Quy trình sản xuất PCB Rigid-Flex nhiều lớp: Hướng dẫn từng bước & Thông tin chuyên sâu về ngành

PCB cứng-linh hoạt đa lớp đại diện cho một sự đổi mới lai trong lĩnh vực điện tử, kết hợp sự ổn định cấu trúc của PCB cứng với tính linh hoạt của mạch linh hoạt. Thiết kế độc đáo này cho phép các thiết bị uốn cong, gập hoặc phù hợp với không gian chật hẹp—điều quan trọng đối với các ứng dụng hiện đại như điện thoại thông minh có thể gập lại, cảm biến ô tô và cấy ghép y tế—đồng thời hỗ trợ mạch nhiều lớp, mật độ cao. Tuy nhiên, quy trình sản xuất của chúng phức tạp hơn nhiều so với PCB chỉ cứng hoặc chỉ linh hoạt truyền thống, đòi hỏi vật liệu chuyên dụng, cán chính xác và xử lý cẩn thận các phân đoạn linh hoạt.

Hướng dẫn này làm sáng tỏ quy trình sản xuất PCB cứng-linh hoạt đa lớp, từ việc lựa chọn vật liệu đến thử nghiệm cuối cùng. Nó bao gồm các bước chi tiết, dữ liệu so sánh với các loại PCB khác và các phương pháp thực hành tốt nhất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy. Cho dù bạn là một kỹ sư thiết kế để thu nhỏ kích thước hay một nhà sản xuất mở rộng quy mô sản xuất, việc hiểu quy trình này sẽ giúp bạn tận dụng tối đa tiềm năng của công nghệ cứng-linh hoạt đa lớp.

PCB cứng-linh hoạt đa lớp là gì?
Trước khi đi sâu vào sản xuất, điều cần thiết là phải xác định PCB cứng-linh hoạt đa lớp và giá trị độc đáo của chúng:

  1. Cấu trúc: Chúng bao gồm các lớp cứng xen kẽ (thường là FR-4) và các lớp linh hoạt (ví dụ: polyimide), được kết nối thông qua các lỗ thông mạ để tạo thành một mạch tích hợp duy nhất.
  2. Ưu điểm chính: Không giống như PCB cứng (hình dạng cố định) hoặc PCB chỉ linh hoạt (số lớp hạn chế), thiết kế cứng-linh hoạt đa lớp hỗ trợ 4–20 lớp mạch trong khi cho phép uốn cong ở các khu vực cụ thể (ví dụ: bản lề của điện thoại có thể gập lại).
  3. Các ứng dụng phổ biến: Thiết bị điện tử có thể gập lại, mô-đun ADAS ô tô, thiết bị y tế đeo được và cảm biến hàng không vũ trụ—các ứng dụng mà không gian, trọng lượng và độ bền là không thể thương lượng.

Quy trình sản xuất của chúng phải cân bằng hai nhu cầu mâu thuẫn: độ chính xác cần thiết cho mạch nhiều lớp và tính linh hoạt để tránh làm hỏng các lớp linh hoạt trong quá trình sản xuất.

Bước 1: Lựa chọn vật liệu – Nền tảng của PCB cứng-linh hoạt đáng tin cậy
Việc lựa chọn vật liệu là yếu tố quyết định thành bại đối với PCB cứng-linh hoạt đa lớp, vì mỗi thành phần phải chịu được nhiệt độ cán, chu kỳ uốn và môi trường sử dụng cuối cùng. Dưới đây là phân tích chi tiết về các vật liệu quan trọng và thông số kỹ thuật của chúng:

