Rigid-Flex PCB: Οφέλη & πρακτικές συμβουλές

Με τη γέννηση και την ανάπτυξη των FPC και των PCB, προέκυψε ένα νέο προϊόν που ονομάζεται πίνακας άκαμπτης κάμψης.

Τι είναι το Rigid-Flex PCB？

Rigid-flex boards combine flexible circuit substrates and rigid circuit substrates in one laminated structure. Rigid-flex PCBs cross the boundaries of traditional rigid PCBs. They also use flexible circuits that are made by patterning highly ductile, electrodeposited or rolled-annealed copper on flexible insulating films. Rigid-flex designs show some clear traits: high density, fine traces, small vias, small size, light weight, and high reliability. Their performance stays stable under vibration, shock, and humid conditions. They can bend, and they allow three-dimensional mounting. They use space inside an assembly more effectively. For these reasons, they are widely used in portable digital products such as mobile phones, digital cameras, and camcorders. Rigid-flex boards will be used more where package size must be reduced, especially in consumer electronics.

Αρχικά, οι βασικές ιδέες σχεδιασμού και οι διαδικασίες κατασκευής των πολυστρωματικών άκαμπτων-εύκαμπτων πλακετών προήλθαν από τον αεροδιαστημικό εξοπλισμό. Τα αεροδιαστημικά συστήματα χρειάζονται αξιόπιστη καλωδίωση σε πολύ περιορισμένο χώρο. Σε ορισμένα πολύπλοκα προϊόντα, οι άκαμπτες-εύκαμπτες πλακέτες χρησιμοποίησαν ακόμη και περισσότερες από 30 στρώσεις αγωγών. Από την άλλη πλευρά, τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, όπως τα τηλέφωνα και οι ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, χρειάζονταν πάντα καλωδίωση υψηλής πυκνότητας και χαμηλού κόστους. Αυτή η ανάγκη ώθησε στην εμφάνιση νέων σχεδιαστικών ιδεών και μεθόδων κατασκευής.

Μια πολυστρωματική πλακέτα άκαμπτου-εύκαμπτου τύπου είναι ουσιαστικά ένα μείγμα άκαμπτων πλακετών και πλακετών εύκαμπτου τύπου. Αλλά για να μπορέσουν οι κατασκευαστές πλακετών να τις ενώσουν καλά, χρειάζονται καλές δεξιότητες τόσο στις διαδικασίες άκαμπτων όσο και στις διαδικασίες εύκαμπτων πλακετών. Έτσι, πριν σχεδιάσετε αυτόν τον τύπο PCB, πρέπει να γνωρίζετε σαφώς τις δυνατότητες και τα όρια του κατασκευαστή.

Μειονεκτήματα των πινάκων άκαμπτης κάμψης

Αν συγκρίνετε μόνο “flex board + άκαμπτη πλακέτα + συνδετήρας” με μία μόνο άκαμπτη-εύκαμπτη πλακέτα, το κύριο μειονέκτημα των άκαμπτων-εύκαμπτων πλακετών είναι το κόστος. Οι άκαμπτες-εύκαμπτες πλακέτες συχνά κοστίζουν περισσότερο. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η επιλογή άκαμπτου-εύκαμπτου μπορεί να είναι σχεδόν διπλάσια σε σχέση με την τιμή των ξεχωριστών πλακετών εύκαμπτου και άκαμπτου. Ωστόσο, αν αφαιρέσετε το κόστος του συνδετήρα ή το κόστος συγκόλλησης HotBar από τη σύγκριση, η τιμή μπορεί να πλησιάσει. Για να δείτε την πραγματική εικόνα του κόστους, πρέπει να κάνετε μια πλήρη ανάλυση κόστους που να υπολογίζει τα εξαρτήματα, τα βήματα συναρμολόγησης και τις ειδικές διαδικασίες.

