Гибкие и гибко-жёсткие печатные платы

В данной статье будут рассмотрены конструкции гибко-жестких печатных плат, материалы для изготовления гибких и гибко-жестких печатных плат, вопросы проектирования и технологии их изготовления.

Введение

В настоящее время широкое распространение получили гибкие и гибко-жёсткие печатные платы (ГЖПП) класса HDI (сверхплотная технология – с глухими и скрытыми отверстиями). Это связано с тем, что конструкция ГЖПП класса HDI даёт ряд преимуществ:

  1. позволяют экономить вес и объём благодаря наличию гибких плёнок;
  2. позволяют создавать трёхмерные конфигурации;
  3. печатные схемы в гибкой части ГЖПП могут быть развёрнуты на произвольный угол, обеспечивая возможность использования нескольких разъёмов в заранее заданной ориентации, а также возможность сгибания для изменения ориентации. О данном типе печатных плат известно уже давно:
    • изобретателем гибких плат считают Томаса Эдисона;
    • технология гибких плат использовалась Германией во время Второй Мировой Войны;
    • полиимид (основной материал гибкой части печатной платы) был создан фирмой DuPont в 1955 г.;
    • в 1977 г. Г. Тейлор разработал теорию гибко-жёстких печатных плат для военных NASA;
    • после 1990 г. ГЖПП стали массово применяться в бытовой электронике;
    • ГЖПП описана в руководящем документе РФ по печатным платам 1991 года: РД 50-70В-91 (дата введения 01.07.1992). В данном документе дается следующая характеристика ГЖПП – это многослойная печатная плата со сквозным соединением слоев, характеризующаяся дополнительной возможностью перемещения одной жесткой части многослойной печатной платы относительно другой без нарушения электрических связей.

Материалы для гибких печатных плат

В отличие от жёстких печатных плат, проводники на гибких участках должны быть покрыты материалом, допускающим изгиб и деформацию. Анализ показал, что в качестве гибкой части ГЖПП применяются следующие материалы:

  1. полиимидные плёнки: Каптон НТМ, Каптон EТМ фирмы DuPont; Апикал AVТМ, Апикал NPТМ, Апикал FPТМ фирмы Kaneka; Юпилекс SТМ фирмы Ube Industry;
  2. полиэфирные плёнки (полиэтилентерефталат (PETF)).

Кроме того, результаты анализа гибких материалов показали:

  1. полиимидные плёнки имеют высокую стоимость и высокое влагопоглощение. Кроме того, основным недостатком данных материалов является их размерная стабильность, что ограничивает их применение в гибких печатных плат класса HDI. Вместе с тем, данные материалы имеют высокие температурные рабочие характеристики, что даёт возможность применить их в жёстких условиях эксплуатации;
  2. полиэфирные плёнки не могут сохранять высокие эксплуатационные характеристики. Кроме того, данные материалы непригодны для процессов пайки, которые имеют температуру плавления выше 70oC. Данные материалы применимы только для непаянных соединений типа press-fit (технология запрессовки выводов). Кроме того, полиэфирные плёнки имеют недостаточную размерную стабильность и очень хрупки при низких температурах (ниже минус 60oC). Вместе с тем имеют низкую стоимость и очень хорошую гибкость.

Типы гибких и гибко-жестких печатных плат

  1. Односторонняя гибкая печатная плата (см. рисунок 1).
    Односторонняя гибкая печатная плата

    Рисунок 1 - Односторонняя гибкая печатная плата

  2. Двусторонняя гибкая печатная плата (см. рисунок 2).
    Двусторонняя гибкая печатная плата

    Рисунок 2 - Двусторонняя гибкая печатная плата

  3. Многослойная гибкая печатная плата (см. рисунок 3).
    Многослойная гибкая печатная плата Многослойная гибкая печатная плата

