مقدمه ای بر Flex PCBs: اصول و مزایا برای PCBA قابل اعتماد

پاسخ مستقیم

Flex PCBs بردهای مدار چاپی هستند که بر روی فیلم‌های دی الکتریک انعطاف‌پذیر، معمولاً پلی‌آمید ساخته شده‌اند، که می‌توانند خم شوند، تا شوند، و خم شوند تا در فضاهای سه‌بعدی قرار بگیرند که تخته‌های صلب نمی‌توانند. آنها مشکلات واقعی بسته بندی و قابلیت اطمینان را با کاهش اتصالات، حذف اتصالات لحیم کاری و حفظ حرکات مکرر حل می کنند، اما تنها زمانی که انباشته شدن، نوع مس و شعاع خمش با کاربرد واقعی مطابقت داشته باشند. فلکس PCB به سادگی یک تخته سفت و نازک نیست. این یک رشته مهندسی متمایز است.

چه چیزی Flex PCB را از یک برد سفت و سخت متفاوت می کند

تفاوت اساسی بین PCB انعطاف پذیر و PCB سفت و سخت، سیستم مواد پایه است. تخته‌های سخت از FR-4 استفاده می‌کنند، یک لمینت اپوکسی تقویت‌شده با شیشه که سفت و شکننده است. تخته‌های فلکس از یک لایه نازک و انعطاف‌پذیر دی الکتریک استفاده می‌کنند که معمولاً پلی‌آمید (PI) است - که می‌تواند مکرراً بدون ترک خوردگی خم شود. مس مورد استفاده در مدارهای فلکس نیز متفاوت است: معمولاً مس آنیل شده نورد شده (RA) به جای مس الکترود رسوب شده (ED) است. مس RA ساختار دانه انعطاف پذیرتری دارد که به آن اجازه می دهد تا در برابر خمش مکرر بدون شکستگی مقاومت کند.

پشته‌بندی یک انعطاف‌پذیر PCB نیز نازک‌تر است و با دقت بیشتری کنترل می‌شود. یک استک آپ فلکس یک طرفه معمولی ممکن است:

سیستم چسب به اندازه فیلم اهمیت دارد. چسب های اکریلیک رایج و ارزان هستند، اما جذب رطوبت بالاتر و پایداری حرارتی کمتری نسبت به سیستم های بدون جریان یا تمام پلی آمید دارند. برای کاربردهای انعطاف پذیر پویا - جایی که مدار در حین کار خم می شود - چسب نباید خزش یا لایه لایه شود. برای کاربردهای با دمای بالا یا با قابلیت اطمینان بالا، ساختار تمام پلی‌آمید بدون چسب اغلب مشخص می‌شود، اگرچه هزینه بیشتری دارد.

فرآیند تولید تخته های فلکس نیز متفاوت است. مدارهای فلکس اغلب در پانل‌هایی پردازش می‌شوند که سخت‌کننده‌ها بعداً اضافه می‌شوند، و مراحل اچینگ و لایه‌گذاری به کنترل کشش دقیق برای جلوگیری از اعوجاج ابعادی نیاز دارند. اگر در سمت فرآیند تازه کار هستید، Flex PCB Process Manufacturing Process: An Overview for Beginners توضیح می دهد که چگونه مجموعه مواد هر مرحله را از تصویربرداری تا برش نهایی را هدایت می کند.

استاتیک در مقابل انعطاف پذیری پویا: تصمیم طراحی که همه چیز را هدایت می کند

تنها سوال مهم در طراحی flex PCB این است که آیا برنامه ثابت است یا پویا. یک مدار انعطاف پذیر استاتیک یک بار در حین نصب خم می شود و سپس برای عمر محصول به همان شکل باقی می ماند. یک مدار انعطاف پذیر پویا در حین کار به طور مکرر خم می شود، خم می شود یا می پیچد - به عنوان مثال، در یک کالسکه چاپگر، یک لولای تلفن تاشو، یا یک مفصل رباتیک.

