Гибкие печатные платы. Преимущества и применение – Компоненты и технологии

Материалы для гибких и гибко-жестких печатных плат – время электроники

Skip to content

В настоящее время отечественные производители все большее внимание уделяют проектированию гибких (ГП) и гибко-жестких печатных плат (ГЖП). Ранее ограничивающим фактором в таких разработках являлось отсутствие необходимых базовых и вспомогательных материалов для их изготовления, а также достоверной информации для принятия конструкторского решения. Хотя за время существования гибких плат предпринимались попытки использования множества различных материалов, сейчас их круг сузился, так что лишь некоторые из них получили широкое распространение. В этой статье рассматриваются новые материалы, поступившие на российский рынок с тем, чтобы помочь конструкторам и технологам сделать правильный выбор для решения их задач.

Востребованные характеристики материалов для ГП и ГЖП

В первую очередь, стоит рассмотреть, какие требования в целом предъявляются к базовому материалу. Несмотря на то, что ни один из известных материалов не способен отвечать всем конструктивно-технологическим требованиям, все же имеет смысл представить себе, как выглядит идеальная комбинация материалов, чтобы понимать те компромиссы, на которые, возможно, придется пойти при их выборе.

Стабильность размеров

Идеальный гибкий фольгированный диэлектрик должен обладать исключительной стабильностью размеров. Усадка или расширение базового материала гибкой платы в процессе обработки вызывает проблемы в производстве, поскольку влияет на совмещение элементов межсоединений при изготовление печатной платы и при сборке. Особенно неприятно, если изменения размеров нельзя предсказать заранее.

Термостойкость

Так как в сборочно-монтажном производстве применяются групповые процессы нагрева, такие как пайка оплавлением, крайне необходимо, чтобы выбранный материал был в состоянии, не деформируясь, устойчиво выдерживать высокие температуры пайки. В условиях неразумного и неоправданного с научной точки зрения перехода на бессвинцовую пайку, которая стала в Европе обязательной по директиве RoHS, требования к теплостойкости ужесточатся.

Сопротивление разрыву

Так как многие конструкции гибких плат являются тонкими и неармированными, они уязвимы с точки зрения разрывов. Поэтому базовый материал для изготовления гибких плат должен иметь высокое сопротивление надрыву и разрыву.

Электрические характеристики

С увеличением скорости передачи сигналов (более 100 МГц) становятся все более важными высокочастотные характеристики материалов. Материал должен иметь малую диэлектрическую проницаемость и низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь. Кроме того, для различных высоковольтных задач желательно иметь высокое сопротивление изоляции.

Гибкость

Часто принципиальным становится очевидное требование — гибкость. В зависимости от области применения гибкие платы могут подвергаться воздействию экстремальных температур: от горячей кухонной плиты до холода в криогенных системах. Поэтому крайне важна гибкость в широком диапазоне температур. Особое значение имеет гибкость при низких температурах, когда большинство материалов склонно к охрупчиванию.

Низкое влагопоглощение

Очевидно, что влагопоглощение нежелательно для любого гибкого основания. Накопленная влага может негативно сказаться как на производственном процессе, вызывая расслоение при температурных обработках или монтаже, так и на характеристиках готового изделия, увеличивая потери сигнала в линиях связи.

Стойкость к химическим воздействиям

Способность материала гибкой платы противостоять воздействию ряда химических реагентов важна как для производителя плат, так и для последующей сборки. Множество различных агрессивных химических веществ, применяемых в производстве гибких печатных плат, заставляют производителя задуматься, насколько хорошо материал будет выдерживать его обработку. Также материал должен быть совместимым с широкой номенклатурой химических реагентов и типичных растворителей, используемых в процессах монтажа и последующей отмывки.

Повторяемость характеристик от партии к партии

Колебания значений параметров — бич производства, поэтому повторяемость характеристик материала важна для хорошего управления процессом. Хотя требования к устойчивости показателей качества не всегда достижимы, высокая повторяемость всех характеристик материала, включая физические, механические и электрические, является ключевым фактором стабильности производства. Повторяемость характеристик материалов гарантирует, что настроенное производство ГП и ГЖП не будет требовать частых переналадок.

