CC BY
496Конструирование гибких
и гибко-жестких печатных плат
Аркадий МЕДВЕДЕВ, д. т. н, профессор Геннадий МЫЛОВ Петр СЕМЕНОВ Аркадий СЕРЖАНТОВ
В основе публикуемого материала — книга Джозефа Фельштада (Joseph Fjelstad “Flexible Circuit Technology”, третье издание которой было выложено в 2006 г. на сайте Европейского Института Печатных Схем (www.eipc.org), и книга «Гибкие печатные платы», недавно выпущенная издательством «Группа ИДТ». Много информации почерпнуто из практических семинаров и публикаций технического директора компании PCB Technology А. И. Акулина.
Гибкие 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:
1. Гибкие схемы дают возможность создавать уникальные конструкции, которые позволяют решать вопросы межсхемных соединений и монтажа, обеспечивая при этом гибкость системы.
2. С помощью таких схем производители печатных плат могут выпускать сложные гибкие шлейфы и другие конструкции с устойчиво высоким процентом выхода годных.
3. В гибких платах применяются наиболее прогрессивные адгезионные системы, такие как акриловые, используемые в гибких композиционных материалах.
4. 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 по-лиимидные 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, спе-
цифичные для производства гибких и гибкожестких систем.
Типы гибких печатных плат
Стандарты 1ЕС и 1РС 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).
Отверстие доступа Защитное полиимидное
И
Отверстие доступа
Защитное полиимидное
Полиимидная основа (базовый материал)
Проводящий слой (медная фольга)
Рис. 1. Односторонняя гибкая печатная плата: а) с упрочнением; б) без упрочнения
• Тип 2. Двусторонняя гибкая печатная плата, содержащая два проводящих слоя
Отверстие доступа
Защитное полиимидное покрытие
Адгезив
Проводящий слой (медная фольга)
Защитное полиимидное покрытие Металл изи рован ное отверстие Полиимидная основа (базовый материал)
Рис. 2. Двусторонняя гибкая печатная плата
и сквозные металлизированные отверстия, с упрочнениями или без них (рис. 2).
• Тип 3. Многослойная гибкая печатная плата, содержащая три и более проводящих слоя со сквозными металлизированными отверстиями, с упрочнениями или без них (рис. 3).
• Тип 4. Гибко-жесткая печатная плата, содержащая три и более проводящих слоя со сквозными металлизированными отверстиями (рис. 4).
• 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 гиб-
Рис. 5. Гибко-жесткая печатная плата автомобильной электроники
ко-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.
Организация проектных работ
В зарубежной практике уже сложились правила совместной поэтапной работы конструктора и технолога:
• обеспечение технологичности — Design for Manufaclurability (DfM);
• обеспечение сборки — Design for Assembly (DfA);
• обеспечение контролепригодности — Design for Testability (DfT)
• и, наконец, обеспечение надежности — Design for Reliability (DfR).
Требования к этим процессам взаимодействия всех служб предприятия при проектировании и изготовлении электроники заложены в зарубежных стандартах, в частности, в IPC-A-620, ANS1/J-STD-001, IPC-SM~785, IPC-D-279 [5-8].
Однако зачастую проектирование плат оторвано географически и организационно от производителя. Поэтому, начиная с первых этапов проекта, необходимо установить тесный контакт с изготовителем для оптимизации конструкции изделия и пригодности проекта к производству. Необходимо уточнить у производителя печатных плат наличие или доступность конструкционных материалов, планируемых к использованию в проекте, и их технологическую совместимость при изготовлении изделия. Важное значение имеет возможность мультиплицирования плат на заготовке и выбор оптимального размера заготовки, так как от этого зависит расход конструкционных и технологических материалов, следовательно, и стоимость изделия [9].
Перед началом разработки серийного изделия следует уточнить у изготовителя, какие размеры мультизаготовок (гибкий диэлектрик с металлическим слоем, на котором расположено максимально возможное количество модулей гибких печатных плат) возможно обрабатывать на технологическом оборудовании и каков размер рабочей области на заготовке. Следует принимать во внимание следующие факторы:
• расстояние между элементами;
• наличие тестовых точек, позволяющих контролировать технологический процесс и сопротивление проводников;
• крепежные отверстия;
• реперные точки;
• расстояние между модулями;
• возможности мультиплицирования;
• требования к наличию обрамления для металлизации отверстий.
Эффективность использования групповых
заготовок становится важной при увеличении объема производства. Стоимость платы будет тем ниже, чем больше модулей удастся разместить на заготовке и подвергнуть групповой обработке. Следует уточнить у изготовителя ширину и длину имеющегося у него рулона материала, так как в зависимости от толщины материала и типа оборудования размеры заготовок могут существенно варьироваться [10].
Рекомендации по обеспечению технологичности конструкций гибких плат
Перед началом проектирования рекомендуется провести макетирование изделия: вырезать из пленки макет будущей гибкой или гибко-жесткой структуры и отработать его трехмерное размещение в блоке, где будет работать изделие, а также его мультиплицированное размещение на заготовке, размер которой определяется возможностями технологического оборудования будущего производителя.
Стандарт IPC-2223A “Sectional Design Standard for Flexible Printed Boards” предписывает определенную последовательность процесса проектирования, начиная с полноразмерного трехмерного моделирования проекта, чтобы обеспечить корректную размерность и расположение гибких и жестких частей конструкций межсоединений [1, 4]. По результатам макетирования конструктор может осознанно принять решение о типе платы. При этом все разнообразие гибких
Рис. 6. Образцы гибко-жестких плат
Отверстие доступа
Защитное полиимидное покрытие Проводящий слой Полиимидная основа (базовый материал) Изолирующий слой (полиимид) Полиимидная основа (базовый материал)
Адгезив Защитное полиимидное покрытие Металл изи рован ное отверстие
Рис. 3. М ногослойная гибкая печатная плата
Жесткий материал
Металлизированное сквозное отверстие
Рис. 4. Гибко-жесткая печатная плата
Односторонняя гибкая плата
Односторонняя ГП с двусторонним доступом
Односторонняя ГП с металлизированными отверстиями
Многослойная ГП с разветвлениями
Гибко-жесткая плата
Односторонняя ГП с выводами
LL LL
Оптимизировать площадь панели, использовать перегибы и «карманы»
Оптимизировать технологические нормы и повышать технологичность проекта
Рис. 8. Оптимизация размещения платы на групповой заготовке
1
r^J r^J
Оптимизировать размещение плат на заводской заготовке
Оптимизировать структуру и выбор материалов под рекомендации завода
2. INT1
3. ВОТ
Упрочняющая накладка
Клеевой слой ЗМ9460
Вскрытие в маске Полиимидное покрытие 12,5 мкм
Адгезив 12,5 мкм Адгезив 12,5 мкм
Медь 17,5 мкм Медь 17,5 мкм
Адгезив 12,5 мкм Адгезив 12,5 мкм
Полиимид 12,5 мкм Полиимид 12,5 мкм
Адгезив воздушная прослойка Адгезив
Полиимидное покрытие 12,5 мкм Полиимидное покрытие 12,5 мкм
Адгезив 12,5 мкм Адгезив 12,5 мкм
Медь 17,5 мкм Медь 17,5 мкм
Адгезив 12,5 мкм Адгезив 12,5 мкм
Полиимид 12,5 мкм Полиимид 12,5 мкм
Адгезив воздушная прослойка Адгезив
Полиимид 12,5 мкм Полиимид 12,5 мкм
Адгезив 12,5 мкм Адгезив 12,5 мкм
Медь 17,5 мкм Медь 17,5 мкм
Адгезив 12,5 мкм Вскрытие в маске
Полиимидное покрытие 12,5 мкм
Клеевой слой ЗМ9460
Упрочняющая накладка
Рис. 10. Структура 3-слойной гибкой платы с воздушными прослойками в гибкой части
Рис. 7. Виды гибких и гибко-жестких плат
и гибко-жестких плат (рис. 6) сводится к шести типам (рис. 7), об одном из которых можно договориться с производителем.
