НАЗНАЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ГИБКИХ И ГИБКО-ЖЕСТКИХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Стандарт IPC - T - 50 "Terms and Definition for Printed Boards" так определяет гибкие печатные платы (ГПП): "Печатные платы, использующие гибкий базовый материал, с или без гибкого защитного покрытия".
Рынок гибких печатных плат в 2000 году ожидается около 5 Млрд. долл., с ежегодным ростом 12-17%.

Типы гибких печатных плат:
• Односторонние гибкие печатные платы.
• Односторонние гибкие печатные платы с двухсторонним доступом.
• Двухсторонние гибкие печатные платы.
• Многослойные гибкие печатные платы.
• Гибкие печатные платы с местным ужесточением (укреплением).
• Жестко-гибкие печатные платы.

«Статические» гибкие печатные платы - гибкость используется только при операциях сборки.

"Динамические" гибкие печатные платы делятся на:
• "периодически" гибкие (сотни-тысячи циклов перегибов),
• "непрерывно" гибкие (Млн - Млрд циклов перегибов).

Применение гибких печатных плат:
• автомобили (панели, системы контроля...)
• бытовая техника (35 мм камеры, видеокамеры, калькуляторы…)
• медицина (слуховые аппараты, сердечные стимуляторы...)
• вооружение и космос (спутники, панели, радарные системы, приборы ночного видения...)
• компьютеры (печатающие головки, управление дисками, кабели ...)
• промышленный контроль ( комутирующие приборы, нагреватели...)
• инструменты (рентгеновское оборудование, счетчики частиц ...)
• разное (оружие, торпеды, злектронное экранирование, радиосвязь...).

Мотивы применения гибких печатных плат:
• динамическая гибкость,
• уменьшение размера конструкции,
• уменьшение веса ( 50 - 70% при замене проводного монтажа, до 90% при замене жестких плат),
• улучшение эффективности сборки,
• уменьшение стоимости сборки (уменьшение числа операций),
• увеличение выхода годных при сборке,
• улучшение надежности ( уменьшение числа уровней соединений),
• улучшение электрических свойств (унифицированные материалы, волновое сопротивление, уменьшение индуктивности),
• улучшение рассеивания тепла (плоские проводники, рассеивание тепла на обе стороны...)
• возможность трехмерной конструкции упаковки,
• совместимость с поверхностным монтажем компонентов (совместимость по коэффициенту расширения...),
• упрощение контроля (визуального и электрического...),

Характеристики материала для гибких печатных плат:
• размерная стабильность,
• теплоустойчивость (выдержывать пайку 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 при использовании),
• негорючесть,
• общие требования (стабильность характеристик, множественность источников поставки, стоимость, количество необходимого материала в изделии…).

Основные элементы конструкции гибких печатных плат: базовый материал, адгезив, металлическая фольга или базовый материал и металлическая фольга.

Гибкие базовые материалы.

Полиимидные пленки — доминирующий материал для изготовления гибких печатных плат.

Имеется ряд формул полиимида с торговыми марками Kapton, Apical,Novax, Espanex, Upilex.

Преимущества:
• отличная гибкость при всех температурах,
• хорошие электрические свойства,
• отличная химстойкость (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,
• рабочая температура от –200^оС до + 300^оС.

Недостатки:
• высокое водопоглощение (до 3% по весу),
• относительно высокая стоимость,
• несмотря на высокую температуру стеклоперехода (напр. 500оС для Upilex S) их высокотемпературные свойства ограничивают адгезивы.

Лавсановые пленки (полиэтилентерефталат, PET)

Есть ряд торговых марок — Mylon, Melinex, Luminor, Celanar.

Положительные стороны:
• Это низкотемпературный термопласт (легко формуется).
• Очень низкая стоимость.
• Хорошая устойчивость к разрыву и распространению разрыва.
• Очень хорошая гибкость.
• Хорошая химстойкость.
• Низкое влагопоглощение.
• Хороший баланс электрических характеристик.
• Рабочий диаппазон температур от -60оС до +105оС.

Отрицательные стороны:
• ограниченность к пайке (имеет низкую точку плавления),
• нельзя использовать при очень низких температурах (становится хрупким),
• недостаточная размерная стабильность (применяют термостабилизацию).

Адгезивы

Адгезивы используются для соединения медной фольги с базовой пленкой, а при частично полимеризованном виде служат для создания защитных слоев однослойных и двухслойных гибких печатных плат, а также объединяют слои для многослойных и гибко-жестких конструкций. Роль адгезивов является определяющей и критической 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 значительную популярность, его применяют для полиимида (травится в щелочи, большой коэффициент расширения). Эпоксид и модифицированный эпоксид в качестве адгезива хрупок. Полиимидный адгезив требует очень высокой температуры обработки.

Большинство гибких ламинатов используют катанную и ненагартованную фольгу. Имеется также ряд способов металлизации гибких пленок напылением и химическим или вакуумным осаждением. Фольга из специальных медных сплавов имеет большее сопротивление и большую прочность, обеспечивая большую устойчивость к перегибам, сравнимую с катаной фольгой. Кроме того такая фольга более устойчивая в производстве ламината - меньше дефектов.

