Гибкую электронику сделали проще и надежнее: это приблизит нас к полностью гибким дисплеям

Гибкую электронику сделали проще и надежнее: это приблизит нас к полностью гибким дисплеям

Другие варианты тонкой меди

Результатом непрекращающегося стремления к уменьшению размеров электронных изделий и систем стала потребность в более тонкой медной фольге для выполнения проводников и элементов рисунка меньших размеров. Производство более тонкой медной фольги, которая могла бы удовлетворять требования к гибким платам, — очень сложная задача.

Хотелось бы, чтобы фольга не содержала пор и имела хорошую адгезию, что очень важно для надежного производства и эксплуатации изделий. Для удовлетворения этих требований некоторые поставщики фольги и материалов разработали и применили ряд новых усовершенствованных методов.

Как отмечалось выше, традиционная катаная и затем отожженная фольга получила признание поставщиков и пользователей материалов гибких плат, однако прокатка медной фольги до толщины менее 17 мкм хотя и возможна, но обычно дорога. Чтобы продлить жизнь этому методу, такие поставщики фольги, как Somers, подразделение компании Olin Corporation, разработали технологию, позволяющую присоединять к гибким пленкам медную фольгу толщиной 3 и 5 мкм.

«Фокус» заключался в том, что тонкая фольга формируется на носителе из катаной медной фольги обычной толщины (35 мкм). Материал обладает равномерной толщиной и не содержит пор. Обычную для медной фольги обработку, улучшающую адгезию, для гибких плат желательно проводить на небольшую глубину.

В новой медной фольге компании Olin применяется запатентованный неорганический разделительный слой между носителем из катаной фольги и тонкой медной фольгой. Сила, необходимая для снятия несущей фольги после нанесения на базовый материал, как утверждается, очень мала (около 1-2 г/см) даже после процесса прессования.

Компании Gould и Oak Mitsui предлагают подобную ультратонкую медную фольгу на носителях из фольги, предназначенную для плат с очень малой шириной проводников и небольшими размерами элементов рисунка.

Последний вариант — безадгезивный гибкий материал с медным фольгированием без промежуточного слоя от компании Fractal. Обойтись без промежуточного слоя удалось благодаря новаторской технологии микромеханических соединений, результирующая прочность на отрыв которых достигает впечатляющих значений: 2-2,5 кг/см (рис. 5).

Рис. 5. Вид сверху платы с вытравленными тонкими проводниками (сверху наложено многократно увеличенное изображение медной фольги со снятым полимером, показывающее уникальную микромеханическую структуру, предназначенную для увеличения прочности на отрыв)

Как утверждается, в производственном процессе применяется необычная технология, в которой полимерные пленки облучаются тяжелыми высокоэнергетическими ионами, затем материал из облученных участков удаляется химическим способом, подобным «проявлению», после чего производится металлизация.

Микрофотографии позволяют сравнить эту технологию подготовки поверхности с традиционной обработкой. В результате предлагаются одно- и двусторонние медно-полиимидные фольгированные диэлектрики для гибких плат с толщиной фольги от 5 до 18 мкм. При такой высокой прочности на отрыв эти материалы могут хорошо переносить жесткие условия электроосаждения золота.

Подводя итог, заметим, что потребность в гибких платах высокой плотности подталкивает зарубежных производителей фольги к разработке новых оригинальных решений. Эти решения позволяют изготавливать современную продукцию и подготавливают почву для новых перспективных поколений изделий.

Новый материал для гибкой электроники

Отдельные примеры использования гибких печатных плат

Высокоскоростные длинные линии связи

Гибкие печатные платы с согласованными линиями связи представляют жизнеспособную альтернативу СВЧ-линиям на дистанции от печатной платы к плате до 75 см с производительностью вплоть до 10 Гбит/с. Преимущество гибкой печатной платы заключается еще и в возможности взаимного перемещения соединяемых печатных плат, перегибов во всех направлениях, что не свойственно другим видам высокочастотной связи (рис. 16).

Рис. 16. Длинная линия высокоскоростной связи, выполненная гибким шлейфом

Слуховые аппараты

Малый вес слуховых аппаратов, размещение их позади уха стали возможны после изобретения транзистора. И они стали первыми электронными изделиями на транзисторах, получившими массовое распространение.