Ένα άλλο μειονέκτημα είναι η συναρμολόγηση. Η τοποθέτηση SMT και η επαναρροή των εξαρτημάτων σε πλακέτες με άκαμπτα ελαστικά μπορεί να απαιτούν φορείς ή εξαρτήματα για τη στήριξη των εύκαμπτων περιοχών. Η χρήση φορέων αυξάνει το κόστος συναρμολόγησης SMT. Οι φορείς βοηθούν στη διατήρηση των εύκαμπτων τμημάτων επίπεδων και υποστηριζόμενων κατά τη διάρκεια της συλλογής και τοποθέτησης και της επαναρροής.

Πλεονεκτήματα των πινάκων άκαμπτης κάμψης

Πέρα από το κόστος, οι άκαμπτες-εύκαμπτες πλάκες έχουν πολλά πλεονεκτήματα. Ακολουθούν μερικά από τα κυριότερα πλεονεκτήματα:

1. Εξοικονομήστε χώρο στην πλακέτα και καταργήστε την ανάγκη για συνδέσμους ή διαδικασίες HotBar
   Επειδή το εύκαμπτο και το άκαμπτο τμήμα είναι ένα κομμάτι, μπορείτε να αφαιρέσετε έναν σύνδεσμο ή μια άρθρωση HotBar. Για σχέδια υψηλής πυκνότητας, η απώλεια του χώρου ενός συνδέσμου είναι πολύ πολύτιμη. Η αφαίρεση των συνδέσμων μειώνει επίσης το κόστος των εξαρτημάτων και το κόστος της επεξεργασίας HotBar. Επιπλέον, το διάκενο μεταξύ δύο πλακετών μπορεί να είναι πολύ μικρότερο όταν δεν χρειάζεστε έναν σύνδεσμο.

2. Μικρότερες διαδρομές σήματος, υψηλότερη ταχύτητα και βελτιωμένη αξιοπιστία
   Με ξεχωριστές άκαμπτες πλακέτες συνδεδεμένες με συνδετήρες, η διαδρομή σήματος έχει την εξής μορφή: πλακέτα → συνδετήρας → flex → συνδετήρας → πλακέτα. Με μια άκαμπτη-εύκαμπτη πλακέτα γίνεται: πλακέτα → ευκαμψία → πλακέτα. Η διαδρομή είναι συντομότερη. Τα σήματα διασχίζουν λιγότερα διαφορετικά υλικά, οπότε χάνουν λιγότερη ενέργεια. Στις τυπικές άκαμπτες πλακέτες, τα ίχνη είναι χάλκινα. Οι σύνδεσμοι έχουν επιχρυσωμένες επαφές. Οι συγκολλημένοι ακροδέκτες είναι συνήθως κασσίτεροι ή από κράμα κασσίτερου. Οι μεταβολές του σήματος σε κάθε διεπιφάνεια υλικού προκαλούν κάποια απώλεια. Εάν χρησιμοποιείτε άκαμπτες-εύκαμπτες, μειώνετε τον αριθμό των διεπαφών. Αυτό βοηθά στην ακεραιότητα του σήματος. Για προϊόντα που χρειάζονται σήματα ακριβείας, οι πλακέτες άκαμπτου-εύκαμπτου βελτιώνουν την αξιοπιστία.

3. Απλοποίηση της συναρμολόγησης του προϊόντος και εξοικονόμηση χρόνου συναρμολόγησης
   Using rigid-flex boards can reduce SMT and final assembly time. You place fewer connectors. You also remove the assembly step of inserting a flex into a connector or the HotBar soldering step. Fewer parts means a shorter BOM. That reduces inventory and parts management work.

