Сборка жестко-гибких печатных плат: практическое руководство по проектированию, производству и контролю качества.

Современные электронные устройства предъявляют к печатным платам беспрецедентные требования. Устройства должны занимать меньше места, выдерживать большие механические нагрузки и надежно работать в сложных условиях — и всё это одновременно. Именно здесь жестко-гибкая сборка печатных плат становится настоящим техническим решением, а не просто проектным решением.

Сборка жестко-гибких печатных плат — это процесс соединения жестких и гибких компонентов платы в единую интегрированную конструкцию. Жесткие зоны обеспечивают надежную поверхность для крепления компонентов, а гибкие зоны позволяют плате изгибаться, складываться или обворачиваться вокруг механических ограничений. В результате получается корпус, в котором отсутствуют кабели и разъемы, снижается общий вес и повышается долговечность в условиях постоянной вибрации и частых перемещений.

Этот метод набирает серьезную популярность в промышленности. Жестко-гибкая сборка печатных плат используется производителями медицинского оборудования для создания диагностического оборудования и имплантируемых устройств, которые должны соответствовать форме человеческого тела. Она помогает разработчикам в аэрокосмической и оборонной отраслях снижать вес, сохраняя при этом прочность. Производители потребительской электроники ценят ее за возможность размещения большего количества функций в более тонких устройствах. Адаптивность жестко-гибкой технологии делает ее столь привлекательной и одновременно технически сложной.

Однако сборка печатных плат с использованием жестких и гибких зон — это не простое расширение обычного производства печатных плат. Сочетание материалов, сложная структура слоев и переходы между жесткими и гибкими зонами создают проблемы проектирования и производства, требующие специальных знаний на каждом этапе. Это руководство призвано помочь понять эти проблемы и научить выбирать партнера по производству.

Что такое сборка жестко-гибких печатных плат?

Сборка жестко-гибких печатных плат — это процесс создания, изготовления и установки компонентов на печатную плату, состоящую из жестких элементов из материала FR-4 и гибких полиимидных секций в единую непрерывную структуру. Настоящая жестко-гибкая плата изготавливается как единое целое, а не как обычная печатная плата с прикрепленным гибким разъемом.

Твердые участки платы изготовлены по принципу обычных печатных плат, обеспечивая твердую поверхность для компонентов поверхностного монтажа и сквозного монтажа. Гибкие участки изготовлены из тонких полиимидных подложек и, как правило, содержат трассировочные дорожки и не содержат компонентов. Две зоны ламинируются вместе в процессе производства, в результате чего получается плата, которую можно согнуть или сложить в трехмерную форму до или после установки.

Жесткая печатная плата против гибкой печатной платы против жестко-гибкой печатной платы

В таблице ниже приведены основные различия между тремя типами плат:

Жесткая печатная плата представляет собой подложку из материала FR-4. Она сплошная по всей толщине. Это обеспечивает очень хорошую механическую стабильность и является наиболее распространенным и дешевым вариантом для большинства применений. Однако она негибкая, поэтому для соединения нескольких жестких плат требуются кабели или разъемы.

Гибкие печатные платы изготавливаются из тонкого листа полиимида или аналогичного материала, который можно многократно сгибать без повреждений. Они легкие и компактные, но обеспечивают меньшую механическую поддержку для крупных или высоких компонентов.

Жестко-гибкая печатная плата сочетает в себе преимущества обоих типов плат. Жесткие компоненты обеспечивают структурную стабильность и упрощают сборку. Гибкие секции позволяют осуществлять трехмерную трассировку и исключают необходимость межплатного соединения. Компромисс заключается в увеличении затрат на проектирование и производство. 

Типичные области применения жестко-гибких печатных плат

Технология Rigid-flex применяется в самых разнообразных и сложных областях:

Почему сборка жестко-гибких печатных плат сложнее, чем сборка стандартных печатных плат?

Проблемы, связанные с материалами, изгибом и укладкой слоев.

Инструкции по сборке жестко-гибких печатных плат предусматривают использование материалов, существенно отличающихся от материалов стандартных плат. Гибкие компоненты обычно изготавливаются на полиимидных подложках, которые иначе, чем FR-4, реагируют на воздействие температуры и механических напряжений. Важно обеспечить соответствие коэффициента теплового расширения (КТР) между жесткими и гибкими компонентами. Расслоение может произойти из-за несоответствия припоя.

Еще одна ключевая сложность заключается в конфигурации слоев. Типичная четырехслойная жестко-гибкая печатная плата состоит из двух или более жестких слоев и одного или более гибких слоев. Эти слои склеиваются изнутри наружу с помощью специальных клеевых веществ, называемых препрегами. В случае шестислойной жестко-гибкой печатной платы все значительно усложняется, обычно требуя глухих и скрытых переходных отверстий для организации трассировки между зонами. С каждым добавленным слоем контроль технологического процесса должен быть более строгим, а материалы — более тщательно подобраны для поддержания постоянного импеданса и предотвращения деформации.