Кроме проекта самой платы, конструктор должен предусмотреть оптимальное ее размещение на групповой заготовке. Главная задача конструктора — как можно эффективнее использовать площадь заготовки. На рис. 8 слева направо показана эволюция изменения конструкции технологической заготовки. Вариант справа с использованием фальцовки может предложить только конструктор, так же как в примере на рис. 9, где за счет изменения конструкции гибкой части плата занимает меньшую площадь на заготовке без потери суммарной длины шлейфа.
Конструкторская документация должна содержать изображение гибкой или гибкожесткой печатной платы в состоянии ее приемки при изготовлении, но кроме плоского
Толщина:
Маска 0,025 мм Маска 0,025 мм 0,025 мм
1.ТОР Медь 35 мкм + металлизация Медь 35 мкм + металлизация 0,05 мм
Ядро FR4 0,4 мм Ядро П34 0,4 мм 0,4 мм
Препрег 1080 0,063 мм Препрег 1080 0,063 мм Силиконовый валик Препрег 1080 0,063 мм Препрег 1080 0,063 мм 0,063 мм 0,063 мм
Полиимидное покрытие 12,5 мкм 0,0125 мм
Адгезив 12,5 мкм 0,0125 мм
2. INT1 Медь 17,5 мкм Медь 17,5 мкм 0,0175 мм
Адгезив 12,5 мкм Адгезив 12,5 мкм 0,0125 мм
Полиимид 12,5 мкм Полиимид 12,5 мкм 0,0125 мм
Адгезив 12,5 мкм Адгезив 12,5 мкм 0,0125 мм
3. INT2 Медь 17,5 мкм Медь 17,5 мкм 0,0175 мм
Адгезив 12,5 мкм 0,0125 мм
Полиимидное покрытие 12,5 мкм 0,0125 мм
Препрег 1080 0,063 мм Препрег 1080 0,063 мм . 4 Препрег 1080 0,063 мм Препрег 1080 0,063 мм 0,063 мм 0,063 мм
Ядро П?4 0,4 мм Ядро П?4 0,4 мм 0,4 мм
4. ВОТ Медь 35 мкм + металлизация Медь 35 мкм + металлизация 0,05 мм
Маска 0,025 мм Маска 0,025 мм 0,025 мм
Итого: 1,3245 мм
Рис. 11. Структура 4-слойной гибко-жесткой печатной платы
Рис. 9. Двойная экономия места на заготовке за счет изменения конструкции гибкой части платы
изображения необходимо показать ее вид в рабочем состоянии, показывающий ее гибкую конфигурацию, смонтированную в готовом изделии. Это позволяет изготовителю при технологической подготовке производства увидеть критические области — места сгибов и перегибов.
Чертежи должны содержать подробный перечень и описание материалов, использованных в гибкой конструкции: структуру слоев, армированные или укрепленные области, области с критической толщиной. Рекомендуется показать вид поперечного разреза, как показано для примера на рис. 10, 11. Для областей с критичной толщиной (например, для печатного разъема) следует указывать допуски на толщину.
Так как основное функциональное назначение гибких плат — соединение нескольких узлов, следует внимательно отнестись к возможности оптимизации системы межсоединений. Расположение выводов должно быть тщательно продумано в самом начале проектирования, чтобы предотвратить сложные и дорогостоящие пересечения в гибких соединениях. Оптимизация расположения выводов может уменьшить коли-
чество слоев и тем самым снизить стоимость изделия [9-13].
Крайне важен при проектировании гибкой печатной платы выбор оптимального сочетания конструкции и материалов. Главное — обеспечить совместимость смежных материалов в конструкциях гибких плат. Все материалы должны быть обозначены в спецификации чертежа.
Материалы для гибких печатных плат
Характеристики материала для гибких печатных плат, которые обязательно следует принимать во внимание:
• размерная стабильность;
• теплоустойчивость (пайка 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 использовании);
• негорючесть;
• общие требования (стабильность характеристик, множественность источников поставки, стоимость, количество необходимого материала в изделии и т. д.). Основные элементы конструкции гибких
печатных плат:
• базовый материал;
• адгезив;
• металлическая фольга или фольгирован-ный материал;
• покровные пленки.
Материалы оснований гибких плат
Наиболее популярные гибкие материалы — это полиэфирные пленки на основе по-лиэтилентерефталатов (лавсан, майлар, Mylon, Melinex, Luminor, Celanar) и различные системы полиимидов.
1. Полиимидные пленки — доминирующий материал для изготовления гибких печатных плат. Имеется ряд формул полиими-да с торговыми марками Kapton, Apical, Novax, Espanex, Upilex и др. Преимущества использования полиимид-
ных 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 (полиэтилентереф-талат, PETF) имеют свои преимущества. Это:
• 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).
Таблица 1. Общие свойства металлической фольги
Металл фольги Удельное сопротивление, Ом*см 10-6 Теплопроводность, Вт/м-К Прочность на растяжение, кг/мм2 Пластичность, %
Медь холоднокатаная отожженная 1,72 393 38 20
Медь электролитическая 1,77 393 30 12
Алюминий 4,33 225 18 30
Нержавеющая (никелевая) сталь 75 6 100 40
Бериллиевая бронза ~8 83 70-200 35-60 (1-4 — после отжига)
Недостатки полиэфирных пленок:
• очень ограниченная способность к пайке (имеют низкую точку плавления);
• нельзя использовать при очень низких температурах (становятся хрупкими);
• недостаточная размерная стабильность.
Адгезивы
Адгезивы используются для соединения медной фольги с базовой пленкой, а также объединяют слои в многослойных и гибкожестких конструкциях. Роль адгезивов — определяющая и критична для свойств конечного продукта. Часто они являются ограничивающим элементом в термических свойствах гибких печатных плат, когда используется по-лиимид в качестве базового материала.
• Акриловый адгезив имеет наибольшее распространение, он хорошо сочетается с по-лиимидными 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.
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 (табл. 1).
Исключительное использование меди обусловлено ее хорошей проводимостью, способностью принимать на себя другие покрытия, хорошей пластичностью и, что очень важно, однородностью с материалами металлизации трансверсальных элементов межсоединений (сквозных и глухих отверстий), которые тоже выполняются медью.
Получить тонкую медную фольгу — технически сложная задача, решаемая с помощью ряда конкурирующих способов: стандартная электролитическая, высокопластичная электролитическая, отожженная электролитическая, горячекатаная, холоднокатаная, отожженная катаная, катаная с последующим низкотемпературным отжигом.
