Российский поставщик электроники

+7 915 297-30-08

Заказать звонок

Задать вопрос

Войти

info@inpromsintes.ru

г. Москва, проезд Научный, д. 19, этаж 2, ком. 6д, оф. 18, 117246

Контактная информация

г. Москва, проезд Научный, д. 19, этаж 2, ком. 6д, оф. 18, 117246

info@inpromsintes.ru

Гибкие и гибко-жёсткие печатные платы

Сделать заказ

Гибкие и гибко-жёсткие печатные платы — это всевозможные системы гибких шлейфов, которые могут содержать одно-, двух- и многослойные структуры межсоединений. Их конструкции могут быть полностью гибкими или представлять собой комбинацию жестких и гибких частей.

Постоянно растущий спрос на гибкие схемы и, в особенности, на гибридные жесткогибкие многослойные печатные платы обусловлен следующими факторами:

Гибкие схемы дают возможность создавать уникальные конструкции, которые позволяют решать вопросы межсхемных соединений и монтажа, обеспечивая при этом гибкость системы.
С помощью таких схем производители печатных плат могут выпускать сложные гибкие шлейфы и другие конструкции с устойчиво высоким процентом выхода годных.
В гибких платах применяются наиболее прогрессивные адгезионные системы, такие как акриловые, используемые в гибких композиционных материалах.
Гибкие платы обеспечивают повышенную эффективность и надежность конечных систем.

По сравнению с жестким монтажом печатные платы, выполненные из материалов на основе полиимидов, акрилатов, полиэфиров и эпоксидных смол, более эффективны экономически, ибо они обеспечивают:

больше свободы и возможностей для конструктора;
более высокую производительность при производстве плат и при монтаже готовых изделий;
дают выигрыш по весу и объему, занимаемому изделиями;
обеспечивают простоту безошибочного монтажа и установки конечного изделия.

По сравнению с другими гибкими композиционными материалами гибкие пленки на основе полиимидов могут обеспечить:

стабильно более высокую прочность сцепления;
контролируемую и низкую текучесть адгезива;
хорошую химическую стойкость и стойкость к растворителям;
исключительную термическую стойкость, например при пайке;
хорошую стабильность размеров;
большую технологическую ширину переработки;
длительный срок хранения без холодильников;
постоянство качества от партии к партии.

С учетом этих качеств изготовители печатных плат из всех гибких материалов предпочитают полиимидные материалы, чтобы поднять производительность и эффективность своих предприятий.

При работе с полиимидными материалами специалисты отмечают такие его достоинства, как:

возможность многократного прессования и многократной пайки без расслоений и вздутий плат;
простота и легкость удаления, замены компонентов, надежность при их перепайке;
исключительные электрические свойства;
выдающаяся гибкость и адгезионная способность, столь необходимые при работе в критических режимах изгиба;
возможность проектировать многослойные платы с очень высокой плотностью монтажа;
повышенная надежность установленных на рабочее место систем.

Именно по этим причинам для наиболее сложных схем с наивысшими требованиями к надежности в спецификации указывают полиимидные материалы.

Физические свойства полимерных пленок, используемых в гибких схемах, значительно отличаются от свойств материалов, применяемых в жестких платах на основе стеклотканей с эпоксидными или полиимидными системами. Это побуждает изготовителей жестких плат освоить новые технологии, специфичные для производства гибких и гибкожестких систем.

Исходный материал для создания гибкой печатной платы

Исходный материал – диэлектрическое основание, ламинированное с двух сторон медной фольгой

Структура исходного материала для изготовления гибких печатных плат:

Основа (базовый материал): плёнки из полиимида
Адгезив (связующий материал): акриловые, эпоксидные, полиимидные полимеры
Фольга (проводящий материал): медь.

Доминирующим базовым материалом для производства гибких печатных плат является полиимид. Хотя полиэтилентерефталат существенно дешевле, его применяют значительно реже ввиду более узкого диапазона рабочих температур и недостаточной размерной стабильности.

Несмотря на недостатки полиэтилентерефталата, он всё же обладает рядом преимуществ, таких, например, как хорошая химическая стойкость и низкое влагопоглощение, а также он легко формуется (низкотемпературный термопласт). Наибольшее применение находит для изготовления односторонних гибких плат для узлов автомобильной промышленности.

Адгезивы используются как для соединения медной фольги с базовой плёнкой, объединения слоёв многослойных конструкций, приклеивания защитных слоёв и ужесточителей, так и создания клеящих областей на поверхности печатной платы.

