Гибкие печатные платы

Использование гибких диэлектрических материалов для изготовления печатных плат дает как разработчику, так и пользователю электронных устройств ряд уникальных возможностей. Это прежде всего - уменьшение размеров и веса конструкции, повышение эффективности, повышение электрических характеристик, теплоотдачи и в целом надежность.
Если учесть основное свойство таких плат - динамическую гибкость - становится понятным все возрастающий объем применение таких плат в автомобилях, бытовой технике, медицине, в оборонной и аэрокосмической технике, компьютерах, в системах промышленного контроля и бортовых системах.
Гибкие печатные платы (ГПП) изготовляются на полиимидной или лавсановой пленке и поэтому могут легко деформироваться даже после формирования проводящего рисунка. Большая часть конструкций ГПП аналогична конструкциям ПП на жесткой основе.

Односторонние ГПП наиболее распространены в этом классе ПП, поскольку проявляют наилучшую динамическую гибкость. Контактные площадки таких плат расположены с одной стороны, в качестве материала проводящей

Односторонние ГПП с двусторонним доступом имеют один проводящий слой, контактные площадки к которому выполнены с обеих сторон платы.
Двухсторонние ГППимеют два проводящих слоя, которые могут быть соединены сквозными металлизированными переходами (на рисунке проводники нижнего слоя идут перпендикулярно проводникам верхнего слоя). Платы этого типа обеспечивают высокую плотность монтажа, часто
применяются в электронных устройствах с контролируемым полным сопротивлением (импедансом) плат.
Многослойные ГППсодержат не менее трех проводящих слоев, соединенных металлизированными отверстиями, которые обеспечивают межслойное соединение. В таких платах проще реализовать высокую плотность монтажа, поскольку не требуется обеспечивать большое значение соотношение "высота/диаметр отверстия". Прогнозируется применение таких ГПП для сборки на них многокристальных интегральных схем.
Жестко-гибкие ПП являются гибридными конструкциями и содержат как жесткие, так и гибкие основания, скрепленные между собой в единую сборку и электрически соединенные металлизированными отверстиями. Наиболее распространены в изделиях оборонной техники,
однако расширяется их применение и в промышленной электронике.

ГПП с медным ужесточением (укреплением). В таких платах возможно размещение внутри гибкой основы жестких металлических деталей. Получаются многоэтапным процессом фотолитографии и травления.
Статические гибкие печатные платы - гибкость используется только при операциях сборки.

"Динамические" гибкие печатные платы делятся на:
• " периодические" гибкие (сотни - тысячи циклов перегибов),
• "непрерывно" гибкие (миллионы - миллиарды циклов перегибов).
Применение гибких печатных плат:
• автомобили (панели, системы контроля ...),
• бытовая техника (35мм 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 (коммутирующие приборы, нагреватели...),
• инструменты (рентгеновское оборудование, счетчики частиц...),
• разное (оружие, торпеды, электронное 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 (универсальные материалы, волновое сопротивление, уменьшение индуктивности),
• улучшение рассеивания тепла (плоские проводники, рассеивание тепла на обе стороны...),
• возможность трехмерной конструкции упаковки,
• совместимость с поверхностным монтажом компонентов (совместимость по коэффициенту расширения...),
• упрощение контроля (визуального и электрического...).
Характеристики материала для гибких печатных плат:
• размерная стабильность,
• теплоустойчивость (выдерживать 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,
• металлическая фольга.

Гибкие базовые материалы.Наиболее популярные - лавсан и полиимид. Полимидные 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 дополнительный преимущества (коэффициент расширения согласованный с медью, уменьшенное напряжение в ламинатах...),
• полиамид можно химически травить,
• рабочая температура от -200°С до +ЗОО°С.

Недостатки:
• высокое водопоглащение (до 3% по весу),
• относительно высокая стоимость,
• несмотря на высокую температуру стеклоперехода (например, 500°С 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 диапазон температур от -60°С до +105°С.
Отрицательные стороны:
• ограниченность к пайке (имеет низкую точку плавления),
• нельзя использовать при очень низких температурах (становится хрупким),
• недостаточная размерная стабильность (применяют термостабилизацию).

Адгезивы - их используют 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 гибких-жестких конструкций.
Роль адгезиров является определяющей и критической для свойств конечного продукта. Часто они являются ограничивающим элементом в термических свойствах гибких печатных плат, когда используются полимид в качестве базового материала.
Акриловый адгезив имеет значительную популярность, его применяют для полиимидов (травится в щелочи, большой коэффициент расширения). Эпоксид и модифицированных 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 химическими или вакуумными осаждением. Фольга из специальных медных сплавов имеет большое сопротивление и большую прочность, обеспечивая большую устойчивость к перегибам, сравниваемую с катаной фольгой. Кроме того такая фольга более устойчивая в производстве ламинатов - меньше дефектов.
Защитные слои- аналог паяемой маски. Они увеличивают устойчивость к перегибам.
Защитные покрытия - акриллаты, полиуретаны, акрилэпоксиды. Жидкие. Отверждение - УФ или тепло. Фоточувствительные защитные слои - пленки и жидкие для стеклографии.
Соединительные пленки - пленки с адегезивом, защищенные снимаемой пленкой. Применяются для многослойных 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 90° к направлению изгиба,
• не трассировать проводники на одиночных слоях в области изгиба,
• 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 печатных плат.

