Rigid Flex PCB Assembly: Een praktische gids voor ontwerp, productie en kwaliteitscontrole

De elektronica van vandaag stelt hogere eisen aan printplaten dan ooit tevoren. Apparaten moeten in kleinere ruimtes passen, bestand zijn tegen hogere mechanische spanningen en betrouwbaar functioneren in ve veeleisende omgevingen – en dat allemaal tegelijk. In dat geval is een flexibele printplaatconstructie een echte technische oplossing en geen louter ontwerpkeuze.

Bij rigid flex PCB-assemblage worden stijve en flexibele printplaatcomponenten samengevoegd tot één geïntegreerde structuur. De stijve zones bieden een veilig oppervlak voor het bevestigen van componenten, terwijl de flexibele zones ervoor zorgen dat de printplaat kan buigen, vouwen of zich om mechanische obstakels heen kan wikkelen. Het eindresultaat is een behuizing die kabels en connectoren overbodig maakt, het totale gewicht verlaagt en de duurzaamheid op lange termijn verbetert in toepassingen waar trillingen en frequente bewegingen constant voorkomen.

Deze methode wint de laatste tijd sterk aan populariteit in de industrie. De rigid flex PCB-assemblage wordt door fabrikanten van medische apparatuur gebruikt voor de constructie van diagnostische apparatuur en implantaten die zich aan het menselijk lichaam moeten aanpassen. Het helpt ontwikkelaars in de lucht- en ruimtevaart en defensie om gewicht te besparen met behoud van sterkte. Bedrijven in de consumentenelektronica waarderen het omdat het meer functionaliteit in slankere apparaten kan integreren. De aanpasbaarheid van de rigid flex-technologie maakt het zo aantrekkelijk en tegelijkertijd zo technisch complex.

Maar de assemblage van flexibele printplaten is geen simpele uitbreiding van de reguliere printplaatproductie. De combinatie van materialen, complexe lagenopbouw en overgangen tussen stijve en flexibele zones leiden tot ontwerp- en productieproblemen die in elke fase specialistische kennis vereisen. Deze handleiding is bedoeld om inzicht te geven in deze problemen en om te laten zien waar u op moet letten bij de keuze van een productiepartner.

Wat is een rigide flexibele printplaatassemblage?

Rigid Flex PCB-assemblage is het proces van het ontwerpen, produceren en assembleren van een printplaat die is opgebouwd uit stijve FR-4-onderdelen en flexibele polyimide-secties tot één doorlopende structuur. Een echte rigid flex-printplaat wordt als één geheel gebouwd, niet als een gewone printplaat met een flexibele connector eraan bevestigd.

De massieve gedeelten van de printplaat zijn geconstrueerd zoals normale printplaten en bieden een stevig oppervlak voor SMT- en doorsteekcomponenten. De flexibele gedeelten zijn gemaakt van dunne polyimidesubstraten en bevatten over het algemeen routingsporen en geen componenten. De twee zones worden tijdens de productie aan elkaar gelamineerd, waardoor een printplaat ontstaat die vóór of na installatie in een driedimensionale vorm kan worden gebogen of gevouwen.

Stijve printplaat versus flexibele printplaat versus stijf-flexibele printplaat

De onderstaande tabel vat de belangrijkste verschillen tussen de drie bordtypen samen:

Een stijve printplaat heeft een FR-4-substraat. Deze is volledig massief. Dit zorgt voor een zeer goede mechanische stabiliteit en is voor de meeste toepassingen de meest voorkomende en goedkoopste keuze. Het is echter niet flexibel, waardoor het verbinden van meerdere harde printplaten kabels of connectoren vereist.

Flexibele printplaten zijn gemaakt van een dunne laag polyimide of een vergelijkbaar materiaal dat herhaaldelijk kan worden gebogen zonder beschadiging. Ze zijn licht en ruimtebesparend, maar bieden minder mechanische ondersteuning voor grote of hoge componenten.

De rigid-flex printplaat combineert de voordelen van beide. De rigide onderdelen bieden structurele stabiliteit en vereenvoudigen de montage van componenten. De flexibele secties maken 3D-routing mogelijk en maken verbinding tussen printplaten overbodig. Het nadeel is dat de ontwerp- en productiekosten hoger liggen. 

Veelvoorkomende toepassingen van rigide-flexibele printplaten.