Các cân nhắc về vật liệu quan trọng
  1. Khả năng tương thích linh hoạt-cứng: Chất kết dính phải phù hợp với CTE (hệ số giãn nở nhiệt) của cả chất nền linh hoạt và cứng để tránh cong vênh trong quá trình cán. Ví dụ, lõi linh hoạt polyimide kết hợp tốt nhất với chất kết dính epoxy (CTE ~20 ppm/°C) để giảm thiểu ứng suất.
  2. Độ bền của lớp linh hoạt: Sử dụng đồng cán (RA) cho các vết dẫn linh hoạt—độ dẻo của nó chịu được hơn 10.000 chu kỳ uốn, so với 1.000–2.000 chu kỳ đối với đồng lắng đọng điện (ED).
  3. Ứng dụng nhiệt độ cao: Đối với việc sử dụng trong ô tô hoặc hàng không vũ trụ, hãy chọn chất nền linh hoạt LCP (polyme tinh thể lỏng), duy trì tính linh hoạt ở 200°C+ và chống hóa chất.

Bước 2: Quy trình sản xuất cứng-linh hoạt đa lớp từng bước
Quy trình sản xuất tích hợp sản xuất PCB cứng (cán, khoan) với các kỹ thuật PCB linh hoạt (xử lý chất nền mỏng manh, tránh nếp gấp). Dưới đây là phân tích chi tiết, tuần tự:

Giai đoạn 1: Chuẩn bị trước khi sản xuất & Vật liệu
Trước khi tạo mẫu mạch, vật liệu được chuẩn bị để đảm bảo tính đồng nhất và độ bám dính:

1. Chuẩn bị lõi linh hoạt:
  a. Chất nền linh hoạt (ví dụ: polyimide 50μm) được làm sạch bằng isopropyl alcohol để loại bỏ dầu và bụi—các chất gây ô nhiễm gây ra   b. lỗi kết dính.
Lá đồng (đồng RA 12–35μm) được cán vào cả hai mặt của lõi linh hoạt bằng nhiệt (180°C) và áp suất (300 psi), tạo thành một “vật liệu cách điện bọc đồng linh hoạt (CCL).”
2. Chuẩn bị lõi cứng:
  a. Chất nền cứng (ví dụ: FR-4 1,6mm) được cắt theo kích thước bảng (thường là 18”x24”) và loại bỏ gờ để loại bỏ các cạnh sắc.
  b. Lá đồng (đồng ED 35–70μm) được liên kết với lõi cứng thông qua cán nhiệt, tạo ra cơ sở cho các lớp mạch cứng.

Giai đoạn 2: Tạo mẫu mạch (Lớp linh hoạt & Cứng)
Tạo mẫu tạo ra các vết dẫn điện trên cả lớp linh hoạt và cứng, sử dụng quang khắc và ăn mòn:

1. Ứng dụng chất cản quang:
  a. Một chất cản quang nhạy sáng (dạng lỏng hoặc dạng màng khô) được áp dụng cho vật liệu cách điện bọc đồng linh hoạt và cứng. Đối với các lớp linh hoạt, một chất cản quang linh hoạt được sử dụng để tránh nứt trong quá trình xử lý.
2. Phơi sáng & Phát triển:
  a. Chất cản quang được phơi sáng bằng ánh sáng UV thông qua mặt nạ ảnh (với mẫu mạch). Chất cản quang không phơi sáng được rửa sạch bằng dung dịch hiện hình, để lại các vết dẫn đồng để ăn mòn.
3. Ăn mòn:
  a. Lớp linh hoạt: Ngâm trong chất ăn mòn nhẹ (ammonium persulfate) để loại bỏ đồng không mong muốn—thời gian ăn mòn giảm 20% so với lớp cứng để tránh làm hỏng chất nền polyimide.
  b. Lớp cứng: Ăn mòn bằng ferric chloride hoặc cupric chloride, tiêu chuẩn cho FR-4.
4. Tước chất cản quang:
  a. Chất cản quang còn lại được tước bằng dung môi (ví dụ: natri hydroxit), để lộ mẫu mạch cuối cùng trên cả lớp linh hoạt và cứng.

