Ważne kwestie dotyczące montażu elastycznych płytek drukowanych (FPC) na etapie projektowania

Elastyczne płytki drukowane (FPC) są coraz częściej stosowane w smartfonach, urządzeniach do noszenia, wyświetlaczach samochodowych oraz elektronice medycznej ze względu na swoje wyjątkowe zalety, takie jak elastyczność, niewielka grubość i możliwość składania. Jednak proces montażu powierzchniowego (SMT) na płytkach FPC stanowi znacznie większe wyzwanie niż tradycyjny montaż powierzchniowy na sztywnych płytkach PCB. Wynika to głównie z faktu, że samo elastyczne podłoże nie posiada sztywnego wsparcia, co sprawia, że jest ono bardzo podatne na wypaczanie, odkształcanie i przemieszczanie się pod wpływem naprężeń i ciepła. Jeśli podczas fazy projektowania nie uwzględni się w pełni specyficznych wymagań procesu montażu powierzchniowego, nawet jeśli sam projekt obwodu jest prawidłowy, na etapie produkcji SMT mogą wystąpić poważne konsekwencje, takie jak wygięcie płytki, uniesienie się elementów, a nawet konieczność całkowitego złomowania płytki. Dlatego zrozumienie kluczowych kwestii, które należy wziąć pod uwagę na etapie projektowania w technologii montażu powierzchniowego FPC, ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia możliwości produkcji i ostatecznej jakości produktu. W niniejszym artykule podsumowano rozwiązania problemów napotkanych na etapie projektowania w technologii montażu powierzchniowego FPC, w oparciu o projekty zrealizowane przez zespół inżynierów w Geyuan Electronics przez lata.

Czym jest technologia montażu powierzchniowego na elastycznych płytkach drukowanych (FPC)?

Elastyczne płytki drukowane (FPC) znajdują szerokie zastosowanie w produktach elektronicznych, takich jak telefony komórkowe, laptopy i inteligentne urządzenia do noszenia, ze względu na swoją cienkość, elastyczność oraz odporność na wysokie i niskie temperatury. Technologia montażu powierzchniowego (SMD) na płytkach FPC polega na precyzyjnym lutowaniu elementów do montażu powierzchniowego (SMD), takich jak rezystory, kondensatory i układy scalone, na polach lutowniczych płytki FPC. Jest to kluczowy etap montażu urządzeń elektronicznych, mający bezpośredni wpływ na wydajność i stabilność produktu.

Proces produkcji złączy FPC (Fiber-Chip)

Etap przygotowawczy	Najpierw elastyczna płytka drukowana (FPC) musi zostać poddana kontroli jakości w celu upewnienia się, że jest wolna od wad i uszkodzeń oraz spełnia wymagania technologiczne. Następnie na płytce FPC przeprowadza się niezbędne zabiegi przygotowawcze, takie jak czyszczenie i suszenie, aby zapewnić trwałe przyleganie elementów montowanych powierzchniowo.
Przygotowanie składników	Przygotuj niezbędne elementy elektroniczne, takie jak rezystory, kondensatory i układy scalone, zgodnie z wymaganiami produkcyjnymi. Sprawdź jakość i parametry techniczne elementów, aby upewnić się, że spełniają one normy produkcyjne.
Ustawienia programu praktyk	Należy ustawić program umieszczania w maszynie do montażu, uwzględniając położenie, kąt i kolejność elementów. Następnie należy skalibrować maszynę do montażu, aby zapewnić dokładność umieszczania.
Obróbka SMT	Płytka FPC jest zamocowana na stole roboczym maszyny do montażu elementów elektronicznych. Maszyna ta precyzyjnie umieszcza elementy elektroniczne w wyznaczonych miejscach na płytce FPC.
Spawanie i utwardzanie	Płytkę drukowaną (FPC) z zamontowanymi elementami lutuje się przy użyciu takich technik, jak lutowanie reflow lub lutowanie falowe. Po zakończeniu lutowania przeprowadza się niezbędną obróbkę utwardzającą, aby zapewnić stabilność i niezawodność połączeń lutowanych.
Kontrola jakości	Gotowe płytki FPC przechodzą kontrolę jakości, obejmującą między innymi jakość połączeń lutowanych oraz dokładność rozmieszczenia elementów. Wszelkie wadliwe produkty są niezwłocznie poddawane naprawie lub wycofywane z produkcji.
Obróbka końcowa	Należy przeprowadzić niezbędne czyszczenie i suszenie certyfikowanych płytek FPC. Należy przeprowadzić testy funkcjonalne w celu upewnienia się, że płytki FPC działają prawidłowo.

