Введение
Flexible printed circuit boards (PCBs), also known as flex circuits, provide advanced capabilities beyond conventional rigid PCBs. Their flexible construction allows for bending, folding, and dynamic flexing, making them essential for modern electronics.
Overview of Flexible PCB Technology:
Materials and Construction:
-
Substrates: Polyimide or polyester for excellent thermal and electrical properties.
-
Conductive Layers: Rolled annealed or electro-deposited copper.
-
Adhesives and Coverlays: Acrylic or epoxy-based adhesives for protection and stability.
Key Properties:
-
Flexibility: Ability to bend and twist without damage.
-
Durability: Resistance to vibrations and mechanical stress.
-
Lightweight: Reduces device weight.
Design Considerations:
-
Bend Radius: Avoid stress fractures.
-
Trace Routing: Careful routing to minimize stress.
-
Layer Stackup: Optimize for mechanical properties and signal integrity.
Types and Applications:
-
Single-Sided: Simple applications.
-
Double-Sided: More complex designs.
-
Multilayer: High-density interconnections.
-
Rigid-Flex: Combines flexible and rigid sections.
Advantages:
-
Space-saving, lightweight, high flexibility, fewer connectors.
Limitations:
-
Higher initial costs, complex manufacturing, potential for mechanical damage.
Flex vs. Rigid PCBs:
-
Flexibility: Flex PCBs bend; rigid PCBs do not.
-
Durability: Flex for dynamic; rigid for static applications.
-
Cost: Flex PCBs have higher costs but can reduce overall system costs.
Future Trends:
-
Wearable Technology: Increasing demand.
-
Advanced Materials: Improved performance.
-
Miniaturization: Smaller, more complex devices.
Understanding flexible PCB technology helps effectively utilize flex circuits in electronic products, enhancing performance and enabling innovative applications.
-
Гибкая печатная плата
-
Гибкая сборка
-
Материал Dupont
-
2-слойная FPC
-
Многослойная FPC
Что такое гибкая печатная плата?
Гибкая печатная плата или гибкая печатная плата использует диэлектрический базовый слой, изготовленный из гибких полимерных материалов, таких как полиимид или полиэстер. Проводящие медные дорожки ламинируются на этот гибкий базовый слой, создавая тонкую, гибкую печатную плату. В отличие от жестких печатных плат, которые используют армирование стекловолокном, гибкие печатные платы могут динамически изгибаться и деформироваться во время использования, что обеспечивает уникальные преимущества для современных электронных приложений.
Распространенные названия гибких печатных плат:
1. Гибкие схемы
2. Гибкие схемы
3. Гибкие печатные схемы
4. Гибкие отпечатки
Основные свойства гибких печатных плат:
1. Гибкие: способны изгибаться, скручиваться и складываться для соответствия структурам.
2. Легкие: изготовлены из чрезвычайно тонкого гибкого материала, что снижает общий вес устройства.
3. Динамичные: могут выдерживать многократное изгибание, прокатку и складывание без повреждения.
4. Долговечность: рассчитаны на миллионы циклов изгиба, что обеспечивает долговременную надежность.
5. Интеграция: межсоединения могут сами служить компонентами, упрощая конструкцию.
6. Экономия места: обеспечивает тесную интеграцию с компактными продуктами, оптимизируя использование пространства.
7. Настраиваемость: могут быть изготовлены в любой 2D-форме для удовлетворения конкретных требований дизайна.
Применение и преимущества: гибкие печатные платы особенно хорошо подходят для компактных портативных электронных устройств, где традиционные жесткие платы не могут удовлетворить физические и электрические требования. Они обычно используются в таких приложениях, как смартфоны, носимые технологии, медицинские приборы и аэрокосмическая электроника, благодаря своей гибкости, долговечности и способности вписываться в сложные и ограниченные пространства. Используя уникальные свойства гибких печатных плат, проектировщики могут создавать более инновационные и эффективные электронные продукты.