Фоторезист на меди
Вытравленная медь
Фоторезист на резистивном слое
Вытравленный элемент на резистивном слое
Рис. 12. Формирование резистивного элемента из двуслойной фольги
Используют также ряд способов металлизации гибких пленок напылением и химическим осаждением.
Фольга из специальных медных сплавов имеет большее сопротивление, но и большую прочность, обеспечивая хорошую устойчивость к перегибам, сравнимую с катаной фольгой. Кроме того, такая фольга более устойчива в производстве ламината — меньше дефектов.
В последнее время используют специальные виды двуслойной фольги для формирования на плате резистивных элементов (рис. 12).
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.
Таблица 2. Характеристики типовых пленочных оснований гибких плат
Полиэфирные пленки (с адгезивом) Полиимидные пленки (с адгезивом) Полиимидные пленки (без адгезива)
Механические свойства
Сгибание ^ ~ 2,5 мм) Нормально Хорошо Отлично
Термическое формование Да Нет Нет
Модуль жесткости, МПа 2800-5500 2500 4000
Усилие разрыва, д 800 500 500
Усилие расслоения, Н/м 1050 1750 1225
Химические свойства
Устойчивость к растворителям Отличная Плохая Хорошая
Защита от ультрафиолета Плохая Хорошая Отличная
Сертификация иЬ/ максимальная рабочая температура, °С 85-160 0 0 2 1 5 0
Огнестойкость VTM-0 с адгезивом FR | VTM-0 |
| Электрические свойства
Диэлектрическая проницаемость (1 МГц) 3,4 3,5 3,3
Электрическая прочность, кВ/25 мкм 4-5 3-5 5
Сопротивление изоляции, Ом/см 1 1013
| Термические свойства
Устойчивость к процессу пайки 5 с при 246...260 °С 5 с при 290 °С (предварительная сушка) 10 с при 290 °С (без предварительной сушки)
| Монтажные свойства
Сквозные отверстия Плохо Отлично Отлично
Поверхностный монтаж (инфракрасное оплавление) PEN - да, PETF - нет Хорошо Отлично
Сварка проволокой Нет Да — для некоторых адгезивов Отлично
Бескорпусная установка Плохо Хорошо Отлично
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.
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 безадгезив-ные ламинаты с целью исключения влияния низкотемпературных адгезивов на рабочую температуру печатных плат (табл. 2).
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.
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, последо-
вательно 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 [14].
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 [16]:
• 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.
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 НЛвЬ. 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 НЛвЬ.
Еще один существенный недостаток НЛвЬ-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 НЛвЬ-процессы для многослойных плат, считая, что они уменьшают надежность внутренних межсоединений из-за таких термоударов. Приемлемые по качеству и относительно низкотемпературные бессвинцовые припои для НЛвЬ-процессов сегодня отсутствуют.
Покрытие OSP
Покрытие ОвР 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. ОвР — хорошая альтернатива НЛвЬ. Но ОвР 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].
Покрытие ENIG
Покрытие ЕЫЮ (~4 мкм N1 + ~0,1 мкм Ли) — другая альтернатива НЛвЬ-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 интерметалли-дов 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 [2].
Для ENIG трудно подобрать флюсы, а его цена примерно на 25% выше, чем у ОвР. Преимущества ENIG:
• жизнеспособность более года;
• плоская контактная поверхность;
• хорошая смачиваемость припоем при правильном подборе флюса;
• неокисляемая поверхность применительно к нажимным и скользящим контактам.
Иммерсионное олово
Иммерсионное олово (1ттвп) — еще одна альтернатива НЛвЬ-процессам.
Популярность 1ттвп растет за счет обеспечения хорошей смачиваемости и простоты процесса осаждения. 1ттвп демонстрирует беспроблемную и лучшую паяемость, чем ENIG.
Раньше существовали ограничения для применения !ттвп из-за образования интерметаллических соединений Сихв%. При этом способность к пайке исчезала через две недели, поскольку толщина иммерсионного олова не превышает 1 мкм и Сихв% 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 !ттвп (0,5-0,8 мкм) с барьерным подслоем (0,08-0,1 мкм) сохраняется, по крайней мере, один год, если не больше.
Преимущества !ттвп с барьерным подслоем:
• относительно низкая стоимость процесса осаждения;
• хорошая и длительная паяемость;
• плоская поверхность покрытия (в отличие от НЛвЬ);
• хорошие условия для обеспечения беспа-янных 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.
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 [9].
Итоги
Конкретные характеристики материалов для гибких плат, рекомендации по их использованию и переработке можно найти в фирменных каталогах компаний-поставщиков. Для примера в таблице 2 приведены свойства материалов оснований гибких плат, а на рис. 13 — сочетания адгезивов, разных видов фольги и пленочных оснований гибких плат.
усиление волокном
Рис. 14. Вырезы в углах контура гибких плат для предотвращения разрывов
Элементы конструкции гибких плат
Минимальный радиус округления углов контура гибких плат
Опыт показывает [10], что основные ошибки при разработке динамических гибких плат связаны с недооценкой важности грамотного проектирования контура платы. Проекты приходят со слишком маленьким радиусом округления углов, без усилений во внутренних углах и вырезах. Не учитывается пониженная прочность материалов гибких плат.
Минимальный радиус во внутренних углах контура платы должен составлять 1,6 мм. Тем не менее, больший радиус обеспечивает
Рис. 15. Укрепление краев и углов контура гибких плат медью
более высокую надежность изделия и имеет лучшую устойчивость к разрыву (рис. 14). Для обеспечения повышенной устойчивости к разрыву может потребоваться добавление дополнительных материалов во внутренние углы. Наиболее эффективно использование не вытравленной медной фольги и дополнительное крепление шлейфов, где не используется их гибкость (рис. 15). Все разрезы и вырезы должны заканчиваться отверстием диаметром 1,5 мм или более, как показано на рис. 16. Это особенно важно, когда соседние части гибкой платы должны двигаться независимо [10].
Расстояние от отверстия до края платы
Минимальное расстояние между внешним краем платы и внутренним краем неметал-лизированного отверстия (или внутренних вырезов) должно быть не менее 0,5 мм. При этом место расположения, допуски на размеры и обработку контура должны быть приняты во внимание.
Минимальное расстояние от края перехода (между гибкой и жесткой частями) до внутреннего края металлизированного отверстия или до края освобождения во внутреннем слое не должно быть менее 1,9 мм.
Толщина различных частей платы
Жесткие части многослойных гибких и гибко-жестких плат должны иметь одинаковую толщину для обеспечения корректной металлизации отверстий. Последовательное ламинирование или разная толщина увеличивают стоимость изготовления.
Крайне нежелательно закладывать разную толщину для нескольких жестких частей. Это может не только повысить стоимость и затянуть срок изготовления проекта, но и привести к невозможности его реализации в принципе. Оптимальным решением является одинаковая структура для всех жестких частей гибко-жесткой платы. Однако для опытных заказов возможно применение нестандартной конструкции, которая должна быть согласована с изготовителем перед началом проектирования [10].
Особенности проектирования жесткой части
Требования к проектированию жесткой части гибко-жестких плат близки к таковым для обычных жестких плат, однако есть ряд важных особенностей [10].
Изгиб и скручивание
Вследствие особых свойств комбинации гибких и жестких материалов может потребоваться специальная конструкция или обработка плат для выполнения требований плоскостности для поверхностного монтажа. Для групповых заготовок, поступающих на автоматическую сборку и монтаж, должны быть определены требования по допустимому изгибу и скручиванию платы.