Πώς διαφέρουν η παραγωγή και η συναρμολόγηση για τις πλακέτες flex και rigid-flex

Η κύρια διαδικασία SMT είναι παρόμοια για όλους τους τύπους πλακετών. Τα εύκαμπτα κυκλώματα, οι άκαμπτες-εύκαμπτες πλακέτες και οι άκαμπτες πλακέτες περνούν όλες από τοποθέτηση εξαρτημάτων και συγκόλληση επαναρροής που χρησιμοποιεί πάστα συγκόλλησης. Όμως οι εύκαμπτες πλακέτες και οι πλακέτες άκαμπτης-εύκαμπτης κατασκευής έχουν ειδικές ανάγκες. Εάν αυτές οι επιπλέον ανάγκες δεν ικανοποιηθούν προσεκτικά κατά τη διάρκεια της παραγωγής, θα έχετε μεγάλα προβλήματα.

1. Εκτύπωση πάστας συγκόλλησης

Όπως και στις άκαμπτες πλακέτες, χρησιμοποιείτε ένα στένσιλ και έναν εκτυπωτή πάστας συγκόλλησης για να εφαρμόσετε πάστα συγκόλλησης σε πλακέτες με κάμψη και άκαμπτες-εύκαμπτες πλακέτες. Πολλοί χειριστές SMT ανησυχούν για τον έλεγχο του μεγέθους και την ευθραυστότητα των πλακετών flex. Σε αντίθεση με τις άκαμπτες πλακέτες, οι επιφάνειες των πλακετών flex δεν είναι επίπεδες. Έτσι, χρειάζεστε προσαρτήματα και οπές ευθυγράμμισης για να τις συγκρατήσετε στη θέση τους. Επίσης, τα υλικά εύκαμπτων κυκλωμάτων αλλάζουν μέγεθος με τη θερμοκρασία και την υγρασία. Μπορούν να τεντωθούν ή να τσαλακωθούν κατά περίπου 0,001 ίντσα ανά ίντσα υπό ορισμένες συνθήκες. Αυτά τα τεντώματα και οι ρυτίδες προκαλούν μετατοπίσεις στη θέση της πλακέτας κατά Χ και Υ. Για το λόγο αυτό, η τοποθέτηση εύκαμπτων κυκλωμάτων χρειάζεται συχνά μικρότερους φορείς ή ειδικά εργαλεία από ό,τι η τοποθέτηση άκαμπτων πλακετών SMT.

2. Τοποθέτηση εξαρτημάτων SMT

Σήμερα, τα εξαρτήματα γίνονται όλο και μικρότερα. Τα μικρά εξαρτήματα μπορεί να προκαλέσουν προβλήματα στην επαναρροή αν η επιφάνεια της πλακέτας δεν είναι επίπεδη. Εάν ένα ευέλικτο κύκλωμα είναι μικρό, οι αλλαγές διαστάσεων μπορεί να αποτελούν λιγότερο πρόβλημα, αλλά μπορεί να εξακολουθείτε να χρειάζεστε μικρότερους φορείς SMT ή επιπλέον σημεία αναφοράς. Εάν ένας φορέας δεν είναι επίπεδος, θα δείτε μετατοπίσεις τοποθέτησης. Ένα καλό εξάρτημα SMT βοηθάει να διατηρηθεί η επιφάνεια τοποθέτησης επίπεδη και σταθερή.

3. Συγκόλληση ροής

Πριν από την επανασυγκόλληση, τα εύκαμπτα κυκλώματα πρέπει να στεγνώσουν. Αυτή είναι μια βασική διαφορά μεταξύ της συναρμολόγησης εύκαμπτων και άκαμπτων πλακετών. Τα εύκαμπτα υλικά απορροφούν την υγρασία σαν σφουγγάρι. Μπορούν να κερδίσουν έως και περίπου 3% του βάρους τους από την υγρασία. Μόλις μια εύκαμπτη πλακέτα απορροφήσει την υγρασία, δεν μπορείτε να την επαναρροφήσετε χωρίς να στεγνώσετε πρώτα. Οι άκαμπτες πλακέτες έχουν επίσης αυτό το πρόβλημα, αλλά οι άκαμπτες πλακέτες ανέχονται κάποια υγρασία καλύτερα.