این تمایز انتخاب مواد، وزن مس و حداقل شعاع خمش را تغییر می دهد. برای کاربردهای استاتیک، مس ED اغلب قابل قبول است زیرا مدار تحت فشار مکرر قرار نمی گیرد. برای کاربردهای دینامیکی، مس RA اکیداً توصیه می شود زیرا ساختار دانه آن کشیده و هم تراز است و به آن اجازه می دهد میلیون ها چرخه انعطاف پذیری را بدون ترک تحمل کند. شعاع خمش نیز تغییر می‌کند: یک مدار انعطاف‌پذیر پویا به شعاع خمش بزرگ‌تری نسبت به ضخامتش نیاز دارد تا کرنش را در محدوده الاستیک مس نگه دارد.

به عنوان یک قاعده کلی، حداقل شعاع خمش برای یک فلکس پویا باید حداقل 10 برابر ضخامت کل انباشته فلکس باشد. برای انعطاف پذیری استاتیک، بسته به سیستم مواد، حداقل شعاع خمش می تواند 3 تا 6 برابر ضخامت باشد. این اعداد دلخواه نیستند. آنها از محدودیت های کرنش مس و چسب می آیند. فراتر از مشخصات شعاع خمشی سریعترین راه برای ایجاد ترک خوردگی و باز شدن مدارها در میدان است.

محور خمش خنثی مفهوم مهم دیگری است. هنگامی که یک مدار فلکس خم می شود، مواد داخل خم فشرده شده و مواد بیرون کشیده می شوند. محور خنثی صفحه ای است که کرنش در آن صفر است. در فلکس تک لایه، محور خنثی تقریباً در مرکز مس است. در یک انعطاف پذیر چند لایه، محور خنثی بسته به تقارن استک آپ تغییر می کند. طراحان باید ردهای مسی را تا حد امکان نزدیک به محور خنثی قرار دهند و برای انعطاف پذیری چند لایه، استک آپ باید متعادل باشد تا محور خنثی در مرکز نگه داشته شود.

انتخاب مواد: مس، چسب و پوشش

انتخاب نوع و وزن مس یک تصمیم قابل اطمینان است، نه فقط یک تصمیم الکتریکی. برای انعطاف پذیری پویا، از مس RA با وزن 0.5 اونس (17.5 میکرومتر) یا 1 اونس (35 میکرومتر) استفاده کنید. مس سنگین تر، مانند 2 اونس یا بیشتر، سفت تر است و در خم شدن مکرر زودتر ترک می خورد. اگر به ظرفیت جریان بالاتری در یک فلکس دینامیکی نیاز دارید، به جای افزایش وزن مس، ردیابی را عریض کنید. این باعث نازک شدن لایه فلکس و شعاع خمش کوچک می شود.

پوشش - ماسک لحیم انعطاف پذیر - نیز یک عامل قابل اعتماد است. بر خلاف تخته های سفت و سخت که از ماسک لحیم قابل تصویربرداری مایع استفاده می کنند، تخته های فلکس معمولاً از یک لایه پوششی پلی آمیدی استفاده می کنند که روی مس با چسب لمینت می شود. پوشش از آثار در برابر رطوبت، آلودگی و آسیب های مکانیکی محافظت می کند. با این حال، روکش ضخامت را اضافه می کند، که حداقل شعاع خم را افزایش می دهد. در برخی از طرح ها، طراحان از پوشش مایع یا "ماسک فلکس" برای نازک نگه داشتن انباشته استفاده می کنند، اما این ماده دوام کمتری دارد و فقط باید در برنامه های استاتیک استفاده شود.

برای مدارهای انعطاف پذیر با جریان بالا، انتخاب مواد دوباره تغییر می کند. اگر یک مدار فلکس باید ده ها آمپر را حمل کند، وزن مس باید افزایش یابد و شعاع خمش باید متناسب با آن تنظیم شود. در این موارد، طراحی انعطاف‌پذیر اغلب به یک ساختار منعطف صلب یا ترکیبی تغییر می‌کند که در آن آثار جریان بالا روی یک بخش صلب هستند. مقاله Heavy Copper & Power PCBs: Exploring the World ملاحظات حرارتی و آبکاری را پوشش می دهد که وقتی مدارهای انعطاف پذیر جریان قابل توجهی دارند اعمال می شود.

