Rigidno-fleksibilna štampana ploča: Prednosti i praktični savjeti

S pojavom i razvojem FPC i PCB, pojavio se novi proizvod nazvan kruto-fleksibilna ploča.

Šta je Rigid-Flex PCB?

Rigidno-fleksibilne ploče kombinuju fleksibilni supstrati za krugove i krute podloge za pločice u jednoj laminiranoj strukturi. Rigidno-fleksibilne pločice (rigid-flex PCBs) prelaze granice tradicionalnih krutih pločica. Također koriste fleksibilne krugove koji se izrađuju uzorkovanjem visoko duktilnog, elektroprekrivenog ili valjano kaljenog bakra na fleksibilnim izolacionim filmovima. Rigidno-fleksibilni dizajni pokazuju neke jasne karakteristike: visoku gustoću, tanke tragove, male via-rupe, malu veličinu, malu težinu i visoku pouzdanost. Njihove performanse ostaju stabilne pod utjecajem vibracija, udaraca i vlažnih uslova. Mogu se savijati i omogućavaju trodimenzionalno montiranje. Efikasnije koriste prostor unutar sklopljenog uređaja. Iz ovih razloga, široko se koriste u prenosivim digitalnim proizvodima kao što su mobilni telefoni, digitalni fotoaparati i kamere. Tvrdo-fleksibilne ploče će se sve više koristiti tamo gdje je potrebno smanjiti veličinu pakovanja, posebno u potrošačkoj elektronici.

U početku su osnovne ideje dizajna i proizvodni procesi za višeslojne rigidno-fleksibilne ploče potekli iz zrakoplovne opreme. Zrakoplovni sistemi zahtijevaju pouzdano ožičenje u vrlo ograničenom prostoru. U nekim složenim proizvodima rigidno-fleksibilne ploče su koristile čak više od 30 slojeva provodnika. S druge strane, potrošačka elektronika poput telefona i digitalnih kamera oduvijek je zahtijevala ožičenje visoke gustoće i niske cijene. Ta potreba je potaknula pojavu novih ideja u dizajnu i novih metoda proizvodnje.

Višeslojna rigid-flex ploča je u suštini mješavina krutih i fleksibilnih ploča. Međutim, da bi proizvođači ploča pravilno spojili te dijelove, potrebne su im dobre vještine u procesima izrade krutih i fleksibilnih tiskanih ploča. Dakle, prije nego što dizajnirate ovu vrstu PCB-a, morate jasno poznavati mogućnosti i ograničenja proizvođača.

Nedostaci rigidno-fleksibilnih ploča

Ako samo uporedite “fleksibilna ploča ”+ čvrsta ploča + konektor" sa jednom rigid-flex pločom, glavni nedostatak rigid-flex ploča je cijena. Rigid-flex ploče često su skuplje. U nekim slučajevima opcija rigid-flex može biti gotovo dvostruko skuplja od odvojenih fleksibilnih i krutih ploča. Međutim, ako iz usporedbe izuzmete trošak konektora ili trošak lemljenja HotBarom, cijene se mogu približiti. Da biste vidjeli stvarnu sliku troškova, morate napraviti potpunu analizu troškova koja obuhvata dijelove, korake sklapanja i posebne procese.

Još jedan nedostatak je montaža. SMT montaža i reflow komponenti na rigidno-fleksibilnim pločama mogu zahtijevati nosače ili stezne uređaje za podršku fleksibilnim područjima. Korištenje nosača povećava troškove SMT montaže. Nosači pomažu da fleksibilni dijelovi ostanu ravni i podržani tokom pick-and-place i reflow procesa.