Материалы и конструкция гибких печатных плат
Гибкие печатные платы (ПП) разработаны с использованием уникальных материалов и методов строительства, которые обеспечивают их уникальные возможности. Ключевыми компонентами сборки гибкой схемы являются:
Диэлектрическая гибкая подложка: базовый диэлектрический слой образует основу для токопроводящих дорожек. Выбор подходящего гибкого материала подложки имеет решающее значение. Распространенные варианты включают:
Полиимид (каптон): самый популярный выбор, высокая термостойкость, отличная химическая стойкость.
Полиэстер (ПЭТ): более низкая стоимость, умеренно высокая термостойкость.
Полиамид: остается гибким даже при низких температурах.
Фторполимеры (ПТФЭ): превосходная химическая стойкость, относительно дорогая.
Жидкокристаллический полимер (ЖКП): высокая частота, низкая потеря сигнала.
Полиимид является наиболее широко используемым материалом подложки благодаря своей высокой прочности, термическим свойствам и соотношению цена-качество.
Медная фольга: сверхтонкая прокатанная отожженная медная фольга ламинируется на базовую подложку. Типичная толщина фольги в гибких печатных платах составляет от 12 мкм до 35 мкм (от 0,5 унции до 1 унции). Самый тонкий вариант выбирается на основе токопроводящих потребностей для максимальной гибкости.
Проводники: Медная фольга формируется с помощью литографических процессов для создания требуемых токопроводящих дорожек или следов. Для изготовления проводников гибких печатных плат обычно используется субтрактивный процесс.
Покрытие: Тонкое гибкое диэлектрическое покрытие ламинируется поверх слоя проводника для изоляции и защиты. Толщина покрытия обычно составляет от 25 до 50 мкм. Обычные материалы для покрытия включают пленки Kapton или полиэфирные пленки.
Склеивающий клей: Клеевые пленки на основе акрила или эпоксидной смолы связывают базовую подложку с медной фольгой, а покрытие — с проводниками. Эти клеи обеспечивают эффективную адгезию, сохраняя гибкость.
Ребра жесткости: в многослойные конструкции могут быть включены дополнительные диэлектрические слои жесткости, чтобы минимизировать сморщивание или коробление гибкой печатной платы из-за термических напряжений.
Отделка и покрытия: паяльная маска покрывает рисунок проводника для изоляции и предотвращения окисления. Отделка поверхности, такая как выравнивание пайкой горячим воздухом (HASL), может быть нанесена на открытые площадки для дополнительной защиты.
Используя эти специализированные материалы и методы строительства, гибкие печатные платы достигают необходимых свойств для удовлетворения сложных физических и электрических требований современных электронных устройств.
Основные свойства гибких печатных плат
Гибкие печатные платы обладают уникальными свойствами, полученными из их материалов и методов изготовления, что делает их подходящими для различных современных приложений:
Толщина: общая толщина варьируется от 12 мкм для простых однослойных конструкций до около 180 мкм для сложных многослойных плат, что позволяет создавать чрезвычайно тонкие и легкие схемы.
Радиус изгиба: гибкие печатные платы можно сгибать до малых радиусов до 3-кратной толщины. Для некоторых конструкций достижим динамический изгиб до 10-кратной толщины.
Термостойкость: полиимидные основания обеспечивают термостойкость до 400 °C, что позволяет гибким печатным платам выдерживать температуры пайки оплавлением. Другие материалы обеспечивают более низкие максимальные температуры.
Химическая стойкость: подложки обладают хорошей химической стойкостью к распространенным флюсам и растворителям, используемым в процессах сборки и пайки.
Вес: легкие полиимидные или полиэфирные подложки делают гибкие печатные платы на 80–90 % легче, чем эквивалентные жесткие ламинаты.
Высокочастотные характеристики: короткие пути сигнала и тонкие диэлектрики обеспечивают превосходные высокочастотные характеристики. Такие подложки, как жидкокристаллический полимер (ЖКП), обладают превосходными радиочастотными свойствами.
Номинальные токи: толщина меди ограничивает допустимую нагрузку по току, при этом типичные непрерывные номинальные токи составляют от примерно 0,5 А до 5 А для обычных конструкций гибких схем.
Тщательно выбирая подходящие материалы и соблюдая правила проектирования, можно оптимизировать свойства гибких печатных плат для соответствия конкретным требованиям применения, гарантируя надежную работу в различных электронных устройствах.
