Jäykkä-Flex PCB: edut ja käytännön vinkit

FPC: n ja PCB: n syntymän ja kehityksen myötä on syntynyt uusi tuote, jota kutsutaan jäykäksi joustolevyksi.

Mikä on jäykkä-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.

Aluksi monikerroksisten jäykkäjäykkälevyjen suunnittelun perusideat ja valmistusprosessit olivat peräisin ilmailu- ja avaruusalan laitteista. Ilmailu- ja avaruusjärjestelmissä tarvitaan luotettavaa johdotusta hyvin rajallisessa tilassa. Joissakin monimutkaisissa tuotteissa on käytetty jopa yli 30 johdinkerrosta. Toisaalta kulutuselektroniikassa, kuten puhelimissa ja digitaalikameroissa, on aina tarvittu tiheää ja edullista johdotusta. Tämä tarve vauhditti uusien suunnitteluideoiden ja valmistusmenetelmien syntymistä.

Monikerroksinen jäykkä-flex-levy on periaatteessa sekoitus jäykkiä levyjä ja flex-levyjä. Jotta levyseppien valmistajat voisivat yhdistää ne hyvin, he tarvitsevat hyviä taitoja sekä jäykän piirilevyn että joustavan piirilevyn prosesseissa. Ennen tämäntyyppisen piirilevyn suunnittelua on siis tiedettävä selvästi valmistajan kyvyt ja rajat.

Jäykkäjalkaisten levyjen haitat

Jos verrataan vain “taivutuslevy + jäykkä lauta + liitin” yhdellä jäykkä-joustolevyllä, jäykkä-joustolevyjen suurin haittapuoli on hinta. Jäykkäjalkaiset levyt maksavat usein enemmän. Joissakin tapauksissa jäykkä-joustovaihtoehto voi olla lähes kaksi kertaa kalliimpi kuin erilliset jousto- ja jäykkälevyt. Jos vertailusta kuitenkin poistetaan liittimen tai HotBar-juotoksen kustannukset, hinta voi olla lähellä toisiaan. Todellisen kustannuskuvan saamiseksi on tehtävä täydellinen kustannusanalyysi, jossa lasketaan osat, kokoonpanovaiheet ja erikoisprosessit.

Toinen haittapuoli on kokoonpano. Komponenttien SMT-asennus ja reflow jäykkien levyjen jäykkiin levyihin saattaa vaatia kannattimia tai kiinnikkeitä tukemaan joustavia alueita. Kannattimien käyttö lisää SMT-kokoonpanokustannuksia. Kannattimet auttavat pitämään taipuisat osat tasaisina ja tuettuina pick-and-place- ja reflow-toiminnon aikana.

Jäykkäjalkaisten levyjen edut

Kustannusten lisäksi jäykkäjalkaisilla levyillä on monia etuja. Seuraavassa on joitakin tärkeimpiä etuja:

1. Säästää levytilaa ja poistaa liittimien tai HotBar-prosessien tarpeen.
   Koska joustava ja jäykkä osa ovat yksi osa, voit poistaa liittimen tai HotBar-liitoksen. Suuren tiheyden malleissa yhden liittimen tilan menettäminen on erittäin arvokasta. Liittimien poistaminen alentaa myös osien kustannuksia ja HotBar-käsittelyn kustannuksia. Lisäksi kahden piirilevyn välinen rako voi olla paljon pienempi, kun et tarvitse liitintä.

2. Lyhyemmät signaalireitit, suurempi nopeus ja parempi luotettavuus
   Kun erilliset jäykät levyt on yhdistetty liittimillä, signaalireitti näyttää seuraavalta: levy → liitin → flex → liitin → levy. Jäykän ja joustavan levyn kanssa se on: levy → flex → levy. Polku on lyhyempi. Signaalit ylittävät vähemmän eri materiaaleja, joten ne menettävät vähemmän energiaa. Tavallisissa jäykissä levyissä jäljet ovat kuparia. Liittimissä on kullatut koskettimet. Juotetut nastat ovat yleensä tinaa tai tinaseosta. Signaalin muutokset kussakin materiaalin rajapinnassa aiheuttavat jonkin verran häviöitä. Jos käytät jäykkäjäykkälevyä, vähennät rajapintojen määrää. Se auttaa signaalin eheyttä. Tuotteissa, joissa tarvitaan tarkkoja signaaleja, jäykkäjalkaiset levyt parantavat luotettavuutta.

