Title

НАЗНАЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ГИБКИХ И ГИБКО-ЖЕСТКИХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Стандарт IPC - T - 50 "Terms and Definition for Printed Boards" так определяет гибкие печатные платы (ГПП): "Печатные платы, использующие гибкий базовый материал, с или без гибкого защитного покрытия".
Рынок гибких печатных плат в 2000 году ожидается около 5 Млрд. долл., с ежегодным ростом 12-17%.

    Типы гибких печатных плат:
  • Односторонние гибкие печатные платы.
  • Односторонние гибкие печатные платы с двухсторонним доступом.
  • Двухсторонние гибкие печатные платы.
  • Многослойные гибкие печатные платы.
  • Гибкие печатные платы с местным ужесточением (укреплением).
  • Жестко-гибкие печатные платы.

«Статические» гибкие печатные платы - гибкость используется только при операциях сборки.

    "Динамические" гибкие печатные платы делятся на:
  • "периодически" гибкие (сотни-тысячи циклов перегибов),
  • "непрерывно" гибкие (Млн - Млрд циклов перегибов).

    Применение гибких печатных плат:
  • автомобили (панели, системы контроля...)
  • бытовая техника (35 мм камеры, видеокамеры, калькуляторы…)
  • медицина (слуховые аппараты, сердечные стимуляторы...)
  • вооружение и космос (спутники, панели, радарные системы, приборы ночного видения...)
  • компьютеры (печатающие головки, управление дисками, кабели ...)
  • промышленный контроль ( комутирующие приборы, нагреватели...)
  • инструменты (рентгеновское оборудование, счетчики частиц ...)
  • разное (оружие, торпеды, злектронное экранирование, радиосвязь...).

    Мотивы применения гибких печатных плат:
  • динамическая гибкость,
  • уменьшение размера конструкции,
  • уменьшение веса ( 50 - 70% при замене проводного монтажа, до 90% при замене жестких плат),
  • улучшение эффективности сборки,
  • уменьшение стоимости сборки (уменьшение числа операций),
  • увеличение выхода годных при сборке,
  • улучшение надежности ( уменьшение числа уровней соединений),
  • улучшение электрических свойств (унифицированные материалы, волновое сопротивление, уменьшение индуктивности),
  • улучшение рассеивания тепла (плоские проводники, рассеивание тепла на обе стороны...)
  • возможность трехмерной конструкции упаковки,
  • совместимость с поверхностным монтажем компонентов (совместимость по коэффициенту расширения...),
  • упрощение контроля (визуального и электрического...),

    Характеристики материала для гибких печатных плат:
  • размерная стабильность,
  • теплоустойчивость (выдержывать пайку без разрушений и снижения гибкости),
  • устойчивость к разрыву,
  • приемлемые электрические свойства,
  • гибкость при экстремальных температурах,
  • низкое водопоглощение (расслоение, отслоение при нагреве),
  • химическая стойкость (при производстве и при использовании),
  • негорючесть,
  • общие требования (стабильность характеристик, множественность источников поставки, стоимость, количество необходимого материала в изделии…).

Основные элементы конструкции гибких печатных плат: базовый материал, адгезив, металлическая фольга или базовый материал и металлическая фольга.

Гибкие базовые материалы.
Наиболее популярные - лавсан и полиимид.

Полиимидные пленки — доминирующий материал для изготовления гибких печатных плат.

Имеется ряд формул полиимида с торговыми марками Kapton, Apical,Novax, Espanex, Upilex.

    Преимущества:
  • отличная гибкость при всех температурах,
  • хорошие электрические свойства,
  • отличная химстойкость (за исключением горячей концентрированной щелочи),
  • очень хорошая устойчивость к разрыву ( но плохое распространение разрыва),
  • определенные типы полиимидов имеют дополнительные преимущества (коэффициент расширения согласованный с медью, уменьшенное напряжение в ламинатах...)
  • полиимид можно химически травить,
  • рабочая температура от –200оС до + 300оС.