Dlaczego konieczne jest uwzględnienie kwestii poprawki FPC już na etapie projektowania?

Proces montażu powierzchniowego (SMT) w przypadku elastycznych obwodów drukowanych (FPC) stanowi złożony projekt inżynierii systemowej, wymagający skrupulatnej dbałości o każdy szczegół już na etapie projektowania. Wstępna obróbka termiczna eliminuje problem naturalnej absorpcji wilgoci przez materiał; uchwyty i przyrządy nośne zapewniają podparcie dla elastycznego podłoża; projekt wzmocnień rozwiązuje konflikt między lokalną sztywnością a wykonalnością montażu SMT; projekt pól lutowniczych i obwodów zapewnia niezawodność lutowania oraz trwałość połączeń lutowanych; natomiast panelizacja i optymalizacja procesu mają na celu poprawę wydajności produkcji i uzysku. Etapy te są ze sobą powiązane, a przeoczenie na którymkolwiek z nich może przerodzić się w poważne problemy jakościowe podczas produkcji seryjnej. Inżynierowie projektujący FPC muszą uwolnić się od konwencjonalnego sposobu myślenia o sztywnych płytkach drukowanych, w pełni zrozumieć unikalne właściwości materiałów elastycznych oraz konsekwentnie stosować zasady projektowania pod kątem wytwarzalności (DFM). Tylko w ten sposób FPC mogą w pełni wykorzystać swoje zalety związane z elastycznością, zamiast stać się “ukrytą bombą” w procesie rozwoju produktu.

Kwestie, które należy uwzględnić przy montażu elastycznych płytek drukowanych (FPC) na etapie projektowania

Elastyczne płytki drukowane (FPC) są podatne na takie problemy, jak niedokładne pozycjonowanie, nieprawidłowy nadruk pasty lutowniczej, powstawanie pęcherzyków lub odrywanie się elementów podczas procesu montażu powierzchniowego (SMT) ze względu na ich miękki i łatwo odkształcalny materiał. Dlatego też na etapie projektowania należy w pełni uwzględnić kolejne etapy montażu i produkcji. Poniżej przedstawiono kluczowe kwestie, których nie można pominąć:

Obróbka wstępna przed pieczeniem

Wstępne wypalanie płytek FPC przed zastosowaniem technologii montażu powierzchniowego (SMT) stanowi kluczowy etap, który należy uwzględnić już na etapie projektowania. Ponieważ podłoża FPC są w większości wykonane z poliimidu (PI), który jest wysoce higroskopijny, jeśli zostaną one bezpośrednio wprowadzone do środowiska lutowania reflowowego w wysokiej temperaturze bez wystarczającego wypalania, wilgoć wchłonięta wewnątrz podłoża szybko odparuje i rozszerzy się w wysokich temperaturach, prowadząc do poważnych wad, takich jak pękanie płytki lub pęcherzyki na padach. Zalecane w branży warunki wypalania to zazwyczaj 120–150°C przez 2–4 godziny, przy czym konkretny czas należy elastycznie dostosowywać w zależności od grubości FPC i warunków przechowywania. Inżynierowie projektanci powinni w pełni zdawać sobie sprawę, że wypalanie nie jest procesem opcjonalnym, lecz stanowi pierwszą linię obrony zapewniającą jakość montażu SMT. Po wypalaniu taśmę FPC należy jak najszybciej wprowadzić do produkcji SMT i odpowiednio przechowywać w pudełku chroniącym przed wilgocią, aby zapobiec wtórnemu wchłanianiu wilgoci.

