Osazování pevných flexibilních desek plošných spojů: Praktický průvodce návrhem, výrobou a kontrolou kvality

Dnešní elektronika vyžaduje od desek plošných spojů více než kdykoli předtím. Zařízení se musí vejít do menších prostor, odolávat většímu mechanickému namáhání a spolehlivě fungovat v náročných prostředích – to vše zároveň. V takovém případě je montáž pevných a flexibilních desek plošných spojů skutečným technickým řešením, a nikoli konstrukčním rozhodnutím.

Osazování pevných a flexibilních desek plošných spojů (PCB) je proces spojování pevných a flexibilních součástek do jedné integrované struktury. Pevné zóny poskytují bezpečný povrch pro upevnění součástek a flexibilní zóny umožňují desku ohýbat, skládat nebo obklopovat mechanická omezení. Konečným výsledkem je pouzdro, které odstraňuje kabely a konektory, snižuje celkovou hmotnost a zvyšuje dlouhodobou odolnost v aplikacích, kde jsou vibrace a častý pohyb neustálým problémem.

Tato metoda si v průmyslu získává na popularitě. Výrobci zdravotnických prostředků používají flexibilní deskové spoje (PCB) k výrobě diagnostických zařízení a implantátů, které se musí přizpůsobit lidskému tělu. Pomáhá vývojářům v leteckém a obranném průmyslu ušetřit hmotnost a zároveň si zachovat pevnost. Společnosti spotřební elektroniky ji oceňují za to, že do štíhlejších zařízení vkládá více funkcí. Díky přizpůsobivosti flexibility je technologie rigid-flex velmi lákavá a technicky náročná.

Osazování tuhých a flexibilních desek plošných spojů však není jednoduchým rozšířením běžné výroby desek plošných spojů. Kombinace materiálů, složité vrstvení vrstev a přechody mezi tuhými a flexibilními zónami generují problémy s návrhem a výrobou, které vyžadují odborné znalosti v každém kroku. Tato příručka má poskytnout pochopení těchto problémů – a vědět, na co se zaměřit u výrobního partnera.

Co je to pevná flexibilní montáž desek plošných spojů?

Osazování pevných a flexibilních desek plošných spojů (PCB) je proces vytváření, výroby a osazování desky plošných spojů, která se skládá z pevných dílů FR-4 a flexibilních polyimidových sekcí do jedné souvislé struktury. Skutečně pevná a flexibilní deska plošných spojů je vyrobena z jednoho kusu, nikoli jako běžná deska plošných spojů s připojeným flexibilním konektorem.

Pevné části desky jsou konstruovány jako běžné desky plošných spojů a poskytují pevný povrch pro SMT a součástky pro montáž do otvorů. Pružné části jsou vyrobeny z tenkých polyimidových substrátů a obecně obsahují vodicí stopy a žádné součástky. Tyto dvě zóny jsou během výroby laminovány dohromady a vytvářejí desku, kterou lze před instalací nebo po ní ohýbat nebo skládat do trojrozměrného tvaru.

Pevná deska plošných spojů vs. flexibilní deska plošných spojů vs. pevně-flexibilní deska plošných spojů

Níže uvedená tabulka shrnuje klíčové rozdíly mezi těmito třemi typy desek:

Pevná deska plošných spojů (PCB) je substrát FR-4. Je pevná po celé délce. Poskytuje velmi dobrou mechanickou stabilitu a je nejčastější a nejlevnější volbou pro většinu aplikací. Není však flexibilní, proto spojení několika pevných desek vyžaduje kabely nebo konektory.

Flexibilní desky plošných spojů (PCB) jsou vyrobeny z tenkého plechu polyimidu nebo podobného materiálu, který lze opakovaně ohýbat bez poškození. Je lehký a prostorově úsporný, ale poskytuje menší mechanickou oporu pro velké nebo vysoké součástky.

Pevně-flexibilní deska plošných spojů (PCB) je kombinací výhod obou. Pevné díly poskytují strukturální stabilitu a snadnou montáž součástek. Flexibilní sekce nabízejí trojrozměrné směrování a eliminují potřebu propojení mezi deskami. Nevýhodou jsou vyšší náklady na návrh a výrobu. 