Prednosti rigidno-fleksibilnih ploča

Osim troškova, rigidno-fleksibilne ploče imaju mnogo prednosti. Evo nekih od glavnih prednosti:

1. Uštedite prostor na ploči i uklonite potrebu za konektorima ili HotBar procesima
   Budući da su fleksibilni i kruti dijelovi izvedeni kao jedan komad, možete ukloniti konektor ili HotBar spoj. Kod dizajna visoke gustoće, ušteda prostora jednog konektora je vrlo vrijedna. Uklanjanje konektora također smanjuje troškove dijelova i troškove obrade HotBarom. Štaviše, razmak između dvije ploče može biti znatno manji kada vam konektor nije potreban.

2. Kraći signalni putevi, veća brzina i poboljšana pouzdanost
   Sa odvojenim krutim pločama povezanih konektorima, signalni put izgleda ovako: ploča → konektor → fleksibilni vod → konektor → ploča. Sa kruto-fleksibilnom pločom to postaje: ploča → fleksibilni vod → ploča. Put je kraći. Signali prolaze kroz manje različitih materijala, pa gube manje energije. Na standardnim krutim pločama tragovi su od bakra. Konektori imaju kontakte pozlaćene zlatom. Zalemljeni pinovi su obično od kalaja ili legure kalaja. Promjene signala na svakom sučelju materijala uzrokuju određene gubitke. Ako koristite rigid-flex, smanjujete broj sučelja. To pomaže integritetu signala. Za proizvode kojima su potrebni precizni signali, rigid-flex ploče poboljšavaju pouzdanost.

3. Pojednostavite sastavljanje proizvoda i uštedite vrijeme za sastavljanje
   Korištenje rigidno-fleksibilnih ploča može smanjiti SMT i vrijeme konačne montaže. Postavljate manje konektora. Također uklanjate korak montaže umetanja fleksibilnog kabela u konektor ili korak lemljenja HotBar metodom. Manje dijelova znači kraći popis materijala (BOM). To smanjuje zalihe i posao upravljanja dijelovima.

Kako se razlikuju proizvodnja i sklapanje fleksibilnih i rigidno-fleksibilnih ploča

Glavni SMT proces je sličan za sve vrste ploča. Fleksibilni krugovi, rigid-flex ploče i krute ploče prolaze kroz postavljanje komponenti i reflow lemljenje koje koristi pastu za lemljenje. Međutim, fleksibilne i rigid-flex ploče imaju posebne potrebe. Ako se ove dodatne potrebe ne zadovolje pažljivo tokom proizvodnje, naići ćete na velike probleme.

1. Štampanje paste za lemljenje

Kao i kod krutih tiskanih pločica, koristite šablonu i printer za pastu za lemljenje kako biste nanijeli pastu na fleksibilne i kruto-fleksibilne pločice. Mnogi operateri SMT-a brinu o kontroli dimenzija i krhkosti fleksibilnih pločica. Za razliku od krutih pločica, površine fleksibilnih pločica nisu ravne. Stoga su vam potrebni držači i rupe za poravnanje kako biste ih držali na mjestu. Također, materijali fleksibilnih kola mijenjaju veličinu pod utjecajem temperature i vlažnosti. U nekim uvjetima mogu se rastegnuti ili naborati za oko 0,001 inča po inču. Ta rastezanja i nabori uzrokuju pomake u položaju ploče u X i Y osi. Iz tog razloga, postavljanje komponenti na fleksibilne ploče često zahtijeva manje nosače ili posebne alate nego SMT na krutim pločama.

2. Postavljanje SMT komponenti

Danas komponente postaju sve manje. Mali dijelovi mogu uzrokovati probleme pri reflowu ako površina pločice nije ravna. Ako je fleksibilna pločica mala, promjene dimenzija mogu biti manji problem, ali vam i dalje mogu trebati manji SMT nosači ili dodatne fiducijalne oznake. Ako nosač nije ravan, vidjet ćete pomake pri postavljanju. Dobar SMT držač pomaže održati površinu za postavljanje ravnom i stabilnom.

