W poprzednich artykułach omawialiśmy różne niuanse projektowania klasycznych płytek drukowanych - sposób prowadzenia ścieżek, dołączania ich do padów, wykonywania przelotek, a także sporządzania dokumentacji do naszego projektu.
W tej i w kolejnych częściach przyjrzymy się płytkom drukowanym trochę innym niż typowe laminaty z FR4, do jakich większość z nas jest przyzwyczajona. Zajmiemy się technologią laminatów typu 'Flex', czyli elastycznymi, a także 'Flex-Rigid', czyli połączonymi mechanicznie PCB typu Flex i klasycznymi sztywnymi (Rigid) laminatami FR4 (aczkolwiek technologia Flex-Rigid nie ogranicza się do wykorzystania FR4, bo w teorii możliwa jest integracja poliimidowych, elastycznych prepregów z płytkami aluminiowymi lub ceramicznymi).
Obecnie projektanci muszą sprostać rosnącym wymaganiom projektowym dotyczącym gęstego upakowania układów elektronicznych, oraz nacisków na redukcję czasu i kosztów produkcji. Aby sprostać tym wymaganiom, zespoły projektowe coraz częściej stosowały obwody Flex-Rigid, które pozwalają na układanie płytek i elementów zasadniczo we wszystkich trzech wymiarach. Jednak projektowanie takich obwodów wiąże się z wieloma wyzwaniami dla inżynierów elektroników i mechaników. Wymaga to starannie przemyślanych rozwiązań, spełniających ścisłe wymagania tego rodzaju technologii.
Rigid-Flex może przynieść wiele korzyści w projekcie urządzenia, a wielu projektantów dzisiaj przynajmniej rozważa zastosowanie tej technologii. Więcej konstruktorów PCB zmaga się z wyższymi naciskami, aby budować coraz mniejsze i tańsze urządzenia. To nic nowego, ale obecnie siła tych nacisków jest coraz większa i dotyczy szerszej gamy aspektów technologicznych projektowania PCB. Z kolei technologia PCB pozwala na przykład na konstruowanie obwodów typu Rigid-Flex, co oferuje poszukiwane rozwiązanie - jest to opłacalne w przypadku wielu projektów i umożliwia zredukowanie tak wymiarów urządzenia jak i kosztów jego produkcji.
Istnieją jednak aspekty technologii Flex-Rigid, która mogą sprawić, że projektowanie takiego urządzenia będzie wyboistą drogą dla osób bez doświadczenia. Dobrze jest najpierw zrozumieć, w jaki sposób powstają obwody giętkie i ich połączenia z sztywnymi PCB. W kilku najbliższych częściach przyjrzymy się, jak powstają takie obwody oraz zaznajomimy się z kwestiami konstrukcyjnymi narzucanymi na projektantów przez użyte materiały i technologie.
Zacznijmy od analizy procesu produkcji laminatów typu Flex oraz Flex-rigid.
Kroku technologiczne w produkcji laminatu Flex
Na pierwszy rzut oka typowe PCB typu Flex wyglądają prosto. Jednak ich charakter wymaga kilku dodatkowych kroków w procesie produkcji. Początkiem płytki typu Flex-Rigid są zawsze pojedyncze lub dwustronne warstwy elastyczne. Producent może rozpocząć proces od wstępnie laminowanej elastycznej folii miedzią lub może rozpocząć od nieizolowanej folii przewodzącej, a następnie laminować lub pokrywać miedzią rdzeń płytki.
Laminowanie folii wymaga nałożenia cienkiej warstwy kleju, podczas gdy samoprzylepna powłoka wymaga początkowej warstwy miedzi. Ta warstwa początkowa jest nakładana na przykład przy użyciu technik naparowywania próżniowego i dostarcza zarodki, na których chemicznie osadza się miedź. Tak przygotowany jedno- lub dwustronny obwód elastyczny jest wiercony, platerowany i trawiony w bardzo podobny sposób, jak typowe sztywne, dwuwarstwowe płytki drukowane lub rdzenie lamina
tów wielowarstwowych.
Proces produkcji laminatu typu Flex
W poniższych krokach widzimy poszczególne procesy technologiczne, potrzebne do wyprodukowania elastycznego laminatu typu Flex.
Nakładanie kleju na rdzeń
W pierwszym kroku nakłada się klej - emulsję epoksydową lub akrylową na warstwę rdzenia, wykonanego zazwyczaj z elastycznego i odpornego na wysoką temperaturę poliimidu. Czasami, zamiast klejenia warstw miedzi, stosuje się inne techniki, takie jak na przykład depozycja próżniowa, aby wytworzyć warstwę przewodzącą na naszym elastycznym laminacie.
Nakładanie warstwy miedzi
Kolejnym krokiem, jak łatwo jest się domyślić, jest nałożenie warstwy miedzi, z której wykonane będą ścieżki. Typowo wykonuje się to poprzez naklejenie metalowej folii na nałożony wcześniej klej, ale tak jak pisaliśmy powyżej, niektóre zakłady oferują bardziej zaawansowane usługi, takie jak elektrochemiczne nakładanie miedzi lub fizyczną jej depozycję w systemie próżniowym. Każdy z tych procesów ma swoje wady i zalety, jednakże tutaj nie będziemy się tym zajmować i skupimy się na klasycznej metodzie, czyli naklejaniu folii miedzianej.
