Введение в гибкие печатные платы
Гибкая печатная плата (гибкая печатная плата или гибкая схема) — это тип печатной платы, изготовленной из гибких изоляционных материалов, таких как полиимидная пленка. В отличие от традиционных жестких печатных плат, гибкие печатные платы могут сгибаться и изгибаться, сохраняя при этом электрическую связь. Основные преимущества гибких печатных плат включают в себя:
Механическая гибкость: может сгибаться и изгибаться для установки в механически сложных пространствах.
Легкий и тонкий профиль: идеально подходит для компактных и легких конструкций.
Высокая плотность соединений: подходит для сборок с высокой плотностью соединений.
Универсальная конструкция: может складываться и оборачиваться по краям.
Долговечность: устойчива к вибрации и усталости, что обеспечивает долговременную надежность.
Универсальность применения: обычно используется в небольших потребительских электронных устройствах.
Гибкие печатные платы широко используются в различных отраслях, таких как бытовая электроника, автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, медицинские приборы и промышленное оборудование. С продолжающейся тенденцией к миниатюризации электроники гибкие печатные платы стали незаменимым решением для межсоединений.
-
Гибкая сборка
-
Гибкая печатная плата
-
2 слоя Flex
-
4 слоя Flex
Обзор процесса сборки гибкой печатной платы
Сборка гибкой печатной платы включает в себя пайку электронных компонентов, таких как интегральные схемы, резисторы и конденсаторы, на проводящие площадки и дорожки на гибкой плате. Этот процесс требует специальных навыков и оборудования для работы с гибким материалом во время сборки. Основные этапы процесса сборки гибкой печатной платы:
Проектирование и изготовление
Проектирование: макет печатной платы разрабатывается с использованием программного обеспечения САПР с учетом таких факторов, как радиус изгиба, наложение слоев и контролируемое сопротивление.
Изготовление: гибкая плата изготавливается с необходимым количеством проводящих слоев, прикрепленных к гибкой подложке. Обычными гибкими материалами являются полиимидные и полиэфирные пленки.
Крепление компонентов
Технология поверхностного монтажа (SMT): компоненты монтируются на плату с помощью паяльной пасты и пайки оплавлением припоя на сборочной линии SMT.
Технология сквозного монтажа (THT): более крупные компоненты сквозного монтажа могут быть спаяны волной припоя. Для дополнительного крепления компонентов также можно использовать клеи.
Усиление жесткости платы
Во время сборки под гибкой платой часто используется пластина жесткости для обеспечения поддержки и предотвращения деформации. Временные ребра жесткости можно снять после сборки.
Соединительные кабели и разъемы
Кабели, разъемы и жгуты крепятся к гибкой печатной плате с помощью пайки, обжима или склеивания для обеспечения питания и сигнальных соединений.
Конформное покрытие
Защитное конформное покрытие может быть нанесено для изоляции собранной гибкой цепи от факторов окружающей среды.
Тестирование и проверка
Собранная плата проходит электрические испытания, автоматизированный оптический контроль и функциональные испытания. Ремонт выполняется в случае обнаружения дефектов.
Окончательная интеграция
Протестированная гибкая сборка интегрируется в конечный продукт, например, путем складывания вокруг петель или вставки в корпуса. При необходимости добавляются компенсаторы натяжения.
Каждый шаг в процессе гарантирует правильную сборку гибкой печатной платы и ее надежную работу в конечном продукте.
Объяснение этапов процесса сборки гибкой печатной платы
Теперь давайте подробно рассмотрим каждый этап сборки:
Проект гибкой печатной платы
Анализ схемы и создание схемы: инженерная группа анализирует требования к схеме и создает схему.
Проект компоновки печатной платы:
Программное обеспечение САПР используется для проектирования компоновки печатной платы на основе схемы.
Ключевые соображения:
Радиус изгиба: избегайте острых складок, чтобы предотвратить растрескивание дорожек; определяется минимальный радиус изгиба.
Ребра жесткости: добавление ребер жесткости в определенных областях для предотвращения изгиба.
Управление импедансом: согласование импеданса дорожки для высокоскоростных сигналов.
Стек: определение количества проводящих слоев и диэлектрических материалов.
Расстояние между компонентами: учет плотности и расстояния между компонентами.
Подготовка файла Gerber: файлы окончательного проекта готовятся и отправляются на предприятие по изготовлению плат.
Изготовление гибких печатных плат
Закупка сырья: приобретите необходимые материалы, такие как полиимидные пленки, покровный слой, соединительный слой, медная фольга и паяльная маска.
