מדריך מקיף למעגלים מודפסים גמישים (FPC)

לוחות מעגלים מודפסים גמישים הם PCB עם חומר מצע גמיש ומספר שכבות נחושת המאפשרים כיפוף. גמישות זו מספקת מספר יתרונות, כגון שימוש יעיל במרחב ועמידות בזעזועים/רעידות, שחשובים ביישומים שונים.

בואו נסקור את ההיבטים השונים של PCB אלה, כולל חומרי בנייה נפוצים, תהליכי ייצור, יתרונות ועוד!

מהו לוח מעגל מודפס גמיש

כפי שהוזכר קודם, flex PCB הוא לוח מעגלים עם חומר בסיס שניתן לכופף, העשוי בדרך כלל מ-polyimide.

החומרים המרכיבים את השכבות האחרות גם הם גמישים ויכולים לעמוד בכיפוף ללא שבירה או סדיקה.

ניתן לכופף, לקפל או לעקם flex PCB כדי להתאים אותו למרחבים צפופים, מה שחשוב כאשר רוצים שהמעגל יתאים לצורת האריזה של המוצר הסופי, כגון wearable.

יתרון מרכזי נוסף של Flex PCB הוא עמידותו ברעידות, מה שהופך אותו מתאים ליישומי רכב, תעופה וחלל.

סוגי לוחות מעגלים גמישים

להלן סוגי flex PCB:

Flex PCB חד-צדדי

זהו סוג ה-flex PCB הנפוץ ביותר. יש להם שכבת מוליך אחת עם פילם דיאלקטרי גמיש.

הם גם מודפסים בצד אחד, מה שהופך אותם לזולים יותר לייצור.

Flex PCB דו-צדדי

יש להם הדפסה בשני צדי החומר הדיאלקטרי. כתוצאה מכך, הם מכילים יותר רכיבים ויש להם יכולת טיפול בהספק טובה יותר מלוחות אחרים.

מצד שני, הם יקרים יותר לייצור.

Flex PCB רב-שכבתי

יש להם יותר משתי שכבות מוליכות, מה שהופך אותם מתאימים ליישומים צבאיים ותעופה וחלל.

בנוסף, הם מכילים מעגלים צפופים ויקרים יותר לייצור.

Click to enlarge

Rigid-Flex PCB

כפי שמעיד השם, הם שילוב של לוחות מעגלים קשיחים וגמישים. ליתר דיוק, הם לוחות מעגלים קשיחים עם מצעי חיבור גמישים.

בגלל המבנה שלהם, תמצאו אותם בעיקר במכשירים חכמים ויישומים צבאיים.

HDI Flex PCB

HDI הוא קיצור של High-Density Interconnect.

ל-HDI flex PCB יש מספר microvia ומבנים עדינים המאפשרים צפיפות חיווט גבוהה יותר ליחידת שטח בהשוואה ללוחות מעגלים מסורתיים.

צפיפות החיווט הגבוהה גם מגבירה את הפונקציונליות של הלוח מכיוון שניתן להתקין עליו יותר רכיבים.

מאפיין ייחודי נוסף של HDI flex PCB הוא שיש להם מצע דק יותר מלוחות מעגלים גמישים רגילים, מה שמקטין את הגודל ומשפר את הביצועים החשמליים שלהם.

מהם היתרונות של לוחות מעגלים גמישים

Click to enlarge

• אריזה קומפקטית וקלת משקל: ל-PCB גמישים יש מצע, שכבות נחושת וחומרים אחרים דקים יותר מהמקבילים הקשיחים שלהם. חומרים דקים גם אומרים שהלוח קל משקל, מה שמביא לגודל ומשקל אריזה קטנים יותר עבור המוצר הסופי.

• גמישות: לוחות flex יכולים לחבר מישורים מרובים במהלך ההתקנה וניתן לכופפם מספר פעמים ללא כשל.

• אמינות גבוהה: נקודות חיבור הדדי נפוצות בלוחות קשיחים ונוטות לכשל. PCB גמישים מפחיתים נקודות חיבור הדדי במעגל, מה שמגביר את אמינות המוצר. בנוסף, לוחות FPC יכולים לעמוד בזעזועים ורעידות, מה שהופך את האלקטרוניקה במכוניות ומוצרים אחרים לאמינה מאוד.

• מאפשרים תצורות צפיפות גבוהה: מכיוון שהם מאפשרים רווחים וקווים מאוד צרים, PCB גמישים משחררים מקום לאוכלוסיית התקנים בצפיפות גבוהה לאפשר תכונות מוצר נוספות.