В таблице ниже показано, как сложность структуры и типичные области применения масштабируются в зависимости от количества слоев:

Основная зона напряжения — это переходная зона между жестким и гибким сегментами. Резкие переходы, как правило, концентрируют механические напряжения и со временем могут привести к незначительному разрушению или расслоению. Надлежащая практика проектирования и производства предполагает плавные переходы и достаточную разгрузку деформаций для снижения этих рисков. 

Риски, связанные с установкой компонентов и пайкой.

Не размещайте компоненты на гибких участках платы или вблизи них. Изгиб создаст механическое давление, которое быстро разрушит паяные соединения. Все компоненты поверхностного монтажа и сквозные компоненты следует размещать в жестких зонах. Если компоненты необходимо установить на гибкий участок, этот участок следует укрепить усилителем и разместить вне зоны изгиба.

Профили пайки оплавлением должны быть адаптированы для жестко-гибких печатных плат. Разница в тепловой инерции между жесткими и гибкими частями является основной причиной неравномерного распределения тепла в процессе оплавления. Неправильная калибровка профиля может привести к перегреву гибких участков, расслоению этих участков или повреждению полиимидной подложки. При нагреве жестких участков возможно неправильное оплавление.  

Основные этапы процесса сборки жестко-гибких печатных плат

Проверка проектной документации и проектирование с учетом технологичности производства (DFM).

Правильная сборка жесткой гибкой печатной платы начинается с первых шагов анализа проектных файлов и проведения анализа технологичности производства (DFM). На этом этапе проверяются полнота и согласованность файлов Gerber, файлов сверления и комментариев по изготовлению. Проверка DFM учитывает правила радиуса изгиба (обычно в 10 раз больше толщины гибкого слоя или больше), расположение компонентов относительно гибких участков, расположение трасс в переходных зонах и возможность компоновки слоев.

Выявленные на этом этапе проблемы фиксируются до начала изготовления, что позволяет избежать дорогостоящих доработок в дальнейшем. Опытный производитель также проанализирует требования к импедансу и проверит, соответствует ли предлагаемая структура электрическим стандартам.

Сборка, проверка, тестирование и окончательная доставка компонентов для поверхностного монтажа (SMT).

После изготовления жесткие части платы собираются с использованием технологии поверхностного монтажа (SMT). На жесткие зоны наносится паяльная паста методом трафаретной печати. ​​Для установки компонентов используются машины для установки компонентов, а плата проходит через контролируемую печь оплавления. При необходимости добавляются компоненты для сквозного монтажа, затем производится волновая или выборочная пайка всей сборки.

После сборки платы тестируются с помощью автоматизированной оптической инспекции (АОИ) для выявления дефектов пайки, отсутствующих компонентов и смещения. Сложные сборки, особенно те, в которых используются корпуса BGA, популярные в проектах по быстрой сборке жестко-гибких печатных плат, также подвергаются рентгеновскому контролю для проверки скрытых паяных соединений.

Электрические испытания подтверждают соответствие собранной платы техническим характеристикам. Проверка соединений и номиналов компонентов проводится с помощью контактного щупа или внутрисхемного тестирования (ICT).

Основные риски качества при сборке жестко-гибких печатных плат

Напряжение в паяных соединениях и повреждение гибких участков

В проектах по сборке гибких печатных плат наиболее распространенным риском для качества является разрыв паяного соединения из-за механического напряжения. Когда жестко-гибкая плата сгибается до окончательной формы, это может вызвать напряжение в деталях, расположенных слишком близко к зонам изгиба, что может привести к разрыву паяных соединений. Этот риск еще выше для элементов, которые необходимо сгибать многократно, таких как роботизированные манипуляторы или электронные компоненты, которые нужно складывать.

Ещё один важный момент, который следует учитывать, — это повреждение гибкой части во время сборки. Полиимидная основа достаточно прочная, но она может быть повреждена химическими веществами, используемыми в процессе сборки, резкими изгибами и отверстиями. Необходимо правильно соблюдать правила обращения во время производства, чтобы избежать повреждений, которые могут быть неочевидны на первый взгляд, но могут сократить срок службы изделия. 

Вопросы надежности при изгибе, расслоения и испытаний.

В таблице ниже приведено краткое описание наиболее распространенных рисков качества и мер контроля, используемых для их устранения:

Это приводит к возникновению термического напряжения во время пайки, превышающего прочность соединения между жесткими и гибкими частями, что вызывает расслоение или разделение слоев в многослойной структуре. Именно поэтому контроль профилей оплавления и выбор материалов имеют решающее значение. Расслоение может быть незаметно на поверхности платы и требует анализа поперечного сечения или экспертной проверки для его обнаружения.

Надежность при изгибе подтверждается испытаниями на циклы изгиба, в ходе которых платы многократно изгибаются в пределах заданного диапазона движений, чтобы убедиться в целостности дорожек и паяных соединений в течение расчетного срока службы изделия. Бытовая электроника часто не требует такого тщательного тестирования, как платы, используемые в медицинской или авиационной технике.

Что нужно проверить перед выбором производителя жестко-гибких печатных плат

Опыт инженерной поддержки и производства жестких и гибких конструкций.

