Повний посібник з гнучких друкованих схем

Гнучкі друковані плати — це PCB з гнучким матеріалом підкладки та кількома шарами міді, що дозволяє згинання. Ця гнучкість забезпечує численні переваги, такі як ефективне використання простору та стійкість до ударів/вібрацій, що є критичним для багатьох застосувань.

Розглянемо різні аспекти цієї PCB, включаючи поширені конструкційні матеріали, виробничий процес, переваги та багато іншого!

Що таке гнучка друкована плата

Як зазначено раніше, гнучка PCB — це друкована плата з гнучким базовим матеріалом, який зазвичай виготовляється з поліімідної плівки.

Матеріали, з яких складаються інші шари, також гнучкі і витримують згинання без поломки або розтріскування.

Ви можете згинати, складати або скручувати гнучкі PCB, щоб вмістити їх у тісних просторах, що важливо, коли потрібно, щоб схема відповідала формі корпусу кінцевого продукту, наприклад, носимого пристрою.

Ще одна ключова перевага гнучкої PCB — це стійкість до вібрацій, що робить її придатною для автомобільних, аерокосмічних та авіаційних застосувань.

Типи гнучких друкованих плат

Ось типи гнучких PCB:

Односторонні гнучкі PCB

Це найпоширеніші гнучкі PCB, які можна знайти. Вони мають один провідний шар з гнучкою діелектричною плівкою.

Також друкуються з одного боку, що робить їх дешевшими у виробництві.

Двосторонні гнучкі PCB

Вони мають друк з обох сторін діелектричного матеріалу. Відповідно, вони вміщують більше компонентів і краще справляються з передачею потужності, ніж інші плати.

З іншого боку, вони дорожчі у виробництві.

Багатошарові гнучкі PCB

Вони мають більше двох провідних шарів, що робить їх придатними для військових та аерокосмічних застосувань.

Крім того, вони мають щільні схеми і дорожчі у виробництві.

Click to enlarge

Жорстко-гнучкі PCB

З назви зрозуміло, що це поєднання жорстких і гнучких друкованих плат. Точніше, це жорсткі друковані плати з гнучкими з'єднувальними підкладками.

Завдяки своїй конструкції, ви знайдете їх переважно в смарт-пристроях та військових застосуваннях.

HDI гнучкі PCB

HDI — це абревіатура від High-Density Interconnect (міжз'єднання високої щільності).

HDI гнучкі PCB мають численні мікроперехідні отвори та тонкі структури, що дозволяє мати вищу щільність провідників на одиницю площі, ніж традиційні друковані плати.

Висока щільність провідників також збільшує функціональність плати, оскільки на ній можна розмістити більше компонентів.

Ще одна визначальна характеристика HDI гнучких PCB — вони мають тонші підкладки, ніж звичайні гнучкі друковані плати, що зменшує їх розмір і покращує електричні характеристики.

Які переваги гнучких друкованих плат

Click to enlarge

• Компактний і легкий корпус: Гнучкі PCB мають тонші підкладки, мідні шари та інші матеріали, ніж їхні жорсткі аналоги. Тонкі матеріали означають також легкі плати, що призводить до меншого розміру і ваги корпусу кінцевого продукту.

• Гнучкість: Гнучкі плати можуть з'єднувати кілька площин під час монтажу і можуть згинатися багато разів без виходу з ладу.

• Висока надійність: Точки міжз'єднань є поширеними при роботі з жорсткими платами і схильні до виходу з ладу. Гнучкі PCB зменшують точки міжз'єднань у схемах, що підвищує надійність продукту. Крім того, плати FPC витримують удари та вібрації, роблячи автомобільну електроніку та інші продукти високонадійними.

• Дозволяє конфігурації високої щільності: Оскільки вони дозволяють надзвичайно вузькі проміжки та лінії, гнучкі PCB звільняють простір для розміщення пристроїв високої щільності, що дозволяє додаткові функції продукту.

• Свобода дизайну: Дизайн гнучких PCB не обмежується двома шарами. Плати можуть мати кілька шарів, деякі навіть поєднують жорсткі схеми в різних секціях. Тому ці PCB можуть мати складні конфігурації для обробки складних схем.

• Покращений потік повітря: Обтічні конструкції цих PCB дозволяють прохолодному повітрю легко протікати через продукт і швидше розсіювати тепло.

Які недоліки гнучких PCB

• Високі виробничі витрати: Матеріали, що використовуються для виготовлення гнучких плат, дорожчі за ті, що використовуються для жорстких PCB. Крім того, виробничий процес складніший, і є висока ймовірність пошкодження під час обробки.

• Складність ремонту: Переробка гнучких плат (ремонт або модифікації) є складною, оскільки потрібно зняти захисну плівку, виправити проблему, а потім відновити цю плівку.

• Обмежена щільність компонентів: Тонка і гнучка природа цих плат обмежує кількість і типи компонентів, які можна монтувати на борту. Високі щільності або великі, важкі компоненти можуть обтяжувати підкладку або навіть спричинити її злам.