До этого использовались аппараты на миниатюрных радиолампах. Они были тяжелы и дороги. В их работу приходилось постоянно вмешиваться из-за большого энергопотребления и необходимости замены батареи. С изобретением транзистора слуховые аппараты стали меньше, дешевле, эффективнее и намного экономичнее по сравнению с ламповыми приборами.

Слуховые аппараты сегодня размещаются почти незримо в ухе пользователя (рис. 17). Во многом миниатюризация технологии слухового аппарата была обеспечена применением гибких печатных плат, которые позволяют схеме быть свернутой в малом объеме аппарата.

Рис. 17. Слуховой аппарат, вживляемый в ухо. Рядом показаны используемые в нем монтажные изделия на гибких печатных платах.

Микрокатушки

Микрокатушки наиболее часто используются в сенсорных датчиках. На рис. 18 показано изображение микрокатушки, полученное на электронном микроскопе. Здесь ширина проводников 10 микрон, а их высота25 микрон. Зазоры между проводниками — также 10 микрон. Размерная точность — меньше чем один микрон.

Рис. 18. Фрагмент микрокатушки под электронным микроскопом

Электроника в эндоскопии

Медицинская электроника — истинно современное чудо, и часто гибкие печатные платы — непременный элемент конструкции таких изделий. Гибкие печатные платы доказали свою незаменимость в разнообразных приборах медицинской диагностики и терапии, в физиологических исследованиях, в дистанционном мониторинге состояния здоровья пациентов с использованием телеметрии. На рис. 19 показана модель прибора, используемого для многостороннего исследования сердца.

Рис. 19. Пример использования гибких печатных плат в зонде, внедренном в модель сердца

Ультразвуковые преобразователи

Возможно, одно из наиболее успешных их применений технологии гибких печатных плат было связано с пьезоэлектрическими головками ультразвуковых преобразователей. Гибкие печатные платы используются в них для связи с пьезокерамическим приемопередатчиком ультразвуковых акустических волн, позволяя создать на мониторе изображение, полученное с помощью отраженного звука.

Пример использования гибких печатных плат в ультразвуковой головке показан на рис. 20.

Рис. 20. Гибкая печатная плата используется в датчике, с помощью которого формируется акустическое изображение объекта диагностики

Панель автомобиля

Гибкие печатные платы имеют длинную историю применения в автомобильной промышленности. Самое давнее применение связано с электрической приборной панелью автомобиля (рис. 21). За прошедшее время функциональность приборной панели автомобиля возросла, и значимость межсоединений с помощью гибких печатных плат пропорционально увеличилась.

Рис. 21. Приборная панель автомобиля с монтажом с помощью гибких плат

Гибкие печатные платы имеют значительные преимущества в использовании технологий межсоединений в автомобильной электронике. Они сочетают в себе возможности реализации силовых цепей и тонких высокоплотных межсоединений электронных компонентов. На рис.

Рис. 22. Фрагмент монтажного поля для BGA-компонента

Высокопроизводительные линии связи между микросхемами

Непосредственная связь между микросхемами типа «чип-чип» — довольно новое применение гибких печатных плат, которое было обусловлено необходимостью обеспечения быстродействия и функциональности электронных устройств. Один из прежних способов реализации таких связей — выделение быстродействующих линий и формирование их как согласованных линий связи в многослойных структурах.

В многослойных печатных платах формирование таких быстродействующих линий встречает затруднения из-за неизбежных неоднородностей в их составе: выводы корпуса микросхемы, металлизированные отверстия. Эти неоднородности искажают сигнал и уменьшают скорость передачи за счет увеличения времени успокоения переходных процессов, обусловленных отражениями от неоднородностей. Альтернатива этому — использование линий связи на основе гибких печатных плат (рис. 23).

Рис. 23. Высокопроизводительные линии связи: а — в многослойных печатных платах, б — реализуемые гибкой печатной платой непосредственно между микросхемами со скоростью передачи информации 25 Гбит/с

Солнечные панели

Эффективность современных светодиодных солнечных панелей может достигать 50%. Но их широкому применению препятствовала их дороговизна относительно других «альтернативных» источников энергии. Технологии солнечных панелей значительно продвинулись за счет использования гибких печатных плат.