3. Yksinkertaistaa tuotteen kokoonpanoa ja säästää kokoonpanoaikaa
   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.

Miten jousto- ja jäykkäjalkaisten levyjen tuotanto ja kokoonpano eroavat toisistaan?

Tärkein SMT-prosessi on samanlainen kaikille levytyypeille. Joustavat piirit, jäykät joustolevyt ja jäykät levyt käyvät kaikki läpi komponenttien sijoittelun ja reflow-juottamisen, jossa käytetään juotospastaa. Joustavilla levyillä ja jäykillä taipuisilla levyillä on kuitenkin erityistarpeita. Jos näitä lisätarpeita ei täytetä huolellisesti tuotannon aikana, syntyy suuria ongelmia.

1. Juotospastan tulostus

Jäykkien piirilevyjen tavoin käytät kaavaa ja juotospastatulostinta juotospastan levittämiseen jousto- ja jäykkäjoustolevyille. Monet SMT-alan toimijat ovat huolissaan koon hallinnasta ja flex-levyjen hauraudesta. Toisin kuin jäykät levyt, joustolevyjen pinnat eivät ole tasaisia. Tarvitaan siis kiinnikkeitä ja kohdistusreikiä, jotta ne pysyvät paikoillaan. Lisäksi taipuisien piirien materiaalit muuttavat kokoa lämpötilan ja kosteuden vaikutuksesta. Ne voivat joissakin olosuhteissa venyä tai rypistyä noin 0,001 tuumaa tuumaa kohti. Nämä venymät ja rypytykset aiheuttavat siirtymiä levyn asentoon X- ja Y-suunnassa. Tästä syystä joustava sijoittelu vaatii usein pienempiä kannattimia tai erikoistyökaluja kuin jäykän levyn SMT.

2. SMT-komponenttien sijoittelu

Nykyään komponentit ovat yhä pienempiä. Pienet osat voivat aiheuttaa ongelmia reflow-tekniikassa, jos levyn pinta ei ole tasainen. Jos joustopiiri on pieni, mittamuutokset voivat olla pienempi ongelma, mutta saatat silti tarvita pienempiä SMT-kantajia tai ylimääräisiä mittamerkkejä. Jos kantaja ei ole tasainen, sijoittelussa tapahtuu siirtymiä. Hyvä SMT-kiinnike auttaa pitämään sijoituspinnan tasaisena ja tasaisena.

3. Reflow-juottaminen

Joustavat piirit on kuivattava ennen uudelleen sulatusta. Tämä on keskeinen ero joustavan ja jäykän piirilevyn kokoonpanon välillä. Taipuisat materiaalit imevät kosteutta kuin sieni. Ne voivat saada jopa noin 3% painostaan kosteudesta. Kun joustolevy imee kosteutta, sitä ei voi sulattaa uudelleen ilman, että se kuivataan ensin. Jäykillä levyillä on myös tämä ongelma, mutta jäykät levyt sietävät jonkin verran kosteutta paremmin.

Taipuisat piirit on esipaahdettava noin 107-121 °C:ssa (225-250 °F) lyhyen aikaa, mieluiten tunnin kuluessa. Jos et kuivaa taipuisaa piiriä ajoissa, levyt on säilytettävä kuivassa laatikossa tai typpivarastossa, kunnes ne on paistettu. Asianmukainen kuivaus estää uudelleen sulatuksen aikana tapahtuvan höyrynmuodostuksen aiheuttamat vauriot, kuten delaminaation tai rakkuloiden syntymisen.