• חופש עיצוב: עיצוב flex PCB אינו מוגבל לשתי שכבות. ללוחות יכולים להיות שכבות מרובות, ואפילו חלקם משלבים מעגלים קשיחים בחלקים שונים. לכן, PCB אלה יכולים להיות בתצורות מורכבות לטיפול במעגלים מתקדמים.

• זרימת אוויר משופרת: העיצוב האווירודינמי של PCB אלה מאפשר לאוויר קר לזרום דרך המוצר בקלות ולפזר חום מהר יותר.

מהם החסרונות של PCB גמישים

• עלות ייצור גבוהה: החומרים המשמשים ליצירת לוחות גמישים יקרים יותר מאלה המשמשים ליצירת rigid PCB. בנוסף, תהליך הייצור מורכב יותר, ויש סיכוי גבוה לנזק במהלך הטיפול.

• קשה לעיבוד מחדש: עיבוד מחדש של לוחות גמישים (תיקון או שינוי) קשה מכיוון שצריך להסיר את הפילם המגן, לתקן את הבעיה ואז לשחזר את הפילם.

• צפיפות רכיבים מוגבלת: האופי הדק והגמיש של לוחות אלה מגביל את מספר וסוג הרכיבים שניתן להתקין על הלוח. צפיפות גבוהה או רכיבים גדולים וכבדים עלולים להעמיס על המצע או אפילו לגרום לו להישבר.

• מורכבות עיצוב מגוונת: כללי עיצוב מסוימים, כמו אפס via באזורי כיפוף, סידור מדורג של מוליכים בלוחות רב-שכבתיים, שימוש ב-coverlay ספציפי וכו', הופכים את עיצוב flex PCB למורכב.

• פגיעות לתנאי סביבה מזיקים: לוחות גמישים פגיעים יותר לכימיקלים, חום, לחות וגורמים סביבתיים אחרים מאשר לוחות קשיחים. לכן, הם עשויים לא להיות הבחירה הטובה ביותר עבור יישומים מסוימים.

מהם חומרי Flex PCB נפוצים

Click to enlarge

• מוליכים: חומר המוליך הנפוץ ביותר בשימוש ב-PCB הוא נחושת, אך זה המשמש בלוחות גמישים חייב להיות דק יותר. אז מדובר בנחושת rolled annealed או נחושת electrodeposited. חומרים אחרים שניתן להשתמש בהם כמוליכים כוללים אלומיניום, Inconel, דיו כסף, constantan ו-cupro-nickel.

• דבקים: חומרים אלה מקשרים שכבות יחד, וכוללים אפוקסי, אקריליק או PSA (Pressure-Sensitive Adhesive).

• מבודדים: מבודדים מפרידים בין שכבות מוליכות וכוללים polyimide, polyester, PEN, PET, PEEK או LCP. מסכת הלחמה, נוזל אפוקסי, היא גם מבודד.

• גימור: גימור פני השטח באזורי נחושת חשופים יכול להיות ENIG, ENEPIG, בדיל, OSP, זהב קשה או ניקל קשה. יש מספר אפשרויות אחרות, אך ENIG הוא הפופולרי ביותר.

למה להשתמש ב-Stiffener PCB בלוחות Flex ו-Rigid-Flex PCB

Stiffener מספקים חוזק מכני ל-PCB, מה שמשפר את העמידות והאמינות. ניתן להוסיף stiffener PCB לכל צד של הלוח, והדרישות כוללות קטגוריות שימוש הבאות:

• לקשח חלקי מחברים לשיפור הפחתת מתח במהלך הכנסה חוזרת או בעת נשיאת מחברים גדולים וכבדים
• לעמוד בדרישות עובי ZIF (Zero Insertion Force)
• יצירת משטח שטוח להצבת pad ורכיבי SMT
• לעזור עם אילוצי כיפוף מקומיים
• הפחתת מתח רכיבים
• לשיפור פיזור חום (stiffener מתכת)
• הפחתת סיכוי לכשל במהלך הרכבה אוטומטית

האם יש שיקולים בעיצוב לוחות מעגלים מודפסים גמישים

לפני הכניסה לתהליך הייצור, יש לתכנן flex PCB כראוי, וחשוב לזכור שיקולי עיצוב אלה.

סביבת הפעלה

שקלו את סביבת ההפעלה הסופית של הלוח, שתקבע אם נדרש ציפוי הגנה לכימיקלים, טמפרטורות גבוהות או לחות.