3. Talasno lemljenje

Prije reflow-a, fleksibilni krugovi moraju biti osušeni. Ovo je ključna razlika između montaže fleksibilnih i krutih ploča. Fleksibilni materijali upijaju vlagu poput spužve. Mogu dobiti do otprilike 31 TP3T svoje težine od vlage. Jednom kada fleksibilna ploča upije vlagu, ne možete je reflow-ati bez prethodnog sušenja. I krute ploče također imaju ovaj problem, ali bolje podnose određenu količinu vlage.

Fleksibilni krugovi zahtijevaju predpečenje na otprilike 225°F do 250°F (oko 107°C do 121°C) u kratkom vremenskom periodu, idealno završeno u roku od jednog sata. Ako ne osušite fleksibilni sloj na vrijeme, morate čuvati ploče u suhoj kutiji ili u skladištu pod dušikom dok se ne ispeku. Pravilno sušenje sprječava oštećenja uzrokovana stvaranjem pare tijekom reflow-a, poput delaminacije ili mjehurića.

Primjene kruto-fleksibilnih ploča

Rigidno-fleksibilne tiskane ploče kombinuju izdržljivost krutih ploča s prilagodljivošću fleksibilnih ploča. Među svim vrstama tiskanih ploča, rigidno-fleksibilne su najrobusnije za surova okruženja. Zbog te čvrstoće, rigidno-fleksibilne ploče su popularne u industrijskoj kontroli, medicinskim uređajima i vojnoj opremi. Proizvođači s kopna također povećavaju udio rigidno-fleksibilnih ploča u ukupnoj proizvodnji.

Tipična područja primjene uključuju:

1. Industrijska upotreba — Ovo uključuje industrijske mašine, vojnu opremu i medicinski uređaji. Ovi dijelovi zahtijevaju preciznost, sigurnost i izdržljivost. Rigidno-fleksibilne ploče za ova područja moraju pružiti visoku pouzdanost, visoku preciznost, niske gubitke na impedanciji, potpunu kvalitetu signala i dug vijek trajanja. Ali proces je složen, iskoristivost je niska, a jedinična cijena je visoka.

2. Mobilni telefoni — U telefonima se rigidno-fleksibilne ploče pojavljuju u zglobnim područjima preklopnih telefona, modulima kamera, tipkovnicama i RF modulima. One podnose ponovljeno savijanje i skučen prostor za montažu.

3. Potrošačka elektronika — digitalni fotoaparati (DSC) i digitalni video (DV) proizvodi tipični su potrošački artikli koji koriste rigid-flex. Rigid-flex možemo posmatrati iz dva ugla: performansi i strukture. Sa strane performansi, rigid-flex može povezati različite krute ploče i module u tri dimenzije. Dakle, sa istom gustoćom tragova povećavate upotrebljivu površinu kola. To povećava nosivost kola i smanjuje ograničenja signalnog puta i greške pri sklapanju. Sa strukturalne strane, rigid-flex ploče su lagane i tanke i omogućavaju fleksibilno usmjeravanje. Pomažu u smanjenju veličine i težine.

4. Automobilski — U automobilima se koriste rigidno-fleksibilne ploče za glavne prekidače na upravljaču, veze između ekrana u vozilu i kontrolnih ploča, ključevi za upravljanje vratima, kontrole audio uređaja u automobilu, sistemi parkirnih radara i kamera, brojni senzori (kvalitet zraka, temperatura i vlažnost, detekcija i kontrola plina), komunikacijski sistemi vozila, satelitska navigacija, veze za kontrolere zadnjih sjedišta, ploče prednjih kontrolnih jedinica, pa čak i sistemi za vanjsko detektovanje.

Materijali za višeslojne rigidno-fleksibilne ploče

Ispod je jednostavna tabela uobičajenih materijala koji se koriste za izradu višeslojnih rigidno-fleksibilnih ploča. Navodim potreban materijal, tradicionalni izbor i opcije za veće performanse.

Tabela iznad navodi nekoliko materijala koji su neophodni pri izradi rigid-flex ploča. Važno je napomenuti da se s napretkom tehnologije performanse ovih materijala značajno poboljšale.