Медная фольга используется двух типов – катанная отожженая и электроосаждённая. Катаная фольга обладает более высокими механическими свойствами, чем электроосаждённая, поэтому применяется в основном для производства печатных плат, рассчитанных на динамическую нагрузку и печатных плат с последующей формовкой контактов.

Готовая заготовка для создания гибкой печатной платы

Типы гибких печатных плат, выпускаемых в ИнПромСинтез

Стандарты IEC и IPC классифицируют их по типу конструкций следующим образом [1–4]:

Тип 1. Односторонняя гибкая печатная плата, содержащая один проводящий слой, с упрочнениями или без них (рис. 1).

Рис. 1. Односторонняя гибкая печатная плата:
а) с упрочнением;
б) без упрочнения

Тип 2. Двусторонняя гибкая печатная плата, содержащая два проводящих слоя и сквозные металлизированные отверстия, с упрочнениями или без них (рис. 2).

Рис. 2. Двусторонняя гибкая печатная плата

Тип 3. Многослойная гибкая печатная плата, содержащая три и более проводящих слоя со сквозными металлизированными отверстиями, с упрочнениями или без них (рис. 3).

Гибкие и гибко-жёсткие печатные платы

Рис. 3. Многослойная гибкая печатная плата

Тип 4. Гибко-жесткая печатная плата, содержащая три и более проводящих слоя со сквозными металлизированными отверстиями (рис. 4).

Рис. 4. Гибкожесткая печатная плата

Тип 5. Гибкая или гибко-жесткая печатная плата, содержащая два или более проводящих слоя без сквозных металлизированных отверстий.

Кроме того, гибкие платы, как и жесткие, классифицируются по назначению, что также необходимо учитывать и указывать в конструкторской документации (КД):

Категория А. Гибкие платы, гибкость которых проявляется только в процессе сборки (статическая устойчивость). На рис. 5 показан для примера блок автомобильной электроники на основе многослойной гибко-жесткой печатной платы. Здесь гибкость гибкой части платы используется только в процессе сборки.
Категория В. Гибкие платы, постоянно изгибающиеся в процессе работы (динамически устойчивые). Эти платы разделяются на: «периодически» гибкие (сотни и тысячи циклов перегибов) и «непрерывно» гибкие (миллионы и миллиарды циклов перегибов). Поэтому для них в КД указывается устойчивость к определенному количеству перегибов и условия (радиусы) перегибов.
Категория С. Платы для высокотемпературных применений (более 105 °С).
Категория D. Платы, подпадающие под сертификацию UL, то есть имеющие повышенную огнеустойчивость, сопоставимую с огнеустойчивостью жестких плат.

Рис. 5. Гибкожесткая печатная плата автомобильной электроники

Преимущества однослойной гибкой печатной платы по сравнению с другими типами гибких печатных плат включают в себя:

Несмотря на высокую стоимость, изготовление однослойной гибкой печатной платы дешевле, чем изготовление других типов гибких печатных плат.
Поскольку плата имеет один слой, её изготовление проще по сравнению с другими типами гибких печатных плат.
Лёгкость монтажа, оперативность в поиске и устранения неисправностей.
Вероятность короткого замыкания очень мала, так как компоненты не расположены близко друг к другу.

Материалы оснований гибких плат

Наиболее популярные гибкие материалы — это полиэфирные пленки на основе полиэтилентерефталатов (лавсан, майлар, Mylon, Melinex, Luminor, Celanar) и различные системы полиимидов.

1. Полиимидные пленки — доминирующий материал для изготовления гибких печатных плат. Имеется ряд формул полиимида с торговыми марками Kapton, Apical, Novax, Espanex, Upilex и др.

Преимущества использования полиимидных пленок:

отличная гибкость при всех температурах;
хорошие электрические свойства;
отличная химическая стойкость (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 в горячих щелочах;
рабочий диапазон температур: –200…+300 °С.

Недостатки полиимидов

высокое влагопоглощение (до 3% по весу);
относительно высокая стоимость;
преимущества, состоящие в высокой температуре перехода (например, полиимидные пленки Upilex S имеют Tg = 500 °С), нивелируются относительно низкотемпературными адгезивами.

2. Полиэфирные пленки (полиэтилентерефталат, PETF).

Их преимущества:

относительно низкая температура перехода в пластичное состояние (легко формуются);
очень низкая стоимость;
хорошая устойчивость к разрыву и распространению разрыва;
очень хорошая гибкость;
хорошая химстойкость;
низкое влагопоглощение;
хороший баланс электрических характеристик;
широкий рабочий диапазон температур (–60…+105 °С).