Процесс изготовления схем:
Проводящие слои печатаются на полиимидной пленке с помощью процессов печати и травления.
Несколько слоев склеиваются с помощью клея или термокомпрессионного соединения для формирования многослойного стека.
Отверстия сверлятся и покрываются; слой паяльной маски наносится для защиты от окисления.
Печать легенд используется для указания местоположения компонентов.
Электрические испытания обеспечивают непрерывность дорожек.
Панели или отдельные схемы выводятся из более крупных панелей.
Сборка SMT
Процесс технологии поверхностного монтажа (SMT):
Печать паяльной пасты: паяльная паста наносится на контактные площадки печатной платы с помощью выравнивания трафарета и скребка.
Размещение компонентов: Автоматизированные машины для захвата и установки точно монтируют компоненты на паяльную пасту.
Пайка оплавлением: печатная плата проходит через печь оплавления для расплавления паяльной пасты и закрепления компонентов.
Автоматизированный оптический контроль (AOI): камеры проверяют размещение компонентов на наличие дефектов или несоосности.
Ручная доработка: любые выявленные дефектные соединения исправляются вручную.
Проблемы, характерные для сборки SMT на гибких платах:
Тонкость и гибкость гибких плат требуют использования ребер жесткости.
Чувствительность к высоким температурам и тепловым ударам.
Для компонентов меньшего размера и расстояния требуется специальное оборудование.
Критический контроль коробления.
Крепление компонентов через отверстия
Механическое или машинное крепление:
Большие компоненты с выводами вставляются в сквозные отверстия с покрытием и припаиваются с противоположной стороны.
Методы включают пайку волной припоя, селективную пайку или ручную пайку для каждого соединения.
Дополнительная поддержка: опорные конструкции под гибкой платой около компонентов через отверстия, особенно для двухсторонних гибких печатных плат.
Крепление компонентов с помощью клея
Использование клея:
Компоненты крепятся с помощью клея, а не пайки:
Крепление клеем на поверхности.
Нанесение жидкого клея.
Предварительно нанесенный клей на клеммы компонентов.
Преимущества: Обеспечивает механическое крепление и электрическое соединение, подходит для сложных участков или неровных поверхностей на гибких платах.
Использование ребер жесткости
Цель: Ребра жесткости или упрочнители, используемые для обеспечения механической поддержки во время сборки, чтобы предотвратить изгиб или деформацию гибких печатных плат.
Каждый этап процесса сборки гибких печатных плат обеспечивает точную конструкцию и надежную функциональность, отвечая требованиям современных электронных приложений.
Типы ребер жесткости:
Съемные ребра жесткости — акриловые или металлические пластины временно крепятся под гибкой платой во время сборки, но затем снимаются перед изгибом схемы.
Постоянные ребра жесткости — платы FR4 или металлические пластины, которые постоянно крепятся к определенным областям гибкой схемы, которые должны оставаться жесткими.
Дискретные ребра жесткости — небольшие ребра жесткости, крепящиеся только под определенными крупными компонентами или разъемами.
Отверстия для инструментов — дополнительные отверстия, используемые для штифтов, чтобы удерживать печатную плату в плоском положении во время сборки.
Методы применения ребер жесткости:
Крепление ребер жесткости
Винтовое соединение: металлические ребра жесткости крепятся в инструментальных или монтажных отверстиях для структурной поддержки.
Зажим: гибкая плата зажимается между зажимами и пластинами для сохранения плоскостности во время сборки.
Крепление клеем: липкие акриловые или эпоксидные клеи используются для приклеивания ребер жесткости, когда прикручивание нецелесообразно.
Пайка: металлические ребра жесткости припаиваются к гибкой плате, требуя устойчивости к температурам оплавления.
Крепление межсоединений
Кабели и разъемы:
Кабели, жгуты проводов и разъемы крепятся к краю гибкой платы для питания, сигналов и подключения.
Методы крепления:
Паяние: провода припаиваются к назначенным площадкам на гибкой плате.
Обжим: механические обжимы проникают в изоляцию проводника для фиксации проводов.
Смещение изоляции: соединители IDC прокалывают изоляцию проводов для установления контакта.
Анизотропный клей: проводящая клейкая пленка или паста облегчают электрические соединения.
Проводящий эластомер оси Z: использует проводящую резину для гибких соединений.
Армирование:
Термоусадочная трубка усиливает паяные соединения проводов, обеспечивая долговременную надежность и снятие натяжения.
Применение конформного покрытия
Цель:
Конформные покрытия защищают собранные печатные платы, обеспечивая:
Экранирование от окружающей среды (влага, пыль).