Соображения по проектированию гибких печатных плат
Проектирование надежной гибкой печатной платы требует решения динамических аспектов изгиба с помощью специальных рекомендаций:
Ширина и расстояние между дорожками: более широкое расстояние между узкими дорожками в динамических областях необходимо для предотвращения трещин. Рекомендуется соотношение расстояния к ширине дорожки 2:1.
Радиус изгиба: прокладывайте дорожки перпендикулярно осям изгиба. Поддерживайте толщину основания не менее 3X для статических изгибов и 10X для динамических изгибов.
Пустоты в покрытии: минимизируйте пустоты, где дорожки открыты, чтобы предотвратить износ, особенно в зонах динамического изгиба.
Армирование: используйте ребра жесткости в многослойных областях, чтобы предотвратить коробление и образование складок во время изгиба.
Клей: используйте высокоэффективные гибкие клеи, такие как акрил, для долговечности в динамических гибких приложениях.
Отверстия: используйте каплевидные отверстия с подходящими кольцевыми кольцами, чтобы предотвратить распространение трещин от краев просверленных отверстий.
Углы: скруглите острые углы дорожек с более высокими радиусами, чтобы снизить концентрацию напряжений. Избегайте наклонных дорожек на углах.
Подкладки: используйте закругленные прямоугольные или круглые подкладки и терморазгрузочные подкладки в местах изгиба с перегибами.
Следуя этим рекомендациям, можно спроектировать гибкие печатные платы, способные выдерживать миллионы циклов изгиба, что гарантирует длительный срок службы изделия и надежность в различных приложениях.
Распространенные типы гибких печатных плат и их применение
Гибкие печатные платы универсальны в различных конфигурациях для межсоединений и корпусных приложений:
Гибкие межсоединения: используйте проводящие дорожки для соединения печатных плат, дисплеев и модулей через петли или слайды, обеспечивая динамические движения.
Гибкие кабели: параллельные проводящие дорожки на рулонных гибких подложках создают ленточные кабели высокой плотности для сигналов, данных и силовых соединений.
Мембранные переключатели: объединяют проводящие дорожки, прокладки и гибкие накладки для сверхтонких сенсорных переключателей управления.
Гибкие жесткие платы: объединяют жесткие секции с гибкими областями, обеспечивая компактное складывание при сохранении сложных жестких структур.
Гибкие нагреватели: дорожки из никель-хромового сплава на гибких подложках образуют тонкие, удобные грелки и одеяла для универсального применения в области нагрева.
Области применения:
Медицинские инструменты
Носимые устройства
Робототехника и промышленные машины
Потребительская электроника
Автомобильная электроника
Авиационно-космические и военные системы
Гибкие печатные платы благодаря своей компактности, легкости и динамическим возможностям позволяют создавать инновационные проекты в различных отраслях.
Преимущества и выгоды гибких печатных плат
Вот некоторые из основных преимуществ, предоставляемых технологией гибких печатных плат:
Динамическое сгибание — выдерживает миллионы циклов движения, что позволяет выполнять скручивание, скручивание, складывание, что невозможно с жесткими печатными платами.
Соответствует форме — может плотно интегрироваться с контурами продукта и корпусами в отличие от жестких плат.
Легкий вес — чрезвычайно низкая масса по сравнению с жесткими ламинатами позволяет использовать портативные носимые устройства.
Тонкий форм-фактор — компактные, низкопрофильные схемы для небольших пространств и более тонких продуктов.
Прочный — гибкая конструкция устойчива к вибрациям и механическим ударам.
Высокая плотность — интегрирует межсоединения, избегая внешних кабелей и разъемов.
Индивидуальные формы — могут быть изготовлены в неограниченном количестве двумерных форм и контуров.
Мягкий и гибкий — позволяет интегрировать полные электронные системы в ткани.
Надежность — обеспечивает стабильную производительность в течение срока службы при правильной конструкции.
Экономия средств — отсутствие разъемов, упрощение сборки и снижение общей стоимости продукта.