    Недостатки:
  • высокое водопоглощение (до 3% по весу),
  • относительно высокая стоимость,
  • несмотря на высокую температуру стеклоперехода (напр. 500оС для Upilex S) их высокотемпературные свойства ограничивают адгезивы.

Лавсановые пленки (полиэтилентерефталат, PET)

Есть ряд торговых марок — Mylon, Melinex, Luminor, Celanar.

    Положительные стороны:
  • Это низкотемпературный термопласт (легко формуется).
  • Очень низкая стоимость.
  • Хорошая устойчивость к разрыву и распространению разрыва.
  • Очень хорошая гибкость.
  • Хорошая химстойкость.
  • Низкое влагопоглощение.
  • Хороший баланс электрических характеристик.
  • Рабочий диаппазон температур от -60оС до +105оС.
    Отрицательные стороны:
  • ограниченность к пайке (имеет низкую точку плавления),
  • нельзя использовать при очень низких температурах (становится хрупким),
  • недостаточная размерная стабильность (применяют термостабилизацию).

Адгезивы

Адгезивы используются для соединения медной фольги с базовой пленкой, а при частично полимеризованном виде служат для создания защитных слоев однослойных и двухслойных гибких печатных плат, а также объединяют слои для многослойных и гибко-жестких конструкций. Роль адгезивов является определяющей и критической для свойств конечного продукта.

Часто они являются ограничивающим элементом в термических свойствах гибких печатных плат, когда используется полиимид в качестве базового материала. Акриловый адгезив имеет значительную популярность, его применяют для полиимида (травится в щелочи, большой коэффициент расширения). Эпоксид и модифицированный эпоксид в качестве адгезива хрупок. Полиимидный адгезив требует очень высокой температуры обработки.

Большинство гибких ламинатов используют катанную и ненагартованную фольгу. Имеется также ряд способов металлизации гибких пленок напылением и химическим или вакуумным осаждением. Фольга из специальных медных сплавов имеет большее сопротивление и большую прочность, обеспечивая большую устойчивость к перегибам, сравнимую с катаной фольгой. Кроме того такая фольга более устойчивая в производстве ламината - меньше дефектов.

Защитные слои — аналог паяльной маски. Они увеличивают устойчивость к перегибам.
Защитные покрытия — акрилаты, полиуретаны, акрилэпоксиды. Жидкие. Отверждение — УФ или тепло.
Фоточувствительные защитные слои — пленки и жидкие для сеткографии.

Соединительные пленки — пленки с адгезивом, защищенные снимаемой пленкой. Применяются для многослойных гибких печатных плат и гибко-жестких плат.

    Рекомендации для конструирования гибких печатных плат:
  • избегать расположения сквозных металлизированных отверстий на изгибающихся поверхностях,
  • не трассировать проводники под углом 90о к направлению изгиба,
  • не трассировать проводники на одиночных слоях в области изгибов,
  • дугу изгиба не делать малой: для увеличения срока службы динамических гибких печатных плат,
  • проектировать с расположением медных слоев в нейтральной части гибких печатных плат,
  • обеспечивать максимально допустимый радиус перегибов.

Производство гибко-жестких плат.

Это наиболее сложные соединительные структуры современной электронной аппаратуры. Требуются элементы обоих технологий - жестких и гибких печатных плат. Жесткие платы спрессовываются с гибкими и осуществляются соответствующие сквозные межслойные соединения. Простейшая гибко-жесткая плата - один жесткий и один гибкий слой . Сложные гибко-жесткие платы могут содержать десять-двадцать или более гибких соединительных наборов между жесткими внешними слоями. Одно- и двухслойные гибкие печатные платы составляют гибкие соединительные наборы.

Гибко-жесткие платы очень сложны в производстве. Они используют большой набор разнородных материалов разной природы и размерной стабильности, а также разной степени надежности металлизации.