Гибкость межсоединений создавала удобство использования панелей в космосе за счет сворачивания в компактный объем и последующего разворачивания при выходе в космическое пространство. Благодаря этому солнечные панели могут разворачиваться на площадь футбольного поля, снабжая энергией космические объекты, в частности Международную космическую станцию. Солнечные панели в развернутом виде могут давать десятки киловатт мощности с напряжением до 160 В (рис. 24).

Рис. 24. Солнечная панель Международной космической станции на испытаниях в НАСА (США)

Гибкие печатные платы в видеокамерах

Японские инженеры раньше других осознали большие преимущества гибких печатных плат во всевозможных применениях в портативной электронной аппаратуре. Одно из ранних применений они нашли в миниатюрных видеокамерах. Автоматические функции видеокамеры: управление микродвигателями, выбор экспозиции, автофокус и другие реализованы с использованием гибких печатных плат (рис. 25).

Рис. 25. Видеокамера в деталях межсоединений гибкими печатными платами

Смарт-карты

Другая область применения, обуславливающая существенный рост производства гибких печатных плат, — смарт-карты. Гибкие печатные платы идеальны для смарт-карт из-за их незначительной толщины и возможности массового производства по низкой цене. Сами схемы смарт-карт обычно довольно просты, часто не сложнее, чем катушка со связанным с ней чипом.

Объемная системная миниатюризация и межсоединения

Уже установилась закономерность развития полупроводниковых приборов, заключающаяся в удвоении плотности элементов микросхем в два раза за период от 18 до 24 месяцев. Эта закономерность названа Законом Мура. Очевидно, что увеличение интеграции микросхем должно сопровождаться соответствующим увеличением плотности межсоединений. Отдельным, очень важным направлением этого процесса развития являются технологии гибких и гибко-жестких печатных плат.

Даже без удвоения интеграции микросхем плотность компоновки электронной аппаратуры можно увеличить за счет использования гибкости и малой толщины монтажных подложек. Мы увидели, что гибкость подложек позволяет создавать пространственные трехмерные структуры, и уже только поэтому можно в разы увеличить плотность компоновки.

Переход к третьему измерению означает отказ от старых технологий межсоединений. В новых технологиях 3D-структур гибкие печатные платы будут составлять основу пространственных межсоединений. В английской литературе эта технология получила название «объемная системная миниатюризация и технология межсоединений» (Volumetric System Miniaturization and Interconnection Technology, или для краткости VSMI).

В семейство VSMI-технологий включены все варианты 3D-компоновок: стапелирование компонентов в микрокорпусах, стапелирование кристаллов микросхем, стапелирование вафель с чипами микросхем, многокристальные модули и их сборки в многослойные структуры (рис. 26).

Конечно, вместе с уплотнением компоновки нельзя забывать о проблемах теплоотвода, решение которых становится очень трудным по мере увеличения интеграции аппаратуры. Может случиться так, что массивные теплоотводы полностью разрушат всю концепцию увеличения плотности компоновки.

Рис. 26. Одна из трехмерных структур 3D-компоновок

Другой ключевой элемент VSMI-технологий — тестирование. С увеличением плотности компоновки тестирование может оказаться упрощенным или чрезвычайно сложным в зависимости от того, в какой мере системный проектировщик удовлетворяет требования обеспечения электрического тестирования.

Риск наличия одного неисправного чипа среди многих других в составе многокристального модуля пугает разработчиков и пользователей своей безысходностью. Статистика этих рисков пока не вселяет оптимизма. Но разработчики VSMI-технологий ищут подходы к решению этой проблемы и вынуждены будут найти его, так как эта технология безальтернативна в дальнейшей интеграции электронной аппаратуры. И технологии гибких печатных плат будут играть в этом решающую роль.

Тенденции развития технологий печатных схем

Поверхностный обзор патентов США, опубликованных за последние 10 лет, указывает, что технологии гибких печатных плат интенсивно развиваются. Несмотря на то, что интенсивность поступления патентов стабилизировалась, уровень ее все еще высок: в Патентное Бюро США поступает в среднем более одного патента в день (табл. 2) [1].

Таблица 2. Количество опубликованных патентов США в течение последнего десятилетия

Преимущества гибких печатных плат

В таблице 1 приведены примеры использования гибких печатных плат в различных отраслях приборостроения [1].

Таблица 1. Примеры использования гибких печатных плат

Существует много причин использования гибких печатных плат в качестве средства межсоединений в электронных устройствах. В некоторых случаях, когда необходима устойчивость гибких печатных плат к динамическим нагрузкам, использование гибких печатных плат очевидно.