Это наиболее сложные соединительной 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 печатные 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,
• преприсовывание защитных слоев на травлений рисунок,
• жесткие ламинаты предварительно фрезеруются для обеспечения удаления ненужных частей после изготовления (полное выфрезерование 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 соединенных листов,
• гибко-жесткая панель сверлиться с использованием 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,
• выфрезерование гибко-жестких плат из заготовки.
Лишние жесткие части механически удаляются.
Проблемы гибко-жестких плат:
• выдергивание требований термоциклов и термоударов (много адгезеров 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 уровень проводится над исходными материалами, используемыми в пространстве гибких печатных плат, второй уровень осуществляется над конечным продуктом.
Испытание исходных материалов:
• испытание физических свойств,
• испытание химических свойств,
• испытание электрических свойств,
• испытание влияния на окружающую среду.
Испытания физических свойств:
• гибкость при низкой температуре,
• размерная стабильность,
• содержание летучих веществ,
• прочность на разрыв и удаление,
• 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.

Спецификация 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-245 A. 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.

Рельефные платы

Принципы изготовления рельефных плат можно без сомнений отнести к полуаддитивным методам, поскольку в их основе заложено использование нефольгированных подложек. Рельефные платы (РП) представляют собой диэлектрические основания, в которые углублены медные проводники, выполненные в виде металлизированных канавок, и сквозные металлизированные отверстия для монтажа выводов и соединения трасс на двух сторонах платы.
Авторами конструкции и технологии изготовления рельефных плат (РП) в нашей стране являются А. В. Богданов и Ю. А. Богданов. Рельефные платы получили свое название благодаря рельефной форме проводников, которые расположены в изоляционном основании платы и в сечении имеют форму трапеции (рис. 9). Эта конструкция проводника за счет высокой прочности сцепления меди с основанием в значительной степени повышает стойкость к перепайкам (до 50 перепаек), хотя в 2—3 раза меньше по ширине по сравнению с обычным печатным проводником при одном и том же сечении по меди.

Металлизированные монтажные отверстия РП имеют форму сдвоенной воронки без цилиндрической части, что позволяет отказаться от контактных площадок (рис. 10). Такая форма отверстий обеспечивает прочное сцепление слоя металлизации с диэлектриком, повышает надежность РП при эксплуатации.

Все виды элементов проводящего рисунка РП представлены на рис. 11.

Отсутствие контактных площадок, малая ширина проводников, расположение переходных металлизированных отверстий, диаметр которых не превышает ширины проводника в шаге трассировки, позволяют изготавливать РП повышенной плотности монтажа, эквивалентные 6—10-слойным МПП в зависимости от шага трассировки, и располагать 4—5 проводников между отверстиями диаметром 0,8 мм и межцентровым расстоянием 2,5 мм.
Ортогональное расположение проводников (в продольном направлении на одной стороне и в перпендикулярном на другой) позволяет размещать переходные отверстия в любой точке пересечения трасс с шагом 0,3 мм, что укорачивает электрические связи, снижает уровень помех, паразитные связи и т. п. Роль экранов в РП выполняют шины земли и питания, которые чередуются с проводниками логических связей. Проектирование РП|
осуществляется с помощью систем автоматизированного проектирования на базе пакетов прикладных программ типа ПРАМ 5/3, PCAD 4.5—8.5, СПРИНТ, DisignLab, RELEF и др.
Преимущества РП:
сверхвысокая плотность· монтажа ЭРИ на ПП, габариты и функциональные возможности которой эквивалентны МПП при уплотненной компоновке;
высокий класс точности (4 или 5);·
возможность применения как традиционной элементной базы,· так и ПКМ;
низкая трудоемкость проектирования· РП за счет применения простого алгоритма трассировки;
высокая эксплуатационная надежность РП; Щ·
возможность замены фольгированных стекловолокнистых диэлектриков· лучшими по качеству полимерными нефольгированными материалами, имеющими более низкую стоимость;
отсутствие экологически· вредных фотохимических процессов нанесения защитного рельефа, процессов изготовления оригиналов, фотошаблонов и соответствующего оборудования; возможность наиболее полной механизации и автоматизации ТП изотовления и контроля РП;
общее число операций ТП· изготовления РП примерно в 10 раз меньше, чем при изготовлении МПП;
электрическое сопротивление проводника по постоянному· току в 1,5 раза меньше, чем у МПП;
высокая· устойчивость к изгибам (возможен прогиб РП до 40...50 % относительно длины).
Один из наиболее распространенных методов изготовления РПП включает следующие основные операции:
Выполнение рельефа· проводников — углублений по трассам проводников и сверление отверстий. Если рельеф выполняется фрезерованием; сначала он выполняется на одной стороне; затем на другой. Сверление конусным сверлом с двух сторон платы; так что конусы сходятся, как показано на рисунке 11. Рельеф можно выполнить методами тиснения, прессования и литья.
Очистка поверхности РП. С· целью обеспечения равномерности последующей химической металлизации поверхностям РП придают шероховатость.
Металлизация· поверхностей и отверстий: химическое меднение или вакуумная металлизация толщиной 0,5... 1 мкм усиливаются гальваническим наращиванием меди до толщины 25...40 мкм.
Нанесение защитного резиста —· покрытие всей поверхности, рельефа и отверстий металлизированной заготовки кислотостойкой защитной краской (жидкой спиртоканифольной смесью или нитро-краской, нитрошпаклевкой).
Удаление· защитного резиста с пробельных мест (зернением, шлифованием). Защитная краска остается во всех углублениях — элементах проводящего рисунка. Обнажаются для травления пробельные места.
Операция зернения обычно проводится в так называемых «зернильных установках» — вибрирующих бункерах, в которые, кроме рельефной заготовки, помещены керамические шарики. Многочисленные удары шариков по заготовке «оббивают» краску с пробельных мест. Диаметр керамических шариков выбирают таким, чтобы удары не могли «выбить» краску из углублений рельефа и отверстий.
Шлифование поверхности пробельных мест, как правило, производится с помощью вибрационных машин.
Травление металла с· пробельных мест. Удаление медного покрытия с незащищенных краской пробельных мест проводится в кислотных растворах, не растворяющих защитные краски.
Лужение проводящего рисунка для обеспечения паяемости и· защиты меди от окисления. Лужение производят путем погружения заготовки в ванну с расплавленным легкоплавким припоем.
Модификация этой последовательности операции предусматривает предварительную тонкослойную металлизацию рельефной заготовки и накатка краски на пробельные места. Это позволяет осуществить локальное гальваническое наращивание меди только в канавки и отверстия. После дополнительного гальванического осаждения металлорезиста в рельеф, удаляют краску с пробельных мест и стравливают медь с этих участков.