Недостатки полиэфирных пленок:

очень ограниченная способность к пайке (имеют низкую точку плавления);
нельзя использовать при очень низких температурах (становятся хрупкими);
недостаточная размерная стабильность.

3. Адгезивы

используются для соединения медной фольги с базовой пленкой, а также объединяют слои в многослойных и гибко-жестких конструкциях. Роль адгезивов — определяющая и критична 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 наибольшее распространение, он хорошо сочетается с полиимидными пленками (так же, как и полиимид, травится в щелочи, имеет такой же коэффициент расширения).
Эпоксидные клеи и клеи на основе модифицированной эпоксидной смолы не сочетается с полиимидными пленками — они хрупкие. Но они незаменимы для склеивания жесткой части гибко-жестких печатных плат.
Полиимидный адгезив требует очень высокой температуры обработки.

4. Фольга. В производстве гибких печатных плат для создания проводящего рисунка в подавляющем большинстве случаев используют медную фольгу. В редких специальных случаях раньше применяли никелевую фольгу или нержавеющую сталь, когда печатная плата предназначалась для приварки выводов компонентов и проводов

6. Покровные пленки. Покровные пленки или защитные слои — аналоги паяльной маски, но они должны быть гибкими. Правильное использование покровных пленок увеличивает устойчивость гибких плат к перегибам. Материалы покровных пленок — недополимеризованные полимеры на основе акрилатов, полиуретанов, акрилэпоксидов и др. Если для обнажения монтажных поверхностей используются фотолитографические процессы, в пленки вводят фотоинициаторы, позволяющие им избирательно отверждаться в УФ-облучении. Другие методы обеспечения доступа к монтажным поверхностям — механические (сверление или высечка пленок). В технологиях многослойных гибких печатных и гибко-жестких плат используют соединительные пленки — с адгезивом, защищенным снимаемой пленкой. Разработчик и изготовитель должны совместно проверить выбор материалов с точки зрения стоимости, эксплуатационных качеств и пригодности к производству.

7. Препрег. Препрег — это связующий материал на основе недоотвержденной смолы. Он используется для связи ламинированных слоев и образования жесткой многослойной платы. В гибко-жестких печатных платах препреги используют в качестве связующего для изготовления жесткой части. Обычно используются связующие двух типов: «нетекучий» (no-flow) и «слаботекучий» (low-flow). Входящие в состав препрегов смолы с более высокой температурой стеклования (High Tg) обеспечивают более высокую рабочую температуру и относительно низкий коэффициент расширения по оси Z. В противном случае надежность металлизированных отверстий была бы существенно ниже. Адгезивы не имеют таких свойств. Поэтому для изготовителя весьма важно, чтобы в КД были четко обозначены как области, требующие наличия адгезива, так и области, которые должны быть свободны от него.

8. Фольгированные пленки. Для создания проводников на гибкой плате применяют медную фольгу, предварительно скрепленную с гибкой диэлектрической пленкой клейкими смолами, или медное покрытие, нанесенное на гибкую диэлектрическую пленку методом напыления чистой меди в специальных вакуумных камерах. Возможен и обратный процесс — диэлектрик может быть нанесен на металлическую фольгу. Гибкую диэлектрическую пленку, скрепленную с металлической пленкой или фольгой тем или иным способом, принято называть ламинатом (по образу и подобию с англоязычными стандартами).

Ламинаты, у которых между проводящей и диэлектрической пленками отсутствуют клейкие смолы, называют безадгезивными. Традиционные же ламинаты сконструированы с использованием адгезивных смол или специального адгезионного подслоя, нанесенного на гибкую диэлектрическую пленку. Заметим, что температура полимеризации у адгезивных смол обычно ниже, чем у материала диэлектрической пленки. В многослойных гибко-жестких проектах в настоящее время применяют безадгезивные ламинаты с целью исключения влияния низкотемпературных адгезивов на рабочую температуру печатных плат.

9. Жесткие ламинаты. Диэлектрики, применяемые для изготовления жесткой части, представляют собой такой же фольгированный стеклотекстолит, как и для обычных жестких плат. Это сочетание медной фольги, адгезивных смол, а также тканой или нетканой арматуры или жесткого стеклотекстолита.