Jäykkäjalkaisten levyjen käyttökohteet

Jäykkä-joustavat piirilevyt yhdistävät jäykkien piirilevyjen kestävyyden ja joustavien piirilevyjen mukautuvuuden. Kaikista piirilevytyypeistä jäykkä-flex on kestävin kovissa ympäristöissä. Tämän lujuuden vuoksi jäykkä-joustolevyt ovat suosittuja teollisuuden ohjauksessa, lääketieteellisissä laitteissa ja sotilaslaitteissa. Myös Manner-Euroopan valmistajat lisäävät jäykkäjoustolevyjen osuutta kokonaistuotannostaan.

Tyypillisiä sovellusalueita ovat:

1. Teollisuuskäyttö - Tähän kuuluvat teollisuuskoneet, sotilastarvikkeet ja -laitteet. lääkinnälliset laitteet. Nämä osat tarvitsevat tarkkuutta, turvallisuutta ja kestävyyttä. Näillä aloilla käytettävien jäykkien joustolevyjen on oltava erittäin luotettavia, tarkkoja, impedanssihäviö on vähäinen, signaalin laatu on täydellinen ja käyttöikä on pitkä. Prosessi on kuitenkin monimutkainen, tuotos on alhainen ja yksikkökustannukset ovat korkeat.

2. Matkapuhelimet - Puhelimissa jäykkäjalkaisia levyjä käytetään taittopuhelinten sarana-alueilla, kameramoduuleissa, näppäimistöissä ja RF-moduuleissa. Ne kestävät toistuvaa taivutusta ja ahtaita kokoonpanotiloja.

3. Viihde-elektroniikka - Digitaaliset still-kamerat (DSC) ja digitaaliset videotuotteet (DV) ovat tyypillisiä kulutushyödykkeitä, joissa käytetään jäykkäjalkaista materiaalia. Voimme tarkastella jäykkäjalkaisia tuotteita kahdesta näkökulmasta: suorituskyky ja rakenne. Suorituskyvyn kannalta jäykkäjalkaiset tuotteet voivat yhdistää erilaisia jäykkiä levyjä ja moduuleja kolmiulotteisesti. Samalla linjatiheydellä voidaan siis kasvattaa piirin käyttökelpoista pinta-alaa. Tämä lisää piirin kantavuutta ja vähentää signaalireitin rajoja ja kokoonpanovirheitä. Rakennepuolella jäykkä-flex-levyt ovat kevyitä ja ohuita ja mahdollistavat joustavan reitityksen. Ne auttavat kutistamaan kokoa ja vähentämään painoa.

4. Autoteollisuus - Autoissa käytetään jäykkiä ja joustavia levyjä ohjauspyörän avainkytkimissä, ajoneuvon näyttöjen ja ohjauspaneelien välisissä liitännöissä, ovien ohjausavaimissa, auton audiosäätimissä, pysäköintitutkakamerajärjestelmissä, monissa antureissa (ilmanlaatu, lämpötila ja kosteus, kaasun havaitseminen ja hallinta), ajoneuvon viestintäjärjestelmissä, satelliittinavigoinnissa, takaistuinten ohjaimien liitännöissä, etupään ohjainpaneeleissa ja jopa ulkoisissa tunnistusjärjestelmissä.

Monikerroksisten jäykkäjäykkälevyjen materiaalit

Seuraavassa on yksinkertainen taulukko tavallisista materiaaleista, joita käytetään monikerroksisten jäykkien ja joustavien levyjen valmistuksessa. Luettelen tarvittavan materiaalin, perinteisen valinnan ja suorituskykyisemmät vaihtoehdot.

Yllä olevassa taulukossa luetellaan useita materiaaleja, joita tarvitaan jäykkäjalkaisia levyjä valmistettaessa. On tärkeää huomata, että tekniikan kehittyessä näiden materiaalien suorituskyky on parantunut merkittävästi.

Materiaaleilla on oltava korkea lämmönkestävyys ja hyvä mittasuhteiden pysyvyys kuumennuksen aikana. Korkean luotettavuuden aloilla, kuten sotilas- ja ilmailu- ja avaruusalalla, suosittelemme paksumpaa polyimidikalvoa (yli 50 μm). Näillä aloilla perusmateriaalilla on oltava vahva stabiilius ja kestävyys käsittelyn aikana. Kuluttajaelektroniikassa sen sijaan noudatetaan usein suuntausta ohuempaan ja kevyempään materiaaliin. Siellä valmistajat käyttävät yleensä ohuempia dielektrisiä kalvoja (alle 50 μm).