Несколько поставщиков

Важная проблема для производителя — ситуация, в которой поставки материала возможны только из одного источника. К сожалению, в этих условиях производитель оказываются незащищенными от возможного прекращения поставок материала, если используется только один поставщик, хотя данный материал во всем остальном может обладать отличными характеристиками. В большинстве случаев, необходимым условием при выборе материала является наличие второго поставщика, способного производить эквивалентный материал.

Низкая стоимость

Стремление к недорогим решениям — повсеместная практика в области электроники. Бесконечный поиск более дешевого материала, чтобы немного увеличить прибыль, неизбежен. Однако нужно помнить, что реальная ценность материала определяется тем, как он влияет на общую стоимость производства и готового изделия, а не тем, сколько будет стоить его покупка и доставка.

Основные элементы структуры материалов для ГП и ГЖП

Освежив в памяти желаемые характеристики материалов, можно перейти к обзору основных составляющих материалов гибких плат и некоторых типичных подструктур их конструкции и разобраться, где лежат ограничения в достижении поставленных целей.
Основных элементов структуры гибких печатных плат не так много, и ни один из них не может считаться маловажным.
Ниже приведены краткие описания основных элементов структуры гибких печатных плат и их функций.

Материал основания ГП

Материал основания (базовый материал) представляет собой гибкую полимерную пленку, играющую роль основы фольгированного диэлектрика. В обычных обстоятельствах базовый материал гибкой платы обеспечивает большинство основных ее физических и электрических характеристик. Когда речь идет о безадгезивных конструкциях печатных плат, базовый материал определяет все их характерные свойства.
Хотя толщина пленки может варьироваться в широких пределах, большинство предлагаемых гибких материалов имеют сравнительно малые толщины в узком диапазоне от 12 до 125 мкм. Хотя из общих представлений очевидно, что более тонкие материалы обладают большей гибкостью, не следует забывать инженерное правило: жесткость гибких материалов пропорциональна кубу их толщины. Это означает, что если толщина материала удваивается, он становится в восемь раз жестче и при той же нагрузке прогнется в восемь раз меньше.

Металлическая фольга

В качестве проводящего элемента структуры ГП и ГЖП используется металлическая фольга, из которой вытравливаются проводники платы. Хотя в типовых фольгированных диэлектриках для гибких плат применяется катаная и отожженная медь, на рынке присутствует большое разнообразие типов и толщин металлической фольги, из которого можно сделать выбор при изготовлении плат.

Фольгированные диэлектрики

Фольгированные диэлектрики — основной вид материала, применяемого в большинстве конструкций гибких плат. Медная фольга является преобладающей, но возможно применение фольги и других типов.
Обычно фольгированный материал выполняется соединением нескольких слоев, включающих материал основания, адгезив и металлическую фольгу. Затем пакет нагревают и прессуют, получая в результате неразборную структуру из металлических и полимерных слоев.
В случае применения безадгезивных фольгированных диэлектриков, адгезив в конструкции отсутствует. В некоторых «безадгезивных» диэлектриках используется тонкий слой сверхвысокотемпературного адгезива, позволяющего создавать структуры, по существу, такие же, как и безадгезивные. Существуют также способы создания безадгезивных многослойных материалов без прессования. Более подробно это будет рассмотрено ниже.

Адгезивная пленка

Адгезивы используются в фольгированных диэлектриках в качестве связующего. Когда речь заходит о термостойкости, адгезив обычно также ограничивает характеристики фольгированного диэлектрика, особенно, когда базовым материалом является полиимид. Из-за сложностей при использовании полиимидных адгезивов, в настоящее время во многих полиимидных гибких платах применяются системы адгезивов из других групп полимеров. Тем не менее, некоторые новые термопластичные полиимидные адгезивы получают достаточно широкое распространение.
Выбор толщины адгезива, как правило, зависит от задуманной конструкции ГП и ГЖП. Например, адгезивы большой толщины применяются для выполнения покровных слоев на рисунке из медной фольги большой толщины.

