Pevné flexibilní desky plošných spojů: výhody a praktické tipy

Se zrodem a rozvojem FPC a PCB se objevil nový produkt zvaný rigid-flex deska.

Co je Rigid-Flex PCB？

Kombinace desek Rigid-Flex pružné obvodové substráty a tuhých obvodových substrátů v jedné laminované struktuře. Tuhé flexibilní desky plošných spojů překračují hranice tradičních tuhých desek plošných spojů. Využívají také flexibilní obvody, které jsou vyrobeny vzorováním vysoce tvárné, elektrolyticky nanášené nebo válcované žíhané mědi na flexibilní izolační fólie. Tuhé flexibilní konstrukce vykazují některé jasné rysy: vysokou hustotu, jemné stopy, malé průchodky, malé rozměry, nízkou hmotnost a vysokou spolehlivost. Jejich výkon zůstává stabilní při vibracích, nárazech a ve vlhkém prostředí. Mohou se ohýbat a umožňují trojrozměrnou montáž. Efektivněji využívají prostor uvnitř sestavy. Z těchto důvodů se hojně používají v přenosných digitálních produktech, jako jsou mobilní telefony, digitální fotoaparáty a videokamery. Tuhé ohebné desky se budou více používat tam, kde je třeba zmenšit velikost balení, zejména ve spotřební elektronice.

Základní konstrukční myšlenky a výrobní postupy vícevrstvých tuhých a ohebných desek nejprve vycházely z leteckého vybavení. Letecké a kosmické systémy potřebují spolehlivou kabeláž ve velmi omezeném prostoru. V některých složitých výrobcích se u rigid-flex desek používalo i více než 30 vrstev vodičů. Na druhou stranu spotřební elektronika, jako jsou telefony a digitální fotoaparáty, vždy potřebovala vysokou hustotu a nízkou cenu kabeláže. Tato potřeba tlačila na vznik nových konstrukčních nápadů a výrobních metod.

Vícevrstvá tuhá a ohebná deska je v podstatě směs tuhých a ohebných desek. Aby je však výrobci desek mohli dobře spojit, potřebují dobré dovednosti v procesech výroby tuhých i ohebných desek plošných spojů. Před návrhem tohoto typu PCB je tedy nutné jasně znát schopnosti a limity výrobce.

Nevýhody desek rigid-flex

Pokud porovnáte pouze “flexi deska + pevná deska + konektor” s jedinou pevnou deskou, přičemž hlavní nevýhodou pevných desek je cena. Rigid-flex desky jsou často dražší. V některých případech může být varianta rigid-flex téměř dvakrát dražší než samostatné desky flex a rigid. Pokud však ze srovnání odstraníte náklady na konektory nebo pájení HotBar, může se cena přiblížit. Chcete-li vidět skutečný obraz nákladů, musíte provést úplnou analýzu nákladů, která počítá s díly, montážními kroky a speciálními procesy.

Další nevýhodou je montáž. Montáž SMT a přetavení součástek na deskách s tuhým flexem může vyžadovat nosiče nebo přípravky pro podepření flexibilních oblastí. Použití nosičů zvyšuje náklady na montáž SMT. Nosiče pomáhají udržet ohebné části v rovině a podepřené během pick-and-place a přetavování.

Výhody desek rigid-flex

Kromě nákladů mají tuhé flexibilní desky mnoho dalších výhod. Zde jsou některé z hlavních výhod:

1. Úspora místa na desce a odstranění potřeby konektorů nebo procesů HotBar
   Vzhledem k tomu, že ohebné a pevné části jsou z jednoho kusu, můžete odstranit konektor nebo kloub HotBar. U konstrukcí s vysokou hustotou je ztráta místa jednoho konektoru velmi cenná. Odstranění konektorů také snižuje cenu dílů a náklady na zpracování HotBar. Navíc mezera mezi dvěma deskami může být mnohem menší, když nepotřebujete konektor.

2. Kratší signálové cesty, vyšší rychlost a vyšší spolehlivost
   U samostatných pevných desek spojených konektory vypadá signálová cesta takto: deska → konektor → flex → konektor → deska. U desek s tuhým flexem je to: deska → flex → deska. Cesta je kratší. Signály překračují méně různých materiálů, takže ztrácejí méně energie. Na standardních pevných deskách jsou stopy měděné. Konektory mají pozlacené kontakty. Pájené kolíky jsou obvykle z cínu nebo slitiny cínu. Změny signálu na každém materiálovém rozhraní způsobují určité ztráty. Pokud použijete rigid-flex, snížíte počet rozhraní. To pomáhá integritě signálu. U výrobků, které potřebují přesné signály, desky rigid-flex zvyšují spolehlivost.