Уменьшение габаритов

Гибкие печатные платы используют самое тонкое диэлектрическое основание из всех доступных сегодня материалов, предназначенных для создания межсоединений. В некоторых случаях из этих материалов можно изготовить гибкие печатные платы, имеющие полную толщину меньше 50 мкм, включая защитный слой. Для справки: жесткие монтажные подложки с той же функциональностью оказываются в два раза толще.

Мало того, что малая толщина гибких печатных плат привлекательна сама по себе, возможность ее складывать за счет гибкости также позволяет сокращать объемы и габариты электронных устройств.

Уменьшение массы

Дополнительное преимущество малой толщины гибких печатных плат — малая масса. Сами по себе они легче аналогичных жестких печатных плат на 75%.

Малая масса межсоединений, реализуемая гибкими печатными платами, оказалась настолько привлекательной в аэрокосмической аппаратуре, что эта область их использования стала конкурировать по объемам производства с портативной электроникой.

Уменьшение времени и стоимости сборки

Гибкие печатные платы олицетворяют простую и быструю технологию создания межсоединений для узлов и блоков электронной аппаратуры. Альтернатива гибким печатным платам — проводной монтаж и гибкие кабели — связаны с необходимостью прокладки проводов по намеченным трассам соединений и их закрепления, зачистки и пайки каждого провода по отдельности. Жгутовой проводной монтаж требует еще и дополнительных трудозатрат на обозначение адресов связей.

Гибкие печатные платы дают возможность использования групповых методов сборки и монтажа изделий. Кроме того, само их изготовление намного дешевле благодаря использованию групповых технологий изготовления и маркировки.

Уменьшение ошибок сборки

В то время как проводной монтаж неизбежно связан с человеческим фактором — источником ошибок, гибкие печатные платы не имеют источников ошибок человеческой природы. Ручной монтаж — постоянный риск возникновения ошибок.

Гибкие печатные платы проектируются в составе системы межсоединений и затем воспроизводятся машинными методами, предотвращающими влияние человеческого фактора. В результате, за исключением неизбежных ошибок производства, гибкие печатные платы не позволяют создать соединения, не соответствующие спроектированной схеме.

Увеличенная системная надежность

Специалисты по надежности всегда при поиске источников отказов электронной аппаратуры ищут дефекты межсоединений. Академик Берг в свое время заявил: «Наука о надежности — это наука о контактах. Чем их больше, тем менее надежна система». Гибкие печатные платы — идеальное средство для уменьшения контактов.

Замена проводного монтажа

В среде специалистов по гибким схемам бытует правило, по которому гибкие платы рентабельно использовать, когда нужно иметь больше 25 межсоединений от точки к точке. Это число несколько произвольно, но основная концепция верна.

Для выбора решения нужно сопоставлять стоимость проводного и печатного гибкого монтажа с учетом объема и других факторов производства. Некоторые проектировщики изделий находят гибкие печатные платы более рентабельными уже начиная с двух или трех связей.

Рис. 1. Пример раскладки жгутового проводного монтажа автомобиля, где гибкие печатные платы уступают по техническим возможностям

На выставке Productronica-2001 [2] были показаны примеры гибких печатных плат длиной до 8 м, способных обеспечить требования по применению в автомобильном транспорте.

Динамическая гибкость

Устойчивость к многократным динамическим изгибам — одно из важнейших свойств гибких печатных плат. Другие решения для гибких межсоединений, типа плоского ленточного кабеля, тоже можно удовлетворительно использовать в подобных случаях, но гибкие печатные платы превосходят их как стандартный метод создания надежной взаимосвязи между перемещающимися частями (рис. 2).

Рис. 2. Гибкие печатные платы в приводе дисковода

Управляемое волновое сопротивление линий связи

Почти все материалы оснований гибких печатных плат имеют электрические характеристики, благоприятно сказывающиеся на формировании линий передач: однородность материалов и электрические свойства на высокой частоте. Благодаря этому относительно просто реализовывать гибкие схемы с высоким быстродействием линий передач.

При наличии однородности материалов единственное требование производства — обеспечить адекватную однородность проводников на всей их длине, то есть точно воспроизводить их геометрию, чтобы достичь требуемого значения характеристик линии связи. Обычно используют линии с волновым сопротивлением 50 Ом — для гибких печатных плат это достигается без затруднений.