Běžné aplikace pevných a flexibilních desek plošných spojů

Technologie Rigid-Flex se nachází v široké škále náročných aplikací:

Proč je montáž pevných flexibilních desek plošných spojů složitější než montáž standardních desek plošných spojů

Problémy s materiálem, ohýbáním a vrstvením vrstev

Pokyny pro montáž pevných a flexibilních desek plošných spojů (PCB) jsou vyrobeny z velmi odlišných materiálů než standardní desky. Flexibilní součásti jsou obvykle vyrobeny z polyimidových substrátů, které reagují odlišně od FR-4 na vliv teploty a mechanického namáhání. Je důležité sladit koeficient tepelné roztažnosti (CTE) mezi pevnými a flexibilními částmi. K delaminaci může docházet v důsledku nesprávného pájení.

Další klíčovou složitostí je konfigurace vrstev. Typická čtyřvrstvá pevně-flexibilní deska plošných spojů se skládá ze dvou nebo více pevných vrstev a jedné nebo více flexibilních vrstev. Tyto vrstvy jsou slepeny zevnitř ven speciálními lepidly zvanými prepregy. Věci se značně komplikují u šestivrstvé pevně-flexibilní desky plošných spojů, která obvykle vyžaduje slepé a zapuštěné propojovací otvory pro řízení trasy mezi zónami. S každou přidanou vrstvou musí být řízení procesu přísnější a materiály musí být vybírány pečlivěji, aby se udržela konstantní impedance a zabránilo se deformaci.

Níže uvedená tabulka ukazuje, jak se složitost stack-upu a typické aplikace škálují s počtem vrstev:

Hlavní oblastí napětí je přechodová zóna mezi tuhým segmentem a pružnou částí. Ostré přechody mají tendenci koncentrovat mechanické napětí a časem mohou vést ke stopovým lomům nebo delaminaci. Dobrá konstrukční a výrobní praxe zahrnuje plynulé přechody a dostatečné odlehčení tahu, aby se tato rizika snížila. 

Rizika spojená s umístěním součástek a pájením

Neumisťujte součástky na ohebné části desky ani do jejich blízkosti. Jejich ohýbání by vytvářelo mechanické tlaky, které by brzy zničily pájené spoje. Všechny součástky pro povrchovou montáž a součástky pro montáž do otvorů by měly být umístěny v pevných oblastech. Pokud musí být součástky namontovány na ohebnou část, měla by být tato oblast zpevněna výztuhou a umístěna mimo zónu ohybu.

Profily pro pájení reflow je třeba upravit pro tuhé a ohebné desky. Rozdíl v tepelné hmotnosti mezi tuhými a ohebnými částmi je hlavní příčinou nerovnoměrného rozložení tepla, ke kterému dochází během procesu reflow. Je možné, že nesprávná kalibrace profilu může vést k přehřátí ohebných oblastí, delaminaci těchto částí nebo poškození polyimidového substrátu. Při zahřívání tuhých částí je možné, že se nebudou správně reflowovat.  

Hlavní kroky procesu montáže pevných flexibilních desek plošných spojů

Kontrola návrhového souboru a kontrola DFM

Správný způsob sestavení tuhé flexibilní desky plošných spojů (PCB) začíná prvními kroky analýzy návrhových souborů a spuštěním analýzy Design for Manufacturability (DFM). V této fázi se kontroluje úplnost a konzistence souborů Gerber, vrtacích souborů a komentářů k výrobě. Kontrola DFM zohledňuje pravidla pro poloměr ohybu (obvykle 10násobek tloušťky flexibilní vrstvy nebo větší), rozložení součástek vzhledem k ohybovým oblastem, umístění tras v přechodech a vhodnost pro stohování.

Problémy zjištěné v této fázi jsou zaznamenány před zahájením výroby, čímž se zabrání nákladným opravám v budoucnu. Zkušený výrobce také analyzuje požadavky na impedanci a ověří, zda navrhované zapojení splňuje normy pro elektrické vlastnosti.

SMT montáž, kontrola, testování a finální dodávka

Po výrobě se tuhé části desky sestaví technologií povrchové montáže (SMT). Pájecí pasta se nanáší na tuhé zóny pomocí šablonového tisku. Pro umisťování součástek se používají stroje Pick-and-place a deska prochází řízenou reflow pecí. V případě potřeby se přidávají součástky s průchozími otvory a poté se sestava vlnitým nebo selektivním pájením provede pájení.

