают наибольшее сжатие и растяжение, как показано на рисунке 9.

Поскольку полиимид очень эластичен, это не проблема и будет служить гораздо дольше при повторяющемся движении, чем многослойные медные платы. Также часто необходимо иметь несколько отдельных гибких плат, но лучше избегать изгибов в перекрывающихся секциях, где длина гибких секций ограничивает радиус изгиба.

• Узнайте больше о статических и динамических гибких печатных платах

Рисунок 9: Для схем с высокочастотным изгибом лучше использовать медь RA в однослойных гибких платах, чтобы увеличить усталостный срок службы (в циклах до отказа) меди в схеме.

Клеевые шарики

Как я упоминал на прошлой неделе, бывают случаи, когда необходимо рассмотреть использование укрепляющих элементов в местах выхода гибкой платы из жесткой. Добавление шарика эпоксидной смолы, акрила или горячего клея поможет улучшить долговечность сборки. Но дозирование этих жидкостей и их отверждение могут добавить трудоемкие шаги в производственный процесс.

Можно использовать автоматизированное дозирование жидкости, но нужно быть очень осторожным, чтобы в сотрудничестве с инженерами сборки убедиться, что не образуются капли клея, стекающие под сборку. В некоторых случаях клей необходимо наносить вручную, что увеличивает время и стоимость. В любом случае, необходимо предоставить четкую документацию для производства и сборки.

Укрепители и окончания

Крайние концы гибких плат обычно заканчиваются соединителем, если не основной жесткой сборкой платы. В этих случаях на окончание можно нанести укрепитель (более толстый полиимид с клеем) или FR-4. В общем, удобно оставлять концы гибких плат встроенными в жестко-гибкие секции также.

• Узнайте больше о терминациях гибких печатных плат

Панель

Жестко-гибкая плата остается в своей панели на протяжении всего процесса сборки, так что компоненты могут быть установлены и припаяны к жестким выводам. Некоторые продукты требуют монтажа компонентов также на гибких участках, в этом случае панель собирается с дополнительными жесткими областями для поддержки гибкости во время сборки. Эти области не приклеиваются к гибкой части и вырезаются с помощью фрезы с контролируемой глубиной реза (с "мышиными укусами") и, наконец, выдавливаются вручную после сборки.

Рисунок 10: Пример окончательной жестко-гибкой панели. Обратите внимание, что эта имеет края передней и задней стороны платы, а также гибкую цепь, вырезанную. Жесткие стороны имеют V-образные канавки для последующего отламывания. Это позволит сэкономить время при сборке в корпус.

Когда вы будете готовы спроектировать и изготовить свою следующую жестко-гибкую печатную плату, используйте полный набор функций САПР Altium Designer®. Когда вы будете готовы передать данные вашего проекта производителю, вы можете легко делиться и сотрудничать над своими проектами через платформу Altium 365™. Все, что вам нужно для проектирования и производства передовой электроники, можно найти в одном программном пакете.

Мы только начали раскрывать возможности использования Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.