Надежность металлизированных отверстий
Чтобы уменьшить расширение по толщине платы, доля низкотемпературных (акриловых) адгезивов в жесткой части должна быть сведена к минимуму. Это может быть достигнуто при применении безадгезив-ных базовых материалов, а также частичного защитного слоя для гибкой части (рис. 9). Частичный защитный слой гибкой части должен перекрываться с жесткой частью на 1,27-2,54 мм. В жесткой части в качестве связующего материала рекомендуется использовать препрег.
Технологическая защита
К жесткой части для облегчения обработки плат при изготовлении может быть добавлен дополнительный диэлектрический материал, закрывающий гибкие элементы (так называемый «мешок» или «кокон»), при условии, что выполняются требования по общей толщине жесткой части. Материал «мешка» удаляется с гибких частей платы после обработки, необходимо также оставлять минимальные выступы на торцах жесткой части после удаления (рис. 16).
Особенности проектирования гибкой части платы Обоснованность использования многослойной структуры
В ценообразовании печатных плат стоимость материала всегда стоит в верхней строчке. Для гибких плат это еще более важно — стоимость их материалов в 2-3 раза выше, чем для обычных жестких плат. Второй аргумент в пользу минимального количества слоев гибкой части — потеря гибкости и увеличивающаяся сложность в изготовлении по мере увеличения слойности. Вот факторы, которые следует рассмотреть при определении максимально допустимого количества слоев [10]:
• количество сигнальных проводников, которые должны пройти через гибкую часть;
• ширина проводника, необходимая для протекания заданного тока;
Жесткая часть3 Гибкая часть Жесткая часть3
І I Жесткий ламинат
|__________________т=| Препрег
I Гибкий диэлектрик1
I---------------------^ Препрег
____ Частичное покрытие
I Гибкий ламинат2
____ Частичное покрытие
I--------------------—I Препрег
Частичное покрытие Ц Гибкий ламинат2
Частичное покрытие
І I----------------------1 Препрег
□ Гибкий диэлектрик1
I---------------------1 Препрег
І I Жесткий ламинат
1 Материал для выполнения защитного «кокона» нужен не для всех гибко-жестких конструкций
2 Для увеличения гибкости и уменьшения проблем с металлизированными отверстиями в жесткой части должны применяться безадгезивные материалы
3 Жесткая часть должна частично перекрываться с покрытием гибкой части
Рис. 17. Примеры структуры слоев гибких плат
• расстояние между проводниками, необходимое для обеспечения электрической изоляции;
• экранирование электромагнитных излучений;
• импеданс (волновое сопротивление согласованных линий связи);
• требования по напряжению пробоя;
• механическая форма гибкой части, позволяющая развести проводники.
Например, определенное количество проводников для малых токов (на порядок меньших предельно допустимых значений) может быть изготовлено в одном медном слое толщиной 35 мкм на фольгированном безадгезивном ламинате с толщиной диэлектрика 50 мкм и защитной полиимидной пленкой (25 мкм) с адгезивным слоем 25 мкм (минимальная толщина адгезива для медного слоя 35 мкм). Суммарная толщина получается 135 мкм. Однако если величина протекающего тока требует применения 70-микронного слоя меди, толщина адгезива также должна быть увеличена до 50 мкм, чтобы корректно покрыть проводники. В этом случае суммарная толщина увеличится до 195 мкм.
Другой фактор, который следует учитывать наряду с толщиной фольги, — механические требования. Если есть требование повышенной механической прочности, может оказаться необходимым увеличить толщину защитной полиимидной пленки до 50 мкм и более вне зависимости от толщины адгезива.
В итоге разработчик стоит перед выбором многослойной структуры гибкой части, что-
бы обойтись минимальным количеством слоев (рис. 17).
Полосковые линии связи
Специальные условия применения гибкой части могут потребовать более одного проводящего слоя. Например, если необходимо электромагнитное экранирование с обеих сторон сигнального слоя либо нужно спроектировать полосковые линии связи.
При вычислении толщины диэлектрика между проводником и соседствующим «опорным» слоем (экраном) полосковой линии надо учитывать диэлектрическую постоянную материала, ширину проводника и толщину меди — параметры, влияющие на волновое сопротивление полосковой линии. Вследствие особенностей конструкции и технологии изготовления полосковых линий реальная толщина диэлектрика между проводящими слоями может оказаться меньше расчетной.
Технология изготовления гибких плат с большим количеством слоев хорошо известна. Но большое количество слоев приводит к увеличению толщины платы, а следствием этого — существенное увеличение радиуса изгиба и нагрузок на материалы. Поэтому не рекомендуется применять многослойные гибкие платы, а если без этого не обойтись, то надо провести специальные механические проверки. Должно быть принято во внимание, что при переходе от однослойной к многослойной конфигурации происходит существенная потеря гибкости. Повысить гибкость можно путем «несклеи-вания» определенных частей кабеля, как это показано на рис. 18. Такой вид дизайна необходимо применять, когда в многослойной конструкции используется более четырех гибких слоев. Для динамических гибких приложений категории В максимально допустимой является двусторонняя конфигурация.
Проводники гибкой части
Для максимального динамического времени жизни (тип использования — категория В) и максимальной надежности при статической гибкости (тип использования — категория А) проводники в изгибаемой части
Пятислойная
Покрытие Гибкий ламинат Связующий слой Гибкий ламинат Связующий слой Гибкий ламинат
Покрытие Гибкий ламинат Связующий слой Гибкий ламинат Связующий слой Гибкий ламинат Покрытие
Шестислойная
Односторонняя
Двусторонняя
Трехслойная
Покрытие Гибкий ламинат
Покрытие Гибкий ламинат Покрытие
Покрытие Гибкий ламинат Связующий слой Гибкий ламинат
Покрытие Гибкий ламинат Связующий слой Гибкий ламинат Покрытие
Четырехслойная
Рис. 18. Примеры конструкций гибких плат
Предпочтительно
Допустимо
Не рекомендуется для динамических изгибов
Защитное покрытие
>
- Проводник
Нейтральная ось
"Диэлектрик
Защитное покрытие
Проводник
■х.
/777Х
Защитное покрытие
_______X
/777Л
У//У
Проводник
У"
Ч///У
— Нейтральная ось Диэлектрик
Нейтральная ось
Диэлектрик
Рис. 20. Линии изгиба в зависимости от распределения проводящего рисунка
Односторонняя гибкая часть
Радиус изгиба (I?)