    Рисунок 3 - Многослойная гибкая печатная плата

  4. Гибко-жесткая печатная плата (см. рисунок 4).
    Гибко-жесткая печатная плата Гибко-жесткая печатная плата

    Рисунок 4 - Гибко-жесткая печатная плата

По своим физическим свойствам гибкие печатные платы делятся на четыре категории:

  1. A – гибкие платы, гибкость которых необходима только в процессе сборки (статическая устойчивость);
  2. B – гибкие платы, постоянно изгибающиеся в процессе работы (динамически устойчивые). Эти платы разделяются на периодически гибкие (сотни и тысячи циклов перегибов) и непрерывно гибкие (миллионы и миллиарды циклов перегибов);
  3. C – платы для высокотемпературных (более 105oС) применений;
  4. D – платы с повышенной огнеустойчивостью, подпадающие под сертификацию UL.

Технология изготовления гибких печатных плат

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 18-27oС, 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.

Технология изготовления двусторонних гибких печатных плат с металлизацией отверстий

По схеме комбинированного позитивного метода (Pattern Plating):

  1. Выбор и раскрой материала на заготовки.
  2. Сверление и снятие заусенцев.
  3. Химическое меднение.
  4. Гальваническое меднение (затяжка).
  5. Экспонирование и проявление фоторезиста.
  6. Гальваническое меднение (основное).
  7. Гальванический металлорезист.
  8. Удаление фоторезиста.
  9. Травление пробельных мест.
  10. Стравливание металлорезиста (припоя).
  11. Очистка поверхности меди.
  12. Нанесение покровного слоя.
  13. Термическое отверждение и сушка.
  14. Лужение с выравниванием (HASL).
  15. Очистка после лужения.
  16. Тестирование, контроль качества.

По схеме тентинг-процесса (Panel Plating):

  1. Выбор и раскрой материала на заготовки.
  2. Сверление и снятие заусенцев.
  3. Химическое меднение.
  4. Гальваническое меднение (затяжка).
  5. Экспонирование и проявление фоторезиста.
  6. Травление пробельных мест.
  7. Удаление фоторезиста.
  8. Очистка поверхности меди.
  9. Нанесение покровного слоя.
  10. Термическое отверждение и сушка.
  11. Лужение с выравниванием (HASL).
  12. Очистка после лужения.
  13. Тестирование, контроль качества.

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.

Диалоговое окно Layer Stack Manager

Рисунок 5 - Диалоговое окно Layer Stack Manager

Настройка стека ГЖПП

Рисунок 6 - Настройка стека ГЖПП

Настройка стека слоев ГЖПП

Рисунок 7 - Настройка стека слоев ГЖПП

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).

Режим Board Planning Mode

Рисунок 8 - Режим Board Planning Mode

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->Define Split Line (Split Line – линия, которая разделяет две соседние части платы, которые различаются между собой по структуре) - (см. рисунок 10).

Стек Board Layer Stack

Рисунок 9 - Стек Board Layer Stack

Split Line

Рисунок 10 - Split Line

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.

Диалоговое окно Board Region

Рисунок 11 - Диалоговое окно Board Region

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.

Bending Line

Рисунок 12 - Bending Line

Диалоговое окно Bending Line

Рисунок 13 -Диалоговое окно Bending Line

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. Путем нажатия на клавишу 5, мы можем увидеть ГЖПП полностью в согнутом виде, путем повторного нажатия на клавишу 5, плата возвращается в исходное состояние.

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. Кроме того, в панели PCB можно задать регион относительно которого должна сгибаться плата. При помощи ползунка Fold State можно управлять процессом сгиба платы в трехмерной режиме (см. рисунок 14).

