Hướng dẫn cần thiết về sản xuất PCB dẻo: Quy trình, Vật liệu và Thực hành tốt nhất

PCB linh hoạt (PCB linh hoạt) đã cách mạng hóa thiết kế điện tử, cho phép các thiết bị uốn cong, xoắn và phù hợp với không gian PCB cứng không thể từ điện thoại thông minh gấp đến cấy ghép y tế.Không giống như các đối tác cứng rắn của họ., PCB linh hoạt được xây dựng với vật liệu dẻo dai chịu được chuyển động lặp đi lặp lại trong khi duy trì hiệu suất điện.và các cân nhắc thiết kế làm cho chúng khác biệt với các bảng mạch truyền thống. Hướng dẫn này phá vỡ tất cả mọi thứ bạn cần biết về sản xuất PCB linh hoạt, từ lựa chọn vật liệu để kiểm soát chất lượng, giúp bạn điều hướng sự phức tạp của sản xuất đáng tin cậy,mạch linh hoạt hiệu suất cao.

Những điểm quan trọng
1.Flex PCB được làm bằng chất nền linh hoạt (polyimide, polyester) cho phép bán kính uốn cong nhỏ đến 1 lần độ dày của chúng, hỗ trợ hơn 10.000 chu kỳ trong các ứng dụng đòi hỏi.
2Sản xuất PCB linh hoạt bao gồm 7 bước quan trọng: thiết kế, chuẩn bị vật liệu, hình ảnh, khắc, mảng, cắt,và thử nghiệm, mỗi yêu cầu độ chính xác để tránh các khiếm khuyết như vết nứt hoặc loại bỏ.
3Polyimide (PI) là tiêu chuẩn vàng cho PCB dẻo dai, cung cấp khả năng chống nhiệt độ (-200 ° C đến 260 ° C) và độ bền, trong khi polyester (PET) là một lựa chọn hiệu quả về chi phí cho các ứng dụng nhiệt độ thấp.
4. PCB linh hoạt có giá cao hơn 2×5 lần so với PCB cứng nhưng giảm chi phí lắp ráp 30% bằng cách loại bỏ dây chuyền dây, làm cho chúng lý tưởng cho các thiết bị nhỏ gọn, năng động.

Flex PCB là gì?
PCB linh hoạt là các bảng mạch mỏng, có thể uốn cong được thiết kế để mang tín hiệu điện trong các ứng dụng đòi hỏi chuyển động hoặc đóng gói chặt chẽ.PCB linh hoạt sử dụng chất nền linh hoạt cho phép chúng phù hợp với hình dạng 3D, chịu rung động, và phù hợp với không gian 狭小.

Các đặc điểm chính
Độ linh hoạt: Có thể uốn cong, xoắn hoặc gấp nhiều lần mà không làm hỏng dấu vết (cần thiết cho các thiết bị đeo, robot và cảm biến ô tô).
Mỏng: Thông thường dày 0,1 ∼ 0,5 mm (so với 0,8 ∼ 3 mm đối với PCB cứng), cho phép tích hợp vào các thiết bị mỏng như đồng hồ thông minh.
Trọng lượng nhẹ: nhẹ hơn 50 ~ 70% so với PCB cứng có kích thước tương tự, lý tưởng cho hàng không vũ trụ và điện tử di động.
Độ tin cậy: Ít kết nối và dây điện (điểm thất bại phổ biến trong các thiết kế cứng) làm giảm sự cố trường bằng 40% trong môi trường dễ rung động.

Các vật liệu được sử dụng trong sản xuất PCB linh hoạt
Hiệu suất của PCB linh hoạt phụ thuộc vào vật liệu của nó, phải cân bằng tính linh hoạt, kháng nhiệt và tính dẫn điện.
1. Các chất nền (vật liệu cơ bản)
Lớp nền là nền tảng của PCB linh hoạt, xác định tính linh hoạt, phạm vi nhiệt độ và độ bền.

Polyimide (PI): Chất nền được sử dụng rộng rãi nhất, được đánh giá cao vì khả năng chịu được nhiệt độ hàn (260 °C) và uốn nắn lặp đi lặp lại.làm cho nó lý tưởng cho môi trường khắc nghiệt.
Polyester (PET): Một sự thay thế thân thiện với ngân sách cho các ứng dụng năng lượng thấp, nhiệt độ thấp (ví dụ: dải LED, cảm biến đơn giản).Nó ít bền hơn PI nhưng cung cấp sự linh hoạt đủ cho các ứng dụng không quan trọng.

2. Bảng đồng
Đồng mang tín hiệu điện, và loại của nó ảnh hưởng đến tính linh hoạt và dẫn điện:

Đồng Electrodeposited (ED): Tiêu chuẩn cho hầu hết các PCB linh hoạt, có độ dẫn tốt và độ linh hoạt vừa phải (trọng lượng 0,5 ̊1 oz).
Đồng quét lò sơn (RA): Dẻo hơn đồng ED, có khả năng chống nứt cao hơn trong quá trình uốn cong. Được sử dụng trong các ứng dụng đáng tin cậy cao (ví dụ như thiết bị y tế) nơi 10,000 + chu kỳ flex là cần thiết.

3. Lớp phủ và chất kết dính
Lớp phủ: Màn mỏng (polyimide hoặc PET) được áp dụng trên các dấu vết để bảo vệ chúng khỏi độ ẩm, mài mòn và mạch ngắn.
Các chất kết dính: Các lớp liên kết với nhau. Các chất kết dính acrylic có hiệu quả về chi phí khi sử dụng ở nhiệt độ thấp, trong khi các chất kết dính epoxy chịu được nhiệt độ cao hơn (lên đến 180 ° C) cho PCB linh hoạt trong ô tô hoặc công nghiệp.

Quá trình sản xuất PCB linh hoạt
Sản xuất PCB linh hoạt phức tạp hơn so với sản xuất PCB cứng, đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ để tránh các khiếm khuyết trong vật liệu mỏng, linh hoạt.
1Thiết kế và Kỹ thuật
Trước khi sản xuất, các kỹ sư hoàn thành thiết kế bằng phần mềm CAD (Altium, KiCad), tập trung vào:

bán kính uốn cong: Đảm bảo các dấu vết có thể uốn cong mà không bị nứt (bản bán kính tối thiểu = 1 ¢ 5x độ dày PCB; ví dụ, bán kính 0,5 mm cho PCB dày 0,1 mm).
Chiều rộng/khoảng cách dấu vết: Sử dụng các dấu vết rộng hơn (≥ 50μm) trong các vùng uốn cong để chống xé; khoảng cách dấu vết ≥ 50μm để ngăn chặn mạch ngắn.
Đặt thành phần: Giữ các thành phần nặng (ví dụ như kết nối) trên các phần cứng (nếu sử dụng thiết kế cứng-dẻo) để tránh căng thẳng trong khi uốn cong.

Quan trọng: Việc xem xét thiết kế cho khả năng sản xuất (DFM) xác định các vấn đề như góc vết sắc nét hoặc lớp phủ không đầy đủ giảm 50% lặp lại nguyên mẫu.

2- Chuẩn bị vật liệu
Cắt nền: Các cuộn lớn của polyimide hoặc PET được cắt thành kích thước bảng (thường là 12 ′′ × 18 ′′ hoặc kích thước tùy chỉnh).
Lamination đồng: Lớp đồng được gắn vào nền bằng cách sử dụng nhiệt và áp suất. Đối với đồng RA, ủ (nâng nóng đến 150 ~ 200 ° C) cải thiện độ dẻo dai.

3. Hình ảnh (photolithography)
Áp dụng chống: Một chống nhạy quang (phần phim khô hoặc chất lỏng) được áp dụng lên lớp đồng để bảo vệ các khu vực sẽ trở thành dấu vết.
Phơi sáng: Ánh sáng tia cực tím tiếp xúc với chất chống lại thông qua một mặt nạ quang, làm cho nó cứng ở những nơi mà đồng nên còn lại.
Sự phát triển: Kháng chống không cứng được rửa sạch, để lại một mô hình xác định các dấu vết.

4.
Bảng được ngâm trong chất khắc (ferric cloride hoặc cupric cloride) để loại bỏ đồng không được bảo vệ, để lại mẫu dấu vết mong muốn.
Thách thức: Việc khắc quá mức có thể thu hẹp dấu vết, trong khi khắc quá thấp lại để lại đồng không mong muốn.

5. Lamination lớp phủ
Một lớp phủ (với các lỗ mở được cắt trước cho các miếng đệm) được dán vào tấm bằng cách sử dụng nhiệt (120 ≈ 180 ° C) và áp suất (200 ≈ 400 psi) để bảo vệ vết tích.
Đối với lớp phủ lỏng, làm cứng tia UV thay thế lớp phủ, cung cấp độ chính xác tốt hơn cho các thành phần sắc nét.

6. khoan và mạ
Microvias: Các lỗ nhỏ (50-150μm) được khoan bằng laser để kết nối các lớp trong PCB linh hoạt đa lớp.
Lớp phủ: Đồng được điện áp vào ống dẫn để đảm bảo tính liên tục điện giữa các lớp.

7. Cắt và Nhóm hóa
Các tấm được cắt thành các PCB linh hoạt riêng lẻ bằng cách cắt laser (đối với độ chính xác) hoặc cắt chết (đối với khối lượng lớn).
Lưu ý: Cắt bằng laser tránh căng thẳng cơ học có thể làm hỏng các dấu vết mỏng, làm cho nó lý tưởng cho các thiết kế tinh tế.

8Kiểm tra và kiểm tra
Kiểm tra điện: Các nhà kiểm tra tàu thăm dò bay kiểm tra mở, ngắn và liên tục.
Kiểm tra trực quan: Kiểm tra quang học tự động (AOI) xác định các khiếm khuyết như vết nứt, bong bóng lớp phủ hoặc khắc không hoàn chỉnh.
Xét nghiệm linh hoạt: Các mẫu được uốn cong hơn 10.000 lần để xác minh độ bền (theo tiêu chuẩn IPC-2223).

Những thách thức chính trong sản xuất PCB linh hoạt
PCB linh hoạt có những trở ngại độc đáo đòi hỏi các giải pháp chuyên môn:
1- Chọn vết nứt ở khu vực cong
Nguyên nhân: Các dấu vết hẹp (≤ 50μm) hoặc các góc sắc trong các vùng uốn cong sẽ bị hỏng dưới áp lực lặp đi lặp lại.
Giải pháp: Sử dụng các dấu vết rộng hơn (≥ 75μm) trong các khu vực uốn cong; các dấu vết tuyến đường ở góc 45 ° thay vì 90 ° để phân phối căng thẳng.

2. Xóa lớp
Nguyên nhân: Sự bám sát kém giữa các lớp do ô nhiễm hoặc nhiệt độ / áp suất sơn không chính xác.
Giải pháp: Làm sạch chất nền bằng phương pháp xử lý plasma trước khi sơn; sử dụng máy ép có nhiệt độ điều khiển (chính xác ± 1 °C).

3. Lớp nắp không phù hợp
Nguyên nhân: Di chuyển trong quá trình mài, tiếp xúc với dấu vết mạch ngắn.
Giải pháp: Sử dụng các chân sắp xếp và hệ thống đăng ký quang học để đảm bảo độ chính xác ± 25μm.

4Chi phí và thời gian
Thách thức: PCB linh hoạt có giá cao hơn 2 ¢ 5 lần so với PCB cứng do các vật liệu và quy trình chuyên dụng.
Giải pháp: Tối ưu hóa kích thước bảng để tối đa hóa đơn vị mỗi bảng; sử dụng vật liệu tiêu chuẩn (PI + ED đồng) cho các thiết kế không quan trọng.

PCB mềm so với PCB cứng: Một so sánh

Ứng dụng của PCB linh hoạt
PCB linh hoạt xuất sắc trong các kịch bản nơi chuyển động, kích thước hoặc trọng lượng là rất quan trọng:
1Điện tử tiêu dùng
Điện thoại / máy tính bảng gấp: PCB linh hoạt kết nối màn hình với cơ thể, chịu được hơn 100.000 gấp (ví dụ: Samsung Galaxy Z Fold).
Thiết bị đeo: Đồng hồ thông minh và máy theo dõi thể dục sử dụng PCB linh hoạt để phù hợp với cổ tay, giảm khối lượng.

2Các thiết bị y tế
Những thiết bị cấy ghép: Máy tạo nhịp tim và kích thích thần kinh sử dụng PCB linh hoạt tương thích sinh học (PEEK substrate) để uốn cong với chuyển động của cơ thể.
Endoscopes: PCB mềm mỏng truyền hình qua các ống hẹp, cong, cho phép các thủ tục không xâm lấn.

3Ô tô và hàng không vũ trụ
Cảm biến ô tô: PCB linh hoạt phù hợp với không gian hẹp (ví dụ: bản lề cửa, khoang động cơ) và chống rung (20G +).
Hàng không vũ trụ: Các vệ tinh và máy bay không người lái sử dụng PCB linh hoạt để tiết kiệm trọng lượng và chịu được nhiệt độ cực (-55 ° C đến 125 ° C).

4. Robot công nghiệp
Bàn tay robot sử dụng PCB linh hoạt để dẫn tín hiệu qua các khớp, loại bỏ các sợi dây rối và cải thiện độ tin cậy.

Thực hành tốt nhất cho sản xuất PCB linh hoạt
Để đảm bảo chất lượng PCB linh hoạt cao, hãy làm theo các hướng dẫn sau:

1. Chọn vật liệu
Chọn PI cho môi trường nhiệt độ cao hoặc khắc nghiệt; PET cho các ứng dụng chi phí thấp, căng thẳng thấp.
Sử dụng đồng RA cho các thiết kế đòi hỏi 10.000 + chu kỳ uốn cong (ví dụ: thiết bị y tế).

2Quy tắc thiết kế
bán kính uốn cong: ≥1x độ dày cho uốn cong tĩnh; ≥3x độ dày cho uốn cong động (chuyển động).
Độ rộng dấu vết: ≥75μm trong các vùng uốn cong; ≥50μm trong các khu vực tĩnh.
Tránh các góc sắc nét: Sử dụng các góc tròn (trình bán kính ≥ 0,1 mm) để giảm nồng độ căng thẳng.

3. Kiểm soát sản xuất
Môi trường phòng sạch: lớp 10.000 hoặc tốt hơn để ngăn ngừa ô nhiễm bụi ở các lớp mỏng.
Xác nhận quy trình: Kiểm tra nhiệt độ sơn, thời gian khắc và điều kiện làm cứng trên các tấm mẫu trước khi sản xuất đầy đủ.

4Các giao thức thử nghiệm
Thực hiện 10000 chu kỳ thử nghiệm uốn cong trên 1% của các dòng sản xuất.
Sử dụng kiểm tra tia X để kiểm tra qua chất lượng (cần thiết cho PCB linh hoạt đa lớp).

FAQ
Hỏi: PCB linh hoạt có thể mỏng đến mức nào?
A: Mỏng như 0,05 mm (50μm) cho các ứng dụng cực linh hoạt như ống thông y tế, mặc dù 0,1 ∼ 0,2 mm phổ biến hơn để cân bằng độ bền và tính linh hoạt.

Hỏi: PCB dẻo có thể nhiều lớp không?
Đáp: Có ¢ PCB linh hoạt đa lớp (lên đến 12 lớp) sử dụng đường viền chồng lên nhau để kết nối các lớp, lý tưởng cho các thiết bị phức tạp như điện thoại gấp.

Q: Có phải PCB linh hoạt chống nước?
Đáp: Không có bản chất, nhưng lớp phủ phù hợp (silicone hoặc parylene) có thể làm cho chúng chống nước cho việc sử dụng ngoài trời hoặc y tế.

Hỏi: PCB linh hoạt tồn tại trong bao lâu?
A: Trong các ứng dụng năng động (ví dụ: uốn cong hàng ngày), chúng thường kéo dài 5~10 năm.

Q: Số lượng đặt hàng tối thiểu (MOQ) cho PCB dẻo lỏng là bao nhiêu?
A: Các nguyên mẫu có thể thấp đến 1 ¢10 đơn vị, trong khi sản xuất khối lượng lớn thường đòi hỏi 1.000 đơn vị để biện minh cho chi phí công cụ.

Kết luận
Sản xuất PCB linh hoạt kết hợp kỹ thuật chính xác với các vật liệu chuyên biệt để tạo ra các mạch phát triển mạnh ở những nơi PCB cứng không thể.mỗi bước đòi hỏi sự chú ý đến chi tiết để đảm bảo tính linh hoạt, độ tin cậy và hiệu suất. Mặc dù có chi phí cao hơn trước, PCB linh hoạt làm giảm sự phức tạp của việc lắp ráp và cho phép đổi mới trong các thiết bị nhỏ gọn, năng động làm cho chúng trở thành nền tảng của điện tử hiện đại.

Bằng cách hiểu quy trình sản xuất, sự đánh đổi vật liệu, và thiết kế các thực tiễn tốt nhất,các kỹ sư và nhà sản xuất có thể tận dụng PCB linh hoạt để đẩy ranh giới của những gì có thể trong thiết kế điện tửKhi nhu cầu cho các thiết bị nhỏ hơn, thích nghi hơn tăng lên, PCB linh hoạt sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong việc định hình tương lai của công nghệ.