Двусторонняя гибкая часть
^ Защитное полиимидное покрытие ' Адгезивный слой
- Медная фольга (С)
~ Адгезивный слой
- Полиимидное основание
(О)
Допустимое растяжение медной фольги, Ев, %
Для отожженной фольги: Евмакс. 16%
Для гальванически нанесенной фольги: Евмакс. 11% Гибкие при установке: Ев= 10%
Динамически гибкие: Ев= 0,3%
Постоянно динамически гибкие: Ев= 0,1%
К — радиус перегиба
С — толщина медной фольги
Р — толщина диэлектрика с адгезивом
Защитное
полиимидное покрытие Адгезивный слой Медная фольга (С) Адгезивный слой
Полиимидное основание
Адгезивный слой --------
Медная фольга (С) Адгезивный слой Защитное
полиимидное покрытие
(Ч)
(О)
Допустимое растяжение медной фольги, Ев, %
Для отожженной фольги: Евмакс. 16%
Для гальванически нанесенной фольги: Ев макс. 11 % Гибкие при установке: Ев= 10%
Динамически гибкие: Ев — 0,3%
Постоянно динамически гибкие: Ев= 0,1%
I? — радиус перегиба С — толщина медной фольги О — толщина диэлектрика с адгезивом с1 — толщина диэлектрика основания
Рис. 22. Механические изгибные напряжения в многослойных структурах
(рис. 19) должны соответствовать следующим условиям:
• перпендикулярность к направлению изгиба;
• равномерное распределение по области изгиба;
• максимальная ширина в области изгиба;
• отсутствие дополнительной наращенной металлизации;
• постоянная ширина;
• «шахматное» расположение в соседних слоях;
• количество слоев в гибкой части должно быть сведено к минимуму;
• металлизированные сквозные отверстия не допускаются;
• «нейтральная ось изгиба» должна проходить через центр сечения проводника. Сбалансированная конструкция может
быть выполнена применением материалов с одинаковой толщиной и модулем жесткости с обеих сторон проводника. Это особенно важно для динамических применений гибких печатных плат. Популярны несколько типов конструкций для соответствия этому условию, такие как использование сочетающегося с базовым слоем слоя покрытия, а также поочередное распределение проводников на двух сторонах (рис. 20, 21).
Расчет минимально допустимого радиуса перегиба
Минимальный радиус изгиба для односторонней платы определяется следующим образом (рис. 22) [9, 10]:
Е = С(100-ЕВ )/2ЕВ-О,
где Е — минимальный радиус изгиба, мм; С и О — толщина меди и диэлектрика соответственно, мм; Ев — величина деформации меди, %. Устанавливая величину допустимой деформации меди, можно определить минимальный радиус изгиба. Для проектов с однократным сгибанием используется предельное удлинение меди на разрыв 16%, с изгибанием платы при ее установке — 10%, а для динамических гибких приложений — 0,3%.
Вычислим радиусы изгиба для односторонней платы. Например, полиимид 50 мкм,
Таблица 3. Допустимые радиусы перегиба гибких плат
Тип платы Минимальный радиус перегиба
Односторонняя От 3 до 6 толщин платы
Двусторонняя От 6 до 10 толщин платы
Многослойная От 10 до 15 толщин платы
Однослойная для многоцикловых перегибов От 20 до 40 толщин платы
адгезив 25 мкм, медь 35 мкм. Следовательно, В =75 мкм, С = 35 мкм. Тогда общая толщина гибкой платы Т = 185 мкм. Однократное сгибание (Ев = 16%): К = 16,9 мкм, К/Т = 0,09. Гибкая для установки (Ев = 10%); К = 0,08 мм, К/Т = 0,45. Гибкая для многоцикловых перегибов (Ев = 0,3%): К = 5,74 мм, К/Т = 31.
Оценим радиус изгиба для двусторонней платы. Например, полиимид 50 мкм, адгезив 2x25 мкм, медь 2x35 мкм. Таким образом, толщина ламинированного диэлектрика (I = 100 мкм, толщина меди С = 35 мкм. Покрытие полиимид 25 мкм, адгезив 50 мкм. Тогда В = 75 мкм, общая толщина гибкой платы Т = 2В+й+2С = 320 мкм. Радиус изгиба для двусторонней платы будет: К = (¿/2+С)х(100-ЕВ )/(ЕВ-В).
• Однократное сгибание (Ев = 16%):
К = 0,371 мм, К/Т = 1,16.
• Гибкая для установки (Ев = 10%):
К = 0,69 мм, К/Т = 2,15.
• Гибкая многоцикловая (Ев = 0,3%):
К = 28,17 мм, К/Т = 88.
Во всяком случае, радиус изгиба надо стараться оставить максимально возможным. Минимальный радиус изгиба должен не менее чем в 10 раз превосходить толщину гибкой части (рис. 23, табл. 3).
Чтобы обеспечить устойчивость гибких плат, многоцикловые перегибы зачастую приходится принудительно создавать с большим радиусом изгиба. Примеры таких решений показаны на рис. 24.
Склеенные многослойные гибкие печатные платы не обладают такой гибкостью, как однослойные или двусторонние. Если требуется сохранить гибкость многослойных плат, это может быть достигнуто путем «не склеивания» определенных частей шлейфа. Этот тип конструкции используется для четырех и более слоев в гибкой части.
Если требуется постоянное изгибание платы, следует ограничивать число медных слоев в гибкой части четырьмя слоями. Рекомендуемый радиус изгиба для шлейфов с количеством слоев более двух примерно в 20 раз должен превышать его толщину. Единожды
Сбалансированные длины ^ гибких шлейфов ^
' Медный экран
О О О О ООО
о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о оОООО0Оо
Вскрытия меди в экране
Рис. 25. Вариант конструкции гибкой части типа «книжный переплет»
изогнутый многослойный шлейф не следует повторно распрямлять или перегибать по той же оси. Появление третьего и четвертого слоев приводит к тому, что проводник располагается слишком далеко от нейтральной оси изгиба, что приводит к неизбежному растяжению меди.
В гибких областях, где требуется сильный изгиб (отношение радиуса к толщине менее 6), можно применять технику «книжного переплета». Эта техника использует прогрессивное послойное увеличение длины гибкой части (рис. 25), но дорого стоит.
Экранные и потенциальные слои
Для экранирования поверх слоя проводников может быть добавлен еще один проводящий слой. Для повышения гибкости слои экрана должны иметь минимально возможную толщину. Для еще большего повышения гибкости слои экранирования могут быть выполнены в виде сетки (рис. 26).
Рис. 26. Перфорация медного слоя экрана для увеличения гибкости платы
В случае если слои земли/питания выполнены в виде отдельных проводящих слоев или образуют большие полигоны, рекомендуется равномерно распределять медные участки по всей гибкой плате. Для улучшения гибкости и увеличения адгезии слои или шины земли/питания могут быть выполнены в виде сетки, но с учетом электрических параметров. Сквозные ячейки сетки могут быть площадью от 0,4 до 3 мм2. Увеличение площади ячейки сетки может ухудшить параметры шины земля/питание или снизить эффективность экранирования.
Элементы сопряжения гибкой и жесткой частей
Край жесткой платы (упрочнителя), находящийся рядом с гибкой частью, должен быть скошен фаской или радиусом либо смягчен нанесением дополнительного слоя адгезива для предотвращения повреждения гибкой части (рис. 27).
Иногда используются адгезивные утолщения (антидеформационные подкрепления) в точке перехода между жесткой и гибкой частями платы типа 4 или по краю элемента ужесточения для плат типов 1, 2, 3 с частичным ужесточением. В качестве материала для
Использовать фаску на упрочнителе
Упрочнитель
Использовать силиконовый валик на стыке с жесткой частью или упрочнителем
Рис. 27. Элементы сопряжения гибкой и жесткой части
утолщения могут применяться гибкие эпоксидные композиции, акрилы, силиконы, полисульфиды и другие материалы. Размер утолщения от края жесткой части обычно лежит в пределах 1,0-2,5 мм. Рекомендуется использование таких утолщений с целью уменьшения стрессовых нагрузок на материалы в точке перехода.