Механическую поддержку путем связывания компонентов.
Электрическую изоляцию между дорожками.
Популярные материалы для покрытий:
Акрил: распространенный, экономичный, простой в нанесении и ремонте.
Силикон: высокая термостойкость, гибкость.
Уретан: стойкость к истиранию.
Парилен: сверхтонкий, без отверстий, но дорогой.
Эпоксидная смола: твердая, долговечная, но сложная в нанесении и ремонте.
Процесс нанесения:
Очистка: Убедитесь, что на плате нет загрязнений.
Маскировка: Защитите такие области, как разъемы или контрольные точки, от покрытия.
Покрытие: Наносится путем погружения, распыления или нанесения кистью.
Отверждение: Тепло или УФ-излучение отверждают жидкое покрытие, превращая его в твердую защитную пленку.
Тестирование и проверка
Проверочные испытания:
Множественные испытания гарантируют надежность гибких печатных плат:
Визуальный осмотр: Проверка размещения компонентов и паяных соединений на наличие дефектов.
Внутрисхемный тест (ICT): Зонды проверяют электрическую непрерывность в соответствии со списком соединений.
Тест летающего зонда: Проверка соединения на голых платах перед установкой компонентов.
Функциональный тест: Проверка функциональности платы путем моделирования предполагаемых операций.
Автоматизированный рентгеновский контроль: Обнаруживает скрытые дефекты под компонентами, такими как BGA.
Эндоскопический осмотр: Использует камеры для проверки сборок с разных углов.
Измерения сопротивления: мультиметровые щупы измеряют значения сопротивления по всей плате.
Исправление дефектов:
Выявленные дефекты подвергаются диагностике, замене компонентов и доработке паяных соединений до тех пор, пока не останется никаких ошибок.
Окончательная интеграция
Сборка в конечные продукты:
Полностью собранные и протестированные гибкие платы интегрируются в конечные продукты:
Тщательно складываются, сгибаются или оборачиваются в соответствии со спецификациями проекта.
К разъемам или кабелям добавляются компенсаторы натяжения для предотвращения механического напряжения.
Монтируются в корпуса через отверстия или с помощью клея.
Подключаются к ответным разъемам внутри продукта.
Дополнительные механические детали:
Щиты, держатели и другие механические компоненты собираются по мере необходимости.
Вывод: Правильное планирование и тщательное качество работы на протяжении всего процесса сборки гибкой печатной платы обеспечивают надежные, функциональные и долговечные сборки схем, подходящие для требовательных приложений.
Оборудование для сборки гибких печатных плат
Специализированное оборудование для сборки гибких печатных плат
Оборудование для сборки SMT:
Гибкие конвейеры для перемещения плат: регулируемые вакуумные конвейеры надежно захватывают гибкие платы во время транспортировки по сборочной линии.
Гибкий инструмент для поддержки плат: включает вакуумные пластины или специализированные зажимные системы для поддержания плоскостности платы.
Машины для захвата и установки тонких плат: эффективно обрабатывают более тонкие платы и мелкие компоненты.
Двухполосные транспортные рельсы: разделяют усиленные и неусиленные платы для оптимизации обработки.
Специальные гибкие печи для оплавления плат: точно контролируют нагрев и охлаждение, предотвращая коробление.
Предварительные нагреватели: постепенно повышают температуру для обеспечения контролируемого оплавления.
Оборудование для сборки сквозных отверстий:
Покрытие штыревых сквозных отверстий: позволяет вставлять компоненты сквозных отверстий после сборки SMT на двухсторонних платах.
Сборка с прессовой посадкой: крепит некоторые компоненты сквозных отверстий без пайки.
Роботизированная пайка: автоматизированный процесс для последовательной пайки и проверки компонентов сквозных отверстий.
Другое оборудование:
Специализированные системы пайки волной гибких плат: обеспечивают точный контроль теплового воздействия и контакта припоя.
Системы конформного покрытия: точное распыление или роботизированное покрытие обеспечивает последовательное нанесение на гибкие платы.
Гибкие оптические системы инспекции: передовые системы, способные обрабатывать коробление гибких плат во время инспекции.
Тестеры с летающими зондами: позволяют проводить электрическое тестирование дорожек до и после размещения компонентов.
Рентгеновский контроль: обнаруживает скрытые дефекты, такие как пустоты под BGA после пайки.
Тестовые системы:
Тестовые приспособления с гвоздями: обеспечивают надежные временные соединения для тестирования гибких схем.