Uchwyt do pojazdu

Konstrukcja uchwytu nośnego jest najbardziej podstawowym, a jednocześnie łatwym do przeoczenia aspektem produkcji w technologii montażu powierzchniowego (SMT) płytek FPC. Płytki FPC są z natury elastyczne i nie można ich umieszczać bezpośrednio na taśmie do lutowania reflow ani na zwykłych ścieżkach, tak jak w przypadku sztywnych płytek PCB; specjalistyczne uchwyty nośne są niezbędne do zapewnienia sztywnego podparcia. Obecnie najpopularniejsze rozwiązania montażowe obejmują uchwyty magnetyczne, uchwyty z klejem silikonowym oraz uchwyty próżniowe. Na etapie projektowania inżynierowie muszą przewidzieć wystarczającą liczbę punktów optycznych i otworów pozycjonujących dla płytki FPC. Zazwyczaj wymagane są cztery optyczne punkty SMT o średnicy 1 mm, przy czym środek każdego punktu znajduje się w odległości 3,85 mm od krawędzi płytki, a jeden z nich jest przesunięty o 5 mm, aby zapobiec błędnej identyfikacji. Równie ważne jest rozmieszczenie otworów pozycjonujących; zazwyczaj dodaje się cztery otwory pozycjonujące o średnicy 2 mm wzdłuż krawędzi procesowej, z których jeden jest przesunięty o 5 mm, aby zapobiec błędom. Te oznaczenia pozycjonujące stanowią podstawę wizualnego wyrównywania przez maszynę do montażu; nieprawidłowy projekt bezpośrednio prowadzi do niewspółosiowości nadruku pasty lutowniczej i odchylenia w rozmieszczeniu elementów. Projekt nośnika musi również uwzględniać luz kompensujący rozszerzalność cieplną, aby zapewnić, że płytka FPC nie przesunie się w wyniku rozszerzalności i kurczliwości cieplnej podczas umieszczania i lutowania rozpływowego.

Projekt płyty wzmacniającej

Projektowanie płyt wzmacniających stanowi najbardziej problematyczny aspekt technologii montażu powierzchniowego (SMT) w obwodach drukowanych typu FPC. Płyty wzmacniające służą do zapewnienia dodatkowego wsparcia w obszarach wymagających lokalnej sztywności, takich jak złącza i złote palce. Jednak nieprawidłowe zaprojektowanie wzmocnienia może mieć katastrofalne konsekwencje dla procesu SMT. Podstawowa zasada brzmi: wzmocnienie powinno być idealnie zaprojektowane po tylnej stronie pól montażowych, a należy unikać projektowania wzmocnienia po stronie elementów. Ponieważ płytki wzmacniające mają określoną grubość, tworzą one stopień względem powierzchni płytki FPC. Jeśli wzmocnienie zostanie zaprojektowane po tej samej stronie co element do montażu powierzchniowego, spowoduje to nierównomierne nakładanie pasty lutowniczej podczas jej aplikacji, uniemożliwiając prawidłowe umieszczenie elementu i znacznie utrudniając późniejsze naprawy. Jeśli ograniczenia konstrukcyjne wymagają zastosowania wzmocnienia po stronie elementów, należy koniecznie zadbać o to, by wzmocnienie omijało obudowy elementów, a w zamówieniu należy wyraźnie zaznaczyć, że “wzmocnienie ma być nakładane po montażu SMT”, dopuszczając jednocześnie użycie taśmy dwustronnej 3M do przyklejenia. Istnieją również jasne wymagania ilościowe dotyczące odległości między wzmocnieniami a padami: wzmocnienia o grubości 0,2 mm lub mniejszej muszą znajdować się w odległości większej niż 3 mm od pada; wzmocnienia o grubości od 0,25 do 0,3 mm muszą znajdować się w odległości większej niż 10 mm; oraz wzmocnienia o grubości od 0,3 do 0,5 mm muszą znajdować się w odległości większej niż 20 mm. W przypadku wzmocnień grubszych niż 0,5 mm nie zaleca się projektowania pól SMT po tej stronie. Szczególnie ważne jest, aby pamiętać, że wzmocnienia nie mogą być nigdy projektowane pomiędzy dwoma zestawami wyprowadzeń układu scalonego, w przeciwnym razie spowoduje to uniesienie się układu po lutowaniu. W przypadku wzmocnień z PI w obszarze złotych palców należy przestrzegać kolejności umieszczania wzmocnień: najpierw wzmocnienia, a następnie elementy SMT.

