Công nghệ PCB - FPC Tech&Material Development&Xu hướng công nghệ

Công nghệ FPC đề cập đến bảng mạch được làm bằng vật liệu linh hoạt thông qua in ấn, mạ và các quy trình khác. FPC có thể uốn cong và gấp tự do trong một phạm vi nhất định so với bảng mạch cứng truyền thống, vì vậy nó rất phù hợp để sử dụng trong các thiết bị điện tử có không gian hạn chế. Do trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ và có thể gập lại, FPC được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử khác nhau, chẳng hạn như điện thoại thông minh, máy tính bảng, thiết bị đeo, v.v.

Trong trường hợp FPC truyền thống, dây dẫn lá đồng được cố định trên một màng cơ sở như polyimide, với một chất kết dính như epoxy được chèn vào giữa, sau đó mạch được hình thành bằng cách khắc bằng màng bảo vệ. Cấu trúc này sử dụng chất kết dính như epoxy. Do độ tin cậy cơ học cao của thành phần lớp này, nó vẫn là một trong những cấu trúc tiêu chuẩn thường được sử dụng ngay cả ngày nay. Tuy nhiên, chất kết dính như epoxy hoặc acrylic có khả năng chịu nhiệt thấp hơn màng ma trận nhựa polyimide, vì vậy nó trở thành nút cổ chai quyết định giới hạn nhiệt độ trên của việc sử dụng toàn bộ FPC (nút cổ chai).

Trong trường hợp này, cần phải loại trừ cấu trúc FPC của chất kết dính có khả năng chịu nhiệt thấp. Cấu hình này không chỉ giảm thiểu độ dày của toàn bộ FPC, cải thiện đáng kể các tính chất cơ học như chống uốn, mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành mạch tốt hoặc mạch nhiều lớp. Vật liệu tấm đồng phủ không dính chỉ bao gồm các lớp polyimide và lớp dây dẫn đã được đưa vào sử dụng thực tế, mở rộng phạm vi lựa chọn vật liệu phù hợp với nhiều mục đích khác nhau.

FPC cũng có cấu trúc hai mặt hoặc cấu trúc nhiều lớp trong FPC. Cấu trúc cơ bản của mạch hai mặt FPC tương tự như PCB cứng. Chất kết dính được sử dụng để liên kết giữa các lớp. Tuy nhiên, FPC hiệu suất cao gần đây không bao gồm chất kết dính và chỉ sử dụng nhựa polyimide để tạo thành tấm phủ đồng. Có rất nhiều ví dụ. Thành phần lớp của mạch đa lớp FPC phức tạp hơn nhiều so với thành phần lớp của PCB in. Chúng được gọi là Multilayer Rigid Flexible hoặc Multilayer Flexible. Tăng số lượng các lớp làm giảm tính linh hoạt, giảm số lượng các lớp trong các bộ phận được sử dụng để uốn cong, hoặc loại bỏ sự bám dính giữa các lớp, có thể làm tăng mức độ tự do của chuyển động cơ học. Để tạo ra nhiều lớp tấm cứng, linh hoạt đòi hỏi nhiều quá trình sưởi ấm, vì vậy vật liệu được sử dụng phải có khả năng chịu nhiệt cao. Việc sử dụng các tấm ốp đồng không dính đang gia tăng.

Xu hướng công nghệ FPC

Với việc sử dụng đa dạng và nhỏ gọn, FPC được sử dụng trong các thiết bị điện tử đòi hỏi các mạch mật độ cao cũng như hiệu suất cao theo nghĩa định tính. Những thay đổi mới nhất về mật độ mạch FPC. Phương pháp trừ (khắc) có thể được sử dụng để tạo thành các mạch một mặt với khoảng cách dây dẫn từ 30 um trở xuống, và các mạch hai mặt với khoảng cách dây dẫn từ 50 um trở xuống cũng đã được đưa vào sử dụng thực tế. Đường kính lỗ thông qua giữa các lớp dây dẫn kết nối mạch hai mặt hoặc mạch nhiều lớp cũng đang trở nên nhỏ hơn và bây giờ lỗ thông qua dưới 100um đã đạt đến quy mô sản xuất hàng loạt.

Phạm vi sản xuất có thể cho các mạch mật độ cao từ quan điểm kỹ thuật sản xuất. Theo khoảng cách mạch và đường kính lỗ thông qua, mạch mật độ cao được chia thành ba loại: (1) FPC truyền thống; (2) FPC mật độ cao; (3) FPC mật độ cực cao.

