Важные моменты, которые следует учитывать при размещении гибких печатных плат (FPC) на этапе проектирования

Гибкие печатные платы (FPC) все шире применяются в смартфонах, носимых устройствах, автомобильных дисплеях и медицинской электронике благодаря своим уникальным преимуществам, таким как гибкость, тонкость и возможность сгибания. Однако процесс поверхностного монтажа (SMT) гибких печатных плат (FPC) гораздо сложнее, чем традиционный поверхностный монтаж на жестких печатных платах. Это связано в основном с тем, что сама гибкая подложка не имеет жесткой опоры, что делает её крайне подверженной короблению, деформации и смещению под воздействием нагрузок и тепла. Если на этапе проектирования не будут в полной мере учтены специфические требования процесса поверхностного монтажа, то даже при правильном проектировании самой схемы на этапе производства SMT могут возникнуть серьезные последствия, такие как изгиб платы, отрыв компонентов или даже полный брак платы. Поэтому понимание ключевых моментов на этапе проектирования технологии поверхностного монтажа на гибких печатных платах имеет решающее значение для обеспечения технологичности производства и конечного качества продукции. В данной статье обобщены решения проблем, возникающих на этапе проектирования технологии поверхностного монтажа на гибких печатных платах, на основе проектов, реализованных инженерной командой компании Geyuan Electronics на протяжении многих лет.

Что такое технология поверхностного монтажа гибких печатных плат (FPC)?

Гибкие печатные платы (FPC) широко используются в электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, ноутбуки и интеллектуальные носимые устройства, благодаря своей тонкости, гибкости и устойчивости к высоким и низким температурам. Технология поверхностного монтажа (SMD) на гибких печатных платах представляет собой процесс точного припаивания компонентов поверхностного монтажа (SMD), таких как резисторы, конденсаторы и микросхемы, к контактным площадкам гибкой печатной платы. Это важнейший этап сборки электронных устройств, напрямую влияющий на рабочие характеристики и стабильность работы изделия.

Процесс изготовления патчей FPC (Fiber-Chip)

Подготовительный этап	Сначала гибкая печатная плата (FPC) должна пройти контроль качества, чтобы убедиться в отсутствии дефектов и повреждений, а также в соответствии с требованиями к обработке. Затем на FPC проводятся необходимые предварительные обработки, такие как очистка и сушка, чтобы обеспечить надёжную фиксацию компонентов поверхностного монтажа на ней.
Подготовка компонентов	Подготовьте необходимые электронные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и микросхемы, в соответствии с производственными требованиями. Проверьте качество и технические характеристики компонентов, чтобы убедиться в их соответствии производственным стандартам.
Настройки программы трудоустройства	Настройте программу размещения на установке для монтажа, указав положение, угол наклона и последовательность размещения компонентов. Затем откалибруйте установку для монтажа, чтобы обеспечить точность размещения.
Обработка SMT	Печатная плата FPC закреплена на рабочем столе машины для установки компонентов. Машина для установки компонентов точно размещает электронные компоненты в заданных местах на печатной плате FPC.
Сварка и отверждение	Печатная плата с установленными компонентами паяется с использованием таких технологий, как пайка методом рефлоу или пайка на волне припоя. После пайки проводится необходимая термообработка для обеспечения стабильности и надежности паяных соединений.
Контроль качества	Готовые печатные платы FPC проходят контроль качества, в ходе которого проверяется качество паяных соединений и точность размещения компонентов. Любая бракованная продукция незамедлительно подвергается доработке или утилизируется.
Постобработка	Проводить необходимую очистку и сушку сертифицированных гибко-печатных плат. Проводить функциональные испытания для проверки исправности гибко-печатных плат.

Почему необходимо решить проблему с патчем FPC ещё на этапе проектирования?