Wiercenie
Na tym etapie wykonywane są wszystkie otwory technologiczne w laminacie. Są one najczęściej wiercone mechanicznie. Dla usprawnienia procesów najczęściej wierci się naraz wiele warstw laminatu. Składa się je w stosy i wierci naraz, podobnie jak robi się z zwykłymi płytkami drukowanymi. Wymagana jest oczywiście o wiele wyższa precyzja montażu tych laminatów z uwagi na ich niską sztywność. Dodatkowo, często stos tak wierconych laminatów Flex usztywnia się zwykłym laminatem z obu stron, co ma za zadanie usztywnić stos, szczególnie gdy wierci się we fragmentach laminatu już pociętych na docelowe fragmenty.
W przypadku wykonywania małych otworów pod niewielkie przelotki nie używa się zazwyczaj klasycznych wierteł, a wypala się je laserem (ekscymerowym lub Nd:YAG dla najmniejszych otworów i CO2 dla większych otworów, powyżej 4 milsów).
Największe otwory wykonuje się zazwyczaj nie poprzez wiercenie laminatu, tylko jego wycinanie na prasie z pomocą specjalnych wycinaków, często dedykowanych dla konkretnego projektu PCB, o czym dokładnie pomówimy przy kolejnym kroku.
Metalizacja otworów w PCB
Kolejnym krokiem jest metalizacja otworów. Wykonuje się to w elektrochemicznym procesie depozycji miedzi analogicznie, jak w przypadku klasycznych, sztywnych laminatów. Rekomenduje się depozycję co najmniej 1 milsa miedzi na powierzchni wewnętrznej otworów, dla zapewnienia lepszej wytrzymałości mechanicznej laminatu w otworach i przelotkach. W sztywnych płytkach drukowanych warstwa metalizacji ma mniej, nawet do pół milsa.
Nakładanie fotorezystu
W tym kroku na płytkę nakładany jest fotorezyst, podobnie jak ma to w przypadku klasycznych płytek drukowanych. Jest on naświetlany przez kliszę i utrwalany w dokładnie taki sam sposób jak w przypadku sztywnych laminatów.
Trawienie miedzi i zmywanie fotorezystu
Ten krok nie wymaga większego komentarza. Płytka z wywołanym fotorezystem trafia do kąpieli trawiącej, gdzie niepokryta niczym warstwa miedzi jest wytrawiana, ukazując ścieżki na PCB. Następnie płytka jest myta środkami, które zmywają nie tylko substancje trawiące, ale także w kolejnym kroku fotorezyst, pozostawiając czyste, miedziane ścieżki na laminacie.
Pokrywanie ścieżek
Górna i dolna strona obwodu elastycznego jest chroniona warstwą izolującą, które są przycinane do odpowiedniego kształtu. Jeśli na laminacie tym mają zostać zainstalowane komponenty elektroniczne, to izolujące warstwy przycina się, by odsłonić pola lutownicze. Dzięki temu pokrycie to spełnia także rolę maksi antylutowniczej. Najczęstszym materiałem na pokrycie jest dodatkowa folia poliimidowa z klejem, chociaż dostępne są technologie niewymagające kleju. W procesie bezadhezyjnym stosuje się drukowanie maski lutowniczej (tak samo jak można to robić w przypadku sztywnych PCB). W przypadku grubszych, tańszych wzorów możliwe jest też wykorzystanie sitodruku z ostatecznym utwardzeniem powłoki ochronnej przez promieniowanie UV.
Gotowy laminat prezentuje się w ten sposób:
Warto zwrócić uwagę, że przy wycięciach w zewnętrznej warstwie płytki, tj w warstwie antylutowniczej, przy polach lutownicznych, co najmniej z dwóch stron warstwa miedzi znajduje się pod zewnętrzną folią. Dokładniej o tym, czemu tak jest i w jaki sposób projektować tego rodzaju pola opowiemy w jednej z kolejnych części cyklu.
Wycinanie laminatu
Ostatnim krokiem w produkcji jest wycięcie gotowej płytki z całego arkusza laminatu. Krok ten często nazywa się 'blankowaniem'. W produkcji seryjnej ten krok najczęściej realizuje się na prasach hydraulicznych, używając wykrojników i tnąc jednocześnie dziesiątki lub setki płytek. W przypadku produkcji prototypowej czy krótkich serii, używa się specjalnych noży, które wyposażone są w cienkie ostrza do rozcinania laminatów. Sam laminat nakłada się na sztywny podkład, na przykład z płyty MDF, sklejki lub płyty teflonowej, a następnie cyfrowo sterowany ploter z nożem rozcina laminat. Podobnie wykonuje się np. winylowe naklejki do reklam. Wadą tej metody jest fakt, iż naraz rozcinany jest jedynie jeden laminat, ciężko w ten sposób ciąć więcej warstw laminatu.