Materijali moraju imati visoku otpornost na toplinu i dobru dimenzionalnu stabilnost pri zagrijavanju. Za oblasti visoke pouzdanosti, poput vojne i zrakoplovne industrije, preporučujemo korištenje debljeg poliamidnog filma (većeg od 50 μm). U tim područjima osnovni materijal mora imati snažnu stabilnost i izdržljivost tokom obrade. Suprotno tome, potrošačka elektronika često teži da bude tanja i lakša. Tamo proizvođači obično koriste tanje dielektrike (manje od 50 μm).

Među ljepljivim laminatima obloženim bakrom, presvlakama i filmskim ljepilima, akrilna ljepila imaju veću čvrstoću veze, ali nešto nižu otpornost na toplinu i veću skupljanost. Epoksidna ljepila nude bolju otpornost na toplinu, ali se duže očvršćavaju i ponekad imaju nešto slabiju čvrstoću veze.

Korištenje lijevanog ili pod pritiskom laminiranog bakrenog laminata bez ljepila obično pruža veću otpornost na toplinu i niži koeficijent toplinske ekspanzije (CTE). Ovi materijali također pomažu smanjiti konačnu debljinu ploče i mogu značajno smanjiti mrlje od smole pri bušenju. Međutim, materijal bez ljepila zahtijeva obradu na temperaturi iznad 300 °C i zahtijeva posebnu opremu i kontrolu procesa.

Bilješke i dodatni savjeti za dizajnere i kupce 

1. Rano razgovarajte s proizvođačem ploča. Recite im koliko tvrdih i fleksibilnih slojeva planirate, gdje su područja savijanja i koliko ciklusa savijanja ploča mora izdržati. Također im navedite ciljanu impedanciju i zahtjeve za visokom brzinom. Proizvođač vam potom može reći je li dizajn izvodljiv i koja su ograničenja.

2. Držite područja savijanja slobodnim od krutih dijelova i teških komponenti. Koristite jasne linije savijanja i držite tragove blizu neutralne osi kad god je to moguće. Tragovi u područjima savijanja trebaju biti dovoljno široki i slijediti dobra pravila savijanja. Izbjegavajte plitirane prolazne rupe u ponovljenim područjima savijanja, osim ako ne koristite posebne dizajne.

3. Dizajn za montažu. Ako očekujete SMT na fleksibilnom području, planirajte nosače, fiducijalne oznake i faze pečenja. Označite područja kojima su potrebni ojačivači i mjesta na kojima ćete koristiti ljepila za potporu komponentama.

4. Odaberite materijale prema potrebama. Koristite deblji poliamid i čvršće bazne materijale za vojne ili medicinske primjene. Koristite tanke dielektrike za telefone i lagane potrošačke proizvode ako vam je potreban nizak težak i mala veličina.

5. Troškovne kompromise. Rigid-flex može smanjiti broj dijelova za montažu i konektora, ali sama ploča može biti skuplja. Napravite cjelovitu analizu troškova sistema. Često se ukupni trošak sistema smanjuje kada uklonite konektore i povezane korake montaže. Također uzmite u obzir troškove popravke i testiranja.

6. Obavite stresne testove. Ako će vaš proizvod biti izložen vibracijama, udarima, toploti ili vlazi, rano testirajte rigidno-fleksibilnu ploču. Testovi ciklusa, toplotni šok i testovi vlažnosti otkrit će probleme prije masovne proizvodnje.

7. Planirajte alate. Surađujte s proizvođačem PCB-a kako biste isplanirali jigove, nosače i rasporede pečenja. Pravilni alati smanjuju broj nedostataka i grešaka pri postavljanju.

8. Dokumentacija. Osigurajte jasne mehaničke nacrte, stackup, pravila savijanja i mape slojeva. Pokažite gdje idu rebrasti pojačanja i gdje fleksibilni repovi izlaze iz krute zone.