• Множинні складності дизайну: Деякі правила проектування, такі як відсутність перехідних отворів у зонах згинання, розташування провідників на багатошарових платах в шаховому порядку, використання специфічних покриттів тощо, роблять дизайн гнучких PCB складним.

• Схильність до шкідливих умов навколишнього середовища: Гнучкі плати більш схильні до впливу хімічних речовин, тепла, вологи та інших факторів навколишнього середовища, ніж жорсткі плати. Тому вони можуть бути не найкращим варіантом для деяких застосувань.

Які поширені матеріали гнучких PCB

Click to enlarge

• Провідники: Найпоширенішим провідним матеріалом у PCB є мідь, але та, що використовується в гнучких платах, повинна бути тоншою. Отже, це або прокатана відпалена мідь, або електроосаджена мідь. Інші матеріали, які можуть використовуватися як провідники, включають алюміній, Інконель, срібні чорнила, константан та мідно-нікелевий сплав.

• Клеї: Ці матеріали зв'язують шари разом, і вони включають епоксидну смолу, акрил або PSA (клеї, чутливі до тиску).

• Ізолятори: Ізолятори розділяють провідні шари і включають поліімід, поліестер, PEN, PET, PEEK або LCP. Паяльна маска, епоксидна рідина, також є ізолятором.

• Фініші: Поверхневі фініші на відкритих мідних ділянках можуть бути ENIG, ENEPIG, олово, OSP, тверде золото або твердий нікель. Є кілька інших варіантів, але ENIG є найпопулярнішим.

Навіщо використовувати підсилювачі PCB на гнучких та жорстко-гнучких платах

Підсилювачі забезпечують механічну міцність PCB, що покращує довговічність і надійність. Підсилювачі PCB можна додавати до будь-якої сторони плати, і їх вимоги поділяються на такі категорії використання:

• Зміцнення секцій роз'ємів для покращення зняття напруги під час повторних вставлень або при використанні великих, важких роз'ємів
• Для відповідності вимогам товщини ZIF (Zero Insertion Force)
• Створення плоскої поверхні для розміщення SMT площадок і компонентів
• Для допомоги з локальними обмеженнями згинання
• Зменшення напруги компонентів
• Для покращення розсіювання тепла (металеві підсилювачі)
• Зменшення ймовірності виходу з ладу під час автоматизованого складання

Чи є якісь особливості при проектуванні гнучких друкованих плат

Перед переходом до виробничого процесу гнучка PCB повинна бути правильно спроектована, і важливо пам'ятати про ці особливості проектування.

Робоче середовище

Враховуйте кінцеве робоче середовище плати, що визначить, чи потрібні захисні шари для хімічних речовин, високих температур або вологості.

Коефіцієнт згинання

Цей термін відноситься до співвідношення між радіусом згинання та товщиною плати. Коефіцієнт важливо враховувати, тому що плати з різною кількістю шарів мають різні коефіцієнти згинання, і чим менший радіус згинання, тим вища ймовірність виходу з ладу при згинанні.

Провідники та трасування

Мідні доріжки та їхні шляхи передачі повинні бути ретельно проаналізовані, щоб визначити, чи будуть вони впливати на згинання. Провідники повинні бути прокладені перпендикулярно до зон згинання, щоб уникнути розриву.

Філети площадок

Ці доповнення необхідні, коли діаметр площадки перевищує ширину з'єднувальної лінії, оскільки вони покращують вихід травлення та міцність матеріалу.

Захист від розриву

Враховуйте великий радіус кута, підсилювачі та розвантажувальні прорізи, щоб уникнути розриву PCB.

Перехідні отвори

Сліпі та заховані перехідні отвори слід використовувати лише за необхідності для багатошарових PCB, оскільки вони значно збільшують вартість виготовлення.

Площини та екранування

Шари площини землі або опорні площини є критичними для екранування, контролю імпедансу та цілісності сигналу. Однак ці суцільні мідні шари роблять плату більш жорсткою, тому їх слід включати в розрахунок коефіцієнта згинання.

Цілісність сигналу та контрольований імпеданс

Фактори, такі як діелектрична постійна ізоляційних матеріалів, ширина доріжки та відстань сигнальної доріжки від опорної площини, визначають цілісність сигналу та імпеданс.

Як виготовити гнучку друковану плату: покроковий виробничий процес

Цей процес має нюанси залежно від того, чи має гнучка плата один або кілька (2 або більше) шарів, але загалом він слідує наведеним нижче крокам після вибору матеріалу та плакування міддю.

Click to enlarge

Різання міднофольгованого ламінату

Гнучка PCB починається як рулон міднофольгованого ламінату, який розрізається на напівфабрикатний лист мідної фольги необхідного розміру для обробки.

Свердління

Залежно від файлів дизайну, отвори свердляться через ламінат з певними діаметрами за допомогою механічного або лазерного свердління. Останнє є переважним, оскільки воно не створює тиску на PCB. Потім ці отвори очищаються та покриваються.

Ламінування сухої плівки

Сухі плівки є фоточутливими резистами, які допомагають перенести зображення схеми на мідний шар. Цей фоторезистний матеріал наноситься за допомогою нагрітого валика з відповідним тиском для його плавлення та рівномірного формування над міддю.