10. Материалы защитных слоев
Защитный слой — это гибкое диэлектрическое покрытие, нанесенное на гибкую печатную плату после создания на ней рисунка всех проводников и контактных площадок. Защитный слой используется для того, чтобы защищать (изолировать) проводники на поверхности гибкой печатной платы от агрессивного воздействия окружающей атмосферы и всевозможных коротких замыканий проводников между собой и с другими окружающими металлическими конструкциями. Защитный слой изготавливается из материала, который может сгибаться или принять форму, требуемую в конечном использовании. Существуют два типа защитных покрытий: пленочные и масочные.
Сплошная защитная пленка состоит из адгезива и диэлектрической пленки, последовательно нанесенных на гибкую печатную плату. Для динамических приложений важно соблюдать баланс механических свойств между проводящими слоями и защитной пленкой.
Защитная маска — это диэлектрическое покрытие, которое наносится на участки гибкой платы ламинированием сухой пленки, шелкографией, напылением или поливом. В качестве покрытия можно использовать и фоточувствительный материал, обеспечивающий более точное выполнение защитного рисунка. Выбор типа покрытия для гибких приложений — крайне ответственный процесс.
На поверхность защитного слоя, а также на диэлектрическое основание гибкой печатной платы для экранирования проводников могут быть нанесены проводящие краски, такие как серебро, а также медь или углеродсодержащие полимеры

Покрытия монтажных поверхностей (покрытия под пайку)

Поверхности, предназначенные для пайки, несут покрытия, которые должны иметь способность к смачиванию припоем и длительно сохранять эту способность. Для успешной пайки электронных модулей покрытия компонентов и печатных плат (финишные покрытия) должны хорошо сочетаться, поскольку при пайке они находятся в одинаковых условиях и по припою, и по флюсу, и по температурно-временным режимам. Сложившиеся оценки покрытий под пайку сегодня приходится пересматривать в связи с возможным вторжением в производство бытовой аппаратуры бессвинцовых технологий пайки.

Большое разнообразие финишных покрытий говорит об отсутствии выбора в пользу какого-либо одного-двух, пусть трех, удовлетворяющих всем требованиям по стоимости, смачиваемости, долговременности и т. д. К сожалению, их перечень широк:

OSP (Organic Solderability Preservative);
NiAu (ENIG — Electroless Ni & Immersion Gold — химический никель и иммерсионное золото);
ImmAg (Immersion Ag);
ImBi (Immersion Bi);
Pd (Electroplate or Electroless Pd — химический или гальванический палладий);
NiPd (Electroless Ni & Immersion Pd);
NiPdAu (Electroless NiPd & Immersion Au);
ImmSn (Immercion Sn);
NiSn (Electroplate Ni & Sn);
SnAg (Electroplate Sn & Ag);
HASL (Hot-Air Solder Leveling).

В этом ряду лидирующими финишными покрытиями печатных плат являются OSP, ENIG, ImmSn, ImmAg и HASL.

1. HASL-процесс. HASL-процесс горячего облуживания плат состоит в их погружении на ограниченное время в ванну с расплавленным припоем. Во время быстрой выемки плат их обдувают струей горячего воздуха, которая удаляет излишки припоя и выравнивает покрытие. Но, несмотря на старания, наплывы припоя остаются. Особенно много их на развитых металлических поверхностях. В последующей сборке наплывы мешают установке мелких компонентов, что ограничивает применение HASL. Тем не менее, с точки зрения качества и исключительной длительной способности к пайке это покрытие, безусловно, наилучшее. Поэтому там, где изготовление плат и сборка происходят в одном производстве, всегда стараются найти компромиссы, чтобы использовать HASL. Еще один существенный недостаток HASL-процесса — жесткий термоудар, который испытывают платы при погружении в расплавленный припой. Чем выше рабочая температура припоя, тем серьезнее проблема обеспечения надежности межсоединений. Ряд предприятий не использует HASL-процессы для многослойных плат, считая, что они уменьшают надежность внутренних межсоединений из-за таких термоударов. Приемлемые по качеству и относительно низкотемпературные бессвинцовые припои для HASL-процессов сегодня отсутствуют.

2. Покрытие OSP. Покрытие OSP обеспечивает защиту медной поверхности от окисления в процессе хранения и пайки. В конце пайки этот слой, выполнив свою функцию, теряет способность обеспечивать последующие процессы пайки. В Японии это дешевое покрытие применяется более 20 лет. Но чтобы процесс пайки проходил в одну стадию группового нагрева, японские конструкторы изделий учитывают эту особенность в целях снижения себестоимости. OSP — хорошая альтернатива HASL. Но OSP имеет короткий жизненный цикл, что негативно сказывается на технологической надежности. Это покрытие не обеспечивает многократную пайку, тем более при высоких температурах. Чтобы избежать этих затруднений, приходится использовать азот в качестве нейтральной среды пайки [8].