Laminowanie i frezowanie
Jeśli laminat elastyczny jest w pewnym miejscu łączony ze sztywnym PCB, to proces produkcji nie kończy się na tym etapie. Mamy teraz laminat Flex, trzeba połączyć go z sekcją Rigid. Technika ta jest bardzo podobna do wykorzystywania np. samego rdzenia płytki wielowarstwowej, do wykonywania elastycznych połączeń, z tą tylko różnicą, że Flex jest dużo elastyczniejszy - poliimid nie jest wzmacniany włóknem szklanym jak laminat FR4, dzięki czemu zgina się o wiele prościej. Możliwe jest oczywiście usztywnienie poprzez wykorzystanie domieszkowanego włóknem szklanym laminatu jako rdzeń Flexa, ale częściej wykorzystuje się klasyczny Flex-Rigid, do znaczy przyklejenie części Flex na laminat - np. FR4. W odpowiednio przygotowane płytki drukowanej montuje się elementy wykonane na folii poliimidowej.
Całość jest montowana w ramce laminatu sztywnego. Nieużywane części elastycznego laminatu montowane są tymczasowo do sztywnego podkładu, np. ze sklejki lub innego kawałka laminatu FR4.
Wielowarstwowe laminaty Flex-Rigid
Laminat Flex jest łączony wraz z całym sztywnym panelem. Wykonuje się te z pomocą specjalnego kleju, aktywowanego ciepłem w prasie do klejenia.
Zasadniczo każda warstwa Flex ma nie więcej niż dwie warstwy miedzi, dzięki czemu jest wysoce elastyczna. Sekcje takiego laminatu łączone są ze sztywniejszymi fragmentami – wykonywanymi poprzez usztywnienie Flexa włóknem szklanym, lub jak opisano, naklejenia go na laminat np. FR4 z wykorzystaniem kleju (akrylowego lub epoksydowego).
W technologii Flex-Rigid każdy fragment sztywnego laminatu jest niezależnie wycinany i wycinany w miejscach, gdzie wklejony ma być elastyczny laminat, aby płytka mogła się tam np. zginać.
Na powyższych ilustracjach widzimy proces laminowania płytki typu Flex-Rigid z dwoma warstwami typu Flex pomiędzy trzema warstwami sztywnego laminatu. Dokładniejszy widok na taki laminat w przekroju pokazany jest poniżej. Laminat taki składa się w następujących krokach technologicznych:
1. Niezależne rdzenie i prepregi laminatu Flex, pokryte warstwami izolującymi w miejscach, gdzie będzie on odsłonięty, wstępnie składane i laminowane są ze sobą we wspólny panel.
2. Rdzenie i prepregi są wspólnie wiercone i metalizowane, a sekcje Flex laminowane w cały panel PCB.
3. Teraz możliwy jest dalszy montaż układu – laminat Flex-Rigid jest gotowy i można osadzać i lutować na nim elementy.
Chociaż w powyższym przykładzie pokazano warstwy kleju, ważne jest, aby wiedzieć, że wielu projektantów rezygnuje obecnie z używania klejów, ze względu na niedopuszczalne rozszerzanie się PCB w osi Z w procesie lutowania reflow. Jednakże epoksydowe prepreg i termoutwardzalne laminaty FR-4 skutecznie osiągają pożądany rezultat i są tu w każdym przypadku uważane za warstwy "przylepne". Dodatkową przyczepność można uzyskać poprzez obróbkę miedzi na elastycznych warstwach, aby zwiększyć siłę przylegania warstw w laminowanych prepregach. Dwustronne elastyczne laminaty bez kleju pokazano powyżej. Są to folie całkowicie wykonane poliimidu z wiążącą powłoką poliimidową, do której przykleja się folię miedzianą. Przykłady takich laminatów to np. DuPont Pyralux lub Rogers Corp. R/Flex.
Podobnie nakłada się warstwy zewnętrzne – jak nalepki. Są one laminowane z klejem lub nakładane w procesie druku. Gdy ostateczne elastyczne i sztywne warstwy łączone są w panele w pokazanej powyżej 6-warstwowej płytce drukowanej są umieszczone razem, są one laminowane zewnętrznymi (górnymi i dolnymi) warstwami folii miedzianej pokrytymi klejem. Następnie wierci się otwory i je metalizuje. Opcjonalnie na tym etapie można również wykonać laserowo nawiercone ślepe przelotki (od góry lub od dołu). Dzięki temu jeszcze bardziej zmniejsza się koszt projektu. Otwory w PCB są następnie platerowane od góry do dołu, a ślepe przelotki z zewnętrznej warstwy. Ostatnim etapem jest druk górnej i dolnej maski przeciwlutowniczej oraz górnego i dolnego sitodruku – warstwy opisowej oraz finalnie pokrycia konserwującego (takiego jak złoto) lub warstwy przygotowującej miedź do lutowania (takiej jak cyna – HASL).
Konieczne jest przykładanie szczególnej uwagi w czasie parowania ze sobą warstw i dokumentowania owiertu, który ma być metalizowany (przelotek, ślepych przelotek etc.), aby zapewnić odpowiednią kolejność procesów technologicznych w czasie produkcji płytek drukowanych typu Flex-Rigid.