Po sestavení jsou desky testovány automatickou optickou kontrolou (AOI), aby se zjistily vady pájení, chybějící součástky a špatné zarovnání. Složité sestavy – zejména ty, které používají pouzdra BGA, oblíbená v projektech rychlé montáže pevných a flexibilních desek plošných spojů – jsou také podrobeny rentgenové kontrole, aby se zkontrolovaly skryté pájené spoje.

Elektrické testování ověřuje, zda sestavená deska splňuje specifikace. Konektivita a hodnoty součástek se kontrolují pomocí sondy s nulovým napětím nebo testováním v obvodu (ICT).

Klíčová rizika kvality při montáži pevných a flexibilních desek plošných spojů

Napětí v pájeném spoji a poškození flexibilní oblasti

U projektů sestavování ohýbatelných desek plošných spojů je nejčastějším rizikem kvality prasknutí pájeného spoje v důsledku mechanického namáhání. Když se tuho-ohebná deska ohýbá do svého konečného tvaru, může dojít k namáhání částí, které jsou příliš blízko ohybových zón, což může způsobit prasknutí pájeného spoje. Toto riziko je ještě vyšší u věcí, které je třeba neustále ohýbat, jako jsou robotická ramena nebo elektronika, kterou je třeba skládat.

Další důležitou věcí, kterou je třeba zvážit, je poškození flexibilní oblasti během výroby. Polyimidová báze je poměrně pevná, ale může být poškozena chemikáliemi použitými při výrobě, ostrými ohyby a otvory. Během výroby je nutné dodržovat správná pravidla manipulace, aby se předešlo poškození, které nemusí být na první pohled zřejmé, ale mohlo by zkrátit životnost výrobku. 

Problémy se spolehlivostí ohybu, delaminací a testováním

Níže uvedená tabulka shrnuje nejčastější rizika kvality a kontrolní mechanismy používané k jejich řešení:

To má za následek tepelné namáhání během pájení, které překračuje pevnost spoje mezi tuhou a ohebnou částí, což vede k delaminaci nebo oddělení vrstev ve svazku. A proto je kontrola profilů reflow a výběr materiálů tak kritická. Delaminace nemusí být na povrchu desky viditelná a k jejímu odhalení je nutná analýza průřezu nebo odborná kontrola.

Spolehlivost v ohybu se prokazuje testováním cyklů ohybu, při kterém se desky opakovaně ohýbají v zamýšleném rozsahu pohybu, aby se ověřilo, že vodivé vodiče a pájené spoje zůstanou po celou dobu odhadované životnosti produktu neporušené. Spotřební elektronika často nevyžaduje tolik testování jako desky používané v lékařských nebo leteckých aplikacích.

Co je třeba zkontrolovat před výběrem výrobce pevných flexibilních desek plošných spojů

Inženýrská podpora a zkušenosti s výrobou tuhých a flexibilních konstrukcí

Ne všechny společnosti, které sestavují desky plošných spojů, mají správné nástroje, znalosti materiálů nebo zkušenosti s procesy, aby spolehlivě vyráběly tuhé a flexibilní desky. Měli byste se ujistit, že partner, kterého si vyberete, má zkušenosti s návrhem, který potřebujete, ať už se jedná o čtyřvrstvou tuhou a flexibilní sestavu desek plošných spojů pro malé spotřební zařízení nebo o šestivrstvou tuhou a flexibilní sestavu desek plošných spojů pro průmyslovou aplikaci, která vyžaduje vysokou spolehlivost. 

Zkontrolujte, zda výrobce nabízí interní vyhodnocení DFM a technickou pomoc. Dobrý partner se bude moci podívat na váš stack-up, zjistit, kde byste mohli mít problémy s poloměrem ohybu nebo přechodovými zónami, a před zahájením výroby vám navrhne řešení pro zlepšení. Spolupráce nyní vám může ušetřit drahé poruchy později.

Inspekce, testování, sledovatelnost a komunikace

Zajistěte, aby výrobce pravidelně prováděl AOI, rentgenovou kontrolu a vhodné elektrické testování jako součást svého běžného procesu, nikoli jako volitelný doplněk. Pokud jde o montáž lékařských pevných a flexibilních desek plošných spojů nebo letecké aplikace, je důležité se informovat o jejich certifikacích systému managementu jakosti. Tyto certifikace by měly zahrnovat shodu s požadavky IPC a také certifikaci ISO 13485 nebo AS9100, pokud je to relevantní.