قوانین طراحی که از شکست فلکس جلوگیری می کند

شکست های Flex PCB به ندرت توسط یک رویداد دراماتیک ایجاد می شوند. آنها تقریباً همیشه نتیجه تنش تجمعی، طراحی ضعیف انتقال یا کاهش فشار ناکافی هستند. رایج ترین اشتباهات طراحی عبارتند از:

• قرار دادن آثار در زوایای تیز. گوشه 90 درجه در رد مسی نقطه تمرکز تنش ایجاد می کند. از خطوط منحنی با حداقل شعاع 1.5 برابر عرض ردیابی استفاده کنید یا به جای گوشه ها از کمان هایی با شعاع بزرگ استفاده کنید.
• نادیده گرفتن انتقال از انعطاف به صلب. در یک تخته انعطاف پذیر صلب، ناحیه انتقالی که در آن لایه فلکس از بخش صلب خارج می شود، یک منطقه پر استرس است. قطرات اشک را در انتقال پد به ردیابی اضافه کنید و برای توزیع تنش، انتقال لایه را تکان دهید.
• قرار دادن اجزاء در نواحی خمیده. اجزای سفت مانند اتصالات، BGAs، و قسمت‌های حفره‌ای، هنگام خم شدن فلکس، باعث افزایش استرس موضعی می‌شوند. همه اجزا را حداقل 2 تا 3 میلی متر از ناحیه خم دور نگه دارید و از میله های کشش کش یا مهره های چسبنده برای چسباندن فلکس نزدیک قطعه استفاده کنید.
• استفاده از حفره های آبکاری شده در ناحیه خم. گذرگاه ها در ناحیه فلکس یک نقطه شکست رایج است زیرا آبکاری شکننده است و در زیر فلکس ترک می خورد. اگر باید سیگنالی را از طریق فلکس هدایت کنید، از طراحی «صحافی» یا «لولای زنده» استفاده کنید که ردپای را در اطراف خم به جای عبور از آن هدایت می کند.
• فراموش کردن کنترل امپدانس. مواد فلکس دارای ثابت دی الکتریک متفاوتی نسبت به FR-4 هستند، و انباشته نازک به این معنی است که امپدانس به عرض و فاصله ردیابی حساس تر است. اگر فلکس شما سیگنال‌های با سرعت بالا را حمل می‌کند، امپدانس کنترل‌شده را مشخص کنید و با سازنده برای تعریف stackup همکاری کنید.

برای انتقال پد، همیشه قطرات اشک اضافه کنید. قطره اشک، گشاد شدن تدریجی ردیابی به هنگام نزدیک شدن به پد است که تمرکز تنش را در محل اتصال کاهش می دهد. بدون قطرات اشک، محل اتصال ردپای به پد یک بریدگی تیز است که تحت خم شدن مکرر ترک می خورد.

مونتاژ و بازرسی: جایی که Flex PCB به توجه ویژه نیاز دارد

مونتاژ Flex PCB با مونتاژ برد صلب یکسان نیست. تخته نازک، انعطاف پذیر و مستعد تاب خوردن در هنگام جریان مجدد است. اولین چالش مدیریت است: تخته های فلکس باید در حین چاپ خمیر لحیم کاری و قرار دادن قطعات در یک حامل یا روی یک پالت پشتیبانی شوند. اگر تخته صاف نگه نداشته شود، خمیر لحیم لحیم می شود و اجزاء جابجا می شوند.

نمایه جریان مجدد نیز نیاز به تنظیم دارد. مواد فلکس جرم حرارتی کمتری نسبت به FR-4 دارند، بنابراین سریعتر گرم می شوند. برای جلوگیری از زرد شدن پلی‌آمید یا خروج چسب، ممکن است لازم باشد دمای پیک کمی کاهش یابد. سازنده باید از پروفایلی استفاده کند که برای استک آپ فلکس خاص تایید شده باشد، نه یک پروفایل تخته سفت و سخت عمومی.