3. Zjednodušení montáže výrobků a úspora času při montáži
   Použití tuhých flexibilních desek může snížit SMT a dobu konečné montáže. Umístíte méně konektorů. Odstraníte také montážní krok vkládání flexy do konektoru nebo krok pájení HotBar. Méně dílů znamená kratší kusovník. Tím se snižují zásoby a práce se správou dílů.

Jak se liší výroba a montáž flex a rigid-flex desek

Hlavní proces SMT je u všech typů desek podobný. Ohebné obvody, tuhé ohebné desky a tuhé desky procházejí umístěním součástek a pájením přetavením, při kterém se používá pájecí pasta. Flexibilní desky a rigid-flex desky však mají speciální potřeby. Pokud tyto zvláštní potřeby nejsou při výrobě pečlivě splněny, dochází k velkým problémům.

1. Tisk pájecí pasty

Stejně jako u pevných desek plošných spojů se k nanášení pájecí pasty na flex a rigid-flex desky používá šablona a tiskárna pájecí pasty. Mnoho provozovatelů SMT se obává kontroly velikosti a křehkosti flex desek. Na rozdíl od tuhých desek nejsou povrchy flex desek rovné. Proto potřebujete přípravky a zarovnávací otvory, abyste je udrželi na místě. Také materiály pružných desek mění velikost s teplotou a vlhkostí. Za určitých podmínek se mohou roztáhnout nebo zvrásnit přibližně o 0,001 palce na palec. Tato roztažení a zvrásnění způsobují posuny v poloze desky v ose X a Y. Z tohoto důvodu je při umisťování flex obvodů často zapotřebí menších nosičů nebo speciálních nástrojů než při umisťování pevných desek SMT.

2. Umístění součástek SMT

Dnes se součástky zmenšují. Malé součástky mohou způsobit problémy při přetavování, pokud povrch desky není rovný. Pokud je pružný obvod malý, mohou být rozměrové změny menším problémem, ale stále můžete potřebovat menší nosiče SMT nebo další pomocné značky. Pokud není nosič plochý, dojde k posunům umístění. Dobrý držák SMT pomáhá udržet plochu pro umístění rovnou a stabilní.

3. Pájení přetavením

Před přetavením je třeba pružné obvody vysušit. To je klíčový rozdíl mezi montáží ohebných a pevných desek. Flex materiály absorbují vlhkost jako houba. Vlhkostí mohou získat až 3% své hmotnosti. Jakmile flexibilní deska nasaje vlhkost, nelze ji přetavit bez předchozího vysušení. Tuhé desky mají tento problém také, ale tuhé desky snášejí určitou vlhkost lépe.

Ohebné obvody vyžadují předpečení při teplotě zhruba 225°F až 250°F (asi 107°C až 121°C) po krátkou dobu, ideálně do jedné hodiny. Pokud ohebné desky nestihnete včas vysušit, musíte je až do vypálení skladovat v suchém boxu nebo v dusíkovém skladu. Správné sušení zabrání poškození způsobenému tvorbou páry při přetavování, jako je delaminace nebo puchýře.

Použití desek rigid-flex

Pevné flexibilní desky plošných spojů kombinují odolnost pevných desek s přizpůsobivostí flexibilních desek. Ze všech typů desek plošných spojů je rigid-flex nejodolnější pro drsné prostředí. Díky této pevnosti jsou rigid-flex desky oblíbené v průmyslovém řízení, lékařských přístrojích a vojenských zařízeních. Pevninští výrobci také zvyšují podíl tuhých flexibilních desek na své celkové produkci.

Mezi typické oblasti použití patří:

1. Průmyslové použití - patří sem průmyslové stroje, vojenské vybavení a zařízení. zdravotnické prostředky. Tyto díly vyžadují přesnost, bezpečnost a trvanlivost. Tuhé ohebné desky pro tyto oblasti musí poskytovat vysokou spolehlivost, vysokou přesnost, nízké impedanční ztráty, kompletní kvalitu signálu a dlouhou životnost. Proces je však složitý, výkon je nízký a jednotkové náklady vysoké.

2. Mobilní telefony - V telefonech se desky rigid-flex objevují v oblastech pantů skládacích telefonů, modulů fotoaparátů, klávesnic a RF modulů. Zvládají opakované ohýbání a stísněný montážní prostor.

3. Spotřební elektronika - Digitální fotoaparáty (DSC) a digitální videokamery (DV) jsou typickými spotřebními výrobky, které používají tuhý flex. Na rigid-flex se můžeme podívat ze dvou úhlů: z hlediska výkonu a struktury. Z hlediska výkonu může rigid-flex propojovat různé tuhé desky a moduly ve třech rozměrech. Při stejné hustotě linek se tak zvětší využitelná plocha obvodu. Tím se zvyšuje nosnost obvodu a snižují se limity signálové cesty a chyby při montáži. Po stránce struktury jsou desky rigid-flex lehké a tenké a umožňují flexibilní směrování. Pomáhají zmenšit rozměry a snížit hmotnost.