Нанесення малюнка

Нанесення малюнка може здійснюватися за допомогою UV-світла (фотолітографія) або LDI.

Травлення

Цей процес вимагає корозійного хімічного розчину для видалення міді з незатверділих ділянок сухої плівки. Нанесення малюнка створює затверділу позитивну плівку на фоторезистному матеріалі для формування схеми. Травлення роз'їдає інші секції, залишаючи схему.

Зняття сухої плівки та контроль

Затверділа позитивна суха плівка знімається, залишаючи відкриту мідну схему, яка проходить контроль на короткі замикання або розриви за допомогою AOI.

Ламінування покриття

Покриття — це плівка, що наноситься на PCB для захисту від окислення та механічних пошкоджень, таких як подряпини. Після нанесення плата проходить ламінування з використанням тепла і тиску з конкретними параметрами, щоб уникнути пошкодження.

Поверхневе фінішування

Поверхневе фінішування важливе над відкритими мідними ділянками для захисту від окислення. Воно також спрощує паяння.

Шовкографія

Шовкографія вказує відповідну інформацію на поверхні (тестові точки, попереджувальні символи, логотипи тощо) і друкується з паяльною маскою для захисту.

Електричне тестування

Електричне тестування вимагає таких методів, як літаючі зонди або ложе цвяхів, для перевірки на короткі замикання або розриви в PCB.

Висічка

Висічка означає розрізання листа на окремі PCB, які відповідають вимогам замовника (файлам дизайну).

Контроль

Візуальний контроль необхідний для забезпечення відсутності подряпин або забруднень на гнучкій платі.

Упаковка та доставка

Готові PCB упаковуються відповідно до потреб замовника перед доставкою. Якщо замовнику потрібне складання, плати направляються на ці заводи для формування PCBA перед доставкою.

Як обрати правильного виробника гнучких друкованих плат

Click to enlarge

Гнучкі PCB — це делікатні електронні плати, які потребують належних особливостей проектування та обробки при виробництві. Тому вам слід враховувати три Е при виборі виробника для складання гнучких плат. Це експертиза, обладнання та досвід.

У FlexiPCB ми маємо власну команду інженерів, які використовують наше програмне забезпечення та найсучасніше обладнання, щоб допомогти вам з наступним:

• Розробка концепції
• Оптимізація дизайну
• Вибір матеріалів
• Дизайн стек-апу PCB
• DFM аналіз
• Аналіз цілісності сигналу
• Аналіз цілісності живлення
• Термічний аналіз
• Механічний аналіз

Оскільки ці плати делікатні в обробці, ми можемо виконати процес складання за вас, щоб усунути будь-які складності, які можуть виникнути з вашого боку.

Наше рішення для складання PCB «під ключ» також охоплює постачання та закупівлю матеріалів, контроль якості, тестування, упаковку, доставку, післяпродажну підтримку та обслуговування, і ми рекомендуємо цю послугу, тому що вона дозволяє нам виконувати всю ризиковану та складну роботу за вас за розумними цінами.

Click to enlarge

Часті запитання

Чи надійні гнучкі PCB?

Загалом, більшість гнучких друкованих плат надійні та довговічні. Це тому, що виробники виготовляють ці PCB з використанням гнучких матеріалів підкладки, таких як поліімід.

Після цього вони використовують їх у пристроях, які повинні бути гнучкими.

Наприклад, ми використовуємо гнучкі PCB в носимих пристроях, таких як годинники.

З іншого боку, надійність вашої гнучкої PCB залежатиме від якості її виготовлення. Погано виготовлені не будуть такими надійними, як високоякісні PCB.

Чому гнучкі PCB схеми дорогі?

Деякі гнучкі PCB дорожчі за жорсткі PCB з кількох причин. По-перше, вони складніші в проектуванні та виробництві.

Відповідно, виробники виділяють більше ресурсів на виробництво гнучкої PCB, ніж на традиційні друковані плати.

По-друге, підкладки гнучких PCB дорожчі за матеріали, що використовуються для виготовлення жорстких PCB.

Наприклад, поліімідні підкладки коштують дорожче за жорсткі матеріали, які виробники використовують у традиційних PCB.

По-третє, гнучка природа PCB робить виробничий процес інтенсивним і трудомістким.

Загалом, це зменшує кількість плат, які виробник може виготовити за певний час.

В результаті виробничі витрати зростають, що призводить до вищих цін продажу.

Висновок

На завершення, гнучкі PCB вимагають ретельного планування, врахування та обережності при проектуванні, виробництві та складанні для досягнення їхніх передбачуваних переваг.

Ці переваги є критичними для сучасних та майбутніх поколінь електроніки, де компактні, легкі та надійні схеми будуть потрібні в різних застосуваннях.

З надійним виробничим партнером, таким як ми, ми можемо гарантувати вам довговічні та високоякісні гнучкі друковані плати, тому що наша відданість досконалості та постійному вдосконаленню дозволила нам залишатися на передовій галузі.

Зв'яжіться з нами, щоб дізнатися більше про наші рішення з проектування та інжинірингу гнучких PCB, або отримайте пропозицію сьогодні!