    Маршрутная схема изготовления гибко-жестких печатных плат:
  • Нарезка гибких и жестких ламинатов в размер групповых заготовок и маркировка
  • Создание базовых отверстий в заготовках.
  • Создание на гибких слоях рисунка проводников (фотохимия и травление), в некоторых соединительных областях могут формироваться межслойные металлизированные переходы,
  • Припрессовывание защитных слоев на травленный рисунок,
  • Жесткие ламинаты предварительно фрезеруются для обеспечения удаления ненужных частей после изготовления (полное выфрезеровывание или фрезерование на определенную глубину или скрайбирование материала),
  • Нарезка соединительных прокладок с удалением определенных областей, обеспечивая предохранение гибких областей от склеивания между собой и с жесткими частями,
  • Спрессовывание вместе защищенных схемных слоев и жестких внешних слоев с помощью вырезанных гибких соединительных листов ,
  • Гибко-жесткая панель сверлиться с использрванием той же системы базирования,
  • Очистка отверстий с помощью плазменного травления,
  • Химическая и электрохимическая металлизация ,
  • Формирование негативного изображения на наружных слоях,
  • Электрохимическая металлизация окон в рисунке - медь, затем олово-свинец.
  • Удаление фоторезиста и травление меди .
  • Снятие олово-свинца.
  • Нанесение паяльной маски на жесткие части.
  • Горячее лужение.
  • Выфрезеровывание гибко-жестких плат из заготовки. Лишние жесткие части механически удаляются.

    Проблемы гибко-жестких плат:
  • Выдерживание требований термоциклов и термоударов (много адгезивов с высоким коэффициентом теплового расширения).
  • Первое решение проблемы применение безадгезивных материалов.
  • Второе решение проблемы применение новых или улучшенных конструкций (например, усиление металлизации сквозных отверстий).

Контроль и испытание гибких печатных плат.

Для гибких печатных плат имеется два уровня контроля и испытаний: Первый уроверь проводится над исходными материалами, используемыми в производстве гибких печатных плат, второй уровень осуществляется над конечным продуктом.

    Испытание исходных материалов:
  • испытание физических войств,
  • испытание химических свойств,
  • испытание электрических свойств,
  • испытания влияния на окружающую среду.

    Испытания физических свойств:
  • гибкость при низкой температуре,
  • размерная стабильность,
  • содержание летучих веществ,
  • прочность на разрыв и удлинение,
  • усилие инициирования разрыва,
  • усилие распространения разрыва,
  • усилие отслоения (в состоянии постави, после ванны с припоем, после термоциклов).

    Испытание химических свойств:
  • химическая устойчивость (концентрированные кислоты, основания, растворители),
  • горючесть (UL94V-0),

    Испытание электрических свойств:
  • диэлектрическая постоянная,
  • фактор рассеивания,
  • диэлектрическая прочность,
  • поверхностное сопротивление,
  • объемное сопротивление,

    Испытание влияния на окружающую среду:
  • влагопоглощение,
  • сопротивление изоляции во влаге,
  • сопротивления образования грибков.

Спецификации и стандарты:

ГОСТ 23751 – 86 . Печатные платы.Основные параметры конструкции.
ГОСТ 23751 – 79*. Печатные платы.Требования и методы конструирования.
IPC-FC-231C Flexible Bare Dielectric for Use in Flexible Printed Wiring.
IPC-FC-232C Adhesive Coated Films for Use as Cover Sheets Flex Circuits.
IPC-FC-241C Flexible Metal-clad Dielectrics for Use in Fabrication of Flexible Printed Wiring.
IPC-RF-245A Performance Specification for Rigid-flex Printed Boards.
IPC-D-249 Design Standart for Flexible Single- and Double-sided Printed Boards.
IPC- FC-250A Performance Specification for Single- and Double- sided Flexible Printed Wiring.

Автор: Ф.П.Галецкий
Источник: www.fpgaletsky.ru