Τα εύκαμπτα κυκλώματα απαιτούν ένα προ-ψήσιμο στους 225°F έως 250°F (περίπου 107°C έως 121°C) για σύντομο χρονικό διάστημα, το οποίο ιδανικά ολοκληρώνεται εντός μίας ώρας. Εάν δεν στεγνώσετε εγκαίρως τα εύκαμπτα κυκλώματα, πρέπει να αποθηκεύσετε τις πλακέτες σε ξηρό κουτί ή σε αζωτούχο χώρο αποθήκευσης μέχρι να ψηθούν. Η σωστή ξήρανση αποτρέπει ζημιές που προκαλούνται από το σχηματισμό ατμού κατά τη διάρκεια της επαναπλήρωσης, όπως αποκόλληση ή φουσκάλες.

Εφαρμογές των πλακών άκαμπτης κάμψης

Οι άκαμπτες-εύκαμπτες πλακέτες συνδυάζουν την ανθεκτικότητα των άκαμπτων πλακετών με την προσαρμοστικότητα των εύκαμπτων πλακετών. Μεταξύ όλων των τύπων PCB, οι άκαμπτες-εύκαμπτες είναι οι πιο ανθεκτικές για σκληρά περιβάλλοντα. Εξαιτίας αυτής της αντοχής, οι πλακέτες άκαμπτου-εύκαμπτου είναι δημοφιλείς στον βιομηχανικό έλεγχο, στις ιατρικές συσκευές και στον στρατιωτικό εξοπλισμό. Οι ηπειρωτικοί κατασκευαστές αυξάνουν επίσης το μερίδιο των πλακετών με άκαμπτα-εύκαμπτα στη συνολική παραγωγή τους.

Οι τυπικές περιοχές εφαρμογής περιλαμβάνουν:

1. Βιομηχανική χρήση - Περιλαμβάνει βιομηχανικά μηχανήματα, στρατιωτικό εξοπλισμό και ιατρικές συσκευές. Αυτά τα εξαρτήματα χρειάζονται ακρίβεια, ασφάλεια και ανθεκτικότητα. Οι άκαμπτες-εύκαμπτες πλακέτες για αυτούς τους τομείς πρέπει να παρέχουν υψηλή αξιοπιστία, υψηλή ακρίβεια, χαμηλή απώλεια σύνθετης αντίστασης, πλήρη ποιότητα σήματος και μεγάλη διάρκεια ζωής. Αλλά η διαδικασία είναι πολύπλοκη, η απόδοση είναι χαμηλή και το κόστος μονάδας είναι υψηλό.

2. Κινητά τηλέφωνα - Στα τηλέφωνα, οι πλακέτες άκαμπτης κάμψης εμφανίζονται στις περιοχές μεντεσέδων των πτυσσόμενων τηλεφώνων, στις μονάδες κάμερας, στα πληκτρολόγια και στις μονάδες RF. Αντιμετωπίζουν την επαναλαμβανόμενη κάμψη και τον στενό χώρο συναρμολόγησης.

3. Καταναλωτικά ηλεκτρονικά είδη - Οι ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές (DSC) και τα προϊόντα ψηφιακού βίντεο (DV) είναι τυπικά καταναλωτικά είδη που χρησιμοποιούν άκαμπτο-εύκαμπτο. Μπορούμε να εξετάσουμε το άκαμπτο-εύκαμπτο από δύο οπτικές γωνίες: απόδοση και δομή. Από την πλευρά των επιδόσεων, το rigid-flex μπορεί να συνδέσει διαφορετικές άκαμπτες πλακέτες και μονάδες σε τρεις διαστάσεις. Έτσι, με την ίδια πυκνότητα γραμμών αυξάνετε την ωφέλιμη επιφάνεια του κυκλώματος. Αυτό αυξάνει τη φέρουσα ικανότητα του κυκλώματος και μειώνει τα όρια της διαδρομής σήματος και τα λάθη συναρμολόγησης. Από την πλευρά της δομής, οι πλακέτες rigid-flex είναι ελαφριές και λεπτές και επιτρέπουν ευέλικτη δρομολόγηση. Βοηθούν στη συρρίκνωση του μεγέθους και στη μείωση του βάρους.

