Proces wytwarzania wielowarstwowych sztywnych i elastycznych płyt PCB: przewodnik krok po kroku i informacje o branży

Wielowarstwowe płytki PCB sztywne i elastyczne stanowią innowację hybrydową w dziedzinie elektroniki, łączącą stabilność strukturalną sztywnych płytek PCB z elastycznością układów elastycznych.Ten wyjątkowy projekt umożliwia gięcie urządzeń, złożyć lub dostosować do ciasnych przestrzeni, które są kluczowe dla nowoczesnych zastosowań, takich jak składane smartfony, czujniki samochodowe i implanty medyczne, jednocześnie wspierając gęste, wielowarstwowe obwody.ich proces produkcji jest znacznie bardziej złożony niż tradycyjnych sztywnych lub elastycznych PCB, wymagających specjalistycznych materiałów, precyzyjnego laminowania i starannego obróbki elastycznych segmentów.

Niniejszy przewodnik demystifikuje proces produkcji wielowarstwowych sztywnych płyt PCB, od wyboru materiału do końcowego badania.i najlepszych praktyk krytycznych w celu zapewnienia niezawodnościNiezależnie od tego, czy jesteś inżynierem projektującym miniaturyzację, czy producentem skalowującym produkcję,Zrozumienie tego procesu pomoże Ci wykorzystać pełny potencjał wielowarstwowej technologii sztywnej elastyczności.

Czym są wielowarstwowe PCB sztywne i elastyczne?
Przed rozpoczęciem produkcji niezbędne jest określenie wielopoziomowych sztywnych-prężnych PCB i ich wyjątkowej wartości:

1.Struktura: Składają się z wymiennego sztywnego warstwy (zwykle FR-4) i elastyczne warstwy (np, poliamid), połączone za pośrednictwem polizowanych przewodów, aby utworzyć jeden, układ scalony.
2.Kluczowa zaleta: W przeciwieństwie do sztywnych płyt PCB (formy stałej) lub płyt PCB wyłącznie elastycznych (ograniczona liczba warstw), wielowarstwowe konstrukcje sztywnych płyt flex obsługują 4 ∼20 warstw obwodów, umożliwiając jednocześnie gięcie w określonych obszarach (np.składany zawias telefonu).
3.Powszechne zastosowania: składane urządzenia elektroniczne, moduły ADAS samochodowe, urządzenia medyczne i czujniki lotnicze, w których przestrzeń, waga i trwałość nie są przedmiotem negocjacji.

Proces ich produkcji musi zrównoważyć dwa sprzeczne potrzeby: precyzję wymaganą dla wielowarstwowych obwodów i elastyczność, aby uniknąć uszkodzenia warstw elastycznych podczas produkcji.

Krok 1: Wybór materiału Fundament niezawodnych PCB sztywnych i elastycznych
Wybór materiału jest decydujący dla wielowarstwowych sztywnych płyt PCB, ponieważ każdy komponent musi wytrzymać ciepło laminacji, cykle gięcia i środowiska użytkowania końcowego.Poniżej znajduje się podział materiałów krytycznych i ich specyfikacje:

Krytyczne względy materialne
1Kompatybilność elastyczno-sztywna: Klej musi odpowiadać współczynnikowi rozszerzenia termicznego (CTE) zarówno elastycznych, jak i sztywnych podłoża, aby uniknąć wypaczenia podczas laminowania.W celu zminimalizowania naprężenia, rdzenie elastyczne poliamidów najlepiej łączy się z klejami epoksydowymi (CTE ~ 20 ppm/°C).
2.Trwałość warstwy elastycznej: użyj miedzi walcowanej (RA) do śladów elastycznych – jej elastyczność wytrzymuje 10 000 + cykli gięcia, w porównaniu z 1 000 ∼ 2 000 cyklami miedzi elektrodeponowanej (ED).
3.Wykorzystanie w warunkach wysokiej temperatury: do zastosowań w przemyśle motoryzacyjnym lub lotniczym należy wybrać elastyczne substraty LCP (polimer ciekłych kryształów), które utrzymują elastyczność w temperaturze 200 °C+ i są odporne na działanie chemiczne.

Krok 2: Krok po kroku wielowarstwowy proces produkcji sztywnej i elastycznej
Proces produkcyjny integruje wytwarzanie sztywnych płytek PCB (laminowanie, wiercenie) z technikami elastycznych płytek PCB (przetwarzanie delikatnych substratów, unikanie zębów).