Технология поверхностного монтажа (SMT) гибких печатных плат (FPC) представляет собой сложный системно-инженерный проект, требующий тщательного внимания к каждой детали уже на этапе проектирования. Предварительная обработка путем обжига устраняет проблему естественного поглощения влаги материалом; крепежные приспособления и зажимные устройства обеспечивают опору для гибкой подложки; конструкция армирования решает конфликт между локальной жесткостью и технологичностью SMT; проектирование контактных площадок и схем гарантирует надежность пайки и срок службы паяных соединений; а панелизация и оптимизация процесса обеспечивают эффективность производства и выход готовой продукции. Эти этапы взаимосвязаны, и упущения на любом из них могут привести к серьезным проблемам с качеством при серийном производстве. Инженеры, занимающиеся проектированием гибких печатных плат, должны отказаться от традиционного подхода, присущего жестким печатным платам, полностью понять уникальные свойства гибких материалов и последовательно применять принципы проектирования с учетом технологичности (DFM). Только таким образом гибкие печатные платы смогут по-настоящему реализовать свои преимущества, связанные с гибкостью, а не превратиться в “скрытую бомбу” в процессе разработки продукта.

Рекомендации по монтажу гибких печатных плат FPC на этапе проектирования

Гибкие печатные платы (FPC) из-за мягкости и деформируемости материала, из которого они изготовлены, подвержены таким проблемам, как неточное позиционирование, некачественная печать паяльной пасты, образование пузырей или отрыв компонентов в процессе поверхностного монтажа (SMT). Поэтому на этапе проектирования крайне важно всесторонне учитывать последующие процессы монтажа и производства. Ниже приведены ключевые моменты, которые нельзя игнорировать:

Предварительная обработка перед выпечкой

Предварительная термообработка гибких печатных плат (FPC) перед поверхностным монтажом (SMT) является важнейшим этапом, который необходимо учитывать на этапе проектирования. Поскольку подложки гибко-печатных плат (FPC) в основном изготовлены из полиимида (PI), который обладает высокой гигроскопичностью, при их непосредственном поступлении в среду высокотемпературной пайки методом рефлоу без достаточной предварительной обжига впитанная внутрь подложки влага быстро испарится и расширится при высоких температурах, что приведет к серьезным дефектам, таким как разрыв платы или образование пузырей на контактных площадках. Рекомендуемые в отрасли условия прокалки обычно составляют 120–150 °C в течение 2–4 часов, при этом конкретное время необходимо гибко корректировать с учетом толщины гибкой печатной платы и условий хранения. Инженеры-проектировщики должны полностью осознавать, что прокалка — это не дополнительный процесс, а первая линия защиты, обеспечивающая качество SMT. После обжига гибкую печатную плату следует как можно скорее передать в производственный цех для поверхностного монтажа и надлежащим образом хранить в влагонепроницаемой коробке, чтобы предотвратить повторное поглощение влаги.

Крепеж для транспортного средства

Конструкция держателя является наиболее важным, но при этом легко упускаемым из виду аспектом производства гибко-печатных плат (FPC) с использованием технологии поверхностного монтажа (SMT). Гибко-печатные платы по своей природе являются гибкими и не могут размещаться непосредственно на ленте для пайки методом рефлоу или на обычных дорожках, как жесткие печатные платы; для обеспечения жесткой опоры необходимы специальные держатели. В настоящее время к основным решениям для монтажа относятся магнитные держатели, держатели на силиконовом клею и вакуумные держатели. На этапе проектирования инженерам необходимо предусмотреть достаточное количество оптических ориентиров и позиционирующих отверстий для гибко-печатной платы. Как правило, требуется четыре оптических ориентира SMT диаметром 1 мм, причем центр каждого ориентира должен находиться на расстоянии 3,85 мм от края платы, а один из них смещен на 5 мм для предотвращения ошибочной идентификации. Расположение позиционирующих отверстий не менее важно; обычно вдоль технологического края добавляются четыре позиционирующих отверстия диаметром 2 мм, одно из которых смещено на 5 мм для предотвращения ошибок. Эти позиционирующие метки служат основой для визуального выравнивания установщиком; некорректный проект напрямую приведет к несоосности печати паяльной пасты и отклонению при установке компонентов. Конструкция несущей также должна предусматривать зазор для компенсации теплового расширения, чтобы гарантировать, что гибкая печатная плата (FPC) не сместится из-за теплового расширения и сжатия во время установки и пайки методом рефлоу.