4. Αυτοκίνηση - Στα αυτοκίνητα, οι πλακέτες άκαμπτης-εύκαμπτης κατασκευής χρησιμοποιούνται για διακόπτες πλήκτρων στο τιμόνι, συνδέσεις μεταξύ οθονών και πλακετών ελέγχου εντός του οχήματος, πλήκτρα ελέγχου θυρών, χειριστήρια ήχου αυτοκινήτου, συστήματα ραντάρ κάμερας στάθμευσης, πολλούς αισθητήρες (ποιότητας αέρα, θερμοκρασίας και υγρασίας, ανίχνευσης και ελέγχου αερίων), συστήματα επικοινωνίας οχήματος, δορυφορική πλοήγηση, συνδέσεις για ελεγκτές πίσω καθισμάτων, πλακέτες ελεγκτών μπροστινού μέρους, ακόμη και συστήματα εξωτερικής ανίχνευσης.

Υλικά για πολυστρωματικές πλακέτες άκαμπτου-εύκαμπτου τύπου

Παρακάτω παρατίθεται ένας απλός πίνακας με τα κοινά υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πολυστρωματικών πλακετών άκαμπτου-εύκαμπτου τύπου. Παραθέτω το απαιτούμενο υλικό, την παραδοσιακή επιλογή και τις επιλογές υψηλότερων επιδόσεων.

Στον παραπάνω πίνακα παρατίθενται διάφορα υλικά που είναι απαραίτητα για την κατασκευή πλακών με άκαμπτα φύλλα. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι με την πρόοδο της τεχνολογίας, η απόδοση αυτών των υλικών έχει βελτιωθεί σημαντικά.

Τα υλικά πρέπει να έχουν υψηλή αντοχή στη θερμότητα και καλή σταθερότητα διαστάσεων κατά τη θέρμανση. Για τομείς υψηλής αξιοπιστίας, όπως ο στρατιωτικός τομέας και η αεροδιαστημική, συνιστούμε τη χρήση παχύτερου φιλμ πολυϊμιδίου (μεγαλύτερο από 50 μm). Σε αυτούς τους τομείς, το βασικό υλικό πρέπει να έχει ισχυρή σταθερότητα και ανθεκτικότητα κατά την επεξεργασία. Αντίθετα, τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης ακολουθούν συχνά την τάση να είναι λεπτότερα και ελαφρύτερα. Εκεί, οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν συνήθως λεπτότερα διηλεκτρικά (μικρότερα από 50 μm).

Μεταξύ των συγκολλητικών ελάσματος με επένδυση χαλκού, των καλυπτικών ελασμάτων και των ταινιών συγκόλλησης, οι ακρυλικές κόλλες έχουν καλύτερη αντοχή συγκόλλησης αλλά ελαφρώς χαμηλότερη αντοχή στη θερμότητα και υψηλότερη συρρίκνωση. Οι εποξειδικές κόλλες προσφέρουν καλύτερη αντοχή στη θερμότητα, αλλά χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να σκληρυνθούν και μερικές φορές έχουν ελαφρώς ασθενέστερη αντοχή συγκόλλησης.

Η χρήση χυτό ή πιεστικά πλαστικοποιημένου ελάσματος χαλκού χωρίς κόλλα δίνει συνήθως υψηλότερη αντοχή στη θερμότητα και χαμηλότερο συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE). Αυτά τα υλικά βοηθούν επίσης στη μείωση του τελικού πάχους της πλακέτας και μπορούν να μειώσουν σημαντικά την επάλειψη ρητίνης διάτρησης. Ωστόσο, το υλικό χωρίς κόλλα απαιτεί επεξεργασία άνω των 300°C και χρειάζεται ειδικό εξοπλισμό και έλεγχο της διαδικασίας.