Не все компании, занимающиеся сборкой печатных плат, обладают необходимыми инструментами, знаниями о материалах или опытом технологического процесса для надежного изготовления жестко-гибких плат. Вам следует убедиться, что выбранный вами партнер имеет опыт работы с требуемым вами проектом, будь то 4-слойная жестко-гибкая печатная плата для небольшого потребительского устройства или 6-слойная жестко-гибкая печатная плата для промышленного применения, требующего высокой надежности. 

Уточните, предлагает ли производитель собственную оценку DFM-технологий и инженерную поддержку. Хороший партнер сможет проанализировать вашу структуру материала, выявить возможные проблемы с радиусом изгиба или переходными зонами и предложить варианты улучшения до начала производства. Сотрудничество сейчас может предотвратить дорогостоящие поломки в будущем.

Инспекция, испытания, отслеживаемость и коммуникация

Убедитесь, что производитель регулярно проводит AOI, рентгеновский контроль и соответствующие электрические испытания в рамках своего обычного процесса, а не в качестве дополнительной опции. В случае сборки жестких и гибких печатных плат для медицинской промышленности или применения в аэрокосмической отрасли важно узнать о наличии у производителя сертификатов системы управления качеством. Эти сертификаты должны включать соответствие требованиям IPC, а также сертификацию ISO 13485 или AS9100, если это применимо.

Прослеживаемость имеет решающее значение для приложений, требующих высокого уровня надежности. Ожидается, что ваш производитель сможет обеспечить полную прослеживаемость, которая свяжет каждую плату с соответствующей производственной партией, материалами и данными испытаний. При работе в условиях сжатых сроков и быстрой сборки жестко-гибких печатных плат крайне важно поддерживать четкую и оперативную коммуникацию на протяжении всего проекта, начиная с анализа проекта и заканчивая поставкой. 

О PCBasic

Время — деньги в ваших проектах — и PCBasic получает это. PCBasic  - это компания по сборке печатных плат который обеспечивает быстрые и безупречные результаты каждый раз. Наш комплексный Услуги по сборке печатных плат включают экспертную инженерную поддержку на каждом этапе, гарантируя высочайшее качество каждой платы. Как ведущий производитель сборки печатных плат, мы предлагаем комплексное решение, которое оптимизирует вашу цепочку поставок. Сотрудничайте с нашими передовыми Завод по производству прототипов печатных плат для быстрого выполнения заказов и превосходных результатов, которым вы можете доверять.

Как PCBasic поддерживает проекты по сборке жестко-гибких печатных плат

Компания PCBasic оказывает всестороннюю поддержку при сборке гибких печатных плат, от первоначальной оценки технологичности производства до окончательной поставки. Технические специалисты компании работают напрямую с клиентами, оптимизируя конструкции с точки зрения технологичности производства, включая выбор структуры слоев, требования к зонам изгиба и консультируя по размещению компонентов.

Производственные возможности включают 4-слойные и 6-слойные жестко-гибкие конфигурации, а также собственное автоматизированное оптическое оптическое облучение (AOI), рентгеновский контроль и функциональное тестирование. PCBasic обеспечивает быструю сборку жестко-гибких печатных плат для проектов с жесткими сроками, опираясь на надежную технологическую документацию и методы отслеживания, чтобы удовлетворить потребности медицинских и промышленных заказчиков.

FAQ

Каково типичное количество слоев при сборке жестко-гибких печатных плат?
Большинство конфигураций жестко-гибких плат имеют от 2 до 8 слоев. Чаще всего используются четырех- и шестислойные схемы, обеспечивающие оптимальный компромисс между гибкостью трассировки и себестоимостью производства.

Можно ли размещать компоненты на гибких секциях?

Никаких. Компоненты устанавливаются исключительно на жестких участках платы. Компоненты, размещенные на гибких участках, создают недопустимое механическое напряжение в паяных соединениях при изгибе печатной платы.

Каков минимальный радиус изгиба для жестко-гибких досок?

Минимальный радиус изгиба — это общее эмпирическое правило, но он зависит от количества гибких слоев и материала полиимида. Минимальный радиус изгиба в десять раз превышает общую толщину гибкого слоя. Оценка DFM, проведенная вашим производителем, подтвердит правильность технических характеристик для вашей конструкции.

Действительно ли сборка жёстко-гибких печатных плат значительно дороже, чем стандартная сборка печатных плат? Да, сборка с использованием жёсткой и гибкой материалов обычно обходится дороже из-за необходимости использования определённых материалов, более жёсткого контроля технологического процесса и более высоких требований к проверке. Однако исключение более надёжных кабелей и разъёмов часто приводит к снижению общей стоимости системы на протяжении всего срока службы изделия.

В каких отраслях чаще всего используется сборка жестко-гибких печатных плат?

Основные направления деятельности компании — производство медицинских изделий, аэрокосмическая и оборонная промышленность, бытовая электроника, промышленная автоматизация и военная связь. Материал Rigid-flex является перспективным вариантом для любых применений, требующих компактных размеров, снижения веса или высокой прочности в динамических условиях.