Ограничения и проблемы
Несмотря на множество преимуществ, технология гибких печатных плат также имеет следующие ограничения:
Ограниченное количество слоев и плотность — типичные 1–6 слоев позволяют использовать только более простые схемы. Многослойная гибкая плата с высокой плотностью все еще находится в стадии разработки.
Низкие номинальные токи — толщина меди ограничивает допустимую нагрузку по току, как правило, менее 5 А.
Сложная сборка — требуются специализированные процессы SMT, подходящие для гибких подложек.
Склонность к износу — неправильное динамическое расстояние между гибкими проводниками приводит к трещинам и поломкам проводников.
Требуется подложка — гибкие схемы требуют сборки на жестких рамах или корпусах для полной интеграции системы.
Проблемы терморегулирования — изолирующая полимерная подложка препятствует рассеиванию тепла.
Подверженность воздействию окружающей среды — поэтому необходима дополнительная защитная герметизация.
Благодаря разумным методам проектирования и прогрессу в области материалов эти ограничения постоянно устраняются для расширения возможностей гибких печатных плат.
Будущие тенденции в области гибких печатных плат
Заглядывая вперед, можно сказать, что эволюция технологии гибких печатных плат будет развиваться в соответствии с несколькими ключевыми тенденциями:
Более тонкие конструкции: расширение границ с толщиной гибкого слоя всего 1 мил, повышение гибкости без ущерба для производительности.
Более мелкие элементы: меньшая ширина дорожек и расстояние между ними до 2 мил, что обеспечивает более высокую плотность интеграции в компактных электронных устройствах.
Улучшенные материалы: внедрение усовершенствованных подложек, таких как жидкокристаллический полимер (LCP), для превосходных электрических и высокочастотных характеристик, отвечающих требованиям приложений следующего поколения.
Компоненты с мелким шагом: упрощение прямого поверхностного монтажа микросхем с ультратонким шагом на гибких печатных платах, поддержка миниатюризации и функциональности в устройствах малого форм-фактора.
Высокоплотная гибкая конструкция: разработка гибких многослойных плат с количеством проводящих слоев до 12, что обеспечивает улучшенную функциональность и сложность электронных конструкций.
Встраиваемые пассивные компоненты: Интеграция тонких встроенных резисторов и конденсаторов в гибкие слои, оптимизация пространства и улучшение целостности сигнала.
Растягивающиеся схемы: Исследование новых материалов для создания гибких печатных плат, которые могут растягиваться и деформироваться, что открывает новые возможности в носимой электронике и биомедицинских приложениях.
Аддитивная обработка: Переход от традиционного субтрактивного травления к аддитивным методам изготовления, таким как печать или гальванопокрытие, повышение точности и эффективности производства.
3D-структурированные гибкие схемы: Инновационные методы изготовления структур гибких схем вне плоскости, позволяющие создавать более сложные и настраиваемые электронные сборки.
Поскольку эти тенденции совпадают с достижениями в области материаловедения и производственных возможностей, технология гибких печатных плат будет стимулировать инновации, обеспечивая беспрецедентные конструкции и функциональные возможности в различных отраслях.
Заключение и резюме
-
Технология Flex PCB использует специализированные материалы и конструкции для создания гибких, легких и динамичных схем.
-
Полиимид выступает в качестве преобладающей гибкой диэлектрической подложки в сочетании со сверхтонкой медной фольгой для обеспечения проводимости.
-
Гибкие печатные платы поддерживают малые радиусы изгиба, в пределах от 3 до 10 раз превышающих общую толщину, что облегчает применение в различных проектах.
-
Конструктивные соображения имеют решающее значение для обеспечения оптимальных динамических характеристик гибкости и надежности.
-
Гибкие схемы широко распространены в компактных и портативных электронных устройствах, требующих гибкости и долговечности.
-
Несмотря на уникальные преимущества, гибкие печатные платы имеют ограничения по количеству слоев, плотности и возможностям управления мощностью.
-
Постоянные усовершенствования направлены на достижение более тонких профилей, более высокой плотности и улучшенных характеристик.
-
Благодаря своим уникальным возможностям и преимуществам гибкие печатные платы продолжат расширять свое применение в качестве важнейшего решения для межсоединений, способствуя миниатюризации электроники в различных отраслях промышленности.