FPC với khoảng cách 150um và đường kính thông qua lỗ 15um đã được sản xuất hàng loạt theo phương pháp trừ truyền thống. Khoảng cách mạch 30um có thể được xử lý ngay cả trong phép trừ do những cải tiến trong vật liệu hoặc thiết bị xử lý. Hơn nữa, nhờ sự ra đời của các quy trình như laser CO2 hoặc khắc hóa học, việc sản xuất và xử lý hàng loạt các lỗ thông qua đường kính 50um có thể đạt được và hầu hết các FPC mật độ cao hiện đang được sản xuất hàng loạt được xử lý thông qua các công nghệ này.

Tuy nhiên, nếu khoảng cách nhỏ hơn 25um và đường kính qua lỗ nhỏ hơn 50um, ngay cả khi công nghệ truyền thống được cải thiện, sẽ khó cải thiện tỷ lệ tốt và phải giới thiệu quy trình mới hoặc vật liệu mới. Quá trình được đề xuất có nhiều phương pháp xử lý khác nhau, nhưng phương pháp nửa cộng sử dụng kỹ thuật đúc điện (phún xạ) là phương pháp thích hợp nhất. Không chỉ các quy trình cơ bản khác nhau, mà các vật liệu và vật liệu phụ trợ được sử dụng cũng khác nhau.

Mặt khác, những tiến bộ trong công nghệ kết nối FPC đòi hỏi hiệu suất tin cậy cao hơn từ FPC. Với mật độ mạch được cải thiện, các yêu cầu đa dạng và hiệu suất cao được đặt ra cho hiệu suất của FPC. Các yêu cầu về hiệu suất này phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ xử lý mạch hoặc vật liệu được sử dụng.

Các thành phần cơ bản của FPC

Thành phần cơ bản của bảng mạch in linh hoạt (FPC)

1. Chất nền

Chất nền của bảng mạch linh hoạt chủ yếu được làm từ polyimide (PI) hoặc màng polyester (PET), cung cấp nền tảng cấu trúc cho bảng. Polyimide có đặc tính chịu nhiệt độ cao và uốn tuyệt vời, làm cho nó trở thành vật liệu được lựa chọn cho nhiều ứng dụng. Mặt khác, màng polyester tương đối kinh tế, nhưng kém hơn PI về tính linh hoạt và khả năng chịu nhiệt độ cao.

2. Lớp dẫn điện

Lớp dẫn điện chủ yếu được làm bằng lá đồng, chịu trách nhiệm truyền tín hiệu điện tử. Việc xử lý bề mặt của lá đồng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất liên kết của nó, chẳng hạn như sự hình thành của bề mặt bóng hoặc mờ bằng cách mạ điện, những đặc điểm này ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy và hiệu suất của đường dây.

3. Lớp cách nhiệt

Lớp cách điện thường được làm bằng màng polyester hoặc polyimide, chức năng chính của nó là cô lập và bảo vệ lớp dẫn điện. Lớp cách nhiệt không chỉ đảm bảo sự cách ly điện giữa các mạch khác nhau mà còn ngăn chặn độ ẩm và bụi ảnh hưởng đến mạch và có vai trò bảo vệ quan trọng trong thiết kế nhiều lớp.

4. Bao gồm phim

Màng phủ là một thành phần quan trọng được sử dụng để bảo vệ bề mặt bảng mạch linh hoạt, với độ dày thông thường là 1 mils và 1/2 mils. Bộ phim này tăng cường độ bền của mạch trong khi cung cấp bảo vệ cách nhiệt bổ sung để giảm tác động của các yếu tố môi trường bên ngoài.

5. Chất kết dính

Vai trò của chất kết dính là cung cấp liên kết giữa lớp cách điện và lớp dẫn điện. Nó không chỉ được sử dụng để liên kết màng cách điện với vật liệu dẫn điện mà còn là lớp phủ để bảo vệ và cách nhiệt. Chất kết dính thường được phủ bằng công nghệ in màn hình.

6. Các yếu tố khác

Ngoài ra, bảng mạch linh hoạt cũng có thể chứa bảng gia cố để tăng cường độ bền cơ học và tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng chúng trong thực tế. Các tấm gia cố thường được đặt giữa các vật liệu khác để hỗ trợ thêm.

Tấm ván ép

Nhiều nhà sản xuất FPC thường mua laminate dưới dạng laminate và sau đó sử dụng laminate làm vật liệu khởi đầu để xử lý chúng thành các sản phẩm FPC. FPC laminate hoặc màng bảo vệ (màng phủ) sử dụng màng polyimide thế hệ đầu tiên được làm từ chất kết dính như epoxy hoặc acrylic. Chất kết dính được sử dụng ở đây có khả năng chịu nhiệt thấp hơn polyimide và khả năng chịu nhiệt hoặc các tính chất vật lý khác của FPC bị hạn chế.