Projekt i układ usztywnienia

Materiały zbrojeniowe i ich dobór	Sama płytka FPC jest zbyt miękka, by można ją było bezpośrednio umieścić na linii produkcyjnej SMT. Z tyłu obszaru montażu należy zaprojektować sztywne wzmocnienie (np. blachę stalową, FR4 lub PI).
Wzmocnienie omija pola lutownicze	Krawędzie elementów wzmacniających, takich jak blachy stalowe, muszą znajdować się w odległości co najmniej 0,3 mm od pól lutowniczych; w przeciwnym razie blachy stalowe mogą się unieść podczas montażu, a rozszerzalność cieplna podczas lutowania rozpływowego może spowodować powstanie wadliwych połączeń lutowanych.
Rozstaw i grubość zbrojenia	W przypadku montażu wielu paneli odstęp między stalowymi płytami wzmacniającymi powinien wynosić ≥ 3 mm, aby uniknąć kolizji podczas rozdzielania paneli; materiał wzmacniający, grubość oraz rodzaj kleju (np. taśma dwustronna 3M) powinny być wyraźnie zaznaczone w projekcie.

Projektowanie płytek drukowanych i obwodów

Projekt pól lutowniczych i ścieżek w bezpośredni sposób decyduje o skuteczności technologii montażu powierzchniowego (SMT) oraz długoterminowej niezawodności połączeń lutowanych. W płytkach FPC jako warstwę maski lutowniczej stosuje się folię ochronną, co zasadniczo różni się od zielonej maski lutowniczej stosowanej w sztywnych płytkach PCB. Folia pokrywająca musi zostać odsłonięta przed laminowaniem, dlatego między padami a ścieżkami należy zachować odstęp co najmniej 0,2 mm. Gdy między dwoma padami konieczne jest utrzymanie mostka maski lutowniczej, odstęp między nimi musi wynosić co najmniej 0,5 mm, aby zapewnić utworzenie mostka; w przeciwnym razie należy utworzyć otwarte okno i zaakceptować odsłonięte ścieżki. Pady na płytkach FPC są szczególnie podatne na odrywanie się, co stanowi nieodłączną słabość podłoży elastycznych. W projekcie należy nadać priorytet padom SMD, gdzie folia ochronna dociska obrzeże pada, zapewniając podparcie i zapobiegając odrywaniu się. W przypadku pól lutowniczych narażonych na duże obciążenia, takich jak gniazda złączy, zaleca się zastosowanie konstrukcji typu “press-pad”, polegającej na odpowiednim przedłużeniu pola tak, aby folia wierzchnia dociskała je o co najmniej 0,3 mm. Pady po obu stronach nie powinny się w miarę możliwości nakładać na siebie; w przeciwnym razie podłoże o grubości 25 mikronów znajdujące się pośrodku nie zapewni wystarczającej wytrzymałości połączenia. Średnica padów BGA nie powinna być mniejsza niż 0,25 mm; jeśli jest zbyt mała, pady bardzo łatwo się odklejają. Ponadto należy unikać dużych powierzchni miedzianych na płytkach FPC, ponieważ podczas laminowania dużych powierzchni miedzianych powietrze ma trudności z ucieczką. Wilgoć zawarta w powietrzu wchodzi w reakcję z powierzchnią miedzi pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia, co skutkuje nieestetycznym wyglądem. Jeśli nie da się tego uniknąć, zaleca się zaprojektowanie warstwy miedzianej w formie siatki.