بازرسی جایی است که تخته های فلکس بیشترین توجه را می طلبد. پس از جریان مجدد، AOI (بازرسی نوری خودکار) برای بررسی اتصالات لحیم کاری، محل قرارگیری قطعات و قطبیت استفاده می شود. با این حال، AOI در یک برد فلکس دشوارتر است، زیرا ممکن است تخته در مرحله بازرسی کاملا صاف نباشد. سیستم AOI باید با تلورانس تاب خوردگی برد فلکس برنامه ریزی شود، یا اینکه تخته باید با یک وسیله جاروبرقی صاف نگه داشته شود.

برای اجزای با گام ظریف و BGAs، بازرسی اشعه ایکس ضروری است. اتصالات لحیم کاری زیر BGA پنهان هستند و انعطاف پذیری برد فلکس می تواند باعث کج شدن بسته در حین جریان مجدد شود که منجر به اتصال سر در بالش یا باز شدن اتصالات می شود. بازرسی اشعه ایکس می تواند تأیید کند که توپ های لحیم کاری به طور یکنواخت فرو ریخته اند و هیچ حفره یا پل وجود ندارد. برای بردهای فلکس با کانکتور، X-ray برای بررسی اینکه پین‌های رابط کاملاً قرار گرفته و لحیم شده‌اند نیز مفید است.

معیارهای بازرسی برای بردهای فلکس توسط IPC-6013 تعریف شده است که صلاحیت و عملکرد برای PCBهای انعطاف پذیر و انعطاف پذیر را پوشش می دهد. این استاندارد جدا از IPC-6012 است که تخته های سفت و سخت را پوشش می دهد. وقتی سفارشی می‌دهید، کلاس IPC (کلاس 2 یا کلاس 3) و هر آزمون دیگری را در RFQ خود مشخص کنید. سازنده باید یک ریزمقطع از یک کوپن را برای تأیید ضخامت آبکاری، تراز لایه ها و یکپارچگی مس ارائه دهد.

تست بردهای فلکس: فیکسچرها و خطاهای کاذب

آزمایش یک برد فلکس چالشی متفاوت از آزمایش یک برد سفت و سخت است. انعطاف پذیری برد به این معنی است که می تواند در طول آزمایش حرکت کند و باعث تماس متناوب یا خرابی های کاذب شود. فیکسچر تست باید از تخته فلکس پشتیبانی کند تا از حرکت جلوگیری کند، اما تکیه گاه نباید با نقاط تست تداخل داشته باشد.

برای آزمایش در مدار (ICT)، از پین‌های پوگو با نیروی فنر کم استفاده کنید. پین‌های پوگو استاندارد با نیروی فنر بالا می‌توانند به لنت‌های یک تخته انعطاف‌پذیر نازک آسیب بزنند، به‌خصوص اگر لنت توسط یک پشتی سفت پشتیبانی نشود. یک صفحه پشتیبانی در زیر تخته فلکس، با سوراخ هایی برای پین های آزمایشی، راه حل استاندارد است. صفحه پشتیبانی همچنین از خم شدن تخته هنگام فشار دادن پین ها به سمت پایین جلوگیری می کند.

برای تست عملکرد، تخته فلکس باید به شکل مورد نظر خود نگه داشته شود. اگر تخته طوری طراحی شده باشد که در محصول نهایی با زاویه 90 درجه خم شود، فیکسچر تست باید آن را در آن زاویه نگه دارد. آزمایش تخته صاف زمانی که برای خم شدن طراحی شده است می تواند باعث خرابی کاذب شود زیرا آثار در حالت استرس متفاوتی قرار دارند. برنامه آزمایشی همچنین باید هرگونه تغییر امپدانس ناشی از هندسه فلکس را در نظر بگیرد.