Giai đoạn 3: Cán – Liên kết các lớp linh hoạt & Cứng
Cán là bước quan trọng nhất trong sản xuất cứng-linh hoạt, vì nó phải liên kết các lớp mà không làm nhăn các phân đoạn linh hoạt hoặc làm hỏng mạch:

1. Cắt chất kết dính:
  a. Tấm chất kết dính (ví dụ: gốc epoxy) được cắt bằng laser để phù hợp với kích thước bảng, với các lỗ hở cho các lỗ thông và khu vực linh hoạt (để tránh liên kết các phân đoạn linh hoạt với các lớp cứng).
2. Xếp lớp:
  a. Các lớp được căn chỉnh bằng các dấu hiệu fiducial (vòng tròn đồng 1mm) để đảm bảo đăng ký lỗ thông và vết dẫn (dung sai ±0,02mm). Việc xếp lớp thường tuân theo: Lớp cứng → Chất kết dính → Lớp linh hoạt → Chất kết dính → Lớp cứng.
3. Cán có kiểm soát:
  a. Ngăn xếp được ép trong máy cán chân không ở 160–180°C và 400–500 psi trong 30–60 phút. Chân không loại bỏ các bọt khí, trong khi áp suất dần dần ngăn ngừa nếp gấp lớp linh hoạt.
  b. Đối với thiết kế nhiều lớp (10+ lớp), cán tuần tự được sử dụng: các lớp được thêm vào từng lớp một, với quá trình đóng rắn trung gian để duy trì sự liên kết.

Giai đoạn 4: Khoan – Tạo lỗ thông để kết nối lớp
Các lỗ thông (lỗ kết nối các lớp) được khoan sau khi cán, với các kỹ thuật phù hợp với khu vực linh hoạt và cứng:

1. Lập kế hoạch khoan:
  a. Các tệp Gerber chỉ định vị trí lỗ thông: Lỗ thông (kết nối tất cả các lớp), lỗ thông mù (kết nối các lớp bên ngoài với bên trong) và lỗ thông chôn (chỉ kết nối các lớp bên trong). Các khu vực linh hoạt sử dụng các lỗ thông nhỏ hơn (0,1–0,2mm) để tránh nứt.
2. Phương pháp khoan:
  a. Khoan cơ học: Được sử dụng cho các lớp cứng (đường kính lỗ thông ≥0,2mm) với mũi khoan cacbua (30.000 RPM) để đảm bảo các lỗ sạch.
  b. Khoan laser: Được sử dụng cho các lớp linh hoạt và microvia (≤0,15mm) với laser UV—giảm thiểu thiệt hại do nhiệt cho chất nền polyimide.
3. Loại bỏ gờ & Bôi nhọ:
  a. Lớp linh hoạt: Khắc plasma loại bỏ các vết nhọ nhựa từ thành lỗ thông (tránh đoản mạch) mà không làm mòn chất nền mỏng manh.
  b. Lớp cứng: Loại bỏ vết nhọ hóa học (sử dụng kali pemanganat) làm sạch thành lỗ thông để mạ.

Giai đoạn 5: Mạ – Đảm bảo kết nối điện
Mạ phủ thành lỗ thông bằng đồng để kết nối các lớp và thêm lớp hoàn thiện bề mặt để hàn:

1. Mạ đồng không điện:
  a. Một lớp đồng mỏng (0,5–1μm) được lắng đọng trên thành lỗ thông và các vết dẫn mạch thông qua phản ứng hóa học (không có điện), tạo ra cơ sở để mạ điện.
2. Mạ điện:
  a. Bảng được nhúng trong bồn đồng sunfat, với dòng điện (2–4 A/dm²) tạo độ dày đồng lên 15–25μm—rất quan trọng đối với các kết nối lỗ thông có điện trở thấp. Các khu vực linh hoạt sử dụng mật độ dòng điện thấp hơn (1,5–2 A/dm²) để tránh nứt đồng.
3. Ứng dụng hoàn thiện bề mặt:
  a. ENIG (Vàng nhúng không điện): Ưu tiên cho các khu vực linh hoạt—độ dẻo của vàng chịu được uốn; niken ngăn chặn sự khuếch tán đồng.
  b. HASL (San bằng thiếc hàn bằng khí nóng): Được sử dụng cho các khu vực cứng (tiết kiệm chi phí, khả năng hàn tốt).
  c. OSP (Chất bảo quản khả năng hàn hữu cơ): Lý tưởng cho thiết bị điện tử tiêu dùng số lượng lớn (chi phí thấp, bề mặt phẳng).