Режим Board Planning Mode

Рисунок 14 - Режим Board Planning Mode

Рекомендации по проектированию гибких печатных плат и ГЖПП на этапе компоновки и трассировки

Не ставьте площадки и металлизированные отверстия в области сгиба. Старайтесь делать структуру гибкой части как одиночный слой или несколько слоёв с воздушными прослойками. Если гибкая часть двухслойная, старайтесь проводить трассы ступеньками. Старайтесь располагать медный слой по центру структуры. Старайтесь проектировать гибкие печатные платы и ГЖПП с учетом технологических возможностей:

  1. максимальное количество гибких слоев - 8;
  2. максимальное количество жестких слоев – 10;
  3. минимальные размер лазерного микроотверстия 0,1 мм;
  4. минимальное сквозное и скрытое отверстие 0,2 мм;
  5. расстояние от стенки отверстия до проводника 0,2 мм;
  6. гарантийный поясок микроотверстия 0,15 мм;
  7. минимальное значение ширины печатного проводника и зазора между ними 0,076 мм;
  8. минимальный радиус во внутренних углах контура гибкой части платы должен быть не менее 1,6 мм. Кроме того, для обеспечения повышенной устойчивости к разрыву может потребоваться добавление дополнительных материалов во внутренние углы (см. рисунки 15, 16, 17);
    Особенности формирования вырезов в гибких печатных платах

    Рисунок 15 - Особенности формирования вырезов в гибких печатных платах

    Внешний вырез с просверленным отверстием

    Рисунок 16 - Внешний вырез с просверленным отверстием

    Упрочнение выреза в гибкой обалсти

    Рисунок 17 - Упрочнение выреза в гибкой обалсти

  9. минимальное расстояние между внешним краем платы и внутренним краем неметаллизированного отверстия (или внутренних вырезов) должно быть не менее 0,5 мм;
  10. минимальное расстояние от края перехода (между гибкой и жесткой частями) до внутреннего края металлизированного отверстия или до края освобождения во внутреннем слое не должна быть менее 1,9 мм;
  11. все разрезы и вырезы должны заканчиваться отверстием диаметром 1,5 мм и более. Это следует учитывать, когда соседние части гибкой платы должны двигаться независимо (см. рисункок 18);
    Разрез и вырез

    Рисунок 18 - Разрез и вырез

  12. печатные проводники в изгибаемой части должны соответствовать следующим условиям: перпендикулярность к направлению изгиба; равномерное распределение по области изгиба; максимальная ширина в области изгиба; постоянная ширина; «шахматное» расположение в соседних слоях; количество слоев в гибкой части должно быть сведено к минимуму; металлизированные сквозные отверстия не допускаются; "нейтральная ось изгиба" должна проходить через центр сечения проводника (см. рисунки 19, 20).
    Варианты расположения проводников в изгибаемых областях

    Рисунок 19 - Варианты расположения проводников в изгибаемых областях

    Варианты расположения проводников в изгибаемых областях

    Рисунок 20 - Нейтральная ось для идеальной конструкции

Тенденции развития гибких печатных плат

Тенденция развития печатных плат с применением гибких материалов связано с возрастающими потребностями их применения в различных сферах жизнедеятельности человека. Так, например, широкое внедрение гибких печатных плат происходит во встраивание в одежду: компания Würth Elektronik представила куртку велосипедиста с мигающими сигналами, которая позволяет другим участникам движения не только видеть велосипедиста, но и оценивать скорость движения велосипедиста. Кроме того, широкое распространение «гибкие» технологии получили в медицинской сфере (см., например, Беспроводной носимый монитор, реализованный на основе растягиваемой электроники): гибкая печатная плата встроена в измерительный пояс, который обертывается вокруг тела новорождённого ребенка, позволяющий плавно и мягко измерять сердечно-легочные функции без каких-либо имплантов или других операций (например, рентген).

Дальнейшие области применения – умная робототехника, автоматизация, датчики, автомобилестроение. Кроме того, разрабатываются и применяются новые материалы в качестве базового для гибких печатных плат, например, применение полиуретановых материалов, позволяет применить его в качестве кожзаменителя, что дает широкие возможности для реализации различных гаджетов встроенных в тело человека.