De stijf-flexibele technologie wordt gebruikt in een breed scala aan veeleisende toepassingen:

Waarom de assemblage van flexibele printplaten complexer is dan de assemblage van standaard printplaten

Uitdagingen op het gebied van materiaal, buigen en laagopbouw

Richtlijnen voor de assemblage van rigide flexibele printplaten vereisen heel andere materialen dan standaard printplaten. De flexibele delen worden meestal gemaakt op polyimide substraten, die anders reageren dan FR-4 onder invloed van temperatuur en mechanische spanning. Het is belangrijk om de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van de stijve en flexibele delen op elkaar af te stemmen. Delaminatie kan optreden door een verkeerde soldeerverbinding.

Een andere belangrijke complexiteit is de opbouw van de lagen. Een typische vierlaagse rigid-flex printplaat bestaat uit twee of meer stijve lagen en één of meer flexibele lagen. Deze lagen worden van binnen naar buiten aan elkaar gelijmd met speciale kleefstoffen, prepreg genaamd. Bij een zeslaagse rigid-flex printplaat wordt het aanzienlijk complexer, omdat er meestal blinde en verborgen via's nodig zijn om de routing tussen de zones te beheren. Met elke extra laag moet de procescontrole strenger zijn en moeten de materialen zorgvuldiger worden gekozen om de impedantie constant te houden en kromtrekking te voorkomen.

De onderstaande tabel laat zien hoe de complexiteit van de stack-up en typische applicaties schalen met het aantal lagen:

Het belangrijkste spanningsgebied bevindt zich in de overgangszone tussen het stijve en het flexibele gedeelte. Scherpe overgangen hebben de neiging mechanische spanningen te concentreren en kunnen na verloop van tijd leiden tot kleine breukjes of delaminatie. Goed ontwerp en een goede productie omvatten vloeiende overgangen en voldoende spanningsontlasting om deze risico's te verminderen. 

Risico's bij componentplaatsing en solderen

Plaats geen componenten op of in de buurt van de flexibele delen van de printplaat. Buigen zou mechanische spanningen veroorzaken die de soldeerverbindingen daar snel zouden beschadigen. Alle SMD- en doorsteekcomponenten moeten in de stijve gedeelten worden geplaatst. Als componenten op een flexibel gedeelte moeten worden gemonteerd, moet dit gedeelte worden verstevigd met een verstevigingselement en buiten de buigzone worden gehouden.

De reflow-soldeerprofielen moeten worden aangepast voor rigid-flex printplaten. Het verschil in thermische massa tussen de rigide en flexibele delen is de hoofdoorzaak van de ongelijke warmteverdeling tijdens het reflow-proces. Een onjuiste kalibratie van het profiel kan leiden tot oververhitting van de flexibele delen, delaminatie van deze delen of beschadiging van het polyimide substraat. Wanneer rigide delen worden verwarmd, is het mogelijk dat ze niet correct reflowen.  

Belangrijkste stappen in het assemblageproces van een rigide flexibele printplaat

Beoordeling van het ontwerpbestand en DFM-controle

De juiste manier om een ​​stijve, flexibele printplaat (PCB) te assembleren begint met het analyseren van de ontwerpbestanden en het uitvoeren van een Design for Manufacturability (DFM)-analyse. In deze fase worden de Gerber-bestanden, boorbestanden en fabricage-opmerkingen gecontroleerd op volledigheid en consistentie. De DFM-controle houdt rekening met buigradiusregels (doorgaans 10 keer de dikte van de flexibele laag of meer), componentlay-out ten opzichte van flexibele gebieden, routelocaties in overgangen en de haalbaarheid van de stack-up.

Eventuele problemen die in dit stadium worden geconstateerd, worden genoteerd voordat de fabricage begint, waardoor kostbare herstelwerkzaamheden later worden voorkomen. De ervaren fabrikant analyseert tevens de impedantie-eisen en controleert of de voorgestelde configuratie voldoet aan de elektrische prestatienormen.

SMT-assemblage, inspectie, testen en eindlevering.

Nadat de stijve delen van de printplaat zijn vervaardigd, worden ze gemonteerd met behulp van Surface Mount Technology (SMT). Soldeerpasta wordt met behulp van stencilprinten op de stijve zones aangebracht. Pick-and-place machines worden gebruikt om de componenten te plaatsen en de printplaat wordt vervolgens door een gecontroleerde reflow-oven geleid. Voeg indien nodig doorsteekcomponenten toe en soldeer de assemblage vervolgens met golf- of selectieve soldeertechniek.