Fizyczne ograniczenia płytek
Ograniczenie ilości warstw elastycznych
Jakkolwiek jest to możliwe, by konstruować PCB z niemalże dowolną ilością warstw elastycznych, to skalowanie się kosztów w takim przypadku bywa bardzo słabe i przy większej ilości warstw taka płytka drukowana łatwo może stać się nieekonomiczna.
Dodatkowo, należy rozważyć problem związany z naprężeniami w Flexie w momencie składania ze sobą kolejnych warstw. Jest to o tyle problematyczne, że miedź jak większość metali nieżelaznych, utwardza się od naprężeń. Z uwagi na to cykliczne wyginanie miedzianych ścieżek w elastycznym laminacie doprowadzić może do ich utwardzenia, a w konsekwencji słabej odporności na wyginanie i finalnie złamania. Jest to szczególnie problematyczne, jeżeli laminat ma być wyginany z niewielkim promieniem gięcia.
Istnieje szereg sposobów na radzenie sobie z powyższym problemem. Jednym z nich jest korzystanie z jednowarstwowego laminatu – miedzi z poliimidową folią z obu stron. Jak widać na rysunku po prawej stronie, w momencie wyginania laminatu dwuwarstwowego, w osi naprężeń znajduje się poliimidowy rdzeń, a miedź jest narażona na kompresję z jednej, a rozciąganie z drugiej strony rdzenia. Jeżeli teraz wyobrazimy sobie analogiczną sytuację z laminatem jednostronnym, to w osi naprężenia znajduje się miedź, a na zewnątrz poliimid, który jest o wiele odporniejszy na naprężenia z uwagi na zarówno o wiele wyższą elastyczność, jak i brak efektów, takich jak utwardzanie od naprężeń.
Jeśli potrzebne jest jednakże więcej warstw, dobrze jest rozważyć równoległe umieszczenia kilku warstw laminatu Flex jeden nad drugim, jednakże to prowadzi do innych problemów, m.in. tego, że trzeba dobrać odpowiednie długości dla poszczególnych warstw – zewnętrzne muszą być dłuższe niż wewnętrzne. Omówimy dokładniej to w dalszych częściach cyklu.
Wzmacnianie połączeń
Jeśli konieczne jest uzyskanie wyższej wytrzymałości laminatu na zginanie czy inne naprężenia, to możliwe jest dodanie wzmocnienia na połączeniu Flex-Rigid. Wystarczy nanieść tam odrobinę kleju – akrylowego, epoksydowego lub nawet kleju na ciepło.
Można użyć automatycznego dozownika do kleju, ale trzeba liczyć tutaj na bliską współpracę z inżynierami montażu, aby upewnić się, że nie układ nie skończy np. z grudkami kleju kapiącego pod całym zespołem. W niektórych przypadkach klej musi być nakładany ręcznie, co zwiększa czas i koszty. Tak czy inaczej, w dokumentacji zawrzeć trzeba klarowną informację dla osób zajmujących się produkcją i montażem.
Z pewnością zabieg taki przedłuży żywotność naszej płytki drukowanej, oczywiście kosztem ceny zlecenia, jako że nakładanie kleju to kolejny proces technologiczny, przez który przejść będzie musiał nasz zespół PCB przed lub po obsadzeniu częściami i finalną integracją układu w urządzeniu. Jak zawsze w przypadku projektowania PCB to kwestia kompromisów.
Usztywnianie laminatu i terminale połączeniowe
Jeśli końcówki naszego laminatu nie są integrowane ze sztywną płytką drukowaną, to może zachodzić konieczność zaterminowania ich w sposób umożliwiający umieszczenie ich w gnieździe montowanym na PCB. Tego rodzaju usztywnienia wykonuje się zazwyczaj z grubszego poliimidu lub poprzez podklejenie tego fragmentu Flexa cienką warstwą płytki FR4.
Panelizacja
O panelizacji płytek drukowanych pisaliśmy w jednej z poprzednich części. W przypadku laminatów Flex-Rigid, elastyczna część laminatu pozostaje na sztywnym panelu przez cały proces montażu. Z tego powodu pamiętać trzeba o dodaniu dodatkowych obszarów sztywnego laminatu celem wsparcia elastycznej jego części. Nie są one przyklejane do Flexa, ale konieczne jest ich podfrezowanie na głębokość równą grubości elastycznego laminatu. Jest to niezwykle istotne, a dodatkowo niełatwe, gdyż potrzebna jest frezarka numeryczna o odpowiednio precyzyjnej kontroli w osi Z.
Finalny montaż panelu
Po lewej stronie pokazano przykładowy gotowy produkt – płytka drukowana wykonana w technologii Flex-Rigid. Widać wklejony fragment elastycznego laminatu, który podparty jest fragmentem niewyciętego laminatu FR4, połączonego z panelem. Połączenia boczne z panelem nacięte są rowkiem, a pozostała cześć jest wyfrezowana. Takie przygotowanie laminatu sprawia, że łatwo będzie go transportować, automatycznie instalować na nim elementy i lutować w piecu czy na fali (zależnie od technologii montażu elementów). Pomoże to także w finalnym wycięciu układu z panelu przed integracją go z urządzeniem.