Giai đoạn 6: Mặt nạ hàn & In lụa
Mặt nạ hàn bảo vệ các vết dẫn, trong khi in lụa thêm nhãn thành phần—cả hai đều phải chứa các khu vực linh hoạt:

1. Ứng dụng mặt nạ hàn:
   a. Mặt nạ hàn polyimide có thể tạo ảnh lỏng (LPI) được in lụa lên bảng. Các khu vực linh hoạt sử dụng công thức mặt nạ linh hoạt hơn (độ giãn dài ≥100%) để tránh nứt trong quá trình uốn.
   b. Phơi sáng UV và phát triển xác định các lỗ hở cho các miếng đệm và lỗ thông; mặt nạ được đóng rắn ở 150°C trong 60 phút.
2. In lụa:
   a. Mực gốc polyurethane được in lên các khu vực cứng (các khu vực linh hoạt tránh in lụa, vì mực bị nứt trong quá trình uốn). Kích thước văn bản là ≥0,8mm x 0,4mm để dễ đọc, với khoảng hở 0,1mm so với các miếng đệm.

Giai đoạn 7: Định tuyến & Singulation – Tách các PCB riêng lẻ
Định tuyến cắt bảng thành các PCB cứng-linh hoạt riêng lẻ, với sự cẩn thận đặc biệt cho các phân đoạn linh hoạt:

1. Cố định bảng:
  a. Bảng được gắn trên khung cứng để ổn định các khu vực linh hoạt trong quá trình định tuyến, ngăn ngừa rách.
2. Định tuyến CNC:
  a. Bộ định tuyến CNC với dao phay đầu 0,8mm cắt xung quanh chu vi PCB. Các khu vực linh hoạt được định tuyến với tốc độ nạp chậm hơn (50mm/phút so với 100mm/phút đối với cứng) để tránh sờn.
3. Singulation:
  a. Đối với sản xuất số lượng lớn, định tuyến laser được sử dụng cho các khu vực linh hoạt—tạo ra các cạnh sạch mà không có ứng suất cơ học. V-scoring được tránh (nó làm suy yếu ranh giới linh hoạt-cứng).

Giai đoạn 8: Kiểm tra & Kiểm soát chất lượng
PCB cứng-linh hoạt trải qua quá trình kiểm tra nghiêm ngặt để đảm bảo độ tin cậy về điện và cơ học:

PCB cứng-linh hoạt đa lớp so với các loại PCB khác: Phân tích so sánh
Để hiểu lý do tại sao cứng-linh hoạt được chọn cho các ứng dụng cụ thể, hãy so sánh việc sản xuất và hiệu suất của nó với các lựa chọn thay thế:

Các thách thức và giải pháp sản xuất quan trọng
Sản xuất cứng-linh hoạt đa lớp phải đối mặt với những trở ngại độc đáo—được giải quyết bằng các kỹ thuật chuyên dụng:

1. Nếp gấp lớp linh hoạt trong quá trình cán
  a. Thách thức: Áp suất không đều khiến các phân đoạn linh hoạt bị gập, làm hỏng các vết dẫn.
  b. Giải pháp: Sử dụng máy cán chân không với các đường dốc áp suất có thể lập trình (tăng dần từ 100 đến 500 psi) và miếng silicon để phân phối áp suất đều.
2. Độ đồng đều mạ lỗ thông trong khu vực linh hoạt
  a. Thách thức: Các lỗ thông nhỏ (≤0,15mm) trong các lớp linh hoạt bị mạ mỏng.
  b. Giải pháp: Tăng nhiệt độ bồn đồng không điện lên 45°C (so với 40°C đối với cứng) và thêm chất hoạt động bề mặt để cải thiện dòng chảy của dung dịch vào các lỗ thông nhỏ.
3. Phân lớp tại ranh giới linh hoạt-cứng
  a. Thách thức: Lỗi kết dính giữa các lớp linh hoạt và cứng do sự không phù hợp của CTE.
  b. Giải pháp: Sử dụng chất kết dính lai acrylic-epoxy (CTE ~18 ppm/°C) và tiền đóng rắn các lớp linh hoạt ở 120°C trước khi cán cuối cùng.
4. Nứt vết dẫn trong quá trình uốn
  a. Thách thức: Các vết dẫn đồng trong khu vực linh hoạt bị nứt sau khi uốn lặp đi lặp lại.
  b. Giải pháp: Sử dụng đồng RA (dẻo) và thiết kế các góc vết dẫn là 45° (không phải 90°) để phân phối ứng suất; thêm các vòng “giảm căng thẳng” trong các phân đoạn linh hoạt.

Lợi ích của PCB cứng-linh hoạt đa lớp (Được thúc đẩy bởi quy trình sản xuất)
Quy trình sản xuất chuyên dụng mang lại những lợi thế độc đáo so với PCB truyền thống:

  a. Tiết kiệm không gian: Tích hợp nhiều PCB cứng vào một thiết kế, giảm số lượng đầu nối từ 50–70% (ví dụ: bản lề của điện thoại có thể gập lại sử dụng 1 PCB cứng-linh hoạt so với 3 PCB cứng riêng biệt).
  b. Giảm trọng lượng: Nhẹ hơn 30–40% so với PCB cứng tương đương, rất quan trọng đối với hàng không vũ trụ và thiết bị đeo được.
  c. Tăng độ tin cậy: Ít đầu nối hơn có nghĩa là ít điểm lỗi hơn—tỷ lệ lỗi tại hiện trường thấp hơn 60% so với PCB cứng có kết nối dây, theo dữ liệu IPC.
  d. Tự do thiết kế: Cho phép đóng gói 3D (ví dụ: quấn quanh động cơ) và các yếu tố hình thức có thể gập lại không thể thực hiện được với PCB cứng.

Các ứng dụng công nghiệp của PCB cứng-linh hoạt đa lớp
Quy trình sản xuất được điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu của các lĩnh vực chính:
1. Thiết bị điện tử tiêu dùng
   a. Điện thoại có thể gập lại (ví dụ: Samsung Galaxy Z Fold): PCB cứng-linh hoạt đa lớp trong bản lề hỗ trợ hơn 20 lớp mạch, cho phép hơn 200.000 chu kỳ uốn.
   b. Thiết bị đeo được (ví dụ: Apple Watch): Thiết kế cứng-linh hoạt mỏng (0,5mm) phù hợp với cổ tay trong khi chứa 6–8 lớp cảm biến và bộ xử lý.

2. Ô tô
  a. Cảm biến ADAS: PCB cứng-linh hoạt uốn cong xung quanh khung xe, kết nối camera, radar và LiDAR—chịu được nhiệt độ -40°C đến 125°C.
  b. Hệ thống quản lý pin (BMS) EV: Các phân đoạn linh hoạt định tuyến điện giữa các tế bào pin, giảm trọng lượng 35% so với PCB cứng.

3. Thiết bị y tế
  a. Máy tạo nhịp tim cấy ghép: Các lớp linh hoạt polyimide tương thích sinh học và 4–6 lớp mạch phù hợp với thể tích 1cm³, chịu được chất lỏng cơ thể.
  b. Đầu dò siêu âm di động: PCB cứng-linh hoạt uốn cong để phù hợp với hình dạng đầu dò trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu để tạo ảnh có độ phân giải cao.

4. Hàng không vũ trụ & Quốc phòng
  a. Ăng-ten vệ tinh: PCB cứng-linh hoạt nhẹ (30g trên mỗi bảng) gập vào phương tiện phóng và triển khai trong không gian, chịu được bức xạ và lạnh khắc nghiệt.
  b. Tai nghe quân sự: Các phân đoạn linh hoạt phù hợp với tai người dùng, trong khi các lớp cứng chứa các chip truyền thông—đáp ứng các tiêu chuẩn rung MIL-STD-883.

Câu hỏi thường gặp
Q: Số lượng lớp tối đa trong PCB cứng-linh hoạt đa lớp là bao nhiêu?
A: Hầu hết các nhà sản xuất sản xuất các thiết kế 4–12 lớp, nhưng các quy trình tiên tiến (cán tuần tự) có thể đạt được hơn 20 lớp cho các ứng dụng hàng không vũ trụ và y tế.

Q: Mất bao lâu để sản xuất PCB cứng-linh hoạt đa lớp?
A: Nguyên mẫu mất 2–3 tuần (do cán và thử nghiệm chuyên dụng); sản xuất số lượng lớn (10k+ đơn vị) mất 4–6 tuần.

Q: PCB cứng-linh hoạt có thể sử dụng các thành phần gắn trên bề mặt (SMD) trên các khu vực linh hoạt không?
A: Có, nhưng các thành phần phải “thân thiện với linh hoạt” (ví dụ: điện trở chip ≤0603, không có IC lớn) để tránh nứt trong quá trình uốn. Khối lượng bột hàn giảm 30% trên các khu vực linh hoạt để ngăn ngừa ứng suất mối nối.

Q: Bán kính uốn tối thiểu cho PCB cứng-linh hoạt đa lớp là bao nhiêu?
A: Thông thường 5–10x độ dày lớp linh hoạt (ví dụ: lớp polyimide 50μm có bán kính uốn tối thiểu là 250–500μm). Bán kính chặt hơn có nguy cơ nứt vết dẫn.

Q: PCB cứng-linh hoạt đa lớp có tuân thủ RoHS không?
A: Có—các vật liệu như thiếc hàn không chì, chất kết dính không halogen và polyimide tuân thủ RoHS được sử dụng. Các nhà sản xuất cung cấp tài liệu DoC (Tuyên bố về sự phù hợp) để xác minh sự tuân thủ.

Kết luận
Quy trình sản xuất PCB cứng-linh hoạt đa lớp là một kỳ quan kỹ thuật, cân bằng độ chính xác của sản xuất cứng đa lớp với sự tinh tế của việc xử lý mạch linh hoạt. Từ việc lựa chọn vật liệu (polyimide cho linh hoạt, FR-4 cho cứng) đến cán có kiểm soát và định tuyến laser, mỗi bước được tối ưu hóa để tạo ra các bảng nhỏ gọn, bền và linh hoạt.

Mặc dù chi phí sản xuất cao hơn so với PCB truyền thống, nhưng những lợi ích—tiết kiệm không gian, giảm trọng lượng và tăng độ tin cậy—làm cho PCB cứng-linh hoạt đa lớp không thể thiếu cho sự đổi mới trong các ngành công nghiệp có thể gập lại, ô tô, y tế và hàng không vũ trụ. Đối với các nhà sản xuất, việc hợp tác với các chuyên gia có kinh nghiệm trong sản xuất cứng-linh hoạt (và tuân theo kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt) là chìa khóa để mở ra những lợi ích này.

Khi các thiết bị tiếp tục thu nhỏ và yêu cầu nhiều chức năng hơn, vai trò của PCB cứng-linh hoạt đa lớp sẽ chỉ tăng lên—được thúc đẩy bởi những tiến bộ trong kỹ thuật sản xuất giúp giảm chi phí và cải thiện hiệu suất.