Более высокие значения волнового сопротивления обеспечиваются большей толщиной гибкой печатной платы, из-за чего она теряет в гибкости. Чтобы решить эту проблему без увеличения толщины, приходится выполнять линию передачи весьма тонкими проводниками, а это может повлечь за собой потерю точности воспроизведения ширины проводника и сокращение выхода годной продукции.

К счастью, для быстродействующих линий передач уменьшение сечения проводника мало сказывается на их работоспособности, поскольку на больших частотах довлеет явление скин-эффекта — вытеснение тока на поверхность проводника, за счет чего эффективно используемое сечение проводника уменьшается в большей мере, чем площадь его физического сечения.

Улучшенное тепловое рассеивание

Плоские проводники имеют намного бульшую поверхностность, чем круглый провод, за счет чего более эффективно рассеивается тепло. Это первое преимущество. Далее, если сравнивать гибкие и жесткие платы, очевидно, что путь теплопередачи из жесткой печатной платы больше, чем из тонкого гибкого основания.

Мало того, рассеивание тепла из гибкой печатной платы идет на обе стороны, что намного увеличивает эффективность теплоотвода. Тем не менее, следует учесть, что в жестких печатных платах, в отличие от гибких, можно использовать толстый внутренний слой теплоотвода.

Объемная компоновка

Преимущества проектирования трехмерных структур межсоединений очевидны [2]. Особенно эффективны они в пространственных компоновках кристаллов микросхем (рис. 3). В более ранние времена, начиная с конца 1970-х годов, такие же компоновки использовали для стапелирования многослойных жестких печатных плат.

Рис. 3. Пример использования гибких оснований для стапелирования кристаллов микросхем

Уменьшенное сопротивление охлаждающему потоку воздуха

Однородная плоская конструкция гибких печатных плат позволяет разместить их в корпусе прибора так, чтобы не создавать большого сопротивления потоку воздушного охлаждения. В противовес этому массивные переплетения проводов действуют как барьеры воздушному потоку, препятствуя эффективному охлаждению блока.

Податливость материалов оснований гибких печатных плат для поверхностного монтажа

Технология поверхностного монтажа на первых этапах ее освоения наталкивалась на ряд затруднений, связанных с несоответствием температурных коэффициентов расширения компонентов и монтажной подложки. Это несоответствие создавало большие термомеханические напряжения в соединениях выводов компонентов с контактными площадками монтажных оснований, которые становились причиной многочисленных отказов.

Разработки новых базовых материалов с лучшей размерной устойчивостью и новые инженерные решения в конструкциях монтажных изделий обеспечили решение большинства проблем. Но одно из решений, которое оказалось наиболее эффективным, заключается в использовании гибких материалов оснований.

Разнообразие конструкций линий передач

В дополнение к преимуществам применения гибких печатных плат в конструкциях линий передач необходимо отметить их свойство меньше искажать цифровые сигналы при больших длинах линий связи. Относительно малые значения диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь — только один из факторов меньшего ослабления сигнала, чем в других конструкциях линий, использующих жесткие диэлектрики.

Кроме того, что гибкие печатные платы обеспечивают переход от одного устройства к другому без разъемов, создающих неоднородности в линии связи, их гибкость позволяет проектировать без ограничений такие экзотические конструкции, которые невозможно выполнить с использованием жестких материалов. Пример одной из таких конструкций показан на рис. 4.

Рис. 4. Гибкие печатные платы предоставляют возможность создания необычных конструкций линий связи

SMT и гибко-жесткие печатные платы

Увеличение плотности компоновки обеспечивается сочетанием поверхностного монтажа на жесткое основание монтажной подложки с выводом связей на гибком основании, как показано на рис. 5.

Рис. 5. Пример использования гибких печатных плат в сочетании с поверхностным монтажом

Выполненный на гибкой подложке SMT-монтаж отличается хорошим сочетанием температурных расширений материалов компонентов и гибкого слоя, наклеенного на жесткое основание. Кроме того, низкий модуль упругости гибкого материала компенсирует небольшое несоответствие температурных коэффициентов.

Многослойные гибкие печатные платы могут сами служить основанием для монтажа выводов в отверстия и для поверхностного монтажа (рис. 6).