Закрепление монтажных контактных площадок
На жесткой и упрочненной части гибких плат контактные площадки не подвергаются изгибным нагрузкам. Только при пайке они испытывают нагрузки термомеханического характера. На гибкой части, если она используется как монтажное основание, сцепление контактных площадок с основанием подвергается как термомеханическим нагрузкам, так и изгибным. К тому же, по-лиимидные пленки имеют несколько худшую адгезию к фольге. Для упрочнения связи контактных площадок с основанием их дополнительно закрепляют покровной пленкой, как показано на рис. 28.
• • • • • •
Рис. 28. Закрепление краев контактных площадок покровной пленкой
Конфигурации проводников
Если нет необходимости придерживаться строгой ортогональности трасс проводников, необходимо скруглять углы поворотов проводников при изменении их направлений, как показано на рис. 29. При проектировании полигонов предпочтительнее выполнять их в виде сеток с приемлемым шагом, чтобы не нарушить согласование линий связи, или применять токопроводящую пасту (рис. 30).
ГҐГ
Рис. 30. Оформление полигонов в виде сетки или гибкой токопроводящей (металлонаполненной) пастой
Место
концентрации
напряжений
Место
концентрации
напряжений
Рис. 31. Устранение концентрационных напряжений в месте подхода проводника к контактной площадке
Рис. 29. Округление углов проводников
При изгибах гибких плат на переходе проводников в контактные площадки могут возникать концентрационные напряжения, грозящие разрушением этого места. Для предотвращения этого явления переход проводников в контактные площадки выполняют скругленным, как показано на рис. 31. Полиимид-ные пленки не обладают достаточной размерной стабильностью. Поэтому для удовлетворительного совмещения с отверстиями им придают особую форму с удлинением в сторону проводников (рис. 32).
Общие рекомендации по конструированию гибких плат
Исходные данные к проектированию
Какие задачи нужно поставить перед собой прежде чем приступать к проектированию?
1. Плотность монтажного поля. Размер контактных площадок для монтажа и зазоров между ними во многом определяет содержание проекта: разрешение рисунка, конфигурацию межсоединений, габариты плат.
2. Размеры групповой заготовки печатной платы и монтажно-сборочной заготовки, устанавливаемой на конвейер сборочномонтажной линии. Способы разделения плат из заготовки.
3. Система совмещения (система базирования) с реперными знаками заготовки и прицелами для установки многовыводных компонентов на рабочем поле платы.
4. Финишные покрытия под пайку.
5. Допустимое коробление жесткой части гибко-жестких печатных плат. Зачастую платы бракуются из-за неприемлемого коробления, не позволяющего принять ей плоское состояние, необходимое для принтера и установщика компонентов.
6. Условия последующего монтажа. Нагрево-стойкость печатных плат определяет приемлемость температурных режимов пайки. Особенно остро эта проблема стоит при использовании технологий бессвинцовой пайки. Для обеспечения этих условий для изготовления печатных плат приходится применять материалы с высокой температурой стеклования. Эти материалы дороже обычных, но приходится с этим мириться, чтобы получить продукт приемлемого качества и надежности.
7. Исполнение покровной пленки и паяльной маски. Конфигурация паяльной маски: точность совмещения с монтажным полем, наличие маски в зазорах между монтажными элементами, отсутствие «на-ползания» маски на контактные площадки на жесткой части или же наоборот — защемление контактной площадки покровной пленкой на гибкой плате — все это сказывается на качестве пайки. Нагре-востойкость и влагостойкость паяльной маски и покровной пленки отражается впоследствии на характеристиках устойчивости печатного узла к воздействию внешних факторов.
8. Маркировка. Что она должна быть читаемой — спору нет. Но часто ее используют для центрирования компонентов. Тогда к качеству маркировки добавляется точность позиционирования реперных знаков.
9. Плата должна быть контролепригодной, то есть иметь дополнительные точки для контактирования зондов (пробников) для внутрисхемного контроля и диагностики качества. Как правило, эти дополнительные элементы уменьшают плотность компоновки на 10-15%. Но с этим приходится считаться, чтобы за счет тестирования обеспечить приемлемый уровень качества и надежности электронного модуля.
10. Наконец, конфигурация монтажных элементов на плате должна быть приспособлена для групповых методов пайки. Иначе печатный узел будет иметь многочисленные перемычки припоя и непропаи, для обнаружения и исправления которых приходится идти на дополнительные трудозатраты и увеличение себестоимости продукции.
11. Отдельно для монтажа BGA-компонентов необходимо соблюсти условия пайки без утечки припоя в металлизированные отверстия (рис. 1) или заполнить отверстия металлом (медью по специальной технологии).
12. Необходимо избегать расположения сквозных металлизированных отверстий на изгибающихся поверхностях.
13. Нельзя трассировать проводники под углом 90° к направлению изгиба.
14. Не рекомендуется трассировать проводники на одиночных слоях в области изгибов.
15. Дугу изгиба нужно делать как можно больше: для увеличения срока службы динамических гибких печатных плат.
16. Необходимо проектировать ГП с расположением медных слоев в нейтральной части сгиба печатных плат.
Заказчик и производитель
Обычно, заказчик приходит на производство со своими компонентами и печатными платами. И тогда он обнаруживает полную непригодность его печатных плат для автоматизированного сборочно-монтажного производства. К сожалению, отечественная стандартизация на проектирование и производство электронных модулей пока что отсутствует. Фирмы и группы инженеров, специализирующиеся на проектировании электронных изделий, пользуются стандартами IPC и опытом, наработанным на стыке проектов и их промышленной реализацией. Но еще не созданы общие правила проектирования применительно к современным условиям производства, хотя это давно необходимо.
Тем не менее, практика взаимоотношений между заказчиком и производителем установила определенные правила взаимоотношений.
P-CAD или GERBER?
Один из первых вопросов, который возникает при размещении заказа, — вопрос о входном формате файлов. Обычно произ-
водитель принимает заказы в любом формате. Но общепринято передавать заказы в формате GERBER. Почему?
Универсальность
Практически любое технологическое оборудование, от сверлильных станков и фотоплоттеров до станков для V-надрезки, «понимает» GERBER в качестве входного формата. В то же время системы проектирования типа P-CAD, OrCAD и т. п. имеют встроенные постпроцессоры для связи проекта с технологическим оборудованием. Но перечень этого оборудования, естественно, охватывает далеко не весь парк машин. Для решения этой проблемы для того же P-CADa написаны гигабайты всевозможных трансляторов и постпроцессоров. Но доверие к ним сомнительно.
Ответственность
Ответственность за анологичность изготовленной печатной платы проекту несет обычно производитель. Но при подготовке производства проект всегда подвергается обработке CAM-CAD: в файл добавляются различные технологические элементы, их мультиплицируют, пропускают через различные трансляторы. Это производственная необходимость, но она может невольно внести погрешность в проект заказчика. Например, при мультипликации плат в P-CAD могут пропадать проводники. Конечно, если это произойдет, будет виноват производитель. Но часто эта ошибка провоцируется файлом заказчика, подготовленным в нелицензионной версии P-CAD. Подобных неприятностей можно избежать, используя все тот же GERBER-формат.