יחס כיפוף

מונח זה מתייחס ליחס בין רדיוס הכיפוף לעובי הלוח. יחס זה חשוב לשקול מכיוון שלוחות עם מספרי שכבות שונים יש יחסי כיפוף שונים, וככל שרדיוס הכיפוף הדוק יותר, כך עולה הסיכוי לכשל בכיפוף.

מוליכים וניתוב

יש לנתח בקפידה את מסלולי הנחושת ונתיבי השידור שלהם כדי לקבוע אם הם יושפעו בכיפוף. יש לנתב מוליכים בניצב לאזור הכיפוף כדי למנוע שבירה.

Pad Fillet

תוספת זו נדרשת כאשר קוטר ה-pad חורג מרוחב המסלול המחבר מכיוון שהיא משפרת את תפוקת החריטה וחוזק החומר.

הקלת קרע

שקלו רדיוסי פינות גדולים, stiffener וחריצי הקלה כדי למנוע קריעה של ה-PCB.

Via

יש להשתמש ב-via עיוורים וקבורים רק במידת הצורך ללוחות רב-שכבתיים מכיוון שהם מעלים משמעותית את עלויות הייצור.

שכבת Plane ו-Shielding

שכבת ground או reference plane חשובה ל-shielding, בקרת impedance ושלמות אות. עם זאת, שכבות נחושת מוצקות אלה הופכות את הלוח לקשיח יותר, לכן יש לכלול אותן בחישובי יחס הכיפוף.

שלמות אות ו-Impedance מבוקר

גורמים כמו קבוע דיאלקטרי של חומר הבידוד, רוחב מסלול והמרחק של מסלול האות משכבת ה-reference קובעים את שלמות האות וה-impedance.

איך לייצר לוחות מעגלים גמישים: תהליך ייצור שלב אחר שלב

תהליך זה משתנה בהתאם לשאלה האם ללוח הגמיש יש שכבה אחת או מספר שכבות (2 או יותר), אך בדרך כלל עוקב אחר השלבים הבאים לאחר בחירת החומר וציפוי הנחושת.

Click to enlarge

חיתוך למינציה מצופה נחושת

Flex PCB מתחיל כגליל למינט מצופה נחושת שנחתך לגיליונות חצי מוגמרים של פויל נחושת בגודל העיבוד הנדרש.

קידוח

בהתאם לקובץ העיצוב, נקדחים חורים דרך הלמינט בקטרים מסוימים באמצעות קידוח מכני או לייזר. האחרון מועדף מכיוון שאינו מפעיל לחץ על ה-PCB. לאחר מכן ניקוי החורים וציפויים.

למינציה של Dry Film

Dry film הוא resist פוטו-רגיש שעוזר להעביר את תמונת המעגל לשכבת הנחושת. חומר photoresist זה מוחל באמצעות גלילים מחוממים עם לחץ מתאים כדי להמיס ולעצב אותו באופן אחיד על הנחושת.

ציפוי דפוס

ניתן לבצע ציפוי דפוס באמצעות אור UV (פוטוליתוגרפיה) או LDI.

חריטה

תהליך זה דורש תמיסה כימית קורוזיבית להסרת נחושת מאזורי dry film שלא עברו ריפוי. ציפוי הדפוס יוצר פילם חיובי שמתקשה על חומר ה-photoresist ליצירת המעגל. החריטה מכרסמת את החלקים האחרים ומשאירה את המעגל.

הסרת Dry Film ובדיקה

הפילם היבש החיובי שהתקשה מוסר כדי להשאיר את מעגל הנחושת החשוף, שעובר בדיקה לקצרים או פתחים במעגל באמצעות AOI.

למינציית Coverlay

ה-overlay הוא פילם שמוחל על ה-PCB כדי להגן עליו מחמצון ונזק מכני, כמו שריטות. לאחר ההחלה, הלוח עובר למינציה באמצעות חום ולחץ עם פרמטרי חום ולחץ מסוימים כדי למנוע נזק.

גימור פני שטח

גימור פני שטח חשוב באזורי נחושת חשופים כדי להגן עליהם מחמצון. הוא גם מפשט הלחמה.

הדפסת Silkscreen

Silkscreen מציין מידע רלוונטי על פני השטח (נקודות בדיקה, סמלי אזהרה, לוגו וכו'), ומודפס עם מסכת הלחמה להגנה.

בדיקות חשמליות

בדיקות חשמליות דורשות טכניקות כמו flying probe או bed of nail לבדיקת קצרים או פתחים ב-PCB.

