Cách Thiết kế và Chế tạo PCB Linh hoạt Thermoformed

Mạch linh hoạt tiếp tục là giải pháp chiến thắng khi độ bền và kích thước nhỏ gọn là yêu cầu. Lợi ích rõ ràng của việc mỏng hơn và nhẹ hơn cùng với khả năng được uốn cong và gấp lại dễ dàng hiểu và công nghệ này đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ.

Trong khi chúng ta thường dành thời gian để xem xét vật liệu, cách thiết kế cho tính linh hoạt, và hiểu quy trình chế tạo, hôm nay chúng ta sẽ cụ thể xem xét về mạch in linh hoạt thermoformed. Công nghệ này đặc biệt thú vị vì các mạch có thể được đúc vào các hình dạng cụ thể trong khi vẫn duy trì hiệu suất của chúng. Giống như các ứng dụng truyền thống hơn cho vật liệu linh hoạt, thermoforming không phải là công nghệ mới, nhưng nó thêm một lớp phức tạp khác cho cả quá trình thiết kế mạch và quá trình chế tạo.

Xem xét Thiết kế Mạch

Mạch in linh hoạt thermoformed là một loại đặc biệt của mạch in linh hoạt có thể được hình thành vĩnh viễn trong quá trình sản xuất. Mạch in linh hoạt có thể được uốn cơ học thành bán kính uốn động cố định, như Zach Peterson đã thảo luận trong bài viết liên kết này. Không giống như các mạch in linh hoạt thông thường chỉ uốn cong và linh hoạt, hoặc được cố định cơ học sau khi chế tạo, mạch in linh hoạt thermoformed được đúc vào hình dạng cố định.

Chúng thường được thiết kế ở những nơi có không gian hẹp và bạn cần những hình dạng chính xác, như trong ô tô, thiết bị y tế và thiết bị đeo được. Nếu bạn xem xét các ứng dụng như bảng điều khiển ô tô của bạn hoặc thiết bị theo dõi sức khỏe đeo được mới nhất, PCB linh hoạt được tạo hình nhiệt làm cho những thiết kế gọn gàng này trở nên khả thi bằng cách phù hợp với không gian nhỏ gọn và tuân theo các hình dạng phức tạp.

Ví dụ về PCB linh hoạt được tạo hình nhiệt hình ảnh từ FreddieHong19 trên github

Khi nói đến thiết kế cơ khí, bạn cần phải suy nghĩ về cách PCB sẽ uốn cong và linh hoạt, cả trong quá trình tạo hình và trong sử dụng cuối cùng. Tránh đặt các đường dẫn và linh kiện ở những khu vực chịu áp lực cao. Sử dụng các đường dẫn cong và vias xếp chồng lệch nhau có thể giúp phân tán áp lực và giảm nguy cơ nứt. Chúng rất giống với các thiết bị kết nối đúc (MIDs), nhưng điểm khác biệt chính là PCB được tạo hình nhiệt có sự uốn cong được áp dụng sau khi quá trình sản xuất hoàn tất.

Mặc dù có vẻ như công nghệ flex linh hoạt được tạo hình nhiệt sẽ là một giải pháp tuyệt vời trong bất kỳ số lượng ứng dụng nào, đó cũng là một công nghệ khó để sản xuất và sau đó là để thiết kế. Có nhiều yếu tố cần xem xét để đảm bảo một kết quả thành công.

Quy Trình Sản Xuất Cho PCB Linh Hoạt Được Tạo Hình Nhiệt

Quy trình chế tạo mạch in linh hoạt thermoformed bao gồm nhiều bước chính xác để đạt được hình dạng và chức năng mong muốn và tôi nghĩ rằng điều quan trọng cần chỉ ra là thermoforming không phải là một khả năng “tiêu chuẩn” hoặc thậm chí là điển hình đối với hầu hết các nhà sản xuất mạch linh hoạt. Nó đòi hỏi kiểm soát quy trình nghiêm ngặt và một cấp độ khả năng quy trình khác.

Polyimide và polyester (ví dụ, polyethylene terephthalate) là những lựa chọn vật liệu phổ biến vì chúng linh hoạt và có thể chịu nhiệt nhờ vào nhiệt độ phân hủy cao và nhiệt độ chuyển thủy tinh cao. Polyimide được ưa chuộng vì nó có thể chịu được nhiệt độ cao trong quá trình thermoforming, và quy trình xử lý được hiểu rõ bởi nhiều nhà máy chế tạo.

Công cụ Thermoforming: Việc tạo ra phiên bản 2D của mạch linh hoạt diễn ra như bạn mong đợi đối với bất kỳ quy trình chế tạo mạch linh hoạt nào. Một khi mẫu mạch được tạo ra và đã vượt qua đánh giá chất lượng, quá trình thermoforming diễn ra.