Покровные слои

Обычно покровный слой представляет собой двухслойный материал, состоящий из базового материала и подходящего термореактивного адгезива. Однако в покровных слоях также могут применяться термопластичные пленки из одного материала. Покровный слой служит для защиты проводников готовой гибкой платы и помогает увеличить гибкость. Материалы покровных слоев часто применяются для создания гибких фольгированных диэлектриков путем присоединения к ним металлической фольги. Это обычно делается, когда производитель гибких плат изготавливает свой собственный материал.

Фотопроявляемые покровные слои

Еще один тип покровных слоев, применяющийся для изготовления гибких печатных плат, это фотопроявляемые покровные слои. Этот материал, который мы не упоминали при рассмотрении основных элементов структуры, подобен сухой пленочной паяльной маске. Как и паяльная маска, он наносится вакуумным способом, чтобы достичь хорошего прилегания в местах вокруг проводников. Затем, как и светочувствительная паяльная маска, материал экспонируется и проявляется, обеспечивая доступ к элементам рисунка платы, предназначенным для монтажа компонентов.

Защитные покрытия

Термином «защитное покрытие» обозначаются различные тонкие покрытия, которые наносятся на поверхность проводников вместо покровного слоя. Обычно защитные покрытия применяются в случаях, когда динамический изгиб отсутствует или минимален.
В процессе изготовления плат защитные покрытия обычно наносятся в жидком виде методом трафаретной печати и затем отверждаются под воздействием тепла либо УФ-излучения.

Соединительные слои

Соединительные слои представляют собой элементы структуры гибких печатных плат, состоящие из пленочного базового материала с адгезивной пленкой, нанесенной на обе стороны методом полива. В качестве адгезива обычно применяется термопластичный материал.
Хотя соединительные слои могут применяться для создания фольгированных диэлектриков с двумя металлическими слоями, чаще всего они используются как конструкционные элементы при изготовлении некоторых более сложных структур, таких как многослойные гибкие и жестко-гибкие платы

Литьевые адгезивные пленки

Литьевые адгезивные пленки представляют собой отдельный класс адгезивных материалов. Эти пленки чаще всего являются термопластичными и наносятся методом полива на одноразовую подложку или съемную пленку.
Литьевые адгезивные пленки часто применяются для присоединения к гибкой плате усилений из жестких материалов. Также в некоторых случаях они применялись в качестве замены соединительных слоев.

Липкие пленки

Липкие пленки — семейство адгезивных пленок для разборных или неразборных соединений на отслаиваемых подложках, которые могут переноситься непосредственно на поверхность гибкой платы или другого материала для последующего его присоединения к другой поверхности. После нанесения такого адгезива на плату можно выполнить соединение практически с любой поверхностью, однако, отверждаемые под давлением адгезивы в изготовлении гибких плат преимущественно применяются для скрепления с жестким элементом.
Также в семействе отверждаемых под давлением адгезивов существует особая подгруппа, которая может наноситься трафаретной печатью непосредственно на обратную сторону гибкой платы и затем отверждаться УФ-излучением для создания клейкого покрытия, когда такое покрытие необходимо. Этот метод может использоваться для повышения эффективности при очень больших объемах производства, или когда необходимо поддерживать себестоимость ГП и ГЖП на минимальном уровне.

Материалы жестких конструкций ГЖП

Хотя жесткие конструкции ГЖП не являются непосредственно частью гибкой печатной платы, они — важный элемент конструкции ГЖП. Материалы жестких оснований применяются для упрочнения гибкой платы там, где это необходимо. Чаще всего жесткие элементы предназначены для установки электронных компонентов или для выполнения печатных разъемов. Они служат конструкционным основанием компонентов при сборке и при эксплуатации.
Жесткие основания могут изготавливаться практически из любого материала, включая металл, пластик, фольгированные стеклопластики и даже дополнительные слои материала покровного слоя. Использование материала защитной маски для упрочнения отдельных областей в настоящее время является весьма распространенной практикой.