Faza 1: Przedprodukcja i przygotowanie materiału
Przed ukształtowaniem obwodu materiały są przygotowywane w celu zapewnienia jednolitości i przyczepności:

1Przygotowanie rdzenia elastycznego:
a. elastyczne podłoża (np. poliamid 50 μm) są czyszczone alkoholem izopropylowym w celu usunięcia olejów i zanieczyszczeń z pyłu, które powodują niewydolność klejów.
Folia miedziana (miedź RA o pojemności 1235 μm) jest laminowana po obu stronach rdzenia elastycznego przy użyciu ciepła (180 °C) i ciśnienia (300 psi), tworząc “laminat pokryty miedźem elastycznym” (CCL).
2.Przygotowanie sztywnego rdzenia:
a. sztywne podłoże (np. 1,6 mm FR-4) są cięte do rozmiaru paneli (zwykle 18 x 24 ′′) i odkurzane w celu usunięcia ostrych krawędzi.
b. Folia miedziana (miedź ED 35 ‰ 70 μm) jest połączona z sztywnym rdzeniem za pomocą laminacji termicznej, tworząc podstawę dla sztywnych warstw obwodu.

Faza 2: Wzornictwo obwodu (warstwa elastyczna i sztywna)
Wzornictwo tworzy przewodzące ślady zarówno na warstwach elastycznych, jak i sztywnych, przy użyciu fotolitografii i etsu:

1.Wzór fotorezystyczny:
a. Na laminatach elastycznych i sztywnych pokrytych miedzią nakłada się odporność światłowrażliwą (ciekły lub suchy film). W przypadku warstw elastycznych stosuje się odporność elastyczną, aby uniknąć pękania podczas obróbki.
2Ekspozycja i rozwój:
a.Oporność jest wystawiana na działanie promieniowania UV poprzez fotomaskę (z wzorem obwodu). Niewystawiona odporność jest myta roztworem rozwijającym, pozostawiając ślady miedzi, które mają być wygrawerowane.
3- Etykieta:
a. Warstwa elastyczna: zanurzenie w łagodnym etranie (persulfanu amonu) w celu usunięcia niepożądanej miedzi ‒ czas etracji jest skrócony o 20% w porównaniu z warstwami sztywnymi, aby uniknąć uszkodzenia podłoża poliamid.
b.Sztywne warstwy: wygrawerowane chlorkiem żelaza lub chlorkiem miedzianym, standardowe dla FR-4.
4- Opieraj się rozbijaniu.
a. Pozostałe fotorezystory usuwane są rozpuszczalnikiem (np. wodorotlenkiem sodu), aby ujawnić końcowy układ obwodniczy zarówno na warstwach elastycznych, jak i sztywnych.

Faza 3: Laminat ️ Przywiązanie warstw elastycznych i sztywnych
Laminat jest najważniejszym krokiem w produkcji sztywnej elastyczności, ponieważ musi łączyć warstwy bez zwichnięcia segmentów elastycznych lub uszkodzenia obwodów:

1.Kreślenie klejem:
a. Arkusze klejące (np. na bazie epoksydu) są wycięte laserowo, aby pasowały do rozmiaru paneli, z otworami dla przewodów i obszarów elastycznych (aby uniknąć wiązania elastycznych segmentów z sztywnymi warstwami).
2- Położenie warstwy:
a. Warstwy są wyrównane przy użyciu znaków powierniczych (koła miedziane o średnicy 1 mm) w celu zapewnienia rejestracji poprzez i śladami (tolerancja ±0,02 mm).Warstwa sztywna → Warstwa klejąca → Warstwa elastyczna → Warstwa klejąca → Warstwa sztywna.
3.Kontrolowana laminacja:
a.Stapel jest tłoczony w laminacji próżniowej w temperaturze 160-180°C i 400-500 psi przez 30-60 minut.Przez próżnię usuwane są bąbelki powietrza, podczas gdy stopniowe ciśnienie zapobiega zwichnięciu warstwy elastycznej.
b.W przypadku konstrukcji o wysokich warstwach (10+ warstw) stosuje się sekwencyjne laminowanie: warstwy są dodawane po jednej, z utwardzaniem pośrednim w celu utrzymania wyrównania.

Faza 4: Wykopalisko
Po laminowaniu wias (dziury łączące warstwy) są wierzone technikami dostosowanymi do elastycznych i sztywnych obszarów:

1Planowanie wiertnicze:
a.Pliki Gerbera określają poprzez lokalizacje: otwory przejściowe (podłączyć wszystkie warstwy), ślepe przewody (podłączyć zewnętrzne do wewnętrznych warstw) i zakopane przewody (podłączyć tylko wewnętrzne warstwy).2 mm) w celu uniknięcia pękania.
2Metody wiercenia:
a.Burzenie mechaniczne: stosowane do twardych warstw (przez średnicę ≥ 0,2 mm) z wiertarkami węglowymi (30,000 RPM) w celu zapewnienia czystych otworów.
b.Wykopywanie laserowe: Używane do wiązania warstw elastycznych i mikrovia (≤ 0,15 mm) z laserami UV ◄minimalizuje uszkodzenia cieplne podłoża poliamidów.
3. Odkurzanie i odmazanie:
a.Płaskie warstwy: Etycja plazmowa usuwa smugi żywicy z ścian (unika zwarć) bez niszczenia delikatnego podłoża.
b. Stropy sztywne: chemiczne oczyszczanie (za pomocą permanganatu potasu) przez ściany do pokrycia.

Faza 5: Płaty
Powierzchnia pokrywa się miedzią przez ściany, aby połączyć warstwy i dodać wykończenia powierzchniowe dla łatwości spawania:

1.Płyty miedziane bezelektryczne:
a. Cienka warstwa miedzi (0,5 ‰ 1 μm) zostaje osadzona na ścianach i śladach obwodów w reakcji chemicznej (bez energii elektrycznej), tworząc podstawę do galwanizowania.
2. Elektroliterowanie:
a.Paneł jest zanurzony w wannie siarczanowej miedzi, przy użyciu prądu elektrycznego (24 A/dm2) tworząc grubość miedzi do 1525 μm, która jest krytyczna dla niskiego oporu poprzez połączenia.Obszary elastyczne wykorzystują niższą gęstość prądu (10,52 A/dm2) w celu uniknięcia pękania miedzi.
3.Wykorzystanie wykończenia powierzchni:
a.ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold): preferowany do obszarów elastycznych; elastyczność złota jest odporna na gięcie; nikel zapobiega dyfuzji miedzi.
b.HASL (Hot Air Solder Leveling): stosowane w przypadku sztywnych obszarów (oszczędne, dobre możliwości spawania).
c.OSP (Organic Solderability Preservative): Idealny w przypadku elektroniki użytkowej o dużej objętości (niskie koszty, płaska powierzchnia).

Faza 6: Maska lutowa i jedwabna
Maska lutowa chroni ślady, natomiast jedwabokształt dodaje etykiety elementów: oba muszą pomieścić obszary gięte:

1. Stosowanie maski lutowej:
a.Maska lutowa z płynnej fotorealistycznej (LPI) poliamidów jest drukowana na ekranie na płycie. Obszary elastyczne wykorzystują bardziej elastyczną formułę maski (przedłużenie ≥100%) w celu uniknięcia pękania podczas gięcia.
b. ekspozycja na promieniowanie UV i rozwój określają otwory dla podkładek i przewodów; maska jest utwardzana w temperaturze 150°C przez 60 minut.
2Druk serwisowy:
a.Tyn na bazie poliuretanu jest drukowany na sztywnych powierzchniach (obszary elastyczne unikają jedwabnicy, ponieważ atrament pęka podczas gięcia).

Faza 7: Routing & Singulation Separacja poszczególnych PCB
Routing przecina panel na pojedyncze sztywne i elastyczne płytki PCB, ze szczególną dbałością o elastyczne segmenty:

1.Paniel:
a. Panel jest zamontowany na sztywnej ramie w celu stabilizacji obszarów giętych podczas trasy, zapobiegając rozdarciu.
2.CNC Routing:
a.CNC router z 0,8 mm końcowym młynem przecina obwód PCB. Obszary elastyczne są przeprowadzane z wolniejszą prędkością podawania (50 mm/min w porównaniu z 100 mm/min w przypadku sztywnych) w celu uniknięcia zniszczeń.
3.Wyłączenie:
a.W przypadku produkcji dużych objętości wykorzystywane jest sterowanie laserowe dla obszarów elastycznych, co pozwala na tworzenie czystych krawędzi bez obciążeń mechanicznych.

Faza 8: Badania i kontrola jakości
PCB sztywne i elastyczne są poddawane rygorystycznym badaniom w celu zapewnienia niezawodności elektrycznej i mechanicznej:

Wielowarstwowe sztywne i elastyczne w porównaniu z innymi typami PCB: analiza porównawcza
Aby zrozumieć, dlaczego sztywny elastyczny jest wybierany do konkretnych zastosowań, porównaj jego produkcję i wydajność z alternatywami:

Krytyczne wyzwania produkcyjne i rozwiązania
Produkcja wielowarstwowa sztywnej i elastycznej stoi w obliczu wyjątkowych przeszkód, które można rozwiązać za pomocą specjalistycznych technik:

1.Płynność warstwy podczas laminowania
a.Wyzwanie: Nierównomierne ciśnienie powoduje zgięcie się segmentów zgiętych, uszkodzające ślady.
b. Rozwiązanie: do równomiernego rozkładu ciśnienia należy stosować laminacje próżniowe z programowalnymi rampami ciśnienia (stopniowe zwiększanie z 100 do 500 psi) i podkładkami silikonowymi.
2.Przez jednolitość nakładki w obszarach elastycznych
a.Wyzwanie: Małe przewody (≤ 0,15 mm) w warstwach giętych cierpią na cienkie pokrycie.
b.Rozpuszczalnik: podwyższenie temperatury wanny miedzi bezprzewodnikowej do 45°C (w porównaniu z 40°C w przypadku sztywnych) i dodanie czynników powierzchniowych w celu poprawy przepływu roztworu do małych przewodów.
3Delaminacja na elastycznych i sztywnych granicach
a.Wyzwanie: Niewydolność kleju między warstwami elastycznymi i sztywnymi z powodu niezgodności CTE.
b.Rozwiązanie: użyć samoprzylepnych hybryd akrylowo-epoksyjnych (CTE ~ 18 ppm/°C) i przedstosować warstwy elastyczne w temperaturze 120°C przed ostatecznym laminowaniem.
4Ślady pęknięć podczas gięcia
a.Wyzwanie: ślady miedzi w obszarach giętych pękają po wielokrotnym gięciu.
b. Rozwiązanie: użyj miedzi RA (duktylnej) i zaprojektuj kąty śladu 45° (nie 90°) do rozkładu naprężenia; dodaj pętle “odciągania od naprężenia” do segmentów elastycznych.

Korzyści z wielowarstwowych PCB sztywnych i elastycznych (pod wpływem procesu produkcji)
Specjalistyczny proces produkcji zapewnia wyjątkowe zalety w stosunku do tradycyjnych PCB:

a.Oszczędność przestrzeni: Zintegrowanie wielu sztywnych płyt PCB w jedną konstrukcję, zmniejszając liczbę złączy o 50~70% (np. zawiesina składalnego telefonu wykorzystuje 1 sztywne-prężne płytę PCB w porównaniu z 3 osobnymi sztywnymi płytami PCB).
b.Zmniejszenie masy: 30~40% lżejsze niż równoważne sztywne PCB, kluczowe dla urządzeń kosmicznych i noszalnych.
c.Zwiększona niezawodność: mniejsza liczba złączy oznacza mniejszą liczbę punktów awarii ̇ wskaźniki awarii w polu są o 60% niższe niż w przypadku sztywnych płyt PCB z połączeniami przewodowymi, według danych IPC.
d. Wolność projektowania: umożliwia opakowanie 3D (np. owijanie się wokół silnika) i składane czynniki kształtowe niemożliwe z sztywnymi płytami PCB.

Przemysłowe zastosowania wielowarstwowych PCB sztywnych i elastycznych
Proces produkcji jest dostosowany do potrzeb kluczowych sektorów:
1Elektronika użytkowa
a.Stopne telefony (np. Samsung Galaxy Z Fold): Wielowarstwowe sztywne płaskie płyty PCB w zawiasach obsługują ponad 20 warstw obwodu, umożliwiając ponad 200 000 cykli gięcia.
b.Przystosowane do noszenia urządzenia (np. Apple Watch): Cienkie (0,5 mm) konstrukcje sztywnej elastyczności są zgodne z nadgarstkami, przy jednoczesnym umieszczeniu 6 ∼8 warstw czujników i procesorów.