Na de assemblage worden de printplaten getest met geautomatiseerde optische inspectie (AOI) om soldeerfouten, ontbrekende componenten en verkeerde uitlijning op te sporen. Complexe assemblages – met name die met BGA-componenten, die populair zijn bij snelle assemblageprojecten voor flexibele printplaten – worden ook onderworpen aan röntgeninspectie om verborgen soldeerverbindingen te controleren.

Elektrische tests verifiëren of de geassembleerde printplaat aan de specificaties voldoet. Connectiviteit en componentwaarden worden gecontroleerd met behulp van een flying probe of in-circuit testing (ICT).

Belangrijkste kwaliteitsrisico's bij de assemblage van rigide flexibele printplaten.

Spanning in soldeerverbindingen en schade aan flexibele zones

Bij projecten waarbij buigbare printplaten worden geassembleerd, is het meest voorkomende kwaliteitsrisico het breken van soldeerverbindingen als gevolg van mechanische spanning. Wanneer een stijf-flexibele printplaat in de uiteindelijke vorm wordt gebogen, kunnen onderdelen die te dicht bij de buigzones liggen, onder spanning komen te staan, waardoor soldeerverbindingen kunnen breken. Dit risico is nog groter bij onderdelen die herhaaldelijk moeten worden gebogen, zoals robotarmen of elektronica die moet worden opgevouwen.

Een ander belangrijk aandachtspunt is de schade aan het flexibele gedeelte tijdens de productie. De polyimidebasis is weliswaar erg sterk, maar kan beschadigd raken door chemicaliën die tijdens het productieproces worden gebruikt, scherpe bochten en gaten. Het is essentieel om de productievoorschriften nauwgezet te volgen om schade te voorkomen die in eerste instantie misschien niet direct zichtbaar is, maar de levensduur van het product aanzienlijk kan verkorten. 

Buigbetrouwbaarheid, delaminatie en testproblemen

Onderstaande tabel geeft een overzicht van de meest voorkomende kwaliteitsrisico's en de beheersmaatregelen die worden gebruikt om deze aan te pakken:

Dit resulteert in thermische spanning tijdens het solderen die de hechtsterkte tussen de stijve en flexibele delen overschrijdt, met als gevolg delaminatie of het loslaten van lagen in de printplaat. Daarom zijn de controle van het reflow-profiel en de materiaalkeuze zo cruciaal. De delaminatie is mogelijk niet zichtbaar aan het oppervlak van de printplaat en vereist een dwarsdoorsnedeanalyse of een inspectie door een expert om te ontdekken.

De betrouwbaarheid bij buigproeven wordt aangetoond door middel van buigcyclustests, waarbij printplaten herhaaldelijk over hun beoogde bewegingsbereik worden gebogen om te controleren of de sporen en soldeerverbindingen intact blijven gedurende de geschatte levensduur van het product. Consumentenelektronica vereist vaak minder tests dan printplaten die worden gebruikt in medische of luchtvaarttoepassingen.

Waarop te letten voordat u een fabrikant van flexibele printplaatassemblages kiest

Technische ondersteuning en ervaring met de productie van stijf-flexibele materialen.

Niet alle bedrijven die printplaten assembleren, beschikken over de juiste gereedschappen, materiaalkennis of proceservaring om betrouwbaar rigid-flex printplaten te produceren. U moet ervoor zorgen dat de partner die u kiest ervaring heeft met het ontwerp dat u nodig heeft, of het nu gaat om een ​​4-laags rigid-flex printplaat voor een klein consumentenapparaat of een 6-laags rigid-flex printplaat voor een industriële toepassing die zeer betrouwbaar moet zijn. 

Controleer of de fabrikant interne DFM-evaluatie en technische ondersteuning aanbiedt. Een goede partner kan uw productopbouw analyseren, potentiële problemen met buigradius of overgangszones identificeren en suggesties voor verbetering geven voordat de productie van start gaat. Door nu samen te werken, kunt u later kostbare mislukkingen voorkomen.