Характеристики материалов ГП и ГЖП фирмы Hitachi

Рассмотрев основные элементы материалов гибких печатных плат (пленочный базовый материал, адгезивный слой и металлическая фольга), а также их сочетания, можно получить полное представление об их характеристиках на примере материалов компании Hitachi Chemical.
Компания Hitachi Chemical является одним из самых успешных мировых лидеров в производстве и поставках на рынок фольгированных диэлектриков. На рис. 1 и 2 изображены наиболее ходовые конструкции безадгезивных базовых материалов MCF-5000ID (двухсторонний диэлектрик) и MCF-5000IS (односторонний диэлектрик) соответственно. В таблице 1 представлены основные параметры этих материалов.
Материалы MCF-5000IS и MCF-5000ID облицованы медной фольгой с низким профилем, что позволяет получать более точную геометрию топологии проводящего рисунка без ущерба для качества сцепления.

Таблица 1. Основные параметры материалов

Контролируемый параметр

Условия измерений

Единицы измерения

MCF-5000IS,

MCF-5000ID

Tg

TMA

350 — 380

CTE

X

ppm/C°

20 — 22

Y

Z (<Tg)

20 — 22

Стойкость к воздействию высокой температуры

A

сек

>180

PCT 2 часа

>180

Диэлектрическая проницаемость

1 ГГц

2,9 — 3,0

Тангенс угла диэлектрических потерь

1 ГГц

0,002 — 0,004

Водопоглощение

PCT 3 часа

%

0,6 — 0,8

Адгезия медной фольги

Для 18 мкм

N/мм

1,3

Стабильность геометрических размеров

После травления (MD)

%

−0,01 ± 0,003

После травления (TD)

−0,01 ± 0,003

Немаловажным фактором является размерная стабильность применяемых материалов в современных конструкциях ГЖП, так как брак по причине несовмещения тонких слоев является неисправимым или приводит к последующим отказам соединений, если брак не был вовремя распознан. На рис. 3 представлены сравнительные характеристики изменения геометрических размеров.

Материалы MCF-5000IS и MCF-5000ID поставляются с толщиной медной фольги от 9 до 35 мкм и толщиной диэлектрика в пределах 5 до 25 мкм (данные значения являются стандартными у компании Hitachi Chemical, поэтому другие толщины уточняются при получении заказа).
Чтобы объединить все слои ГЖП или многослойного гибкого кабеля поставляются адгезивы MCF-5000IA (рис. 4). Преимущество данных адгезивов заключается в том, что при наличии стандартного технологического оборудования для производства МПП на диэлектриках типа FR-4 можно изготавливать сложные ГЖП. Другим важным преимуществом материалов Hitachi Chemical является определенное значение текучести, что позволяет изготавливать между жесткими МПП шлейфы с разделенными слоями (рис. 5) без применения специальных вставок регулирующих растекание смолы. Электрические и химические свойства адгезива MCF-5000IA близки к основному фольгированному диэлектрику, что делает конструкцию единым целым (таблица 2).

Таблица 2. Электрические и химические свойства адгезива MCF-5000IA

Контролируемый параметр

Условия измерений

Единицы измерения

MCF-5000IR

Tg

TMA

240 — 260

CTE

X

ppm/C°

150 — 180

Y

ppm/C°

150 — 180

Стойкость к воздействию высокой температуры

A

сек

>180

PCT 2 часа

сек

>180

Адгезия медной фольги

Для 18 мкм

N/мм

1,3

Все материалы отвечают требованиям негорючести V-0 по UL94.
Другим оригинальным решением компании Hitachi Chemical является применение материала MCF-5000IR в конструкциях ГЖП и гибких кабелях в качестве наружного слоя или в качестве покрывной пленки, показанных на рис. 6.