W kolejnej części artykułu omówimy dokładniej jakie są ograniczenia w stosowaniu technologii Flex-Rigid i na co trzeba koniecznie uważać, gdy projektuje się tego rodzaju płytki drukowane. Zajmiemy się też niuansami dokumentacji dla elastycznych PCB i omówieniem innych wymagań projektowych dla tworzenia tego typu elastycznych laminatów.
Źródło: https://www.electronicsweekly.com/blogs/electro-ramblings/industry-comment/guest-post-ruminating-rigid-flex-flex-circuit-materials-part-2014-02/
W tej i w kolejnych częściach przyjrzymy się płytkom drukowanym trochę innym niż typowe laminaty z FR4, do jakich większość z nas jest przyzwyczajona. Zajmiemy się technologią laminatów typu 'Flex', czyli elastycznymi, a także 'Flex-Rigid', czyli połączonymi mechanicznie PCB typu Flex i klasycznymi sztywnymi (Rigid) laminatami FR4 (aczkolwiek technologia Flex-Rigid nie ogranicza się do wykorzystania FR4, bo w teorii możliwa jest integracja poliimidowych, elastycznych prepregów z płytkami aluminiowymi lub ceramicznymi).
Obecnie projektanci muszą sprostać rosnącym wymaganiom projektowym dotyczącym gęstego upakowania układów elektronicznych, oraz nacisków na redukcję czasu i kosztów produkcji. Aby sprostać tym wymaganiom, zespoły projektowe coraz częściej stosowały obwody Flex-Rigid, które pozwalają na układanie płytek i elementów zasadniczo we wszystkich trzech wymiarach. Jednak projektowanie takich obwodów wiąże się z wieloma wyzwaniami dla inżynierów elektroników i mechaników. Wymaga to starannie przemyślanych rozwiązań, spełniających ścisłe wymagania tego rodzaju technologii.
Rigid-Flex może przynieść wiele korzyści w projekcie urządzenia, a wielu projektantów dzisiaj przynajmniej rozważa zastosowanie tej technologii. Więcej konstruktorów PCB zmaga się z wyższymi naciskami, aby budować coraz mniejsze i tańsze urządzenia. To nic nowego, ale obecnie siła tych nacisków jest coraz większa i dotyczy szerszej gamy aspektów technologicznych projektowania PCB. Z kolei technologia PCB pozwala na przykład na konstruowanie obwodów typu Rigid-Flex, co oferuje poszukiwane rozwiązanie - jest to opłacalne w przypadku wielu projektów i umożliwia zredukowanie tak wymiarów urządzenia jak i kosztów jego produkcji.
Istnieją jednak aspekty technologii Flex-Rigid, która mogą sprawić, że projektowanie takiego urządzenia będzie wyboistą drogą dla osób bez doświadczenia. Dobrze jest najpierw zrozumieć, w jaki sposób powstają obwody giętkie i ich połączenia z sztywnymi PCB. W kilku najbliższych częściach przyjrzymy się, jak powstają takie obwody oraz zaznajomimy się z kwestiami konstrukcyjnymi narzucanymi na projektantów przez użyte materiały i technologie.
Zacznijmy od analizy procesu produkcji laminatów typu Flex oraz Flex-rigid.
Kroku technologiczne w produkcji laminatu Flex
Na pierwszy rzut oka typowe PCB typu Flex wyglądają prosto. Jednak ich charakter wymaga kilku dodatkowych kroków w procesie produkcji. Początkiem płytki typu Flex-Rigid są zawsze pojedyncze lub dwustronne warstwy elastyczne. Producent może rozpocząć proces od wstępnie laminowanej elastycznej folii miedzią lub może rozpocząć od nieizolowanej folii przewodzącej, a następnie laminować lub pokrywać miedzią rdzeń płytki.
Laminowanie folii wymaga nałożenia cienkiej warstwy kleju, podczas gdy samoprzylepna powłoka wymaga początkowej warstwy miedzi. Ta warstwa początkowa jest nakładana na przykład przy użyciu technik naparowywania próżniowego i dostarcza zarodki, na których chemicznie osadza się miedź. Tak przygotowany jedno- lub dwustronny obwód elastyczny jest wiercony, platerowany i trawiony w bardzo podobny sposób, jak typowe sztywne, dwuwarstwowe płytki drukowane lub rdzenie lamina
tów wielowarstwowych.
Proces produkcji laminatu typu Flex
W poniższych krokach widzimy poszczególne procesy technologiczne, potrzebne do wyprodukowania elastycznego laminatu typu Flex.
W pierwszym kroku nakłada się klej - emulsję epoksydową lub akrylową na warstwę rdzenia, wykonanego zazwyczaj z elastycznego i odpornego na wysoką temperaturę poliimidu. Czasami, zamiast klejenia warstw miedzi, stosuje się inne techniki, takie jak na przykład depozycja próżniowa, aby wytworzyć warstwę przewodzącą na naszym elastycznym laminacie.
