Công nghệ PCB - Thiết kế phần cứng Chiến lược thiết kế PCB thực tế

FPC Flexible Printed Circuit là một dạng mạch được sản xuất trên bề mặt cắt linh hoạt có thể có hoặc không có lớp phủ (thường được sử dụng để bảo vệ mạch FPC). Vì FPC có thể uốn cong, gấp lại hoặc di chuyển lặp đi lặp lại theo nhiều cách, nó có ưu điểm là trọng lượng nhẹ, độ dày mỏng và tính linh hoạt cao so với bảng cứng thông thường (PCB), do đó ứng dụng của nó ngày càng rộng rãi.

Vật liệu màng cơ sở FPC (base film) thường sử dụng polyimide (PI), nhưng cũng sử dụng polyester

(Polyester, viết tắt là PET), độ dày vật liệu là 12,5/25/50/75/125um, thường được sử dụng là 12,5 và 25um. Nếu FPC cần hàn ở nhiệt độ cao, PI thường được chọn làm vật liệu, FR4 thường được chọn làm chất nền cho PCB.

Lớp phủ của FPC là lớp màng điện môi và keo, hoặc lớp phủ của môi trường linh hoạt, có tác dụng bảo vệ tránh ô nhiễm, ẩm ướt, trầy xước, v.v. Vật liệu chính giống như chất nền, cụ thể là polyimide (polyimide) và polyester (polyester), độ dày vật liệu phổ biến là 12,5um.

Thiết kế FPC đòi hỏi phải dán từng lớp lại với nhau và lần này sử dụng keo FPC (chất kết dính). Các chất kết dính thường được sử dụng cho tấm linh hoạt bao gồm acrylic, epoxy sửa đổi, phenolic butyraldehyde, chất kết dính tăng cường, chất kết dính nhạy cảm với áp suất, v.v., trong khi FPC một lớp không cần phải sử dụng keo để liên kết.

Trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như hàn thiết bị, tấm linh hoạt yêu cầu sử dụng gia cố để có được sự hỗ trợ bên ngoài. Các vật liệu được sử dụng chính là PI hoặc màng polyester, sợi thủy tinh, vật liệu polymer, tấm thép, tấm nhôm, vv PI hoặc màng polyester là vật liệu phổ biến để gia cố tấm linh hoạt, độ dày thường là 125um. Tấm gia cố sợi thủy tinh (FR4) có độ cứng cao hơn PI hoặc polyester và tương đối khó xử lý khi sử dụng ở những nơi cần cứng hơn.

So với phương pháp xử lý pad PCB, FPC pad xử lý cũng có nhiều phương pháp, phổ biến như sau:

1. Vàng niken hóa học còn được gọi là vàng ngâm hóa học hoặc vàng ngâm. Thông thường, lớp mạ niken hóa học được sử dụng trên bề mặt kim loại đồng của PCB có độ dày từ 2,5 micron đến 5,0 micron và lớp mạ vàng (99,9% vàng nguyên chất) có độ dày từ 0,05 micron đến 0,1 micron. Thay thế vàng trong hồ bơi PCB). Ưu điểm kỹ thuật: bề mặt phẳng, thời gian lưu trữ dài, dễ hàn; Thích hợp cho các bộ phận khoảng cách tốt và PCB mỏng hơn. Đối với FPC, nó phù hợp hơn vì độ dày của nó mỏng hơn. Nhược điểm: Không thân thiện với môi trường.

2. Ưu điểm của mạ chì thiếc: chì phẳng và thiếc có thể được thêm trực tiếp vào pad, có khả năng hàn và tính đồng nhất tốt. Đối với một số công nghệ xử lý nhất định, chẳng hạn như HOTBAR, phương pháp này phải được áp dụng trên FPC. Nhược điểm: chì dễ bị oxy hóa và thời gian lưu trữ ngắn; Nó cần phải kéo dây mạ điện; Nó không thân thiện với môi trường.