Σημειώσεις και επιπλέον συμβουλές για σχεδιαστές και αγοραστές 

1. Μιλήστε νωρίς με τον υπεύθυνο του σκάφους σας. Πείτε τους πόσες άκαμπτες και εύκαμπτες στρώσεις σχεδιάζετε, πού βρίσκονται οι περιοχές κάμψης και πόσους κύκλους κάμψης πρέπει να αντέξει η πλακέτα. Επίσης, ενημερώστε τους για τις ανάγκες σε σύνθετη αντίσταση και υψηλή ταχύτητα. Ο κατασκευαστής μπορεί στη συνέχεια να σας πει αν ο σχεδιασμός είναι εφικτός και ποια όρια υπάρχουν.

2. Διατηρείτε τις περιοχές κάμψης ελεύθερες από άκαμπτα μέρη και βαριά εξαρτήματα. Χρησιμοποιήστε σαφείς γραμμές κάμψης και κρατήστε τα ίχνη κοντά στον ουδέτερο άξονα όταν μπορείτε. Τα ίχνη στις περιοχές κάμψης πρέπει να είναι αρκετά πλατιά και να ακολουθούν τους κανόνες καλής κάμψης. Αποφύγετε τις επιμεταλλωμένες διαμπερείς οπές σε επαναλαμβανόμενες περιοχές κάμψης, εκτός αν χρησιμοποιείτε ειδικά σχέδια.

3. Σχεδιασμός για συναρμολόγηση. Εάν περιμένετε SMT στην περιοχή flex, σχεδιάστε για φορείς, fiducials και βήματα ψησίματος. Σημειώστε τις περιοχές που χρειάζονται ενισχύσεις και όπου θα χρησιμοποιήσετε κόλλες για τη στήριξη των εξαρτημάτων.

4. Επιλέξτε υλικά ανάλογα με τις ανάγκες. Χρησιμοποιήστε παχύτερο πολυϊμίδιο και ισχυρότερα υλικά βάσης για στρατιωτικές ή ιατρικές εφαρμογές. Χρησιμοποιήστε λεπτά διηλεκτρικά για τηλέφωνα και ελαφριά καταναλωτικά αγαθά, αν χρειάζεστε χαμηλό βάρος και μικρό μέγεθος.

5. Συμβιβασμοί κόστους. Το άκαμπτο-εύκαμπτο μπορεί να μειώσει τα εξαρτήματα συναρμολόγησης και τους συνδέσμους, αλλά η ίδια η πλακέτα μπορεί να κοστίσει περισσότερο. Ελέγξτε το κόστος ολόκληρου του συστήματος. Συχνά το συνολικό κόστος του συστήματος μειώνεται όταν αφαιρείτε τους συνδέσμους και τα σχετικά βήματα συναρμολόγησης. Λάβετε επίσης υπόψη το κόστος επισκευής και δοκιμής.

6. Κάντε τεστ αντοχής. Εάν το προϊόν σας θα αντιμετωπίσει κραδασμούς, κραδασμούς, θερμότητα ή υγρασία, δοκιμάστε την πλακέτα άκαμπτου-εύκαμπτου υλικού νωρίς. Οι δοκιμές ποδηλασίας, θερμικού σοκ και υγρασίας θα εντοπίσουν προβλήματα πριν από τη μαζική παραγωγή.

7. Σχέδιο για εργαλεία. Συνεργαστείτε με τον κατασκευαστή PCB για να σχεδιάσετε τα jigs, τους φορείς και τα χρονοδιαγράμματα ψησίματος. Η κατάλληλη εργαλειοποίηση μειώνει τα ελαττώματα και τα σφάλματα τοποθέτησης.

8. Τεκμηρίωση. Παρέχετε σαφή μηχανικά σχέδια, στοίβαξη, κανόνες κάμψης και χάρτες στρώσεων. Δείξτε πού πηγαίνουν οι σύνδεσμοι δυσκαμψίας και πού εξέρχονται οι ουρές κάμψης από την άκαμπτη περιοχή.