Рис. 6. Многослойная гибкая печатная плата (8 слоев)

Еще больший выигрыш в компоновке блоков создают гибко-жесткие печатные платы (рис. 7), полностью вытесняющие объемный проводной монтаж [4]. Можно представить, какой была бы конструкция миниатюрного блока с разъемами, если бы не использовалась гибко-жесткая печатная плата, показанная на рис. 8. Преимущество таких конструкций заключается в повышенной их надежности за счет отсутствия разъемных или паяных соединений.

Рис. 7. Гибко-жесткая многослойная печатная плата, монтируемая на двух стенках электронного блока

Рис. 8. Гибко-жесткая многослойная печатная плата, монтируемая на трех стенках миниатюрного электронного устройства (4 жестких слоя, 2 — гибких)

Технология «кристалл-на-гибкой печатной плате» (Chip-on-Flex — COF)

В противовес технологии «кристалл-на-плате» (Chip-on-Board — COB) технология COF позволяет обеспечить большую плотность компоновки, а значит, меньшую массу и габариты. К тому же, COF-технология лишена многих недостатков COB-технологий, связанных опять-таки с разными коэффициентами термического расширения кристалла и подложки.

В связи с этим COF-технология успешно используется в аэрокосмической аппаратуре. В сочетании с возможностью складывать монтаж на гибкой печатной плате в стопки COF-технология имеет значительные преимущества особенно там, где кристалл микросхемы не требуется герметизировать.

Еще один пример практического использования COF-технологии — монтаж кристаллов на ленте (ТАВ-технология), на ее основе создаются всевозможные конструкции с плотной упаковкой компонентов (рис. 9).

Рис. 9. Примеры монтажа кристаллов микросхем на гибкую подложку

Гибкие печатные платы в тонких конструкциях

Возможность перфораций в тонких основаниях гибких печатных плат позволяет осуществлять межсоединения непосредственно с кристалла микросхемы на периферию электронных устройств, как это показано для примера на рис. 10. Эта технология, которая стала весьма популярной за последние 10 лет, используется для упаковки микросхем в SIM-картах, всевозможных картах памяти (SD, MMC, MS, MS Pro, CF, Flash Memory Card) и т. п., которые требуют внешних выводов.

Массовость производства этих устройств по существу обеспечена применением миниатюрных гибких печатных плат. Этот упаковочный формат теперь широко известен как монтаж ?BGA по CSP-технологии (Chip-Scale Package — CSP). Эта технология монтажа сегодня доминирует в микроминиатюрных, карманных и портативных устройствах.

Рис. 10. Присоединение гибкой печатной платы непосредственно к микросхеме на кристалле

Проектирование гибко-жестких печатных плат в сапр

Учитывая все возрастающие потребности в применении гибко-жестких печатных плат,
производители САПР печатных плат разработали функциональные возможности для
проектирования данного типа плат. Это связано с тем, что для проектирования таких плат
требуется учитывать особые факторы, такие как, конфигурация проводников в гибкой части,
усиленные контактные площадки и т.п. В настоящее время в САПР реализован следующий функционал для реализации ГЖПП:

1. учет расположения электронных компонентов в различных жестких частях ГЖПП в итоговой конструкции – 3D-моделирование;
2. управление стеком слоев индивидуально для разных регионов платы;
3. возможность указать линии и радиусы сгибы ГЖПП;
4. возможность задавать индивидуальные правила для разных регионов ГЖПП.

Далее рассмотрим этап автоматизированного проектирования ГЖПП в САПР Altium Designer.

Во-первых, нужно определить какие структуры ГЖПП будут располагаться в жесткой части,
а какие в гибкой. Для этого необходимо выполнить команду Design->Layer Stack Manager (см. рисунок 5)
и выбрать подраздел Advanced (см. рисунок 6), который позволяет реализовать различные варианты стеков печатной платы.

Здесь мы нажимает кнопку Add Stack, что приводит к добавлению нового стека и для него мы выключаем галочку Flex
(гибкая часть печатной платы) в разделе Stack Properties, кроме того можно задать и имя добавленному стеку.
Далее не выходя из менеджера стека слоев необходимо задать порядок следования слоев в жесткой и гибкой частях ГЖПП
(см. рисунок 7). Далее нажимает OK.

Во-вторых, необходимо указать на самой плате, где именно
должны быть расположены структуры жесткой и гибкой частей ГЖПП. Для этого
необходимо использовать специальный режим, который можно вызвать нажатием
клавиши 1 либо выполнить команду View->Board Planning Mode (см. рисунок 8).