Trước khi bắt đầu quá trình nung nóng, khuôn dùng để tạo hình PCB phải được chuẩn bị. Khuôn này thường được làm từ các vật liệu có thể chịu được nhiệt độ cao mà không bị biến dạng, như kim loại hoặc nhựa/polyme chịu nhiệt. Khuôn phải được gia công chính xác theo kích thước và hình dạng cần thiết cho thiết kế PCB cuối cùng. Một phương pháp mới cho thermoforming là sử dụng khuôn in 3D; xem ví dụ các khuôn dưới đây từ Proto3000:

Proto3000 đã in 3D khuôn định hình nhiệt. (Nguồn hình ảnh)

Gắn kết và Làm nóng: Substrate PCB linh hoạt, đã được tạo mẫu và mạ, được đặt cẩn thận vào khuôn. Việc căn chỉnh chính xác là rất quan trọng để đảm bảo PCB phù hợp với hình dạng mong muốn mà không có bất kỳ sự lệch lạc hay biến dạng nào. Bước này thường liên quan đến việc sử dụng các công cụ hoặc giá đỡ căn chỉnh được thiết kế đặc biệt để giữ PCB cố định trong quá trình làm nóng.

Quá trình và kiểm soát quá trình làm nóng là rất quan trọng. Toàn bộ bộ phận được làm nóng lên một nhiệt độ cụ thể nơi mà substrate trở nên dẻo. Nhiệt độ này phải được kiểm soát chính xác để tránh làm quá nóng, có thể làm hỏng vật liệu hoặc các dấu vết dẫn điện. Việc làm nóng có thể được thực hiện bằng các phương pháp khác nhau, bao gồm lò hồng ngoại, máy sưởi hồng ngoại, hoặc thiết bị định hình nhiệt chuyên dụng. Điều quan trọng là áp dụng nhiệt đều khắp PCB để đảm bảo tính dẻo đồng đều.

Một khi substrate đạt đến nhiệt độ cần thiết, nó trở nên mềm và dẻo. Khuôn sau đó tạo hình PCB thành hình dạng ba chiều mong muốn. Bước này phải được thực hiện nhanh chóng nhưng cẩn thận để đảm bảo rằng PCB phù hợp với khuôn mà không gây ra bất kỳ nếp nhăn, bọt khí, hoặc các khuyết điểm khác. Áp lực áp dụng trong quá trình hình thành phải được phân phối đều để tránh làm căng thẳng vật liệu.

Ví dụ, DuPont cung cấp hướng dẫn về thermoforming cho dòng vật liệu Kapton của họ, bao gồm cả việc lắp đặt và thời gian/nhiệt độ ép dựa trên độ sâu của khuôn định hình. Đọc hướng dẫn của họ cho phim Kapton tại đây.

Làm mát và Đông cứng: Sau khi PCB đã được hình thành, nó cần được làm mát một cách cụ thể để đông cứng hình dạng mới. Việc làm mát phải được kiểm soát để tránh gây ra căng thẳng nội bộ hoặc các lỗi như cong vênh và nứt. Làm mát quá nhanh hoặc không đủ nhanh có thể dẫn đến lỗi trong thiết kế cuối cùng. Quá trình làm mát có thể được quản lý bằng cách sử dụng làm mát bằng không khí kiểm soát, bể nước, hoặc hệ thống làm mát tích hợp trong thiết bị thermoforming. Việc làm mát dần dần và đều là cần thiết để duy trì tính toàn vẹn của PCB.

Việc loại bỏ mạch linh hoạt khỏi khuôn cũng đòi hỏi sự cẩn thận lớn. Sau khi PCB được loại bỏ khỏi khuôn, nó trải qua một cuộc kiểm tra kỹ lưỡng khác và các kiểm tra kiểm soát chất lượng. Điều này bao gồm kiểm tra thị giác cho các khuyết điểm bề mặt, kiểm tra kích thước để đảm bảo PCB phù hợp với hình dạng mong muốn, và các bài kiểm tra cơ học để đánh giá tính toàn vẹn cấu trúc.

Quy trình Tiên tiến trong Thermoformed Flex PCBs

Lĩnh vực mạch in linh hoạt (flex PCBs) nói chung đang phát triển, với những tiến bộ và đổi mới không ngừng xuất hiện. Nghiên cứu đang được tiến hành để phát triển các vật liệu mới với các tính chất nâng cao, như khả năng linh hoạt tăng lên, ổn định nhiệt tốt hơn và hiệu suất điện cải thiện. Những tiến bộ này sẽ mở rộng các ứng dụng tiềm năng của mạch in linh hoạt thermoformed và cải thiện độ tin cậy của chúng.

Công nghệ sản xuất mật độ cao hơn, như cấu trúc trực tiếp bằng laser (LDS) và quy trình sản xuất cộng hưởng (mSAP hoặc SAP), có thể đưa các phương pháp thiết kế kết nối mật độ cao (HDI) vào mạch in linh hoạt, có thể sau đó cũng được sử dụng trong các thiết bị thermoformed. Những kỹ thuật này cung cấp độ chính xác cao hơn, linh hoạt hơn trong thiết kế, và thời gian sản xuất giảm.

Quy trình thermoforming là sự cân bằng tinh tế của việc kiểm soát nhiệt độ chính xác, xử lý cẩn thận, và đảm bảo chất lượng nghiêm ngặt. Mỗi bước, từ gia nhiệt đến làm mát, phải được quản lý tỉ mỉ để sản xuất ra mạch in linh hoạt thermoformed chất lượng cao có thể đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng dự định. Nếu bạn đang xem xét một mạch linh hoạt thermoformed cho ứng dụng của mình, hãy làm việc với nhà sản xuất của bạn ngay từ đầu quá trình thiết kế để đảm bảo mức độ thành công cao nhất.