Материал выпускается с толщиной медной фольги 9,12,18 мкм, которая получена на подслое из полиимида со свойствами, как у материала MCF-5000IS, и снабженного адгезивным слоем. Если данный материал используется в качестве гибкой защиты поверхности внешних слоев ГЖП, то верхний медный слой полностью стравливается. В тех случаях, когда необходимо применить материал MCF-5000IR для образования рисунка проводников на наружном слое, после процесса прессования вытравливают рисунок внешних слоев. Такое применение материала позволило улучшить массогабаритные показатели ГЖП. На рис. 7 и 8 показан пример реализации конструкций из этого материала в сравнении с традиционной технологией ГЖП. Функциональность двух конструкций жестко-гибких печатных плат идентична, но они имеют разную технологию изготовления в зависимости от базовых материалов. Рассмотрим сводную таблицу конструкций (таблица 3).

Таблица 3. Сводная таблица конструкций

В результате, многослойная ГП из материала Hitachi Chemical имеет толщину 95 мкм против ГЖП толщиной 395 мкм, изготовленной по традиционной технологии. При этом изготовление многослойной ГП гораздо проще, так как нет необходимости во фрезеровании нетекучего препрега и одностороннего ламината (стандартная технология) и меньше на одну операцию прессования, так как по традиционной технологии требуется прессовать еще и покрывную пленку.
В полной мере возможности материалов Hitachi Chemical раскрываются в такой конструкции, как гибко-жесткая печатная плата на рис. 8. Реализация такого варианта изображена на рис. 9 и 10, где отчетливо видна многоуровневая конструкция гибкой части с двухсторонней защитой покрывным материалом. На этих рисунках изображена ГЖП с конструкцией из четырех двухсторонних гибких кабелей, на жестких концах которой распаяны микроразъемы. Очевидно, что данная конструкция более надежно противостоит вибрациям и изгибным нагрузкам. На рис. 9 хорошо просматривается селективная защита из покрывной пленки — материал MCF-5000IR. В настоящее время началась продажа модифицированной конструкции материала MCF-5000IR, где в качестве медной фольги применяется алюминиевая фольга (MCF-5000IC). В результате при фрезеровании материал имеет точный обработанный край, а после процесса прессования фольга не травится, а удаляется простым механическим способом — подцепил и снял.

Завершает список базовых материалов Hitachi Chemical армированные стеклянной сеткой фольгированные полиимиды серии MCL-I-671. На базе MCL-I-671 можно изготавливать жесткие и гибкие ДПП и МПП, так как толщина диэлектрика поставляется в диапазоне от 60 мкм до 2 мм, а набор фольги — от 12 до 70 мкм. Главное отличие данного материала заключается в отсутствии в связующем такого вещества как метилендианилин, что позволяет увеличить стабильность диэлектрических и физических свойств электронных изделий. Для изготовления МПП производятся стандартные и нетекучие препреги, что значительно удешевляет стоимость продукции и делает полностью совместимой данного материала с серией 5000I.
Уже два года Предприятие Остек представляет на отечественном рынке продукцию компании Hitachi Chemical. Благодаря нашему сотрудничеству с компанией Hitachi Chemical мы своевременно получаем полную технологическую поддержку и оперативную техническую информацию.
Каждая поставляемая единица товара тщательно упаковывается с соблюдением всех норм по сбережению товара при транспортировке и хранении (рис. 11). Независимо от количества заказанной продукции Заказчик получает индивидуальный сертификат на товар, который подтверждает прохождение инспекции на заводе-изготовителе и соответствие технической документации на материал (рис. 12).

Заключение

В производстве гибких плат применяется большое разнообразие материалов, включая пленки, фольгу и адгезивы. Помимо базовых материалов, в конструкциях на их основе может применяться широкая номенклатура адгезивов и множество типов металлической фольги. Выбор применяемых материалов в большой степени зависит от того, как и где плата будет собираться и эксплуатироваться.
Японская компания Hitachi Chemical полностью отвечает всем запросам материалов, используемым в производстве печатных плат. Гарантией их качества является высокий уровень многообразных изделий электроники, производимый в Японии, в которых широко используются материалы компании Hitachi Chemical.

Гибкие материалы:  «Это не так страшно, как кажется!» Специалист объясняет, что такое колоноскопия и ФГДС

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *