فرآیند تولید PCB چند لایه انعطاف‌پذیر-سخت: راهنمای گام به گام و بینش‌های صنعت

PCB های سخت انعطاف پذیر چند لایه ای یک نوآوری ترکیبی در الکترونیک را نشان می دهند، که ثبات ساختاری PCB های سخت را با انعطاف پذیری مدارهای انعطاف پذیر ترکیب می کند.این طراحی منحصر به فرد باعث می شود دستگاه ها خم شوند، جمع و جور می شوند یا با فضای تنگ سازگار می شوند که برای کاربردهای مدرن مانند تلفن های هوشمند قابل جمع و جور، سنسورهای خودرو و ایمپلنت های پزشکی حیاتی است، در حالی که از مدارهای متراکم و چند لایه پشتیبانی می کنند.فرآیند تولید آنها بسیار پیچیده تر از PCB های سنتی سخت یا انعطاف پذیر است، نیاز به مواد تخصصی، ورق بندی دقیق و استفاده دقیق از بخش های انعطاف پذیر.

این راهنما فرآیند تولید PCB های سخت و انعطاف پذیر چند لایه را از انتخاب مواد تا آزمایش نهایی آشکار می کند.و بهترین شیوه های حیاتی برای اطمینان از قابلیت اطمینانچه شما یک مهندس طراحی برای کوچک سازی باشید و چه یک سازنده در مقیاس تولید،درک این فرآیند به شما کمک می کند تا از تمام پتانسیل تکنولوژی چند لایه سخت و انعطاف پذیر استفاده کنید.

PCB های چند لایه ای سخت و انعطاف پذیر چیست؟
قبل از ورود به تولید، ضروری است که PCB های سخت و انعطاف پذیر چند لایه و ارزش منحصر به فرد آنها را تعریف کنید:

1ساختار: آنها از لایه های سخت متناوب (معمولا FR-4) و لایه های انعطاف پذیر (به عنوان مثال، پلی آمید) تشکیل شده اند که از طریق ویاس های پوشش داده شده به صورت یک مدار یکپارچه متصل می شوند.
2مزیت کلیدی: بر خلاف PCB های سفت (شکل ثابت) یا PCB های انعطاف پذیر (شمار لایه محدود) ، طرح های چند لایه ای سفت و انعطاف پذیر از 4 ٪ 20 لایه مدار پشتیبانی می کنند در حالی که امکان خم شدن در مناطق خاص (به عنوان مثال ،یک چرخ دنده تلفن تاشو).
3استفاده های رایج: الکترونیک تاشو، ماژول های ADAS خودرو، دستگاه های پزشکی پوشیدنی و سنسورهای هوافضا که در آن فضا، وزن و دوام قابل مذاکره نیستند.

فرآیند تولید آنها باید دو نیاز متضاد را متعادل کند: دقت مورد نیاز برای مدارهای چند لایه و انعطاف پذیری برای جلوگیری از آسیب به لایه های انعطاف پذیر در طول تولید.

مرحله ۱: انتخاب مواد ۰ پایه های PCB های سخت و انعطاف پذیر قابل اعتماد
انتخاب مواد برای PCB های چند لایه سخت و انعطاف پذیر بسیار مهم است، زیرا هر جزء باید در برابر گرما، چرخه خم شدن و محیط های استفاده نهایی مقاومت کند.در زیر یک تجزیه و تحلیل مواد حیاتی و مشخصات آنها است:

ملاحظات مهم
1سازگاری انعطاف پذیر و سفت: چسب ها باید با CTE (معادل گسترش حرارتی) هر دو زیربنای انعطاف پذیر و سفت مطابقت داشته باشند تا از انحراف در طول ورق بندی جلوگیری شود.هسته های انعطاف پذیر پلی آمید بهتر است با چسب های اپوکسی (CTE ~ 20 ppm / °C) برای به حداقل رساندن استرس.
2دوام لایه انعطاف پذیر: استفاده از مس رالو شده (RA) برای ردپای انعطاف پذیر ٪ انعطاف پذیری آن به 10،000 + چرخه خم شدن در مقابل 1000 ٪ 2000 چرخه برای مس الکترودپوزیت شده (ED) مقاومت می کند.
3کاربرد های بلند مدت: برای استفاده در خودرو یا هوافضا، زیربناهای انعطاف پذیر LCP (پلیمر کریستال مایع) را انتخاب کنید، که انعطاف پذیری را در 200 °C + حفظ می کنند و در برابر مواد شیمیایی مقاومت می کنند.

مرحله 2: مرحله به مرحله فرآیند تولید چند لایه سخت و انعطاف پذیر
فرآیند تولید، تولید PCB های سخت (لامیناسیون، حفاری) را با تکنیک های PCB های انعطاف پذیر (معامله با بستر های ظریف، اجتناب از چروک ها) ادغام می کند. در زیر یک تجزیه مفصل و دنباله ای وجود دارد:

فاز ۱: پیش تولید و آماده سازی مواد
قبل از الگوی مدار، مواد برای اطمینان از یکسانی و چسبندگی آماده می شوند:

1آماده سازی هسته انعطاف پذیر:
a.سیستم های انعطاف پذیر (به عنوان مثال، 50μm polyimide) با الکل ایزوپروپیلی تمیز می شوند تا روغن ها و گرد و غبار را از بین ببرند که باعث شکست چسبندگی می شوند.
ورق مس (برقی RA) 1235μm با استفاده از گرما (180 ° C) و فشار (300 psi) در هر دو طرف هسته انعطاف پذیر لایه بندی می شود و یک لایه لایه ای با پوشش مس انعطاف پذیر (CCL) را تشکیل می دهد.
2آماده سازی هسته سخت:
a.پاینه های سخت (به عنوان مثال، FR-4 1.6mm) به اندازه پانل (معمولاً 18×24×) برش داده می شوند و برای حذف لبه های تیز از آن پاک می شوند.
b. ورق مس (35 ′′70μm ED مس) از طریق لایه بندی حرارتی به هسته سفت متصل می شود و پایه برای لایه های مدار سفت را ایجاد می کند.

فاز ۲: طراحی مدار (سطح های انعطاف پذیر و سفت)
الگوی سازی باعث ایجاد ردپای رسانا در هر دو لایه انعطاف پذیر و سفت می شود، با استفاده از فوتولیتوگرافی و حکاکی:

1.تطبيق ضد نور:
a. یک مقاومت حساس به نور (فیلم مایع یا خشک) بر روی لایه های انعطاف پذیر و سفت مس پوشانده شده اعمال می شود. برای لایه های انعطاف پذیر، از یک مقاومت انعطاف پذیر برای جلوگیری از ترک در هنگام دستکاری استفاده می شود.
2.عرض و توسعه:
a. مقاومت در معرض نور UV از طریق یک fotomask (با الگوی مدار) قرار می گیرد. مقاومت غیرعرض شده با یک محلول توسعه دهنده شسته می شود، و ردپای مس برای حک شده در معرض قرار می گیرد.
3.حفر:
a. لایه های انعطاف پذیر: غوطه ور شدن در یک خیس کننده خفیف (پرسولفات آمونیوم) برای حذف مس ناخواسته زمان خیس شدن را تا 20٪ در مقایسه با لایه های سفت کاهش می دهد تا از آسیب رساندن به زیربنای پلی آمید جلوگیری شود.
b. لایه های سفت: با کلورید آهن یا کلورید مس حک شده، استاندارد برای FR-4.
4. مقاومت در برابر striping:
a.باقی مقاومت نور با یک حلال (به عنوان مثال هیدروکسید سدیم) از بین می رود و الگوی مدار نهایی در هر دو لایه انعطاف پذیر و سفت را نشان می دهد.

فاز 3: لایه بندی ️ پیوند لایه های انعطاف پذیر و سفت
لایه بندی مهمترین مرحله در تولید سخت و انعطاف پذیر است زیرا باید لایه ها را بدون پیچیدگی بخش های انعطاف پذیر یا آسیب رساندن به مدارها پیوند دهد:

1برش چسب:
a. ورق های چسبنده (به عنوان مثال مبتنی بر اپوکسی) با لیزر برش داده می شوند تا متناسب با اندازه پانل باشند، با بازها برای ویاس ها و مناطق انعطاف پذیر (برای جلوگیری از چسباندن بخش های انعطاف پذیر به لایه های سفت).
2.استاکپ لايه:
a. لایه ها با استفاده از علامت های فیدوشیاال (1 میلی متر دایره های مس) برای اطمینان از ثبت و ردیابی (تساملی ± 0.02 میلی متر) هماهنگ می شوند.لایه سخت → چسبنده → لایه انعطاف پذیر → چسبنده → لایه سخت.
3. لامیناسیون کنترل شده:
a.پاکر در یک لامیناتور خلاء در 160-180 درجه سانتیگراد و 400-500 psi برای 30-60 دقیقه فشار داده می شود. خلاء حباب های هوا را از بین می برد، در حالی که فشار تدریجی از پیچیدگی لایه انعطاف پذیر جلوگیری می کند.
ب. برای طرح های لایه های بالا (10+ لایه) ، لایه بندی متوالی مورد استفاده قرار می گیرد: لایه ها یک به یک اضافه می شوند و برای حفظ تراز شدن ، سخت سازی میانگین انجام می شود.

فاز ۴: حفاری ۰ ایجاد مسیرها برای اتصال لایه
بعد از لامیناسیون، ویاس ها (شکاف هایی که لایه ها را به هم متصل می کنند) با تکنیک هایی که برای مناطق انعطاف پذیر و سفت طراحی شده اند، سوراخ می شوند:

1برنامه ریزی حفاری:
a. فایل های Gerber از طریق مکان ها مشخص می شوند: سوراخ های عبور (همه لایه ها را متصل می کنند) ، ویاس های کور (پایانی را به لایه های داخلی متصل می کنند) و ویاس های دفن شده (فقط لایه های داخلی را متصل می کنند). مناطق انعطاف پذیر از ویاس های کوچکتر (0.1 ≈ 0.0) استفاده می کنند.2mm) برای جلوگیری از ترک.
2روش های حفاری:
a. حفاری مکانیکی: برای لایه های سفت (از طریق قطر ≥0.2mm) با حفاری های کربید (30,000 RPM) برای اطمینان از سوراخ های تمیز استفاده می شود.
ب. حفاری لیزر: برای لایه های انعطاف پذیر و میکروویا (≤0.15mm) با لیزر UV استفاده می شود ٪ آسیب گرما به زیربناهای پلی آمید را به حداقل می رساند.
3پاکسازی و پاکسازی:
a. لایه های انعطاف پذیر: حکاکی پلاسما از طریق دیوارهای رزین پاک می شود (از مدار کوتاه اجتناب می کند) بدون اینکه بستر ظریف را سست کند.
b. لایه های سفت: پاکسازی شیمیایی (با استفاده از پرمانگان پتاسیم) از طریق دیواره ها برای پوشش.

فاز ۵: پوشش ️ اطمینان از اتصال الکتریکی
پوشش پوشش از طریق دیوارها با مس برای اتصال لایه ها و اضافه کردن پایان سطح برای solderability:

1پوشش مس بدون برق:
a. یک لایه نازک مس (0.5μm) از طریق دیوارهای و ردپای مدار از طریق یک واکنش شیمیایی (بدون برق) قرار می گیرد و پایه ای برای الکترواستیشن ایجاد می کند.
2. الکتروپلاستی:
a. پانل در یک حمام سولفات مس غوطه ور می شود، با یک جریان الکتریکی (24 A / dm2) ساخت ضخامت مس به 1525μm که برای مقاومت کم از طریق اتصال ضروری است.مناطق انعطاف پذیر از تراکم جریان پایین تر استفاده می کنند (1.52 A/dm2) برای جلوگیری از ترکیدن مس.
3استفاده از فرش:
a.ENIG (طلای غوطه ور شدن نیکل بدون برق): برای مناطق انعطاف پذیر ترجیح داده می شود.
b.HASL (تعادل جوش هوا گرم): برای مناطق سخت استفاده می شود (کارآمد در هزینه، جوش خوبی).
c.OSP (سازنده سولدرایی ارگانیک): ایده آل برای کالاهای الکترونیکی مصرفی با حجم بالا (هزینه کم، سطح صاف).

فاز 6: ماسک سولدر و صفحه ابریشم
ماسک جوش دهنده از ردی ها محافظت می کند، در حالی که سیکسکرین برچسب های قطعات را اضافه می کند، هر دو باید مناطق انعطاف پذیر را پوشش دهند:

1. استفاده از ماسک پلت:
a. ماسک سولدر پلی آمید قابل تصویربرداری مایع (LPI) بر روی پانل چاپ می شود. مناطق انعطاف پذیر از فرمول ماسک انعطاف پذیرتر (طول ≥100٪) استفاده می کنند تا از ترک شدن در هنگام خم شدن جلوگیری شود.
ب. قرار گرفتن در معرض اشعه ی UV و رشد آن، بازیهایی را برای پد ها و ویاس ها تعریف می کند؛ ماسک در درجه حرارت 150 درجه سانتیگراد برای 60 دقیقه خشک می شود.
2. چاپ صفحه ابریشم:
a. جوهر مبتنی بر پلی اورتان بر روی سطوح سخت چاپ می شود (مناطق انعطاف پذیر از صفحه ابریشم اجتناب می کنند، زیرا جوهر در هنگام خم شدن ترک می کند). اندازه متن ≥0.8mm x 0.4mm برای خوانایی است، با فاصله 0.1mm از پد ها.

فاز 7: مسیرگذاری و جداسازی PCB های جداگانه
مسیریابی پانل را به PCB های سخت و انعطاف پذیر جداگانه برش می دهد، با توجه به بخش های انعطاف پذیر:

1.تجهیزات پانل:
a. پانل بر روی یک قاب سفت نصب شده است تا مناطق انعطاف پذیر را در طول مسیریابی ثبات دهد و از پاره شدن جلوگیری کند.
2.CNC روتینگ:
a. یک روتر CNC با یک آسیاب 0.8 میلی متری در اطراف محیط PCB قطع می شود. مناطق انعطاف پذیر با سرعت تغذیه آهسته تر (50 میلی متر / دقیقه در مقابل 100 میلی متر / دقیقه برای سفت) برای جلوگیری از فرسایش هدایت می شوند.
3.توحید:
a.برای تولید حجم بالا، مسیریابی لیزر برای مناطق انعطاف پذیر استفاده می شود.

فاز 8: آزمایش و کنترل کیفیت
PCB های جامد و انعطاف پذیر برای اطمینان از قابلیت اطمینان الکتریکی و مکانیکی آزمایشات دقیق را انجام می دهند:

چند لایه سخت و انعطاف پذیر در مقابل سایر انواع PCB: یک تجزیه و تحلیل مقایسه ای
برای درک اینکه چرا رید فلیکس برای کاربردهای خاص انتخاب می شود، تولید و عملکرد آن را با جایگزین ها مقایسه کنید:

چالش ها و راه حل های مهم تولید
تولید چند لایه سخت و انعطاف پذیر با موانع منحصر به فرد مواجه است که با تکنیک های تخصصی حل می شود:

1.تکلیف لایه انعطاف پذیر در طول لایه بندی
a. چالش: فشار نامنظم باعث می شود بخش های انعطاف پذیر تا تا پیچ و خم شوند، آثار آسیب دیده را ایجاد کنند.
ب. راه حل: از لامیناتورهای خلاء با رامپ های فشار قابل برنامه ریزی (افزایش تدریجی از 100 تا 500 psi) و پد های سیلیکونی برای توزیع فشار به طور مساوی استفاده کنید.
2از طریق یکنواخت پوشش در مناطق انعطاف پذیر
a. چالش: ویاس های کوچک (≤0.15mm) در لایه های انعطاف پذیر از پوشش نازک رنج می برند.
ب.حلول: دمای حمام مس بدون برق را به 45 درجه سانتیگراد (در مقابل 40 درجه سانتیگراد برای جامد) افزایش دهید و مواد سطح فعال را برای بهبود جریان محلول به ویاس های کوچک اضافه کنید.
3.دلمینیشن در مرزهای انعطاف پذیر و سفت
a. چالش: شکست چسب بین لایه های انعطاف پذیر و سفت به دلیل عدم تطابق CTE.
ب.حلول: از چسب های هیبریدی اکریلیک - اپوکسی (CTE ~ 18 ppm / °C) و لایه های انعطاف پذیر در 120 °C قبل از لایه گیری نهایی استفاده کنید.
4. ترک ترک در طول خم کردن
a. چالش: ردپای مس در مناطق انعطاف پذیر پس از خم کردن مکرر شکسته می شود.
ب. راه حل: استفاده از مس RA (دکتیل) و زاویه های ردیابی طراحی 45 ° (نه 90 °) برای توزیع فشار؛ اضافه کردن حلقه های “تخفیف فشار” در بخش های انعطاف پذیر.

مزایای PCB های چند لایه سخت و انعطاف پذیر (به وسیله فرآیند تولید)
فرآیند تولید تخصصی مزایای منحصر به فردی نسبت به PCB های سنتی را ارائه می دهد:

a. صرفه جویی در فضا: چندین PCB سخت را در یک طراحی ادغام می کند و تعداد کانکتورها را 50٪ تا 70٪ کاهش می دهد (به عنوان مثال ، یک لولۀ تلفن تاشو از 1 PCB سخت و انعطاف پذیر در مقابل 3 PCB سخت جداگانه استفاده می کند).
b. کاهش وزن: 30٪ تا 40٪ سبک تر از PCB های سخت معادل، برای دستگاه های هوافضا و پوشیدنی حیاتی است.
c.اعتماد پذیری بیشتر: اتصال دهنده های کمتر به معنای نقاط شکست کمتر است ٪ نرخ شکست در زمینه 60٪ کمتر از PCB های سخت با اتصال سیم دار است ، بر اساس داده های IPC.
آزادی طراحی: امکان بسته بندی سه بعدی (به عنوان مثال، پیچیده شدن در اطراف یک موتور) و فاکتورهای فرم تاشو را فراهم می کند که با PCB های سفت غیرممکن است.

کاربردهای صنعتی PCB های چند لایه سخت و انعطاف پذیر
فرآیند تولید با توجه به نیازهای بخش های کلیدی طراحی شده است:
1الکترونیک مصرفی
a. تلفن های تاشو (به عنوان مثال، سامسونگ گلکسی Z فولد): PCB های سخت انعطاف پذیر چند لایه ای در میله ها از 20+ لایه مدار پشتیبانی می کنند و 200،000+ چرخه خم شدن را امکان پذیر می کنند.
b.دستگاه های پوشیدنی (به عنوان مثال، Apple Watch): طرح های باریک (0.5mm) سخت و انعطاف پذیر با مچ دست مطابقت دارند در حالی که 6 ′′8 لایه از سنسورها و پردازنده ها را در خود جای داده اند.

2. خودرو
a. حسگرهای ADAS: PCB های سفت و انعطاف پذیر در اطراف قاب های وسایل نقلیه خم می شوند، دوربین ها، رادار و LiDAR را با وجود دمای -40 °C تا 125 °C متصل می کنند.
سیستم مدیریت باتری (BMS): بخش های انعطاف پذیر قدرت را بین سلول های باتری هدایت می کنند و وزن را در مقایسه با PCB های سفت 35٪ کاهش می دهند.

3دستگاه های پزشکی
a. دستگاه های ایجاد ضربان قلب قابل کاشت: لایه های انعطاف پذیر پلی آمید سازگار با زیست و 4 ٪ 6 لایه مدار که در حجم 1cm3 مناسب هستند، مقاومت در برابر مایعات بدن.
ب.برنامه های سونوگرافی قابل حمل: PCB های سفت و انعطاف پذیر برای مطابقت با اشکال سونوگ با حفظ یکپارچگی سیگنال برای تصویربرداری با وضوح بالا خم می شوند.

4هوافضا و دفاع
آنتن های ماهواره ای: PCB های سخت و انعطاف پذیر سبک وزن (30 گرم در هر تخته) در وسایل پرتاب قرار می گیرند و در فضا مستقر می شوند و در برابر تشعشعات و سرما شدید مقاومت می کنند.
ب. هدفون های نظامی: بخش های انعطاف پذیر مطابق با گوش های کاربر هستند، در حالی که لایه های سفت تراشه های ارتباطی را در خود جای می دهند که با استانداردهای ارتعاش MIL-STD-883 مطابقت دارند.

سوالات عمومی
س: حداکثر تعداد لایه ها در یک PCB سخت و انعطاف پذیر چند لایه چیست؟
A: اکثر تولید کنندگان طرح های 4 ′′12 لایه را تولید می کنند، اما فرآیندهای پیشرفته (پاشیده شدن متوالی) می توانند 20+ لایه را برای برنامه های هوافضا و پزشکی به دست آورند.

سوال: تولید PCB های چند لایه سخت و انعطاف پذیر چقدر طول می کشد؟
A: نمونه های اولیه 2 ⁄ 3 هفته طول می کشد (به دلیل لایه بندی و آزمایش تخصصی) ؛ تولید حجم بالا (10k + واحد) 4 ⁄ 6 هفته طول می کشد.

س: آیا PCB های جامد و انعطاف پذیر می توانند از اجزای نصب سطح (SMD) در مناطق انعطاف پذیر استفاده کنند؟
A: بله، اما اجزای باید ′′مضبوط دوستانه ′′ باشند (به عنوان مثال، مقاومت های تراشه ≤0603، بدون IC های بزرگ) برای جلوگیری از ترک در هنگام خم شدن.حجم خمیر جوش 30٪ در مناطق انعطاف پذیر کاهش می یابد تا از استرس مفاصل جلوگیری شود.

س: کمترین شعاع خم برای یک PCB سخت و انعطاف پذیر چند لایه چیست؟
A: به طور معمول ضخامت لایه انعطاف پذیر 5 × 10 برابر است (به عنوان مثال، یک لایه پلی آمید 50μm دارای حداقل شعاع خم 250 × 500μm است). شعاع های تنگ تر خطر ترکیدن ردیف را دارند.

س: آیا PCB های چند لایه سخت و انعطاف پذیر با RoHS مطابقت دارند؟
A: بله ️ مواد مانند جوش بدون سرب، چسب های بدون هالوجن و پلی آمید سازگار با RoHS استفاده می شود. تولید کنندگان اسناد DoC (اعلان سازگاری) را برای تأیید سازگاری ارائه می دهند.

نتیجه گیری
فرآیند تولید PCB های چند لایه سخت و انعطاف پذیر یک شگفتی فنی است، که دقت تولید سخت چند لایه را با ظرافت دستکاری مدار انعطاف پذیر متعادل می کند.از انتخاب مواد (پولیامید برای انعطاف پذیری، FR-4 برای سفت) تا لایه بندی کنترل شده و مسیریابی لیزر ، هر مرحله برای ایجاد تخته هایی که جمع و جور ، پایدار و همه کاره هستند بهینه شده است.

در حالی که هزینه های تولید بالاتر از PCB های سنتی است، مزایای صرفه جویی در فضای، کاهش وزن،و افزایش قابلیت اطمینان باعث می شود که PCB های سخت و انعطاف پذیر چند لایه ای برای نوآوری در قاب های تاشو ضروری باشند.برای تولید کنندگان،همکاری با متخصصان با تجربه در تولید سخت و انعطاف پذیر (و پس از کنترل کیفیت دقیق) کلید باز کردن این مزایای است.

در حالی که دستگاه ها همچنان کوچک می شوند و به عملکرد بیشتری نیاز دارند، نقش PCB های چند لایه سخت و انعطاف پذیر تنها با پیشرفت در تکنیک های تولید که هزینه را کاهش می دهند و عملکرد را بهبود می بخشند، افزایش خواهد یافت..