Проектирование арматурной пластины

Проектирование усилительных пластин является наиболее сложным аспектом технологии поверхностного монтажа (SMT) гибко-печатных плат (FPC). Усилительные пластины используются для усиления участков, требующих локальной жесткости, таких как разъемы и “золотые пальцы”. Однако неправильное проектирование армирующих элементов может иметь катастрофические последствия для SMT. Основной принцип заключается в следующем: в идеале армирующие элементы следует размещать на обратной стороне контактных площадок для поверхностного монтажа и избегать их размещения на стороне компонентов. Поскольку армирующие пластины имеют определенную толщину, они образуют ступеньку по отношению к поверхности печатной платы FPC. Если армирование спроектировано на той же стороне, что и компонент для поверхностного монтажа, это приведет к неравномерному нанесению паяльной пасты во время нанесения, что сделает невозможной правильную установку компонентов и создаст значительные неудобства при последующем ремонте. Если конструктивные ограничения требуют размещения арматуры со стороны компонентов, необходимо убедиться, что она не пересекается с корпусом компонента, а в заказе должно быть четко указано: «арматура наносится после SMT», при этом допускается использование двустороннего скотча 3M для фиксации. Существуют также четкие количественные требования к расстоянию между армирующими элементами и контактными площадками: армирующие элементы толщиной 0,2 мм или менее должны находиться на расстоянии более 3 мм от контактной площадки; усиления толщиной от 0,25 до 0,3 мм должны находиться на расстоянии более 10 мм; а усиления толщиной от 0,3 до 0,5 мм — на расстоянии более 20 мм. В случае арматурной сетки толщиной более 0,5 мм не рекомендуется размещать контактные площадки для поверхностного монтажа (SMT) на этой стороне. Особенно важно отметить, что арматурную сетку ни в коем случае нельзя размещать между двумя рядами выводов микросхемы, иначе это приведет к «плаванию» устройства после пайки. В случае использования PI-армирования в области золотых контактов необходимо соблюдать следующий порядок размещения: сначала армирование, затем SMT.

Конструкция и расположение ребра жесткости

Армирующие материалы и их выбор	Сама по себе печатная плата FPC слишком гибкая, чтобы её можно было напрямую использовать на линии SMT. На обратной стороне области размещения компонентов необходимо предусмотреть жёсткое армирование (например, стальной лист, FR4 или PI).
Армировка не затрагивает паяльные площадки	Края армирующих элементов, таких как стальные листы, должны находиться на расстоянии не менее 0,3 мм от паяльных площадок; в противном случае стальные листы могут приподняться во время установки компонентов, либо тепловое расширение при пайке методом рефлоу может привести к некачественным паяным соединениям.
Расстояние между арматурными стержнями и толщина арматуры	При сборке нескольких панелей расстояние между стальными армирующими пластинами должно составлять ≥ 3 мм, чтобы избежать заклинивания при разъединении панелей; в проекте должны быть четко указаны материал армирования, его толщина и тип клея (например, двусторонняя клейкая лента 3M).

Проектирование печатных плат и схем

Конструкция контактных площадок и трасс напрямую определяет успешность технологии поверхностного монтажа (SMT) и долгосрочную надежность паяных соединений. В гибких печатных платах (FPC) в качестве слоя паяльной маски используется защитная пленка, что принципиально отличается от зеленой паяльной маски, применяемой на жестких печатных платах. Пленку-покрытие необходимо вскрыть перед ламинированием, поэтому между контактными площадками и дорожками необходимо сохранять зазор не менее 0,2 мм. Если между двумя контактными площадками необходимо сохранить мостик паяльной маски, зазор между ними должен составлять не менее 0,5 мм для обеспечения мостикового соединения; в противном случае необходимо создать открытое окно и допустить оголение дорожек. Контактные площадки на гибко-печатных платах особенно подвержены отрыву — это неотъемлемый недостаток гибких подложек. При проектировании следует уделять приоритетное внимание площадкам для поверхностного монтажа (SMD), где защитная пленка прижимается к периметру площадки, обеспечивая опору и предотвращая отрыв. Для контактных площадок, подверженных высоким нагрузкам, таких как гнезда разъемов, рекомендуется конструкция “press-pad”, при которой площадка удлиняется таким образом, чтобы покрывающая пленка прижималась к ней не менее чем на 0,3 мм. Контакты на обеих сторонах не должны перекрываться, насколько это возможно; в противном случае 25-микронная подложка посередине не обеспечит достаточную прочность соединения. Диаметр контактов BGA не должен быть менее 0,25 мм; если он слишком мал, контакты очень легко отслоятся. Кроме того, следует избегать больших участков меди на гибких печатных платах (FPC), поскольку при ламинировании обширных медных поверхностей воздух с трудом удаляется. Влага, содержащаяся в воздухе, при высокой температуре и давлении вступает в реакцию с поверхностью меди, что приводит к ухудшению внешнего вида изделия. Если этого невозможно избежать, рекомендуется спроектировать медный слой в виде сетки.