آزمایش کاوشگر پرنده جایگزینی برای ICT برای بردهای انعطاف پذیر است، به ویژه برای نمونه های اولیه یا تولید کم حجم. سیستم‌های کاوشگر پرنده از پروب‌های متحرک به‌جای فیکسچر روی میخ استفاده می‌کنند که نیاز به یک وسیله سفارشی را از بین می‌برد. با این حال، آزمایش کاوشگر پرنده کندتر از ICT است و ممکن است برای تولید با حجم بالا مناسب نباشد. مقاله Damysifying Flying Probe PCB Testing: The What, Why, and How مبادلات بین کاوشگر پرنده و ICT را با جزئیات بیشتر توضیح می دهد.

> Practical note: When you send a flex board for testing, include a drawing that shows the intended bend shape and the test point locations. This prevents the test engineer from guessing the board's geometry and building a fixture that stresses the board incorrectly.

چه چیزی در یک Flex PCB RFQ اضافه شود

یک PCB RFQ انعطاف پذیر به اطلاعات بیشتری نسبت به یک برد سفت و سخت RFQ نیاز دارد. سازنده نمی تواند بدون دانستن نحوه استفاده از برد تصمیمات خوبی در مورد مواد و فرآیند بگیرد. حداقل، RFQ شما باید شامل موارد زیر باشد:

• تعداد لایه ها و پشته. تعداد لایه ها، ضخامت لایه پایه، وزن مس و نوع پوشش را مشخص کنید. اگر یک استک آپ ترجیحی دارید، آن را ارائه دهید. اگر نه، از سازنده بخواهید تا بر اساس درخواست شما یکی را پیشنهاد دهد.
• برنامه استاتیک یا پویا. این مهمترین بخش اطلاعات است. این نوع مس (RA در مقابل ED)، شعاع خمش و سیستم مواد را هدایت می کند.
• حداقل شعاع خمش و زاویه خمش. شعاع خمش و اینکه آیا خم یکباره یا تکراری است را مشخص کنید. اگر تخته تا شده است، خط تا و زاویه را مشخص کنید.
• محدوده دمای عملیاتی. مواد فلکس محدودیت های حرارتی متفاوتی دارند. پلی آمید برای عملکرد مداوم در دمای 150 درجه سانتیگراد یا بالاتر رتبه بندی شده است، اما چسب ممکن است حداکثر دما را محدود کند. محدوده دمایی خود را مشخص کنید تا سازنده بتواند سیستم چسب مناسب را انتخاب کند.
• تعداد چرخه فلکس. اگر برنامه پویا است، تعداد مورد انتظار چرخه فلکس را مشخص کنید. این تعیین می کند که آیا مس RA مورد نیاز است یا خیر و آیا به ساخت و ساز تمام پلی آمیدی گران تری نیاز است یا خیر.
• الزامات تست. مشخص کنید که به ICT، آزمایش عملکردی، کاوشگر پرواز یا ترکیبی نیاز دارید. نقاط تست و شکل خمش در نظر گرفته شده را برای فیکسچر آزمایشی لحاظ کنید.
• طراحی ساخت با یادداشت‌ها. طرحی را شامل کنید که طرح کلی تخته، نواحی خمیدگی، محدودیت‌های قرار دادن اجزاء و هر گونه تاییدیه مواد را نشان می‌دهد. در نقاشی همچنین باید کلاس IPC (کلاس 2 یا کلاس 3) و هر معیار پذیرش خاص ذکر شود.

اگر با سازنده‌ای مانند Omini کار می‌کنید، مرحله RFQ زمان آن است که درباره درخواست خود با جزئیات صحبت کنید. یک سازنده خوب قبل از نقل قول در مورد تعداد چرخه فلکس پویا، شعاع خمش و شرایط محیطی سوال خواهد کرد. اگر سازنده این سوالات را نپرسد، این یک پرچم قرمز است.