3. Selective Gold Plating (SEG) Selective Gold Plating đề cập đến việc sử dụng mạ điện trong khu vực cục bộ của PCB và một phương pháp xử lý bề mặt khác được sử dụng ở các khu vực khác. Mạ vàng đề cập đến việc mạ một lớp niken trên bề mặt đồng của bảng mạch in trước khi mạ vàng. Lớp niken có độ dày từ 2,5 micron đến 5,0 micron và lớp vàng thường có độ dày từ 0,05 micron đến 0,1 micron. Ưu điểm: mạ vàng dày, chống oxy hóa mạnh, chống mài mòn. "Ngón tay vàng" thường sử dụng phương pháp xử lý này. Nhược điểm: Không thân thiện với môi trường, ô nhiễm cyanide.

4. Lớp bảo vệ hàn hữu cơ (OSP) Quá trình này đề cập đến việc phủ bề mặt đồng PCB tiếp xúc với các chất hữu cơ cụ thể. Ưu điểm: Bề mặt PCB rất phẳng có thể được cung cấp để đáp ứng các yêu cầu về môi trường. Thích hợp cho PCB với các yếu tố khoảng cách tốt.

Nhược điểm: PCBA yêu cầu sử dụng cả hai quá trình hàn sóng thông thường và chọn lọc và không được phép sử dụng quá trình xử lý bề mặt OSP.

5. Cân bằng không khí nóng (HASL) Quá trình này đề cập đến bề mặt kim loại tiếp xúc cuối cùng của PCB được phủ bằng hợp kim thiếc 63/37 chì. Yêu cầu về độ dày cân bằng không khí nóng cho lớp phủ hợp kim chì-thiếc là 1um-25um. Quá trình san lấp mặt bằng không khí nóng gặp khó khăn trong việc kiểm soát độ dày của lớp phủ và mô hình mặt đất. Nó không được khuyến khích để sử dụng trên PCB với các thành phần khoảng cách tốt, vì các thành phần khoảng cách tốt có yêu cầu cao về độ phẳng của pad; Quá trình san lấp mặt bằng không khí nóng phù hợp với FPC mỏng hơn có tác động lớn hơn, và loại xử lý bề mặt này không được khuyến khích

Trong thiết kế, FPC thường được yêu cầu kết hợp với PCB. Trong kết nối giữa hai, kết nối thường được thực hiện bằng cách sử dụng đầu nối tấm-to-tấm, đầu nối ngón tay vàng, HOTBAR, tấm mềm và tấm cứng và hàn thủ công. Đối với các môi trường ứng dụng khác nhau, nhà thiết kế có thể áp dụng phương pháp kết nối tương ứng.

Trong các ứng dụng thực tế, cần xác định xem có cần che chắn ESD hay không dựa trên yêu cầu của ứng dụng. Khi yêu cầu về tính linh hoạt của FPC không cao, nó có thể được thực hiện bằng cách sử dụng đồng rắn và phương tiện dày. Khi nhu cầu về tính linh hoạt cao, nó có thể đạt được bằng cách sử dụng lưới da đồng và dán bạc dẫn điện.

Do tính linh hoạt của FPC, có thể dễ dàng bị gãy khi bị căng thẳng, một số biện pháp đặc biệt cần được thực hiện để bảo vệ FPC.

Phương pháp thường dùng là:

1. Bán kính tối thiểu của góc bên trong trên đường viền linh hoạt là 1,6mm. Bán kính càng lớn, độ tin cậy càng cao và khả năng chống rách càng cao. Ở các góc của hình dạng, một dấu vết có thể được thêm vào gần cạnh của tấm để ngăn FPC bị rách.

2. Các vết nứt hoặc khoảng trống trên FPC phải kết thúc bằng các lỗ tròn có đường kính không nhỏ hơn 1,5mm. Điều này cũng cần thiết khi hai phần liền kề của FPC cần di chuyển riêng biệt.

3. Để linh hoạt hơn, khu vực uốn cần chọn khu vực có chiều rộng đồng đều và cố gắng tránh thay đổi chiều rộng FPC trong khu vực uốn và mật độ dây không đồng đều.