Данный режим предназначен для редактирования платы.
По умолчанию плата представляет собой сплошной регион, которому присвоен стек Board Layer Stack (см. рисунок 9).
Далее нужно разбить эту плату на части и указать для них свои стеки командой
Design->

Далее выбирается конкретный регион, который получен командой Define Split Line
и назначаем этому региону конкретный стек (двойным кликом по региону вызываем диалоговое окно Board Region – см. рисунок 11),
определенный в Layer Stack Manager.

В гибкой части появляется специальная линия – Bending Line (линия сгиба -(см. рисунок 12)),
характеристики которой можно задать командой Design-> Define Bending Line (см. рисунок 13). Здесь мы можем задать угол сгиба,
радиус и площадь сгиба.

Посмотреть результат того, как теперь выглядит плата, можно путем нажатия на клавишу 3
(переход в трехмерный режим), где визуально можно определить гибкую и жесткую части ГЖПП.
Кроме того, находясь в трехмерной режиме, можно промоделировать процесс сгиба гибкой части.

Для управления частями ГЖПП служит панель PCB. В этой панели мы выбираем режим работы Layer Stack Regions.
В этом режиме в первом окне показаны все стеки, которые мы создавали ранее. Лучше всего в данной панели работать в режиме
Board Planning Mode.

Технологии гибких печатных плат

Последовательность сборки кристаллов микросхем в трехмерную структуру

Другой подход к уплотнению компоновки микросхем в сочетании с согласованием характеристик линий связи показан в последовательности сборки на рис. 11. Ключевая особенность этой структуры — возможность создания многослойного пакета с присоединениями к микросхемам через металлизированные глухие отверстия. Этот новый подход нацелен на упрощение электронного проектирования и процессов производства.

Рис. 11. Пошаговая схема сборки пакета кристаллов микросхем

Многослойные гибкие печатные платы

Гибкие печатные платы, собранные в многослойные структуры, в некоторой степени теряют свою гибкость. Но за ними остаются значительные преимущества: близость коэффициентов термического расширения к таковому у компонентов и податливость материалов оснований, компенсирующих небольшие рассогласования в термическом расширении.

Еще один неблагоприятный эффект отсутствует в многослойных гибких структурах — склонность к электрохимическим отказам. В композиционных материалах это проявляется в прорастаниях металлических мостиков вдоль слоев по капиллярам «несплошностей». В материалах гибких печатных плат отсутствуют такие неоднородности вдоль слоев, по которым могли бы проходить миграционные процессы, заканчивающиеся обычно образованием металлических дендритов — мостиков коротких замыканий.

Трехмерная монтажная подложка

Зачастую разводка кристалла не умещается в одном или даже в двух слоях. Незначительная толщина пленок, используемых в технологиях гибких печатных плат, позволяет использовать по крайней мере трехслойную структуру, позволяющую создать копланарные внешние соединения с монтажной подложкой, как показано на рис. 12. Незначительная разница в положении монтажных плоскостей компенсируется соответствующими размерами шариковых выводов.

Рис. 12. Пример разводки микросхемы на трехслойном носителе

Материал основания с предварительно просверленными отверстиями

Один из способов удешевления производства высокоплотных многослойных гибких печатных плат предложила компания Sheldahl (теперь Multek). Он заключается в поставках гибких пленок с множеством мелких отверстий, выполненных в узлах стандартной координатной сетки.

Компания Sheldahl пыталась создать стандарт на размещение отверстий, чтобы проектировщики могли использовать их в своих конструкциях, и планировала пойти дальше — поставлять свои материалы с металлизированными отверстиями.

К сожалению, этот метод не был реализован по множеству причин. Но идея все еще остается интересной и может найти применение в будущем.

Технологии трансверсальных соединений

Другая область исследований формирования высокоплотных соединений в гибких структурах относится к обеспечению связей по оси Z в конструкциях многослойных печатных плат. Технология образования Z-связей в гибких основаниях заметно отличается от технологий послойного наращивания, используемых в производстве жестких многослойных печатных плат.