Безопасность
Выходной файл любой CAD-системы содержит намного больше информации о проекте, чем GERBER-файл. Передавая, например, РСВ-файлы системы P-CAD производителю, заказчик передает ему свою интеллектуальную собственность, практически подготовленную для дублирования, редактирования и прочих нарушений авторских прав заказчика. В этих файлах, как правило, содержится информация не только о самой печатной плате, но и об установленных на плате элементах, связях между ними и т. п. В то же время GERBER-файл содержит лишь графическую информацию о плате.
Свобода действий
Если заказчик располагает GERBER-файлом своего проекта, он обладает большей свободой действий в выборе производителей печатных плат. Он может размещать заказы и в России, и за рубежом и всегда будет однозначно понят производителем. В случае, например, отличий топологии изготовленной платы от проекта заказчик всегда будет прав.
Но нужно иметь в виду, что все производители размещают на своих сайтах инструк-
цию по подготовке файлов для передачи в производство. Но предпочтительнее передать производителю свой проект в GERBER-файле. Это сэкономит время и позволит избежать возможных недоразумений.
Рекомендации по конструированию печатных плат применительно к автоматизированной сборке
1. При проектировании печатной платы (ПП) необходимо руководствоваться требованиями российских стандартов по конструированию ПП (в частности, ГОСТ 23751) и стандартов Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) по конструированию печатных плат с применением технологии поверхностного монтажа.
2. Наличие защитной маски на жесткой части ГЖПП и покровной пленки на гибких платах обязательно.
3. Оптимальный зазор между выводом компонента и стенкой монтажного отверстия должен составлять 0,2-0,3 мм. При меньшем расстоянии припой плохо затекает в отверстие, появляются пустоты и непро-паи. С увеличением зазора возрастает расход припоя, появляются усадочные раковины в припое. При выборе диаметра отверстия необходимо учитывать толщину слоев основной металлизации и финишного покрытия.
4. Для пайки выводов в отверстия гибкой платы без металлизации отверстий рекомендуется увеличивать надежность паяных соединений за счет дополнительной площади контактных площадок, как показано на рис. 33.
Рис. 33. Дополнительные элементы контактных площадок для пайки выводов
5. Предельные отклонения расстояний между центрами монтажных отверстий и базового отверстия для автоматизированной сборки без применения средств технического зрения не должны превышать ±0,05 мм, между осями контактных площадок — ±0,1 мм.
6. На печатной плате с 8МБ-компонентами необходимо иметь реперные знаки, играющие роль элементов базирования при установке компонентов. В качестве реперного знака рекомендуется кружок металлизации с покрытием диаметром 1,0—1,6 мм, вокруг которого должно быть свободное от маски кольцо шириной не менее 0,3 мм.
Вокруг реперного знака на расстоянии трех его радиусов не должно быть элементов проводящего рисунка. Необходимо по 2 реперных знака на каждом краю платы в удаленных углах (например: левый нижний, правый верхний) на расстоянии не менее 5 мм от края ПП.
7. Платы малого размера рекомендуется выполнять в виде мультиплицированной заготовки. Она должна иметь базовые отверстия на технологическом поле. Каждая из плат в мультиплицированной заготовке должна иметь свои реперные знаки. Габариты мультиплицированных заготовок (панелей) рекомендуется выбирать из стандартного ряда размеров.
8. При размещении SMD-компонентов на ПП следует руководствоваться требованиями ОСТ4.42.02-93 п. 6. Рекомендуется при установке компонентов в chip-корпусах на стороне пайки располагать их продольной осью вдоль короткой стороны ПП (по направлению пайки волной), SMD-компоненты в корпусах типа SO целесообразно располагать стороной корпуса с выводами вдоль направления пайки волной; за последней парой выводов должны быть сделаны вспомогательные (незадействован-ные) площадки для предотвращения образования спаек.
9. Минимальное расстояние между контактными площадками соседних SMD-компонентов должно быть не менее 1 мм, а между SMD-компонентами и компонентами со штырьковыми выводами — не менее 1,5 мм.
10. Переходные отверстия должны находиться вне контактных площадок для монтажа выводов SMD-компонентов, а переходные отверстия 00,6 мм с открытыми контактными площадками — вне проекции корпусов типа chip, MELF, SOT, SOIC на ПП.
11. Под компонентами в неизолированных корпусах, которые устанавливаются вплотную на плату, не должно быть проводников, так как применение изолирующих прокладок усложняет и удорожает процесс сборки.
12. Каждый типоразмер SMD-компонента должен иметь свою конфигурацию монтажного поля и форму контактных площадок (целесообразно руководствоваться стандартами IPC-SM-782A “Surface Mount Design and Land Pattern Standard” и IPC-7351 “Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standards” или соответствующими им стандартами МЭК.
13. Для обеспечения возможности использования микросхем в различных корпусах рекомендуется использовать универсальные монтажные поля с возможностью замены корпусов от различных поставщиков компонентов.
14. Контактные площадки вокруг отверстий и площадки для SMD-компонентов должны соединяться между собой проводни-
Правильно Неправильно
Рис. 34. Контактные площадки отверстий и контактные площадки для монтажа компонентов должны соединяться (при необходимости) проводниками номинальной ширины (правильно) и не выполняться общим массивом (не сливаться), что было бы неправильно
ком номинальной ширины, перекрытого защитной маской. Слияние этих площадок недопустимо (рис. 34).
15. Размещение контактных площадок непосредственно в полигонах недопустимо (большой теплоотвод делает невозможной качественную пайку), они должны быть отделены от полигона тепловыми зазорами и электрически соединяться с ним только проводником номинальной ширины. Выполнение полигонов в виде сетки уменьшает теплоемкость и коробление платы во время пайки. При прохождении монтажного отверстия сквозь несколько полигонов в разных слоях необходимо делать в них увеличенные тепловые зазоры для уменьшения теплоемкости, в противном случае при пайке охлаждающийся припой не протекает сквозь металлизированное отверстие со стороны пайки на противоположную сторону.
16. Расстояние между контактной площадкой монтажного отверстия и контактной площадкой для chip или MELF-компонентов, перекрытое паяльной маской, должно быть не менее половины высоты компонента, но более 0,5 мм.
17. Минимальная ширина контактной площадки при шаге выводов 0,5 мм должна составлять 0,27 мм.
18. Рекомендуется нанесение защитной маски между контактными площадками под компоненты с шагом выводов до 0,5 мм включительно.
19. Незадействованные контактные площадки для микросхем в корпусах типа QFP, PLCC, SO рекомендуется снабжать аппендиксом в виде короткого печатного проводника, заходящим под защитную маску. Это позволяет предотвращать отслоение площадок при ремонте.
20. Соединения между соседними выводами микросхем необходимо выполнять за пределами монтажного поля, так как после пайки перемычка между соседними площадками может выглядеть как спайка. Соединительный проводник должен подходить к торцу контактной площадки, его ширина не должна превышать ширину площадки (рис. 35).
21. Для точной установки BGA-компонентов и микросхем с шагом менее 0,625 мм рекомендуется делать два локальных реперных знака, расположенных по диагонали на периметре монтажного поля микросхем.
22. Для обеспечения качества пайки chip-компонентов в корпусах типа А, Е и т. п. (тан-таловые конденсаторы, диоды, резисторы) волной припоя (сторона пайки) рекомендуется удлинение контактной площадки за пределы корпуса (с торцов) на 0,2 мм больше высоты компонента.