Kuparilla päällystetyistä laminaateista, peitekerroksista ja liimauskalvoista akryyliliimojen sidoslujuus on parempi, mutta lämmönkestävyys on hieman heikompi ja kutistuminen suurempi. Epoksiliimojen lämmönkestävyys on parempi, mutta niiden kovettuminen kestää kauemmin ja niiden sidoslujuus on joskus hieman heikompi.

Valetun tai painelaminoidun liimattoman kuparipinnoitetun laminaatin käyttö antaa yleensä suuremman lämmönkestävyyden ja pienemmän lämpölaajenemiskertoimen (CTE). Nämä materiaalit auttavat myös pienentämään levyn lopullista paksuutta ja voivat vähentää merkittävästi poraushartsin likaantumista. Liimaton materiaali edellyttää kuitenkin käsittelyä yli 300 °C:n lämpötilassa, ja se vaatii erikoislaitteita ja prosessinohjausta.

Huomautuksia ja lisävinkkejä suunnittelijoille ja ostajille 

1. Keskustele hallituksen päättäjän kanssa ajoissa. Kerro, kuinka monta jäykkää ja taipuisaa kerrosta suunnittelet, missä taivutusalueet ovat ja kuinka monta taivutussykliä levyn on kestettävä. Kerro myös tavoiteimpedanssi ja nopeustarpeet. Valmistaja voi sitten kertoa, onko suunnittelu mahdollista ja mitä rajoituksia on olemassa.

2. Pidä taivutusalueet vapaina jäykistä osista ja painavista komponenteista. Käytä selkeitä taivutuslinjoja ja pidä jäljet lähellä neutraalia akselia, kun se on mahdollista. Taivutusalueiden yli kulkevien jälkien on oltava riittävän leveitä ja noudatettava hyviä taivutussääntöjä. Vältä läpivientireikiä toistuvilla taivutusalueilla, ellet käytä erikoismalleja.

3. Suunnittelu kokoonpanoa varten. Jos odotat SMT-valmistusta taipuisalle alueelle, suunnittele kantoaineet, kiinnityspisteet ja paistovaiheet. Merkitse alueet, joilla tarvitaan jäykisteitä ja joissa käytetään liimoja komponenttien tukemiseen.

4. Valitse materiaalit tarpeen mukaan. Käytä paksumpaa polyimidiä ja vahvempia perusmateriaaleja sotilas- tai lääketieteellisiin tarkoituksiin. Käytä ohuita dielektrisiä materiaaleja puhelimissa ja kevyissä kulutustavaroissa, jos tarvitset pientä painoa ja pientä kokoa.

5. Kustannusten vaihtokauppa. Jäykkäjalkaisilla levyillä voidaan leikata kokoonpano-osia ja liittimiä, mutta itse levy voi maksaa enemmän. Tarkista koko järjestelmän kustannukset. Usein järjestelmän kokonaiskustannukset laskevat, kun poistat liittimet ja niihin liittyvät kokoonpanovaiheet. Ota huomioon myös korjaus- ja testauskustannukset.

6. Tee stressitestejä. Jos tuotteesi joutuu alttiiksi tärinälle, iskuille, kuumuudelle tai kosteudelle, testaa jäykkäjalkainen levy varhaisessa vaiheessa. Pyöräilytesteillä, lämpöshokkitesteillä ja kosteustesteillä löydetään ongelmat ennen massatuotantoa.

7. Suunnittele työkalut. Suunnittele yhdessä piirilevyseppien valmistajan kanssa jigit, kantajat ja paistoaikataulut. Oikeanlainen työkalutekniikka vähentää vikoja ja sijoitusvirheitä.

8. Dokumentaatio. Toimita selkeät mekaaniset piirustukset, pinoaminen, taivutussäännöt ja kerroskartat. Näytetään, mihin jäykisteet menevät ja missä taivutuspäät poistuvat jäykältä alueelta.