ניקוב

ניקוב מתייחס לחיתוך הגיליונות ל-PCB בודדים המתאימים לדרישות הלקוח (קובץ העיצוב).

בדיקה

בדיקה ויזואלית נדרשת כדי לוודא שלוחות גמישים אינם בעלי שריטות או זיהום.

אריזה ומשלוח

PCB מוגמרים נארזים לפי צרכי הלקוח לפני המשלוח. אם הלקוח דורש הרכבה, הלוחות עוברים למפעל זה כדי ליצור PCBA לפני המשלוח.

איך לבחור יצרן לוחות מעגלים גמישים מתאים

Click to enlarge

Flex PCB הם לוחות אלקטרוניים עדינים הדורשים שיקולים וטיפול נכון בעיצוב בייצור. לכן, עליכם לשקול שלושה E בבחירת יצרן הרכבת הלוחות הגמישים שלכם. אלה הם expertise (מומחיות), equipment (ציוד) ו-experience (ניסיון).

ב-FlexiPCB, יש לנו צוות מהנדסים פנימי המשתמש בתוכנה והציוד המתקדמים שלנו כדי לעזור לכם עם:

• פיתוח קונספט
• אופטימיזציית עיצוב
• בחירת חומרים
• עיצוב stackup PCB
• ניתוח DFM
• ניתוח שלמות אות
• ניתוח שלמות הספק
• ניתוח תרמי
• ניתוח מכני

מכיוון שלוחות אלה עדינים לטיפול, אנו יכולים לטפל בתהליך ההרכבה עבורכם כדי לסלק את המורכבות שעלולה להתעורר בצד שלכם.

פתרונות הרכבת PCB turnkey שלנו כוללים גם sourcing ורכש חומרים, בקרת איכות, בדיקות, אריזה, משלוח, תמיכה לאחר מכירה ותחזוקה, ואנו ממליצים על שירות זה מכיוון שהוא מאפשר לנו לבצע את כל העבודה המסוכנת והקשה עבורכם בעלות סבירה.

Click to enlarge

שאלות נפוצות

האם flex PCB אמין?

באופן כללי, רוב לוחות המעגלים המודפסים הגמישים אמינים ועמידים. זאת מכיוון שהיצרנים עושים PCB אלה באמצעות חומרי מצע גמישים כמו polyimide.

לאחר מכן, הם משתמשים בהם במכשירים שצריכים להיות גמישים.

לדוגמה, אנו משתמשים ב-flex PCB במכשירי wearable כמו שעונים.

מצד שני, אמינות ה-flex PCB שלכם תלויה באיכות המבנה שלו. אלה שנבנו בצורה גרועה לא יהיו אמינים כמו PCB באיכות גבוהה.

למה מעגלי flex PCB יקרים?

כמה flex PCB יקרים יותר מ-rigid PCB מכמה סיבות. ראשית, הם מורכבים יותר לעיצוב ולייצור.

כתוצאה מכך, היצרנים מקצים יותר משאבים לייצור flex PCB מאשר לוחות מעגלים מסורתיים.

שנית, מצעי flex PCB יקרים יותר מהחומרים המשמשים לייצור rigid PCB.

לדוגמה, מצע polyimide עולה יותר מחומרים קשיחים שהיצרנים משתמשים בהם ב-PCB מסורתיים.

שלישית, האופי הגמיש של ה-PCB הופך את תהליך הייצור לאינטנסיבי וגוזל זמן.

בסך הכל, זה מפחית את מספר הלוחות שהיצרן יכול לייצר בזמן נתון.

כתוצאה מכך, עלויות הייצור עולות, מה שמשמעותו מחיר מכירה גבוה יותר.

סיכום

לסיכום, flex PCB דורש תכנון, שיקולים וזהירות בעיצוב, ייצור והרכבה כדי להשיג את היתרונות הרצויים.

יתרונות אלה חשובים לדור האלקטרוניקה הנוכחי והעתידי, בו יידרשו מעגלים קומפקטיים, קלי משקל ואמינים במגוון יישומים.

עם שותף ייצור אמין כמונו, אנו יכולים להבטיח לכם לוחות מעגלים גמישים עמידים ואיכותיים מכיוון שהמחויבות שלנו למצוינות ושיפור מתמיד שמרו עלינו בחזית התעשייה.

צרו קשר ללמוד עוד על פתרונות העיצוב וההנדסה שלנו ל-flex PCB, או קבלו הצעת מחיר היום!