Проектирование структуры печатных плат и трассировок

Избегайте изолированных контактных площадок.	Поскольку межслойная изолирующая подложка (PI) гибкой печатной платы (FPC) имеет относительно небольшую толщину, отдельные контактные площадки легко отслаиваются при нагревании или под воздействием нагрузки. При проектировании следует максимально увеличить площадь покрытия медью и добавить соединительные линии вокруг каждой отдельной контактной площадки, чтобы закрепить её на медной поверхности. Кроме того, контактные площадки на лицевой и оборотной сторонах должны быть расположены в шахматном порядке.
Усиление контактной площадки разъема	Разъёмы на гибких печатных платах (такие как гнезда для гибких печатных плат и разъёмы FFC) характеризуются высоким усилием вставки и извлечения, а паяльные площадки очень легко отрываются. Поэтому необходимо применять конструкцию с прижимной площадкой или добавлять «капельки».
Большая медная поверхность и решетка	На больших сплошных медных поверхностях в процессе ламинирования часто остаются следы воздуха, что при высоких температурах может привести к образованию пузырей или окислению. Для больших медных участков рекомендуется проектировать их в виде медных листов с сеткой под углом 45° или предусматривать соответствующие отверстия (окна).
Мостик под паяльной маской	Расстояние между контактными площадками должно обеспечивать ширину мостика паяльной маски ≥ 0,5 мм; в противном случае в процессе производства возможны паяльные мостики (короткое замыкание).

Конструкция панели и технологические характеристики

Не менее важны и требования к конструкции панели, и к краям заготовки. При панелизации гибко-печатных плат (FPC) не допускается использование технологий V-CUT и штампованных отверстий; для разделения панелей можно использовать только соединительные мостики. Рекомендуемая длина соединительных мостиков обычно составляет от 0,7 до 1,0 мм. В зонах со стальной арматурой длина соединительных мостиков в идеале должна составлять 1 мм, а их количество следует соответствующим образом увеличить, чтобы предотвратить деформацию гибкой печатной платы (FPC) в результате расширения и сжатия под действием избыточного веса стальных листов, что может повлиять на последующий процесс поверхностного монтажа (SMT). Расстояние между платами обычно составляет 2 мм, но в зонах со стальным армированием его необходимо увеличить до 3 мм. Вокруг технологического края следует оставлять зазор шириной 5 мм, а позиционирующие отверстия и оптические точки должны располагаться на самом технологическом крае. Максимальный размер панели, как правило, не должен превышать 250 мм × 500 мм, а минимальный — составляет 70 мм × 70 мм. Для плат, требующих замены, рядом с каждой малогабаритной платой следует добавить оптическую точку, обозначающую бракованную плату. Когда небольшая плата бракуется в процессе производства, производитель платы закрашивает соответствующую оптическую точку в чёрный цвет, и машина для установки компонентов автоматически пропускает эту плату, что позволяет сократить затраты.

Разработка панелей и расположение направляющих отверстий

Оптическая ориентирная точка (FIDUCIAL)	На всей печатной плате FPC и по диагонали панели необходимо предусмотреть как минимум три ориентира для фотолитографического позиционирования (обычно это точки из голой меди или позолоченные в иммерсионной ванне диаметром 1,0–1,5 мм), которые обеспечивают оптическое распознавание ориентации для машин по размещению компонентов методом SMT.
Обработка краев и точек соединения (вкладка)	Края гибко-печатных плат (FPC) должны проектироваться с учетом технологических полей. Рекомендуется предусматривать не менее 2 точек соединения (мест разрыва) с каждой стороны между отдельной гибко-печатной платой и технологическим полем или панелью. Ширина точек соединения обычно составляет около 0,8 мм. Слишком малое количество точек соединения может легко привести к отрыву платы во время транспортировки, в то время как слишком большое количество точек соединения затруднит отделение плат друг от друга.
Монтаж печатных плат небольших размеров	Для чрезвычайно мелких гибких печатных плат размером менее 20×20 мм при поставке обязательно следует использовать панельную компоновку, чтобы предотвратить их унос ветром или всасывание во время работы машины для установки компонентов или при лазерной очистке от пыли.