4. Xương sườn cứng, còn được gọi là xương sườn cứng, chủ yếu được sử dụng để có được sự hỗ trợ bên ngoài. Các vật liệu được sử dụng là PI, polyester, sợi thủy tinh, vật liệu polymer, tấm nhôm, tấm thép, v.v. Vị trí, diện tích và vật liệu của tấm gia cố được thiết kế hợp lý có tác dụng lớn trong việc tránh nước mắt FPC.

5. Trong thiết kế FPC nhiều lớp, các khu vực cần uốn cong thường xuyên trong quá trình sử dụng sản phẩm cần thiết kế các lớp khe hở không khí. Cố gắng sử dụng vật liệu PI mỏng để tăng độ mềm của FPC và ngăn FPC bị gãy khi uốn nhiều lần.

6. Khi không gian cho phép, khu vực cố định băng hai mặt nên được thiết kế tại kết nối ngón tay vàng với đầu nối để ngăn ngón tay vàng và đầu nối rơi ra trong quá trình uốn.

7. Dây lưới định vị FPC phải được thiết kế tại kết nối FPC với đầu nối để ngăn FPC bị lệch và chèn không đúng cách trong quá trình lắp ráp. Tốt cho việc kiểm tra sản xuất.

Do tính đặc thù của FPC, có một số điểm cần lưu ý khi định tuyến:

Quy tắc dây: Ưu tiên đảm bảo sự mịn màng của hệ thống dây tín hiệu, tuân theo nguyên tắc ngắn, thẳng và ít đục lỗ, cố gắng tránh dây dài, tốt và tròn, chủ yếu là đường ngang, dọc và 45 độ, tránh ngẫu nhiên. Các đường góc và phần uốn theo vòng cung. Các điều kiện trên được mô tả chi tiết như sau:

1. Chiều rộng đường: Không gian cáp dành riêng trung bình 0,15mm, xem xét các yêu cầu không nhất quán về chiều rộng đường của dây dữ liệu và dây nguồn

2. Khoảng cách dòng: Theo năng lực sản xuất hiện tại của hầu hết các nhà sản xuất, khoảng cách dòng thiết kế (pitch) là 0,10mm

3. Phụ cấp dòng: Khoảng cách giữa đường ngoài cùng và đường viền FPC được thiết kế là 0,30mm, không gian càng lớn càng tốt

4. Góc tròn bên trong: Góc tròn bên trong tối thiểu trên hồ sơ FPC được thiết kế với bán kính R=1,5mm

5. Dây vuông góc với hướng uốn

6. Dây nên đi qua khu vực uốn đồng đều

7. Dây điện phải đầy đủ nhất có thể trong khu vực uốn

8. Khu vực uốn không nên có thêm kim loại mạ (dây trong khu vực uốn không có mạ)

9. Giữ chiều rộng đường không thay đổi

10. Dấu vết của bảng điều khiển kép không thể chồng chéo để tạo thành hình dạng "I"

11. Giảm thiểu số lượng lớp trong khu vực uốn

12. Khu vực uốn không thể có lỗ thông qua và lỗ kim loại

13. Trục trung tâm uốn nên được đặt ở trung tâm của dây dẫn. Hệ số vật liệu và độ dày ở cả hai bên của dây phải nhất quán nhất có thể. Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng uốn cong động.

14. Xoắn ngang tuân theo các nguyên tắc sau, giảm phần uốn để tăng tính linh hoạt, hoặc tăng một phần diện tích lá đồng để tăng độ dẻo dai.

15. Đối với uốn bề mặt thẳng đứng, tăng bán kính uốn và giảm số lượng lớp trong khu vực trung tâm uốn.

16. Đối với các sản phẩm có yêu cầu EMI, nếu có USB, MIPI và các đường tín hiệu bức xạ tần số cao khác trên FPC, lớp lá bạc dẫn điện nên được thêm vào FPC theo tình hình đo lường EMI và lá bạc dẫn điện sẽ được nối đất để ngăn chặn EMI.

Với môi trường ứng dụng FPC mở rộng, những điều trên sẽ tiếp tục phong phú hoặc không phù hợp, nhưng miễn là bạn thiết kế cẩn thận, suy nghĩ nhiều, tóm tắt nhiều trong công việc, tôi tin rằng thiết kế một FPC không khó, bạn sẽ dễ dàng bắt đầu.