Тестеры с летающими зондами: автоматические зонды для тестирования электрических узлов без необходимости в испытательном приспособлении.
Функциональные испытательные стенды плат: имитируют реальные условия нагрузки для проверки функциональности платы.
Правильный выбор и использование специализированных инструментов и процессов, разработанных для гибких материалов, значительно повышают качество сборки и производительность.
Проблемы сборки гибких печатных плат
Сборка гибких печатных плат сопряжена с некоторыми уникальными проблемами, которые не встречаются при сборке жестких печатных плат:
Коробление и сморщивание
Гибкий тонкий материал склонен к короблению и образованию складок во время операций сборки:
Причины
1. Температурные градиенты во время пайки
2. Неравномерное распределение компонентов
3. Усадка клея во время отверждения
4. Внутренние напряжения в материале
Решения
1. Оптимизация скорости нагрева и охлаждения во время оплавления
2. Добавление ребер жесткости и опорных пластин для поддержки
3. Равномерное распределение компонентов для балансировки напряжений
4. Тщательный контроль процесса отверждения клея
Контроль регистрации и допусков
Материал гибкой платы может сжиматься и расширяться, что приводит к проблемам с несовмещением:
Причины
1. Несоответствие коэффициента теплового расширения
2. Растяжение и усадка гибкого материала
3. Накопление допусков при сборке процесс
Решения
1. Штифты и крепления с жесткими допусками
2. Системы визуального выравнивания для точного размещения
3. Сборка на основе панелей для минимизации обработки
4. Лазерная обрезка плат после сборки для улучшения наложения допусков
Проблемы с пайкой
Может быть сложно спаять небольшие соединения на тонком гибком материале:
Причины
1. Недостаточная теплопередача из-за толщины платы
2. Сниженное капиллярное действие паяльной пасты
3. Затенение соединений под компонентами
4. Образование капель припоя по краям панели
Решения
1. Специализированное паяльное оборудование для гибких плат
2. Оптимизация дозирования паяльной пасты
3. Паяльные маски для ограничения растекания припоя
4. Технология фокусированного тепла для затененных соединений
Очистка и загрязнение
Тонкие гибкие схемы подвержены загрязнению, что может привести к дефектам сборки:
Причины
1. Текстура гибкого материала может задерживать загрязняющие вещества
2. Чистящие растворители могут оставаться под компонентами
3. Компоненты могут быть повреждены в процессе очистки
Решения
1. Специализированные методы очистки, настроенные для гибких плат
2. Процессы очистки после пайки и сборки
3. Сборка в Чистая среда в максимально возможной степени
Надежность Via
Плавлированные сквозные отверстия на гибких платах
подвержены растрескиванию:
Причины
1. Изгибающие напряжения могут распространять трещины в покрытии
2. Плохая адгезия между гибким базовым материалом и покрытой оболочкой
3. Воздействие теплового удара во время сборки
Решения
1. По возможности сократите использование сквозных отверстий и отверстий с покрытием
2. Оптимизируйте толщину покрытия и обработку поверхности
3. Укрепите отверстия конформным покрытием.
4. Тщательно контролируйте скорость изменения температуры
Дефекты сборки гибкой печатной платы
Некоторые распространенные дефекты, обнаруженные в сборках гибких печатных плат:
Кратерообразование на контактной площадке — из-за чрезмерного изгиба тонких ламинатов во время сборки контактная площадка может треснуть и отделиться от базовой меди.
Шарики припоя — избыток припоя оставляет нежелательные шарики припоя, которые могут привести к коротким замыканиям.
Затененные соединения — такие компоненты, как разъемы, могут затенять соединения под ними, препятствуя правильному формированию галтели припоя.
Изолированные соединения — когда паяное соединение изолируется от остальных из-за изгиба и образует трещины.
Наплывы припоя — припой неравномерно скапливается вдоль краев гибкой платы.
Неправильная регистрация — компоненты размещены неправильно из-за расширения и усадки материала.
Надгробный камень — когда компоненты SMT стоят вертикально из-за неравномерного оплавления припоя.
Вытекание клея — избыток клея выходит из-под компонентов.
Повреждение сгиба — трещины или сломанные дорожки вдоль линий сгиба гибкой платы.
Трещины в отверстиях – трещины от напряжения в металлизированных стволах сквозных отверстий, ведущие к разрывам.
Загрязнение – инородные частицы, застрявшие под компонентами или блокирующие поток припоя.
Многие из этих дефектов можно предотвратить с помощью оптимизированных процессов сборки гибких плат и регулярного осмотра.