Использование технологии «Via-in-Pad» строго запрещено.

Гибкие печатные платы FPC не допускают заполнения сквозных отверстий смолой. Если сквозные отверстия просверлены на контактных площадках (сквозные отверстия через площадки), паяльная паста будет проникать в эти отверстия во время нанесения паяльной пасты при поверхностном монтаже (SMT) и пайки методом рефлоу, что непосредственно приведет к недостаточному количеству припоя, разрывам паяных соединений или коротким замыканиям. Сквозные отверстия должны находиться на расстоянии не менее 0,2 мм от отверстий в паяльной маске.

Учет теплового расширения и сжатия, а также припусков на деформацию

Коэффициент теплового расширения материалов гибко-печатных плат (FPC) при высоких температурах пайки методом рефлоу отличается от коэффициента теплового расширения обычных жестких печатных плат. При проектировании необходимо предусмотреть меры по снижению напряжений на трассах вокруг микроразъемов QFP, BGA или крупных разъемов с мелким шагом, чтобы избежать растрескивания паяных соединений из-за тепловой деформации.

Профессиональный поставщик решений для поверхностного монтажа гибких печатных плат (FPC)

В сфере производства гибких печатных плат (FPC) и технологии поверхностного монтажа (SMT) компания Geyuan Electronics, опираясь на многолетний технический опыт и знания в отрасли, предоставляет клиентам комплексные услуги “под ключ” — от первоначальных консультаций по проектированию, изготовления гибких печатных плат, производства трафаретов и пайки SMT до контроля качества и доработки. Компания располагает полным комплектом профессионального оборудования, включая высокоточные SMT-машины, печи для бессвинцовой пайки методом рефлоу, а также оборудование для автоматического визуального контроля (AOI) и рентгеновского контроля, и укомплектована опытной технической командой. Мы строго контролируем каждый этап: от предварительной обработки гибких печатных плат до установки компонентов, от оптимизации температурного профиля до доработки бракованной продукции, всегда ставя во главу угла «точность, эффективность и надежность», чтобы удовлетворить потребности в SMT-монтаже гибких печатных плат в различных отраслях, таких как бытовая электроника, автомобильная электроника и медицинское оборудование. Компания Geyuan Electronics придерживается подхода, ориентированного на клиента, разрабатывая индивидуальные решения по SMT с учетом различных технических характеристик гибких печатных плат (FPC) и компонентов, обеспечивая стабильный выход готовой продукции на уровне более 99,51 TP3T, предоставляя клиентам высококачественные и экономически эффективные услуги по SMT и помогая им быстро запустить свою продукцию в серийное производство. Если вам требуется изготовление гибких печатных плат (FPC) в больших количествах по индивидуальному заказу, пожалуйста, свяжитесь с нами для получения помощи.

Обобщить

Технология поверхностного монтажа гибких печатных плат (FPC) является широко используемым процессом в производстве электроники, играя ключевую роль в соединении электронных компонентов и обеспечении функционирования схем. Знание методов и процессов поверхностного монтажа FPC помогает производителям лучше понимать и осваивать производственный процесс, повышая качество и надежность продукции. Что ещё более важно, для получения высококачественных гибких печатных плат необходимо учитывать потенциальные проблемы, влияющие на их качество, ещё на этапе проектирования. В данной статье обобщены проблемы, с которыми мы сталкиваемся в повседневной работе, а также описаны способы их предотвращения на этапе окончательной разработки монтажа на поверхность. Если вам требуется профессиональный производитель для серийного выпуска гибких печатных плат по индивидуальному заказу, обращайтесь к нам за услугами.