Kolejnym krokiem, jak łatwo jest się domyślić, jest nałożenie warstwy miedzi, z której wykonane będą ścieżki. Typowo wykonuje się to poprzez naklejenie metalowej folii na nałożony wcześniej klej, ale tak jak pisaliśmy powyżej, niektóre zakłady oferują bardziej zaawansowane usługi, takie jak elektrochemiczne nakładanie miedzi lub fizyczną jej depozycję w systemie próżniowym. Każdy z tych procesów ma swoje wady i zalety, jednakże tutaj nie będziemy się tym zajmować i skupimy się na klasycznej metodzie, czyli naklejaniu folii miedzianej.
Na tym etapie wykonywane są wszystkie otwory technologiczne w laminacie. Są one najczęściej wiercone mechanicznie. Dla usprawnienia procesów najczęściej wierci się naraz wiele warstw laminatu. Składa się je w stosy i wierci naraz, podobnie jak robi się z zwykłymi płytkami drukowanymi. Wymagana jest oczywiście o wiele wyższa precyzja montażu tych laminatów z uwagi na ich niską sztywność. Dodatkowo, często stos tak wierconych laminatów Flex usztywnia się zwykłym laminatem z obu stron, co ma za zadanie usztywnić stos, szczególnie gdy wierci się we fragmentach laminatu już pociętych na docelowe fragmenty.
W przypadku wykonywania małych otworów pod niewielkie przelotki nie używa się zazwyczaj klasycznych wierteł, a wypala się je laserem (ekscymerowym lub Nd:YAG dla najmniejszych otworów i CO2 dla większych otworów, powyżej 4 milsów).
Największe otwory wykonuje się zazwyczaj nie poprzez wiercenie laminatu, tylko jego wycinanie na prasie z pomocą specjalnych wycinaków, często dedykowanych dla konkretnego projektu PCB, o czym dokładnie pomówimy przy kolejnym kroku.
Kolejnym krokiem jest metalizacja otworów. Wykonuje się to w elektrochemicznym procesie depozycji miedzi analogicznie, jak w przypadku klasycznych, sztywnych laminatów. Rekomenduje się depozycję co najmniej 1 milsa miedzi na powierzchni wewnętrznej otworów, dla zapewnienia lepszej wytrzymałości mechanicznej laminatu w otworach i przelotkach. W sztywnych płytkach drukowanych warstwa metalizacji ma mniej, nawet do pół milsa.
W tym kroku na płytkę nakładany jest fotorezyst, podobnie jak ma to w przypadku klasycznych płytek drukowanych. Jest on naświetlany przez kliszę i utrwalany w dokładnie taki sam sposób jak w przypadku sztywnych laminatów.
Ten krok nie wymaga większego komentarza. Płytka z wywołanym fotorezystem trafia do kąpieli trawiącej, gdzie niepokryta niczym warstwa miedzi jest wytrawiana, ukazując ścieżki na PCB. Następnie płytka jest myta środkami, które zmywają nie tylko substancje trawiące, ale także w kolejnym kroku fotorezyst, pozostawiając czyste, miedziane ścieżki na laminacie.
Górna i dolna strona obwodu elastycznego jest chroniona warstwą izolującą, które są przycinane do odpowiedniego kształtu. Jeśli na laminacie tym mają zostać zainstalowane komponenty elektroniczne, to izolujące warstwy przycina się, by odsłonić pola lutownicze. Dzięki temu pokrycie to spełnia także rolę maksi antylutowniczej. Najczęstszym materiałem na pokrycie jest dodatkowa folia poliimidowa z klejem, chociaż dostępne są technologie niewymagające kleju. W procesie bezadhezyjnym stosuje się drukowanie maski lutowniczej (tak samo jak można to robić w przypadku sztywnych PCB). W przypadku grubszych, tańszych wzorów możliwe jest też wykorzystanie sitodruku z ostatecznym utwardzeniem powłoki ochronnej przez promieniowanie UV.
Gotowy laminat prezentuje się w ten sposób:
Warto zwrócić uwagę, że przy wycięciach w zewnętrznej warstwie płytki, tj w warstwie antylutowniczej, przy polach lutownicznych, co najmniej z dwóch stron warstwa miedzi znajduje się pod zewnętrzną folią. Dokładniej o tym, czemu tak jest i w jaki sposób projektować tego rodzaju pola opowiemy w jednej z kolejnych części cyklu.
Ostatnim krokiem w produkcji jest wycięcie gotowej płytki z całego arkusza laminatu. Krok ten często nazywa się 'blankowaniem'. W produkcji seryjnej ten krok najczęściej realizuje się na prasach hydraulicznych, używając wykrojników i tnąc jednocześnie dziesiątki lub setki płytek. W przypadku produkcji prototypowej czy krótkich serii, używa się specjalnych noży, które wyposażone są w cienkie ostrza do rozcinania laminatów. Sam laminat nakłada się na sztywny podkład, na przykład z płyty MDF, sklejki lub płyty teflonowej, a następnie cyfrowo sterowany ploter z nożem rozcina laminat. Podobnie wykonuje się np. winylowe naklejki do reklam. Wadą tej metody jest fakt, iż naraz rozcinany jest jedynie jeden laminat, ciężko w ten sposób ciąć więcej warstw laminatu.