4. Automobilový průmysl - V automobilech se desky s tuhými pružnými prvky používají pro klíčové spínače na volantu, propojení mezi obrazovkami ve vozidle a ovládacími deskami, klíče pro ovládání dveří, ovládání autorádia, parkovací radarové kamerové systémy, mnoho senzorů (kvalita vzduchu, teplota a vlhkost, detekce a kontrola plynů), komunikační systémy ve vozidle, satelitní navigace, propojení pro ovladače zadních sedadel, přední řídicí desky a dokonce i vnější detekční systémy.

Materiály pro vícevrstvé tuhé flexibilní desky

Níže je uvedena jednoduchá tabulka běžných materiálů používaných k výrobě vícevrstvých tuhých a ohebných desek. Uvádím potřebný materiál, tradiční volbu a volby s vyšším výkonem.

Výše uvedená tabulka uvádí několik materiálů, které jsou nezbytné při výrobě desek rigid-flex. Je důležité poznamenat, že s technologickým pokrokem se výkon těchto materiálů výrazně zlepšil.

Materiály musí mít vysokou tepelnou odolnost a dobrou rozměrovou stálost při zahřívání. Pro oblasti s vysokou spolehlivostí, jako je vojenství a letectví, doporučujeme používat silnější polyimidové fólie (větší než 50 μm). V těchto oblastech musí mít základní materiál silnou stabilitu a odolnost během zpracování. Naproti tomu spotřební elektronika často sleduje trend být tenčí a lehčí. Tam výrobci obvykle používají tenčí dielektrika (méně než 50 μm).

Mezi lepicími měděnými lamináty, krycími vrstvami a lepicími fóliemi mají akrylátová lepidla lepší pevnost spoje, ale o něco nižší tepelnou odolnost a vyšší smrštění. Epoxidová lepidla mají lepší tepelnou odolnost, ale jejich vytvrzení trvá déle a někdy mají o něco nižší pevnost spoje.

Použití litého nebo tlakově laminovaného laminátu s měděným pláštěm bez lepidla obvykle poskytuje vyšší tepelnou odolnost a nižší koeficient tepelné roztažnosti (CTE). Tyto materiály také pomáhají snížit konečnou tloušťku desky a mohou výrazně omezit rozmazávání vrtací pryskyřice. Bezlepkový materiál však vyžaduje zpracování při teplotě nad 300 °C a vyžaduje speciální vybavení a řízení procesu.

Poznámky a další tipy pro designéry a kupující 

1. Promluvte si včas s výrobcem desek. Řekněte jim, kolik plánujete pevných a ohebných vrstev, kde jsou místa ohybu a kolik cyklů ohybu musí deska přežít. Řekněte jim také cílovou impedanci a potřeby vysoké rychlosti. Výrobce vám pak může říct, zda je návrh proveditelný a jaké jsou limity.

2. V místech ohybu se nesmí nacházet pevné díly a těžké součásti. Používejte zřetelné čáry ohybu a pokud můžete, udržujte stopy v blízkosti neutrální osy. Stopy napříč ohybovými oblastmi by měly být dostatečně široké a měly by dodržovat správná pravidla ohybu. Vyhněte se pokoveným průchozím otvorům v oblastech opakovaného ohybu, pokud nepoužíváte speciální konstrukce.

3. Konstrukce pro montáž. Pokud očekáváte SMT na flexibilní ploše, počítejte s nosiči, pomocnými prvky a zapékacími kroky. Označte oblasti, které potřebují výztuhy, a místa, kde budete používat lepidla pro podporu součástí.

4. Materiály vybírejte podle potřeby. Pro vojenské nebo lékařské účely použijte silnější polyimid a pevnější základní materiály. Pokud potřebujete nízkou hmotnost a malé rozměry, použijte tenké dielektriky pro telefony a lehké spotřební zboží.

5. Kompromisy v nákladech. Tuhý flex může snížit náklady na montážní díly a konektory, ale samotná deska může být dražší. Proveďte kontrolu nákladů na celý systém. Často se celkové náklady na systém sníží, když odstraníte konektory a související montážní kroky. Zvažte také náklady na opravy a testování.

6. Provádějte zátěžové testy. Pokud bude váš výrobek vystaven vibracím, nárazům, vysokým teplotám nebo vlhkosti, otestujte desku s pevnou fólií včas. Cyklické testy, teplotní šoky a testy vlhkosti odhalí problémy ještě před zahájením sériové výroby.

7. Plánování nástrojů. Spolupracujte s výrobcem desek plošných spojů na plánování přípravků, nosičů a harmonogramů pečení. Správné nástroje snižují počet vad a chyb v umístění.

8. Dokumentace. Poskytněte přehledné mechanické výkresy, stohování, pravidla ohýbání a mapy vrstev. Ukažte, kde se nacházejí výztuhy a kde ohybové ocasy vystupují z tuhé oblasti.