Защитные слои — аналог паяльной маски. Они увеличивают устойчивость к перегибам.
Защитные покрытия — акрилаты, полиуретаны, акрилэпоксиды. Жидкие. Отверждение — УФ или тепло.
Фоточувствительные защитные слои — пленки и жидкие для сеткографии.

Соединительные пленки — пленки с адгезивом, защищенные снимаемой пленкой. Применяются для многослойных гибких печатных плат и гибко-жестких плат.

Рекомендации для конструирования гибких печатных плат:
• избегать расположения сквозных металлизированных отверстий на изгибающихся поверхностях,
• не трассировать проводники под углом 90о к направлению изгиба,
• не трассировать проводники на одиночных слоях в области изгибов,
• дугу изгиба не делать малой: для увеличения срока службы динамических гибких печатных плат,
• проектировать с расположением медных слоев в нейтральной части гибких печатных плат,
• обеспечивать максимально допустимый радиус перегибов.

Производство гибко-жестких плат.

Это наиболее сложные соединительные структуры современной электронной аппаратуры. Требуются элементы обоих технологий - жестких и гибких печатных плат. Жесткие платы спрессовываются с гибкими и осуществляются соответствующие сквозные межслойные соединения. Простейшая гибко-жесткая плата - один жесткий и один гибкий слой . Сложные гибко-жесткие платы могут содержать десять-двадцать или более гибких соединительных наборов между жесткими внешними слоями. Одно- и двухслойные гибкие печатные платы составляют гибкие соединительные наборы.

Гибко-жесткие платы очень сложны в производстве. Они используют большой набор разнородных материалов разной природы и размерной стабильности, а также разной степени надежности металлизации.

Маршрутная схема изготовления гибко-жестких печатных плат:
• Нарезка гибких и жестких ламинатов в размер групповых заготовок и маркировка
• Создание базовых отверстий в заготовках.
• Создание на гибких слоях рисунка проводников (фотохимия и травление), в некоторых соединительных областях могут формироваться межслойные металлизированные переходы,
• Припрессовывание защитных слоев на травленный рисунок,
• Жесткие ламинаты предварительно фрезеруются для обеспечения удаления ненужных частей после изготовления (полное выфрезеровывание или фрезерование на определенную глубину или скрайбирование материала),
• Нарезка соединительных прокладок с удалением определенных областей, обеспечивая предохранение гибких областей от склеивания между собой и с жесткими частями,
• Спрессовывание вместе защищенных схемных слоев и жестких внешних слоев с помощью вырезанных гибких соединительных листов ,
• Гибко-жесткая панель сверлиться с использрванием той же системы базирования,
• Очистка отверстий с помощью плазменного травления,
• Химическая и электрохимическая металлизация ,
• Формирование негативного изображения на наружных слоях,
• Электрохимическая металлизация окон в рисунке - медь, затем олово-свинец.
• Удаление фоторезиста и травление меди .
• Снятие олово-свинца.
• Нанесение паяльной маски на жесткие части.
• Горячее лужение.
• Выфрезеровывание гибко-жестких плат из заготовки. Лишние жесткие части механически удаляются.

Проблемы гибко-жестких плат:
• Выдерживание требований термоциклов и термоударов (много адгезивов с высоким коэффициентом теплового расширения).
• Первое решение проблемы применение безадгезивных материалов.
• Второе решение проблемы применение новых или улучшенных конструкций (например, усиление металлизации сквозных отверстий).

Контроль и испытание гибких печатных плат.

Для гибких печатных плат имеется два уровня контроля и испытаний: Первый уроверь проводится над исходными материалами, используемыми в производстве гибких печатных плат, второй уровень осуществляется над конечным продуктом.

Испытание исходных материалов:
• испытание физических войств,
• испытание химических свойств,
• испытание электрических свойств,
• испытания влияния на окружающую среду.

Испытания физических свойств:
• гибкость при низкой температуре,
• размерная стабильность,
• содержание летучих веществ,
• прочность на разрыв и удлинение,
• усилие инициирования разрыва,
• усилие распространения разрыва,
• усилие отслоения (в состоянии постави, после ванны с припоем, после термоциклов).

Испытание химических свойств:
• химическая устойчивость (концентрированные кислоты, основания, растворители),
• горючесть (UL94V-0),

Испытание электрических свойств:
• диэлектрическая постоянная,
• фактор рассеивания,
• диэлектрическая прочность,
• поверхностное сопротивление,
• объемное сопротивление,

Испытание влияния на окружающую среду:
• влагопоглощение,
• сопротивление изоляции во влаге,
• сопротивления образования грибков.

Спецификации и стандарты:

ГОСТ 23751 – 86 . Печатные платы.Основные параметры конструкции.
ГОСТ 23751 – 79*. Печатные платы.Требования и методы конструирования.
IPC-FC-231C Flexible Bare Dielectric for Use in Flexible Printed Wiring.
IPC-FC-232C Adhesive Coated Films for Use as Cover Sheets Flex Circuits.
IPC-FC-241C Flexible Metal-clad Dielectrics for Use in Fabrication of Flexible Printed Wiring.
IPC-RF-245A Performance Specification for Rigid-flex Printed Boards.
IPC-D-249 Design Standart for Flexible Single- and Double-sided Printed Boards.
IPC- FC-250A Performance Specification for Single- and Double- sided Flexible Printed Wiring.

Автор: Ф.П.Галецкий
Источник: www.fpgaletsky.ru