2. motoryzacyjny
a. czujniki ADAS: sztywne i elastyczne płytki PCB zakręcają się wokół ram pojazdów, łączą kamer, radar i LiDAR, pomimo temperatur od -40°C do 125°C.
b.EV Battery Management Systems (BMS): elastyczne segmenty przesyłają energię między ogniwami baterii, zmniejszając masę o 35% w porównaniu z sztywnymi płytami PCB.

3. Urządzenia medyczne
a. Implantowalne rozruszniki serca: Biokompatybilne warstwy elastyczne poliamidów i 4 ∼6 warstw układów, które pasują do objętości 1 cm3, odporne na płyny ciała.
b.Przenośne sondy ultradźwiękowe: PCB sztywne i elastyczne gięją się tak, aby pasowały do kształtu sondy, zachowując jednocześnie integralność sygnału do obrazowania o wysokiej rozdzielczości.

4- Lotnictwo i obrona.
a. Antenny satelitarne: lekkie PCB sztywne i elastyczne (30 g na tablicę) składają się w wehikułach rakietowych i rozmieszczają się w przestrzeni kosmicznej, wytrzymując promieniowanie i ekstremalny chłód.
b.Głowice wojskowe: elastyczne segmenty są zgodne z uszami użytkownika, podczas gdy sztywne warstwy zawierają układy łączności spełniające normy wibracyjne MIL-STD-883.

Częste pytania
P: Jaka jest maksymalna liczba warstw w wielowarstwowym PCB sztywnym i elastycznym?
Odpowiedź: Większość producentów produkuje wzory 4 ∼ 12 warstw, ale zaawansowane procesy (laminatowanie sekwencyjne) mogą uzyskać 20+ warstw do zastosowań lotniczych i medycznych.

P: Jak długo trwa produkcja wielowarstwowych PCB sztywnych i elastycznych?
Odpowiedź: Prototypy trwają 2-3 tygodnie (ze względu na specjalistyczne laminowanie i testowanie); produkcja dużych ilości (10 tys. + jednostek) trwa 4-6 tygodni.

P: Czy PCB sztywne i elastyczne mogą używać komponentów mocowanych na powierzchni (SMD) na powierzchniach elastycznych?
O: Tak, ale elementy muszą być “przystosowane do elastyczności” (np. rezystory chipów ≤ 0603, bez dużych układów integracyjnych), aby uniknąć pęknięć podczas gięcia.Objętość pasty lutowej jest zmniejszona o 30% na obszarach giętych, aby zapobiec obciążeniu stawów.

P: Jaki jest minimalny promień zakrętu wielowarstwowego płytki PCB sztywnej i elastycznej?
Odp.: Zazwyczaj 5×10x grubość warstwy elastycznej (np. warstwa poliamid 50μm ma minimalny promień gięcia 250×500μm).

P: Czy wielowarstwowe PCB sztywne i elastyczne są zgodne z RoHS?
Odpowiedź: Tak, stosuje się materiały takie jak lutowanie bez ołowiu, kleje bez halogenów i poliamid zgodny z RoHS.

Wniosek
Proces wytwarzania wielowarstwowych sztywnych i elastycznych płyt PCB jest cudem techniczną, zrównoważającą precyzję wielowarstwowego wytwarzania sztywnych płyt z delikatnością obsługi układów elastycznych.Z wyboru materiału (polimid do elastyczności, FR-4 dla sztywnych) do kontrolowanej laminacji i sterowania laserowego, każdy krok jest zoptymalizowany w celu stworzenia płyt kompaktowych, trwałych i wszechstronnych.

Choć koszty produkcji są wyższe niż w przypadku tradycyjnych PCB, korzyści wynikające z nich to oszczędności przestrzeni, zmniejszenie masy,W związku z tym, że PCB wielowarstwowe twardych i elastycznych są niezbędne do innowacji w zakresie składanych płyt, wprowadzenie nowych technologii w zakresie tworzyw sztucznych jest niezwykle ważne.Dla producentów,Współpraca ze specjalistami doświadczonymi w produkcji sztywnej i elastycznej (i ścisła kontrola jakości) jest kluczem do wykorzystania tych korzyści.

Ponieważ urządzenia nadal kurczą się i wymagają większej funkcjonalności, rola wielowarstwowych sztywnych płyt PCB z elastycznością wzrośnie tylko dzięki postępom w technikach produkcji, które obniżają koszty i poprawiają wydajność.