Laminowanie i frezowanie
Jeśli laminat elastyczny jest w pewnym miejscu łączony ze sztywnym PCB, to proces produkcji nie kończy się na tym etapie. Mamy teraz laminat Flex, trzeba połączyć go z sekcją Rigid. Technika ta jest bardzo podobna do wykorzystywania np. samego rdzenia płytki wielowarstwowej, do wykonywania elastycznych połączeń, z tą tylko różnicą, że Flex jest dużo elastyczniejszy - poliimid nie jest wzmacniany włóknem szklanym jak laminat FR4, dzięki czemu zgina się o wiele prościej. Możliwe jest oczywiście usztywnienie poprzez wykorzystanie domieszkowanego włóknem szklanym laminatu jako rdzeń Flexa, ale częściej wykorzystuje się klasyczny Flex-Rigid, do znaczy przyklejenie części Flex na laminat - np. FR4. W odpowiednio przygotowane płytki drukowanej montuje się elementy wykonane na folii poliimidowej.
Całość jest montowana w ramce laminatu sztywnego. Nieużywane części elastycznego laminatu montowane są tymczasowo do sztywnego podkładu, np. ze sklejki lub innego kawałka laminatu FR4.
Wielowarstwowe laminaty Flex-Rigid
Laminat Flex jest łączony wraz z całym sztywnym panelem. Wykonuje się te z pomocą specjalnego kleju, aktywowanego ciepłem w prasie do klejenia.
Zasadniczo każda warstwa Flex ma nie więcej niż dwie warstwy miedzi, dzięki czemu jest wysoce elastyczna. Sekcje takiego laminatu łączone są ze sztywniejszymi fragmentami – wykonywanymi poprzez usztywnienie Flexa włóknem szklanym, lub jak opisano, naklejenia go na laminat np. FR4 z wykorzystaniem kleju (akrylowego lub epoksydowego).
W technologii Flex-Rigid każdy fragment sztywnego laminatu jest niezależnie wycinany i wycinany w miejscach, gdzie wklejony ma być elastyczny laminat, aby płytka mogła się tam np. zginać.
Na powyższych ilustracjach widzimy proces laminowania płytki typu Flex-Rigid z dwoma warstwami typu Flex pomiędzy trzema warstwami sztywnego laminatu. Dokładniejszy widok na taki laminat w przekroju pokazany jest poniżej. Laminat taki składa się w następujących krokach technologicznych:
1. Niezależne rdzenie i prepregi laminatu Flex, pokryte warstwami izolującymi w miejscach, gdzie będzie on odsłonięty, wstępnie składane i laminowane są ze sobą we wspólny panel.
2. Rdzenie i prepregi są wspólnie wiercone i metalizowane, a sekcje Flex laminowane w cały panel PCB.
3. Teraz możliwy jest dalszy montaż układu – laminat Flex-Rigid jest gotowy i można osadzać i lutować na nim elementy.
Chociaż w powyższym przykładzie pokazano warstwy kleju, ważne jest, aby wiedzieć, że wielu projektantów rezygnuje obecnie z używania klejów, ze względu na niedopuszczalne rozszerzanie się PCB w osi Z w procesie lutowania reflow. Jednakże epoksydowe prepreg i termoutwardzalne laminaty FR-4 skutecznie osiągają pożądany rezultat i są tu w każdym przypadku uważane za warstwy "przylepne". Dodatkową przyczepność można uzyskać poprzez obróbkę miedzi na elastycznych warstwach, aby zwiększyć siłę przylegania warstw w laminowanych prepregach. Dwustronne elastyczne laminaty bez kleju pokazano powyżej. Są to folie całkowicie wykonane poliimidu z wiążącą powłoką poliimidową, do której przykleja się folię miedzianą. Przykłady takich laminatów to np. DuPont Pyralux lub Rogers Corp. R/Flex.
Podobnie nakłada się warstwy zewnętrzne – jak nalepki. Są one laminowane z klejem lub nakładane w procesie druku. Gdy ostateczne elastyczne i sztywne warstwy łączone są w panele w pokazanej powyżej 6-warstwowej płytce drukowanej są umieszczone razem, są one laminowane zewnętrznymi (górnymi i dolnymi) warstwami folii miedzianej pokrytymi klejem. Następnie wierci się otwory i je metalizuje. Opcjonalnie na tym etapie można również wykonać laserowo nawiercone ślepe przelotki (od góry lub od dołu). Dzięki temu jeszcze bardziej zmniejsza się koszt projektu. Otwory w PCB są następnie platerowane od góry do dołu, a ślepe przelotki z zewnętrznej warstwy. Ostatnim etapem jest druk górnej i dolnej maski przeciwlutowniczej oraz górnego i dolnego sitodruku – warstwy opisowej oraz finalnie pokrycia konserwującego (takiego jak złoto) lub warstwy przygotowującej miedź do lutowania (takiej jak cyna – HASL).
Konieczne jest przykładanie szczególnej uwagi w czasie parowania ze sobą warstw i dokumentowania owiertu, który ma być metalizowany (przelotek, ślepych przelotek etc.), aby zapewnić odpowiednią kolejność procesów technologicznych w czasie produkcji płytek drukowanych typu Flex-Rigid.
Fizyczne ograniczenia płytek
Ograniczenie ilości warstw elastycznych
Jakkolwiek jest to możliwe, by konstruować PCB z niemalże dowolną ilością warstw elastycznych, to skalowanie się kosztów w takim przypadku bywa bardzo słabe i przy większej ilości warstw taka płytka drukowana łatwo może stać się nieekonomiczna.
Dodatkowo, należy rozważyć problem związany z naprężeniami w Flexie w momencie składania ze sobą kolejnych warstw. Jest to o tyle problematyczne, że miedź jak większość metali nieżelaznych, utwardza się od naprężeń. Z uwagi na to cykliczne wyginanie miedzianych ścieżek w elastycznym laminacie doprowadzić może do ich utwardzenia, a w konsekwencji słabej odporności na wyginanie i finalnie złamania. Jest to szczególnie problematyczne, jeżeli laminat ma być wyginany z niewielkim promieniem gięcia.
Jeśli potrzebne jest jednakże więcej warstw, dobrze jest rozważyć równoległe umieszczenia kilku warstw laminatu Flex jeden nad drugim, jednakże to prowadzi do innych problemów, m.in. tego, że trzeba dobrać odpowiednie długości dla poszczególnych warstw – zewnętrzne muszą być dłuższe niż wewnętrzne. Omówimy dokładniej to w dalszych częściach cyklu.
Wzmacnianie połączeń
Jeśli konieczne jest uzyskanie wyższej wytrzymałości laminatu na zginanie czy inne naprężenia, to możliwe jest dodanie wzmocnienia na połączeniu Flex-Rigid. Wystarczy nanieść tam odrobinę kleju – akrylowego, epoksydowego lub nawet kleju na ciepło.
Można użyć automatycznego dozownika do kleju, ale trzeba liczyć tutaj na bliską współpracę z inżynierami montażu, aby upewnić się, że nie układ nie skończy np. z grudkami kleju kapiącego pod całym zespołem. W niektórych przypadkach klej musi być nakładany ręcznie, co zwiększa czas i koszty. Tak czy inaczej, w dokumentacji zawrzeć trzeba klarowną informację dla osób zajmujących się produkcją i montażem.
Z pewnością zabieg taki przedłuży żywotność naszej płytki drukowanej, oczywiście kosztem ceny zlecenia, jako że nakładanie kleju to kolejny proces technologiczny, przez który przejść będzie musiał nasz zespół PCB przed lub po obsadzeniu częściami i finalną integracją układu w urządzeniu. Jak zawsze w przypadku projektowania PCB to kwestia kompromisów.
Usztywnianie laminatu i terminale połączeniowe
Jeśli końcówki naszego laminatu nie są integrowane ze sztywną płytką drukowaną, to może zachodzić konieczność zaterminowania ich w sposób umożliwiający umieszczenie ich w gnieździe montowanym na PCB. Tego rodzaju usztywnienia wykonuje się zazwyczaj z grubszego poliimidu lub poprzez podklejenie tego fragmentu Flexa cienką warstwą płytki FR4.
Panelizacja
O panelizacji płytek drukowanych pisaliśmy w jednej z poprzednich części. W przypadku laminatów Flex-Rigid, elastyczna część laminatu pozostaje na sztywnym panelu przez cały proces montażu. Z tego powodu pamiętać trzeba o dodaniu dodatkowych obszarów sztywnego laminatu celem wsparcia elastycznej jego części. Nie są one przyklejane do Flexa, ale konieczne jest ich podfrezowanie na głębokość równą grubości elastycznego laminatu. Jest to niezwykle istotne, a dodatkowo niełatwe, gdyż potrzebna jest frezarka numeryczna o odpowiednio precyzyjnej kontroli w osi Z.
Po lewej stronie pokazano przykładowy gotowy produkt – płytka drukowana wykonana w technologii Flex-Rigid. Widać wklejony fragment elastycznego laminatu, który podparty jest fragmentem niewyciętego laminatu FR4, połączonego z panelem. Połączenia boczne z panelem nacięte są rowkiem, a pozostała cześć jest wyfrezowana. Takie przygotowanie laminatu sprawia, że łatwo będzie go transportować, automatycznie instalować na nim elementy i lutować w piecu czy na fali (zależnie od technologii montażu elementów). Pomoże to także w finalnym wycięciu układu z panelu przed integracją go z urządzeniem.
W kolejnej części artykułu omówimy dokładniej jakie są ograniczenia w stosowaniu technologii Flex-Rigid i na co trzeba koniecznie uważać, gdy projektuje się tego rodzaju płytki drukowane. Zajmiemy się też niuansami dokumentacji dla elastycznych PCB i omówieniem innych wymagań projektowych dla tworzenia tego typu elastycznych laminatów.
Źródło: https://www.electronicsweekly.com/blogs/electro-ramblings/industry-comment/guest-post-ruminating-rigid-flex-flex-circuit-materials-part-2014-02/
Cool? Ranking DIY