РИТМ-платы

РИТМ-платы — многоуровневые печатные платы (МУПП) на жестком диэлектрическом или металлическом основании, изготовленные по технологии РИТМ-процесса (разделительно-избирательное травление металлов). Конструкция этих плат представляет собой основание, на поверхности которого с одной или с двух сторон размещен объемный двухуровневый проводящий рисунок, сформированный на металлической подложке. Многоуровневые ПП бывают следующих типов: односторонние — ОМУПП (рис. 12) — с проводящим рисунком, расположенным с одной стороны; двусторонние — ДМУПП (рис. 13) — с проводящим рисунком, расположенным с двух сторон без соединения металлизированными отверстиями проводящих слоев и ДМУПП с соединением проводящих слоев (рис. 14), расположенных на противоположных сторонах основания.
В многоуровневых ПП используют металлическую подложку, в которой формируют два уровня трассировки проводников за счет избирательного вытравливания металла, оставляя его только в тех местах, где должно быть электрическое контактирование между двумя уровнями проводников в соответствии с электрической принципиальной схемой. Уровни разводки проводящего рисунка объединены между собой металлическими столбиками, которые заменяют металлизированные отверстия в ДПП и могут быть использованы в качестве контактных площадок для монтажа ПМК. Таким образом, вместо сверления и металлизации сквозных отверстий на единственной операции разделительно-избирательного травления металлов получают одновременно несколько тысяч межуровневых переходов и выводов. Кроме того, в РИТМ-плате есть монтажные отверстия, которые не требуют сквозной металлизации, так как выполнены в металлическом основании. Их можно использовать для монтажа ЭРИ, например, в DIP-корпусах.

РИТМ-платы применяются в качестве коммутационных плат в модулях 1-го уровня (ячейках) и микросборках (МСБ). ОМУПП эквивалентны 4—6-слойной МПП благодаря повышенной плотности межсоединений (высокой разрешающей способности), можно использовать для установки ПМК. Стоимость РИТМ-платы в 3—5 раз дешевле МПП. РИТМ-платы могут заменить гибриднопленочные пассивные структуры в БИС, СБИС и МСБ. Благодаря им улучшаются массогабаритные характеристики ЭА, сокращается разрыв между достигнутым уровнем интеграции элементной базы в настоящее время и технологическими возможностями межэлементной коммутации.
РИТМ-плату можно использовать для дальнейшего сближения методов изготовления функциональных узлов на ПП и гибридно-пленочных микросборок, а также создания единой технологии сборки МЭА на одном виде коммутационной платы, что позволит экономить материальные и трудовые ресурсы.
Габариты РИТМ-платы с металлическим основанием не имеют физических ограничений, так как металлическое основание не подвержено усадке, влагопоглощению и термостатированию, приводящим к деформации ПП из гигроскопичных фольгированных диэлектриков и потере точности взаимного расположения элементов печатного монтажа на больших площадях. Ограничением на размеры РИТМ-плат являются возможности оборудования для фотолитографических, электрохимических процессов и сложность изготовления рабочих фотошаблонов.