3. Покрытие ENIG. Покрытие ENIG (~4 мкм Ni + ~0,1 мкм Au) — другая альтернатива HASL-процессам. Оно свободно от ионных загрязнений и способно к многократной пайке при высоких температурах. Функция тонкого слоя золота — защищать никель от окисления, а сам никель служит барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди. Характерный для покрытия ENIG дефект — черные контактные площадки, они появляются на поверхности из-за оголения никеля и выпотевания фосфора, если тонкий слой золота растворяется в припое раньше, чем припой смочит никель. Фосфор неизбежно внедряется в никель в процессе его химического осаждения. Припой скатывается с фосфорированной и окисленной поверхности никеля, из-за чего и проявляется эффект черной контактной площадки. Черные контактные площадки могут возникать также при передержке процесса пайки и при неправильном выборе флюса. Передержка интенсифицирует образование интерметаллидов олова с никелем и олова с фосфором, внедренным в никель. Выделение фосфора на поверхности никеля может вызвать также процесс золочения. Осаждение золота из нейтральных электролитов уменьшает вероятность этих явлений.

Для ENIG трудно подобрать флюсы, а его цена примерно на 25% выше, чем у OSP. Преимущества ENIG:

жизнеспособность более года;
плоская контактная поверхность;
хорошая смачиваемость припоем при правильном подборе флюса;
неокисляемая поверхность применительно к нажимным и скользящим контактам.

4. Иммерсионное олово. Иммерсионное олово (ImmSn) — еще одна альтернатива HASL-процессам. Популярность ImmSn растет за счет обеспечения хорошей смачиваемости и простоты процесса осаждения. ImmSn демонстрирует беспроблемную и лучшую паяемость, чем ENIG. Раньше существовали ограничения для применения ImmSn из-за образования интерметаллических соединений Cu_XSn_Y. При этом способность к пайке исчезала через две недели, поскольку толщина иммерсионного олова не превышает 1 мкм и Cu_XSn_Y быстро поглощает этот тонкий слой. Но в последнее время возможность этого явления предотвращена введением барьерного подслоя различного содержания: органический металл и др. И способность к пайке ImmSn (0,5–0,8 мкм) с барьерным подслоем (0,08–0,1 мкм) сохраняется, по крайней мере, один год, если не больше.

Преимущества ImmSn с барьерным подслоем:

относительно низкая стоимость процесса осаждения;
хорошая и длительная паяемость;
плоская поверхность покрытия (в отличие от HASL);
хорошие условия для обеспечения беспаянных соединений Press-Fit (впрессовывание штырей-хвостовиков разъемов в металлизированные отверстия плат).

Подозрения на возможность образования самопроизвольных нитевидных кристаллических усов из ImmSn в данном случае не состоятельны, поскольку толщина покрытия (0,5 мкм) недостаточна для их формирования. А в результате пайки оно теряет самостоятельность для каких-либо неблагоприятных процессов, характерных для чистого олова.

5. Иммерсионное серебро. Иммерсионное серебро (ImmAg). Толщина ImmAg не превышает 200 нм, поэтому расходы на реализацию этого покрытия незначительны. Жизнеспособность ImmAg гораздо выше, чем OSP, но несколько меньше, чем ENIG. Изменение цвета покрытия в процессе хранения, сборки и пайки — результат загрязнения воздушной среды сульфатами и хлоридами. Пожелтение не сказывается на свойствах ImmAg, но декоративность покрытия при этом страдает. Консервирующие покрытия антиокислителей тормозят процесс пожелтения и продлевают жизнеспособность покрытия. ImmAg менее популярно в Европе, чем в США, где оно более доступно.

Для гибких плат, если не задано иное, применяется покрытие олово-свинец с оплавлением. Другие типы применяемых покрытий: иммерсионное золото по никелю, иммерсионное олово, иммерсионное серебро, гальваническое золото по никелю. Покрытие никелем на гибкой части применять не рекомендуется вследствие его хрупкости. Трещины в защитном покрытии будут распространяться по поверхности контактных площадок, что приведет к разрушению медных проводников.

Производство гибких печатных плат в ИнПромСинтез

Наше производство предлагает услуги по изготовлению гибких печатных плат. Гибкие платы имеют ряд преимуществ по сравнению с печатными платами на жестком основании: уменьшение габаритов и массы, уменьшение стоимости сборки узлов, уменьшение количества межсоединений, улучшение электрических характеристик и теплообмена, возможность трехмерной компоновки блоков.

Назад к списку