Inspectie, testen, traceerbaarheid en communicatie

Zorg ervoor dat de fabrikant standaard AOI-, röntgeninspectie- en geschikte elektrische testen uitvoert als onderdeel van het gebruikelijke proces, en niet als een optionele extra. Bij de assemblage van flexibele printplaten voor medische toepassingen of in de lucht- en ruimtevaart is het belangrijk om te informeren naar de certificeringen van hun kwaliteitsmanagementsysteem. Deze certificeringen moeten voldoen aan de IPC-vereisten en, indien van toepassing, aan de ISO 13485- of AS9100-norm.

Traceerbaarheid is essentieel voor toepassingen die een hoge mate van betrouwbaarheid vereisen. Van uw fabrikant wordt verwacht dat hij volledige traceerbaarheid kan bieden, waarbij elke printplaat gekoppeld wordt aan de bijbehorende productiebatch, materialen en testgegevens. Bij strakke deadlines en een snelle assemblage van flexibele printplaten is heldere en responsieve communicatie gedurende het hele project, van de ontwerpbeoordeling tot de levering, van cruciaal belang. 

Over PCBasic

Tijd is geld in uw projecten – en PCB-basis begrijpt het. PCB-basis is een PCB-assemblagebedrijf: die elke keer snelle, vlekkeloze resultaten levert. Onze uitgebreide PCB-assemblagediensten: bieden deskundige technische ondersteuning bij elke stap, waardoor topkwaliteit in elk bord wordt gegarandeerd. Als toonaangevend Fabrikant van PCB-assemblage:, Wij bieden een totaaloplossing die uw toeleveringsketen stroomlijnt. Werk samen met onze geavanceerde PCB-prototypefabriek voor snelle doorlooptijden en superieure resultaten waarop u kunt vertrouwen.

Hoe PCBasic projecten voor de assemblage van flexibele printplaten ondersteunt

PCBasic biedt uitgebreide ondersteuning voor de assemblage van flexibele printplaten, van de eerste DFM-evaluatie tot de uiteindelijke levering. Hun technische medewerkers werken rechtstreeks met klanten samen om ontwerpen te optimaliseren voor produceerbaarheid, inclusief de keuze van de opbouw, de vereisten voor de buigzone en advies over de plaatsing van componenten.

De productiemogelijkheden omvatten 4-laags en 6-laags rigid-flex configuraties, inclusief interne AOI-, röntgen- en functionele testen. PCBasic levert snelle rigid-flex PCB-assemblage voor projecten met strakke deadlines, ondersteund door robuuste procesdocumentatie en traceerbaarheidstechnieken om te voldoen aan de behoeften van medische en industriële klanten.

FAQ

Wat is het gebruikelijke aantal lagen voor een rigide flexibele printplaatassemblage?
De meeste rigid-flex-configuraties bestaan ​​uit 2 tot 8 lagen. Lay-outs met vier en zes lagen worden het meest gebruikt, omdat ze een goede balans bieden tussen flexibiliteit in de routing en productiekosten.

Kunnen componenten op de flexibele secties worden geplaatst?

Geen. Componenten worden uitsluitend op de stijve delen van de printplaat gemonteerd. Componenten die op flexibele zones worden geplaatst, oefenen een onaanvaardbare mechanische spanning uit op de soldeerverbindingen wanneer de printplaat wordt gebogen.

Wat is de minimale buigradius voor stijf-flexibele platen?

De minimale buigradius is een algemene vuistregel, maar hangt af van het aantal flexibele lagen en het polyimidemateriaal. De minimale buigradius is tien keer de totale dikte van de flexibele laag. Een DFM-beoordeling door uw fabrikant zal de juiste specificatie voor uw ontwerp bevestigen.

Is de assemblage van rigide flexibele printplaten aanzienlijk duurder dan de assemblage van standaard printplaten? Ja, de rigid-flex-assemblage is doorgaans duurder vanwege de noodzaak van specifieke materialen, strengere procescontroles en hogere inspectie-eisen. Maar het weglaten van betrouwbaardere kabels en connectoren leidt vaak tot lagere totale systeemkosten gedurende de levensduur van het product.

In welke industrieën wordt het meest gebruikgemaakt van rigide flexibele printplaatassemblage?

De belangrijkste bedrijfsactiviteiten zijn medische apparaten, lucht- en ruimtevaart en defensie, consumentenelektronica, industriële automatisering en militaire communicatie. Rigid-flex is een serieuze kandidaat voor elke toepassing die compacte vormen, gewichtsbesparing of een hoge duurzaamheid in dynamische omstandigheden vereist.