اشتباهات رایج و چه زمانی باید سازنده را درگیر کرد

رایج‌ترین اشتباهات انعطاف‌پذیر PCB قبل از رسیدن برد به کارخانه انجام می‌شود. طراحانی که با یک تخته فلکس مانند یک تخته سفت و نازک رفتار می کنند، طرحی تولید می کنند که در این زمینه شکست می خورد. اشتباهات اصلی عبارتند از:

• عدم مشخص کردن برنامه به عنوان پویا یا استاتیک. این منجر به نوع مس اشتباه و شعاع خمش اشتباه می شود.
• استفاده از مس ED برای یک انعطاف پویا. مس ED پس از چند هزار چرخه ترک می خورد، حتی با شعاع خمش سخاوتمندانه.
• قرار دادن vias در ناحیه خم. مس آبکاری شده در بشکه via شکننده است و ترک خواهد خورد.
• افزودن کاهش فشار در کانکتورها. اتصال بین فلکس و کانکتور یک نقطه تمرکز تنش است. بدون تسکین فشار، آثار در رابط پاره می شود.
• نادیده گرفتن ضخامت پوشش در محاسبه شعاع خمیدگی. ضخامت کل استک آپ شامل پوشش است و شعاع خم باید از ضخامت کل محاسبه شود، نه فقط از فیلم پایه و مس.

سازنده را زودتر درگیر کنید، ایده آل در مرحله بررسی طراحی. یک سازنده با تجربه انعطاف‌پذیری می‌تواند پیش از متعهد شدن به طرح‌بندی، استک آپ، شعاع خمش و انتخاب مواد شما را بررسی کند. این امر به ویژه برای تخته های انعطاف پذیر صلب، که در آن طراحی ناحیه انتقال حیاتی است، مهم است. مقاله تابلوهای مدار فلکس: مقدمه و کاربردها نمای کلی تری از محل استفاده از مدارهای انعطاف پذیر و چرایی اهمیت محدودیت های طراحی ارائه می دهد.

اگر برد فلکس شما دارای کنتاکت‌های لبه‌ای برای اتصال به کانکتور است، الزامات آبکاری و اریب با فلکس استاندارد متفاوت است. مقاله انگشت طلایی PCBs: انواع، مزایا و کاربردها ملاحظات آبکاری لبه و ضخامت طلا را پوشش می دهد که برای مدارهای انعطاف پذیر با رابط های لبه کارتی اعمال می شود.

خط پایین برای قابل اعتماد فلکس PCBA

Flex PCBs یک راه حل اثبات شده برای مشکلات بسته بندی و قابلیت اطمینان هستند، اما آنها به طراحی و طرز فکر ساخت متفاوتی نسبت به تخته های سفت و سخت نیاز دارند. قابلیت اطمینان یک مدار فلکس با انتخاب مواد، شعاع خمش، و طراحی نواحی انتقال تعیین می‌شود - نه تنها با ضخامت مس. یک فلکس پویا به مس RA، شعاع خمش زیاد و کاهش فشار دقیق نیاز دارد. یک انعطاف پذیر استاتیک می تواند از مس ED و شعاع خم محکم تر استفاده کند، اما طرح هنوز باید از گوشه های تیز و منافذ در ناحیه خم جلوگیری کند.

بررسی‌های کیفیت مهم عبارتند از: ریزمقطع برای کیفیت ساخت، AOI برای بازرسی اتصالات لحیم کاری، اشعه ایکس برای اتصالات پنهان، و ICT یا تست عملکرد با وسایلی که انعطاف‌پذیری برد را به حساب می‌آورند. IPC-6013 معیارهای پذیرش تخته های فلکس را تعریف می کند، اما RFQ شما باید کلاس و الزامات آزمون را مشخص کند. هنگامی که با شریک تولیدی مانند Omini کار می کنید، جزئیات برنامه، شعاع خمش و الزامات آزمایش را از قبل ارائه دهید. سپس سازنده می‌تواند مواد مناسب و کنترل‌های فرآیند را برای ارائه یک برد انعطاف‌پذیر که در این زمینه زنده بماند، انتخاب کند.