Để tránh những bất lợi của việc sử dụng các chất kết dính truyền thống, FPC hiệu suất cao, bao gồm các mạch mật độ cao, sử dụng các tấm đồng không có chất kết dính. Cho đến nay, đã có nhiều phương pháp sản xuất, nhưng bây giờ có ba phương pháp có sẵn để sử dụng thực tế:

1) Quá trình đúc

Quá trình đúc sử dụng lá đồng làm nguyên liệu thô. Nhựa polyimide lỏng được phủ trực tiếp lên lá đồng được kích hoạt trên bề mặt và được xử lý nhiệt để tạo thành một bộ phim. Nhựa polyimide được sử dụng ở đây phải có độ bám dính tuyệt vời với lá đồng và độ ổn định kích thước tuyệt vời, nhưng không có nhựa polyimide nào có thể đáp ứng cả hai yêu cầu. Đầu tiên, một lớp nhựa polyimide mỏng (lớp liên kết) có độ bám dính tốt được phủ lên bề mặt của lá đồng kích hoạt và sau đó một độ dày nhất định của nhựa polyimide có độ ổn định kích thước tốt được phủ lên lớp liên kết (lớp lõi). Do các tính chất vật lý nhiệt khác nhau của các loại nhựa polyimide này, các hốc lớn sẽ xuất hiện trong màng cơ sở nếu lá đồng được khắc. Để ngăn chặn hiện tượng này, một lớp keo được phủ lên lớp lõi để có được sự đối xứng tốt của lớp cơ sở.

Để tạo ra một tấm đồng hai mặt, lớp liên kết sử dụng nhựa polyimide nhiệt dẻo (nóng chảy), sau đó lá đồng được ép trên lớp liên kết bằng phương pháp ép nóng.

2) Quá trình phún xạ/mạ

Vật liệu bắt đầu cho quá trình phún xạ/mạ là màng chịu nhiệt với độ ổn định kích thước tốt. Bước đầu tiên là sử dụng quy trình phún xạ để tạo thành một lớp hạt trên bề mặt màng polyimide được kích hoạt. Lớp tinh thể hạt này có thể đảm bảo sức mạnh kết hợp với lớp cơ sở của dây dẫn, đồng thời đảm nhận vai trò của lớp dây dẫn mạ điện. Hợp kim niken hoặc niken thường được sử dụng. Để đảm bảo tính dẫn điện, một lớp đồng mỏng được bắn lên một lớp hợp kim niken hoặc niken, sau đó đồng được mạ điện đến độ dày được chỉ định.

3) Phương pháp ép nóng

Phương pháp ép nóng là phủ nhựa nhiệt dẻo (nhựa liên kết nhiệt dẻo) lên bề mặt của màng polyimide chịu nhiệt có độ ổn định kích thước tốt, sau đó ép lá đồng lên nhựa nóng chảy ở nhiệt độ cao. Phim polyimide phức tạp được sử dụng ở đây.

Bộ phim polyimide phức tạp này có thể được mua từ các nhà sản xuất chuyên nghiệp và quy trình sản xuất tương đối đơn giản. Khi sản xuất tấm ốp đồng, màng composite và lá đồng được ép lại với nhau và ép nóng ở nhiệt độ cao. Đầu tư thiết bị tương đối nhỏ, thích hợp cho sản xuất số lượng nhỏ, đa chủng loại. Việc sản xuất tấm đồng hai mặt cũng dễ dàng hơn.

Một yếu tố vật liệu quan trọng khác tạo nên FPC là lớp bảo vệ (lớp phủ), hiện đã được đề xuất với nhiều loại vật liệu bảo vệ khác nhau. Lớp bảo vệ thực tế đầu tiên là lớp phủ cùng một màng chịu nhiệt như chất nền và sử dụng cùng một chất kết dính như lớp phủ đồng. Cấu trúc này được đặc trưng bởi sự đối xứng tốt và vẫn chiếm phần lớn của thị trường, thường được gọi là "lớp phủ phim". Tuy nhiên, lớp bảo vệ màng mỏng này gặp khó khăn trong việc tự động hóa quá trình xử lý, làm tăng chi phí sản xuất tổng thể và không thể đáp ứng nhu cầu của SMT mật độ cao, vốn đã trở thành chủ đạo trong những năm gần đây do khó khăn trong việc xử lý cửa sổ tốt.