Общая идея обеспечения надежности Z-связей одинакова для жестких и гибких печатных плат: улучшить прочность металлизации и уменьшить термомеханические нагрузки за счет сближения термического расширения металлизации и материала основания. Но материалы гибких печатных плат, как правило, создаваемые на основе полиимидов, имеют высокую температуру стеклования и, следовательно, относительно низкий коэффициент термического расширения в рабочем диапазоне температур.

Анизотропные Z-связи

Анизотропные клеящие пленки используются много лет, однако только в последнее время они получили новое развитие благодаря введению в клеящий слой проводящего компонента, например, металлической пудры. Такая комбинация позволяет создавать Z-связи между слоями.

В результате, любые металлизированные оппозитные площадки двух половинок схемы будут электрически связаны. Анизотропность проводимости клеящей пленки обеспечивает электрическую связь по оси Z и не обнаруживает проводимости вдоль слоев, исключая короткие замыкания между контактными площадками.

Рис. 13. Анизотропная клеящая пленка с токопроводящим наполнителем позволяет реализовать Z-связи в многослойной структуре межсоединений

Программируемые межсоединения

Альтернатива анизотропных межсоединений — семейство программируемых структур связи в предназначенных для этого точках. Одна из таких версий была развита в компании Tessera (США). На рис. 14 показано, как используется эта технология в создании программируемых Z-связей.

Рис. 14. Схема формирования программируемых Z-связей

Другие методы этого семейства включают технологию столбиковых межсоединений, прокалывающих межслойную изоляцию с образованием Z-связей (рис. 15). Эта технология, известная под именем В21Т, была развита компанией Toshiba для изготовления LCР-дисплеев, затем была использована компанией Yamaichi Electronics (Япония) и под именем Any Layer Interstitial Via (ALIV) стала принадлежностью компании Matsushita.

Рис. 15. Схема формирования межсоединений в LCР-панелях

Наиболее явное преимущество этой технологии заключается в способности формировать чрезвычайно короткие межсоединения между компонентами. Этот короткий путь маршрутизации по узлам координатной сетки часто упоминается как «маршрутизация Манхэттена» вследствие ее подобия структуре улиц Нью-Йорк Сити и его небоскребов.

Технология изготовления гибких печатных плат без металлизированных отверстий

Технология изготовление гибких печатных плат
во многом схожа с технологией изготовления печатных плат на жестком основании.

Основными преимуществами применения гибких печатных плат
без металлизированных отверстий является: удешевление платы, тонкие проводники
(определяемые только толщиной фольги), что позволяет увеличить количество циклов перегибов.
Недостаток – снижение эффективности трассировки.

Упрощенная схема изготовления:

1. Выбор и раскрой материала на заготовки – исходная заготовка односторонний или двусторонний
   фольгированный материал.
2. Сверление или пробивка отверстий.
3. Нанесение фоторезиста.
4. Перед нанесением фоторезиста необходимо очистить поверхность медной фольги.
   Для этого используется механическая или химическая очистка. Формирование рисунка происходит по следующей схеме:
   ламинирование – для гибких печатных плат используют сухой пленочный фоторезист; экспонирование и проявление –
   аналогично с процессом производства жестких печатных плат.
5. Травление меди с пробельных мест. После травления следует тщательная промывка при температуре
   18-27^oС, так как в последующем процессе прессования покровной пленки под воздействием температуры любые
   остатки травящего состава могут вызвать потемнение и окраску схемы. Кроме того, после травления необходимо
   проверить важные базовые отверстия полученной схемы, путем сравнения заготовки с фотошаблоном,
   чтобы убедиться, что не нарушены допуски.
6. Удаление фоторезиста. Удаление производится в водно-щелочной среде, либо в полуводных растворах
   для снятия фоторезиста, либо с применением растворителя.
7. Нанесение покровной пленки. Перед нанесением покровной пленки необходимо очистить поверхность меди,
   что связано с вероятностью возникновения механических деформаций в процессе травления.
   Покровной слой выполняет функцию защиты печатных проводников. Кроме того, покровной слой снижает
   нагрузки на печатные проводники в процессе изгиба гибкой части печатной платы. Для доступа к монтажным поверхностям
   покровная пленка должна иметь перфорации, выполняемые сверлением, выштамповкой или травлением до медной поверхности
   в горячих щелочах.
8. Термическая сушка перед пайкой.
9. Лужение с выравниванием припоя.
10. Очистка после лужения (удаление флюса).
11. Высечка и обрезка по контуру.
12. Тестирование, контроль качества.