23. Рекомендуется при разработке проекта электронного модуля максимально заменять выводные на SMD-компоненты.
24. Следует сокращать количество типономи-налов корпусов компонентов в пределах одного проекта платы и изделия в целом, так как это сокращает время на подготовку производства и сборку. Рекомендуется заменять уникальные типономиналы компонентов на 2-3 обычных, соединяя их параллельно или последовательно.
25. Нежелательно без необходимости применять chip-компоненты в корпусах размером менее 0805.
26. Не рекомендуется применять в пределах одной платы разные типоразмеры корпусов для одного номинала, так как это усложняет процесс монтажа и увеличивает вероятность ошибки (например, если на плате имеется значительное количество компонентов chip-резисторов с 5%-ным отклонением от номинала в 1206-корпусах при наличии таких же компонентов в 0805-корпусах, следует заменить корпус 0805 на 1206).
27. Все компоненты одного типономинала рекомендуется по возможности располагать на одной стороне ПП.
28. При смешанном монтаже установка выводных компонентов должна соответствовать 0СТ45.010.030-92 «Электронные модули первого уровня РЭС. Установка изделий электронной техники на печатные платы. Технические требования. Конструкции и размеры».
29. При установке на ПП разъемов типа PressFit (Z-pack, Hard metric) необходимо предусмотреть на стороне выводов зону для опоры инструмента, свободную от компонентов и паек.
30. Если платы имеют небольшие размеры, целесообразно заказывать мультиплицированную заготовку, спроектированную
Правильно Неправильно
Рис. 35. Правила соединений соседних контактных площадок
по нормам панели для группового монтажа. Тогда для отделения одной платы от другой необходимо предусмотреть фрезеровку их контура с легко переламываемыми перемычками или скрайбиро-вание (надрезы) контура для удобства последующего отделения плат от панели, например, роликовыми ножницами. Можно предусмотреть то и другое, если контуры плат отличаются от прямых линий.
Оформление конструкторской
документации
1. Вся конструкторская документация должна быть выполнена в соответствии с ЕСКД (сборочный чертеж и спецификация).
2. При разработке КД необходимо выполнять требования ОСТ4.42.02-93 пп. 9.4-9.7 (схема нанесения точек клея, направления пайки, таблица координат центров компонентов...). Толщина припоя на контактных площадках для SMD-компонентов должна составлять 8-25 мкм.
3. Спецификация должна содержать следующую информацию: наименование компонента (детали, материала), номинал, допуск, тип корпуса, позиционное обозначение, количество, номер чертежа деталей, вариант исполнения.
4. Сборочный чертеж обязательно должен содержать: виды, сечения, разрезы и размеры, необходимые для изготовления электронного модуля, технические требования к установке и монтажу компонентов с указанием необходимых стандартов, применяемые материалы, варианты установки компонентов, выноски на нестандартную установку компонентов, номера позиций деталей и т. п.
5. Графическое изображение каждого из типов корпусов SMD-компонентов и других ЭРЭ на сборочном чертеже должно быть единым для всех изделий предприятия-разработчика. Изображение должно быть четким, понятным и максимально приближенным к конфигурации реального корпуса. Обозначение полярности (ключа) должно быть однозначным и соответствовать реальному виду (точка, скос, выступ и т. д.).
Заключение
В статье приведены лишь общие требования к конструированию гибких печатных плат.
На сайте производителей ГПП размещены подробные инструкции, отражающие индивидуальные требования к конструкциям и к подготовке файлов, которые необходимо учитывать для предотвращения конфликтов заказчика и производителя [17,
27, 28]. ■
Литература
1. IPC-2223A.Sectional Design Standard for Flexible Printed Boards. www.ipc.org
2. IEC 62326-7(62249). Part 7: Quality and performance specification for flexible printed boards (IPC-6013), www.techizdat.ru
3. IEC 62326-7-1 Part 7-1: Performance Guide for single & double-sided flexible printed boards (JPCA DG02), www.techizdat.ru
4. IPC 2223A, перевод на русский язык. Разработка гибких печатных плат, www.pcbtech.ru
5. IPC-A-620. Acceptability of Electronic Assemblies with Surface Mount Technologies, for overall workmanship, www.ipc.org
6. ANSI/J-STD-00l. Requirements for Soldered Electrical and Electronic Assemblies.
7. IPC-SM-785. Guidelines for Accelerated Reliability Testing of Surface Mount Solder Attachments,
www.ipc.org
8. IPC-D-279. Design Guidelines for Reliable Surface Mount Technology Printed Board Assemblies,
www.ipc.org
9. Акулин А. Гибкие и гибко-жесткие печатные платы. Комментарии к стандарту IPC-2223A. Часть 1 // Электронные компоненты. 2005. № 10.
10. Акулин А. Гибкие и гибко-жесткие печатные платы. Комментарии к стандарту IPC-2223A. Часть 2 // Электронные компоненты. 2005. № 11.
11. Акулин А. Варианты применения и конструкции гибко-жестких плат // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 6.
12. Гибкие и гибко-жесткие печатные платы. www.resonit.ru.
13. Медведев А., Мылов Г., Набатов Ю., Люлина В. Гибкие платы. Преимущества и применение // Компоненты и технологии. 2007. № 9.
14. Галецкий Ф. П. Назначение, свойства и характеристики гибких и гибко-жестких печатных плат // Экономика и производство. Журнал депонированных рукописей. 2002. № 1, январь.
15. The Black Pad Failure Mechanism — From Beginning to End\Ronald A.Bultwith, Michael Trosky, Louis Picehione, Darlene Hug/Cookson Electronics Assembly Materials Group — Alpha Metals, Global SMT and Packaging Journal, Sept. 2002.
16. Медведев А. Финишные покрытия в производстве печатных плат // Технологии приборостроения. 2005. № 2.
17. Гибкие и гибко-жесткие печатные платы. Назначения, свойства и характеристики. www.ncab.ru
18. Макаров В. Рекомендации по конструированию печатных плат применительно к автоматизированной сборке. Компания НКАБ-ЭРИ-КОН. www.ncab.ru
19. Медведев А., Мылов Г. Печатные платы. Требования для поверхностного монтажа // Компоненты и технологии. 2007. № 10.
20. IEC 61249-3 Part 3: Sectional specification set for unreinforced base materials, clad and unclad (intended for flexible printed boards).
21. IEC 61249-3-1 Part 3-1: Part 3-1 Copper-Clad Laminate for Flexible Printed Wiring Boards (Adhesive and Non-adhesive types) — (PAS JPCA BM03).
22. IEC 61249-3-2 Part 3-2: Flexible copper-clad polyimide film, single and double sided, www.techizdat.ru
23. IEC 61249-3-3 Part 3-3: Adhesive coated flexible polyester film (Superseded by 61249-3-1), www.techizdat.ru
24. IEC 61249-3-4 Part 3-4: Adhesive coated flexible polyimide film (Superseded by 61249-3-1),
www.techizdat.ru
25. IEC 61249-3-5 Part 3-5: Transfer adhesive film for flexible printed boards (Superseded by 61249-3-1),
www.techizdat.ru
26. Технологии в производстве электроники. Часть III. Гибкие печатные платы / Под общ. ред. А. М. Медведева и Г. В. Мылова. М.: Группа ИДТ, 2008.
27. www.pcbtech.ru
28. www.grpz.ryazan.ru