Projektowanie struktur padów i ścieżek

Należy unikać pojedynczych podkładek.	Ponieważ warstwa izolacyjna (PI) w obwodach drukowanych typu FPC jest stosunkowo cienka, poszczególne pola stykowe łatwo odrywają się pod wpływem ciepła lub naprężeń. Podczas projektowania należy maksymalnie zwiększyć pokrycie miedzią oraz dodać linie łączące wokół każdego pola stykowego, aby je zamocować do powierzchni miedzianej. Ponadto pola stykowe po stronie przedniej i tylnej powinny być rozmieszczone naprzemiennie.
Wzmocnienie pola stykowego złącza	Złącza na taśmach FPC (takie jak gniazda FPC i gniazda FFC) charakteryzują się dużymi siłami wymaganymi do włożenia i wyjęcia, a pola lutownicze bardzo łatwo się odrywają. W związku z tym należy zastosować konstrukcję z podkładką dociskową lub dodać elementy w kształcie łezki.
Duża powierzchnia miedziana i siatka	Duże, lite powierzchnie miedziane są podatne na gromadzenie się pęcherzyków powietrza podczas procesu laminowania, co w wysokich temperaturach może prowadzić do powstawania pęcherzyków lub utleniania. W przypadku dużych powierzchni miedzianych zaleca się zaprojektowanie ich w formie siatki z arkuszy miedzianych ułożonych pod kątem 45° lub wykonanie odpowiednich otworów (okienek).
Most w masce lutowniczej	Odstępy między polami lutowniczymi muszą zapewniać, aby szerokość mostka maski lutowniczej wynosiła co najmniej 0,5 mm; w przeciwnym razie podczas produkcji może dojść do powstania mostków lutowniczych (zwarcia).

Projekt paneli i specyfikacje procesowe

Równie ważne są specyfikacje dotyczące projektu panelu i krawędzi procesowych. Panelizacja FPC nie obsługuje procesów V-CUT ani wykrawania otworów; do rozdzielania paneli można stosować wyłącznie mostki łączące. Zalecana długość mostków łączących wynosi zazwyczaj od 0,7 do 1,0 mm. Mostki łączące w obszarach wzmocnionych stalą powinny mieć idealnie 1 mm, a ich liczbę należy odpowiednio zwiększyć, aby zapobiec nadmiernej masie blach stalowych powodującej odkształcenia FPC w wyniku rozszerzania się i kurczenia, co mogłoby wpłynąć na późniejszy montaż SMT. Odstęp między płytkami wynosi zazwyczaj 2 mm, ale w obszarach ze wzmocnieniem stalowym odstęp ten należy zwiększyć do 3 mm. Wokół krawędzi roboczej należy pozostawić szerokość 5 mm, a otwory pozycjonujące i punkty optyczne powinny być umieszczone na krawędzi roboczej. Maksymalny rozmiar panelu jest zazwyczaj ograniczony do 250 mm × 500 mm, a minimalny rozmiar wynosi 70 mm × 70 mm. W przypadku płytek wymagających wymiany obok każdej małej płytki należy dodać punkt optyczny oznaczający wadliwą płytkę. Gdy mała płytka zostanie wycofana z produkcji, producent płytki zaciemni odpowiedni punkt optyczny, a maszyna do montażu automatycznie pominie tę płytkę, co pozwoli zaoszczędzić koszty.

Projektowanie paneli i otworów pozycjonujących

Optyczny punkt pozycjonujący (FIDUCIAL)	Na całej płytce FPC oraz wzdłuż przekątnej panelu należy zaprojektować co najmniej trzy punkty pozycjonujące do fotolitografii (zazwyczaj są to kropki z gołej miedzi lub złota immersyjnego o średnicy 1,0–1,5 mm), które umożliwią optyczne rozpoznawanie położenia przez maszyny do montażu powierzchniowego (SMT).
Obróbka krawędzi i punktów połączeń (zakładka)	Krawędzie płytek FPC należy projektować z uwzględnieniem krawędzi technologicznych. Zaleca się, aby po każdej stronie między pojedynczą płytką FPC a krawędzią technologiczną lub panelem znajdowały się co najmniej 2 punkty połączeniowe (miejsca odłamania). Szerokość punktów połączeń wynosi zazwyczaj około 0,8 mm. Zbyt mała liczba punktów połączeń może łatwo spowodować odpadnięcie płytki podczas transportu, natomiast zbyt duża liczba punktów połączeń utrudni rozdzielenie płytek.
Montaż płytki o niewielkich rozmiarach	W przypadku bardzo małych płytek FPC o wymiarach mniejszych niż 20×20 mm konieczne jest ułożenie ich w panelach przed wysyłką, aby zapobiec ich wywianiu lub zassaniu podczas pracy maszyny do montażu elementów lub podczas laserowego usuwania pyłu.