Sledovatelnost je nezbytná pro aplikace, které vyžadují vysokou úroveň spolehlivosti. Očekává se, že váš výrobce bude schopen poskytnout úplnou sledovatelnost, která propojí každou desku s příslušnou výrobní šarží, materiály a testovacími daty. Při práci s krátkými termíny a rychlou montáží pevných a flexibilních desek plošných spojů je nesmírně důležité mít jasnou a pohotovou komunikaci v průběhu celého projektu, počínaje kontrolou návrhu a konče dodávkou. 

O PCBasicu

Čas jsou ve vašich projektech peníze – a PCBasic chápe PCBasic je Firma pro montáž desek plošných spojů který pokaždé přináší rychlé a bezchybné výsledky. Náš komplexní Montážní služby PCB zahrnují odbornou technickou podporu v každém kroku, což zajišťuje špičkovou kvalitu každé desky. Jako přední Výrobce sestav plošných spojů, Nabízíme komplexní řešení, které zefektivní váš dodavatelský řetězec. Spolupracujte s naší pokročilou Továrna na prototypy plošných spojů pro rychlé vyřízení a vynikající výsledky, na které se můžete spolehnout.

Jak PCBasic podporuje projekty montáže pevných a flexibilních desek plošných spojů

Společnost PCBasic poskytuje komplexní podporu pro osazování pevných a flexibilních desek plošných spojů (PCB), od prvního vyhodnocení DFM až po finální dodávku. Jejich technický tým spolupracuje přímo se zákazníky na optimalizaci návrhů pro vyrobitelnost, včetně výběru vrstev, požadavků na zóny ohybu a poradenství ohledně umístění součástek.

Výrobní možnosti zahrnují 4vrstvé a 6vrstvé konfigurace tuhých a flexibilních desek plošných spojů, včetně interního AOI, rentgenového a funkčního testování. PCBasic poskytuje rychlou montáž tuhých a flexibilních desek plošných spojů pro projekty s krátkými termíny, s podporou robustní procesní dokumentace a technik sledovatelnosti, které splňují potřeby zákazníků z lékařského a průmyslového sektoru.

Nejčastější dotazy

Jaký je typický počet vrstev pro montáž pevné flexibilní desky plošných spojů?
Většina konfigurací tuhého a flexibilního uspořádání má 2 až 8 vrstev. Nejčastěji se používají čtyř- a šestivrstvá uspořádání, která poskytují spravedlivý kompromis mezi flexibilitou směrování a výrobními náklady.

Lze umístit komponenty na flexibilní sekce?

Žádné. Součástky jsou montovány výhradně na tuhých částech desky. Součástky umístěné na ohybných zónách vyvíjejí nepřijatelné mechanické namáhání pájených spojů při ohýbání desky plošných spojů.

Jaký je minimální poloměr ohybu pro tuho-flexibilní desky?

Minimální poloměr ohybu je obecné pravidlo, ale závisí na počtu ohebných vrstev a polyimidovém materiálu. Minimální poloměr ohybu je desetinásobkem celkové tloušťky ohebné vrstvy. Posouzení DFM od vašeho výrobce ověří správnost specifikace pro váš návrh.

Je sestava pevných a flexibilních desek plošných spojů výrazně dražší než standardní sestava desek plošných spojů? Ano, pevně-flexibilní montáž je obvykle nákladnější kvůli potřebě specifických materiálů, přísnějším kontrolám procesu a vyšším požadavkům na kontrolu. Vynechání kabelů a konektorů, které jsou spolehlivější, však často vede ke snížení celkových nákladů na systém po celou dobu životnosti produktu.

Ve kterých odvětvích se nejčastěji používají pevné a flexibilní deskové spoje (PCB)?

Jejími hlavními oblastmi podnikání jsou zdravotnické prostředky, letectví a obrana, spotřební elektronika, průmyslová automatizace a vojenská komunikace. Rigid-flex je vhodným kandidátem pro jakoukoli aplikaci vyžadující kompaktní rozměry, snížení hmotnosti nebo vysokou odolnost v dynamických situacích.