Stosowanie techniki „Via-in-Pad” jest surowo zabronione.

W elastycznych płytkach FPC nie można wypełniać przelotek żywicą. Jeśli przelotki zostaną wywiercone w padach (przelotki przez pady), pasta lutownicza przedostanie się do nich podczas nadruku pasty lutowniczej w procesie SMT oraz podczas lutowania rozpływowego, co bezpośrednio spowoduje niedobór lutu, przerwy w połączeniach lutowanych lub zwarcia. Przelotki powinny znajdować się w odległości co najmniej 0,2 mm od otworów w masce lutowniczej.

Uwzględnienie rozszerzalności cieplnej i kurczliwości oraz rezerwy na odkształcenia

Współczynnik rozszerzalności cieplnej materiałów FPC w wysokiej temperaturze lutowania reflow różni się od współczynnika rozszerzalności zwykłych sztywnych płytek drukowanych (PCB). Podczas projektowania należy uwzględnić rozwiązania mające na celu zmniejszenie naprężeń w ścieżkach wokół układów QFP o małym rozstawie, układów BGA lub dużych złączy, aby uniknąć pękania połączeń lutowanych spowodowanych odkształceniami termicznymi.

Profesjonalny dostawca rozwiązań w zakresie montażu powierzchniowego na elastycznych płytkach drukowanych FPC

W dziedzinie produkcji elastycznych płytek drukowanych (FPC) oraz technologii montażu powierzchniowego (SMT) firma Geyuan Electronics, korzystając z wieloletniej wiedzy technicznej i doświadczenia branżowego, zapewnia klientom kompleksową obsługę – od wstępnych konsultacji projektowych, poprzez produkcję płytek FPC, wykonanie szablonów, lutowanie SMT, aż po kontrolę jakości i poprawki. Firma dysponuje pełnym zestawem profesjonalnego sprzętu, w tym precyzyjnymi maszynami SMT, piecami do lutowania bez ołowiu oraz urządzeniami do kontroli AOI i rentgenowskiej, a także zatrudnia doświadczony zespół techniczny. Ściśle kontrolujemy każdy etap procesu: od obróbki wstępnej elastycznych płytek drukowanych po montaż elementów, od optymalizacji profilu temperaturowego po naprawę wadliwych produktów, zawsze stawiając na pierwszym miejscu “precyzję, wydajność i niezawodność”, aby zaspokoić potrzeby w zakresie montażu SMT na płytkach FPC w różnych branżach, takich jak elektronika użytkowa, elektronika samochodowa i urządzenia medyczne. Geyuan Electronics kieruje się podejściem zorientowanym na klienta, dostosowując rozwiązania SMT do różnych specyfikacji elastycznych płytek drukowanych FPC i komponentów, zapewniając stabilną wydajność produkcji na poziomie ponad 99,51 TP3T, oferując klientom wysokiej jakości, opłacalne usługi SMT oraz pomagając im w szybkim wprowadzeniu produktów do masowej produkcji. Jeśli potrzebują Państwo dostosowanej do indywidualnych potrzeb produkcji dużych ilości płytek FPC, prosimy o kontakt w celu uzyskania pomocy.

Podsumuj

Technologia montażu powierzchniowego (SMT) z wykorzystaniem elastycznych płytek drukowanych (FPC) jest powszechnie stosowanym procesem w produkcji elektronicznej, odgrywającym kluczową rolę w łączeniu elementów elektronicznych i zapewnianiu działania obwodów. Znajomość metod i procesów montażu powierzchniowego FPC pomaga producentom lepiej zrozumieć i opanować proces produkcji, poprawiając jakość i niezawodność produktów. Co ważniejsze, aby uzyskać wysokiej jakości płytki FPC, już na etapie projektowania należy uwzględnić potencjalne problemy mające wpływ na te płytki. Niniejszy artykuł podsumowuje problemy napotykane w naszych codziennych projektach oraz przedstawia sposoby unikania problemów podczas końcowego etapu opracowywania montażu powierzchniowego. Jeśli potrzebują Państwo profesjonalnego producenta do masowej produkcji niestandardowych produktów FPC, prosimy o kontakt w celu uzyskania informacji o naszych usługach.