Khi kiểm tra trần bảng mạch linh hoạt , bạn có thể nhận thấy bề mặt kim loại sáng. Những vùng sáng bóng này thường tạo ra quan niệm sai lầm phổ biến về cấu trúc bên ngoài của bo mạch. Bạn có thể cho rằng lớp mạ bao phủ toàn bộ bên ngoài. Không, lớp mạ nói chung không phải là lớp nhìn thấy được chính. Lớp nhìn thấy chủ yếu thực sự là lớp phủ, thường là màng polyimide. Mạ đóng vai trò như một lớp hoàn thiện bề mặt và chỉ xuất hiện ở những khu vực cụ thể, được tiếp xúc có chọn lọc.
Hiểu được mối quan hệ chính xác giữa đế đồng, lớp phủ và lớp mạ bề mặt là rất quan trọng đối với các kỹ sư và nhóm mua sắm. Việc chỉ định sai vật liệu mạ hoặc diện tích tiếp xúc có thể dẫn đến các vết nứt nhỏ trong quá trình uốn. Nó cũng có thể làm giảm năng suất lắp ráp hoặc gây ra hỏng hóc sớm. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ khám phá giải phẫu của các mạch linh hoạt. Bạn sẽ tìm hiểu lý do tại sao lớp mạ được áp dụng có chọn lọc, cách đánh giá các tùy chọn hoàn thiện bề mặt và cách chỉ định lớp mạ trong danh sách xếp chồng của bạn.
Bài học chính
Lớp cách điện chính có thể nhìn thấy được trên hầu hết các mạch linh hoạt là lớp phủ polyimide chứ không phải lớp mạ.
Lớp mạ bề mặt (chẳng hạn như ENIG, Vàng cứng hoặc Thiếc) chỉ được áp dụng có chọn lọc cho các miếng đệm, vias và đầu nối lộ ra ngoài để đảm bảo khả năng hàn và ngăn chặn quá trình oxy hóa.
Áp dụng lớp mạ trên các khu vực uốn động làm tăng độ cứng và nguy cơ hỏng hóc cơ học.
Lựa chọn bề mặt hoàn thiện phù hợp cho bảng mạch in linh hoạt đòi hỏi phải cân bằng thời hạn sử dụng, khả năng tương thích của đầu nối và các hạn chế về nhiệt độ lắp ráp.
Giải phẫu FPC: Lớp phủ so với lớp mạ bề mặt
Để hiểu những gì bạn thực sự nhìn thấy trên một mạch linh hoạt trần, bạn phải nhìn vào các lớp nền tảng của nó. Mỗi lớp phục vụ một mục đích cơ và điện riêng biệt.
Đồng cơ sở
Các nhà sản xuất khắc dấu vết dẫn điện từ một lá đồng rắn. Thông thường bạn sẽ gặp hai loại đồng. Đồng ủ cán (RA) có cấu trúc hạt thon dài. Điều này làm cho nó trở nên lý tưởng cho việc uốn động. Đồng lắng đọng điện (ED) có cấu trúc hạt thẳng đứng. Nó phù hợp với các ứng dụng flex tĩnh tốt hơn. Dù là loại nào thì đồng trần đều rất dễ bị oxy hóa. Nếu không được bảo vệ, độ ẩm môi trường và không khí sẽ làm giảm chất lượng đồng nhanh chóng. Điều này làm giảm độ dẫn điện và làm hỏng khả năng hàn.
Lớp phủ (Lớp hiển thị thực sự)
Vì đồng trần dễ bị phân hủy nên nhà sản xuất phải bảo vệ nó. Họ áp dụng một lớp phủ để che dấu vết. Lớp phủ hoạt động tương đương linh hoạt với mặt nạ hàn của bảng cứng. Nó thường bao gồm một màng polyimide (PI) được liên kết bằng chất kết dính acrylic hoặc epoxy. Khi bạn nhìn vào một mạch linh hoạt, lớp polyimide này là thứ bạn nhìn thấy chủ yếu. Nó bao phủ hơn 90% bề mặt của bảng. Lớp phủ cung cấp cách điện quan trọng. Nó cũng cung cấp khả năng bảo vệ vật lý mạnh mẽ chống trầy xước, bụi và hơi ẩm.
Lớp mạ bề mặt (Lớp kim loại lộ ra ngoài)
Bạn không thể hàn các thành phần trực tiếp qua lớp phủ polyimide. Các nhà sản xuất phải cố ý mở 'windows' trong lớp phủ. Chúng để lộ lớp đồng cơ bản tại các miếng đệm thành phần, các điểm tiếp xúc của đầu nối Lực chèn bằng không (ZIF) và các điểm kiểm tra. Mạ bề mặt là lớp hoàn thiện hóa học hoặc điện phân cuối cùng được áp dụng riêng cho các khu vực tiếp xúc này. Nó bảo vệ đồng cục bộ khỏi quá trình oxy hóa đồng thời đảm bảo bề mặt đáng tin cậy để hàn hoặc tiếp xúc cơ học. Mạ không phải là một lớp phủ phổ quát. Đó là một kết thúc kim loại được nhắm mục tiêu cao.
Tại sao mạ được áp dụng có chọn lọc (Thực tế về kỹ thuật và chi phí)
Bạn có thể thắc mắc tại sao chúng tôi không mạ toàn bộ lớp đồng trước khi phủ lớp phủ. Áp dụng các bề mặt hoàn thiện phổ biến trên một bảng mạch linh hoạt đưa ra các hình phạt nghiêm trọng về cơ và điện.
Rủi ro về tính linh hoạt cơ học
Kim loại mạ có các tính chất vật lý khác với đồng cơ bản. Các kim loại như niken và vàng vốn rất giòn. Đồng ủ cán uốn cong đẹp mắt. Các vết nứt của niken dưới cùng một ứng suất. Nếu bạn ghi toàn bộ dấu vết, bạn sẽ phá hủy bán kính uốn cong động của bảng. Khi bạn uốn cong một vết mạ hoàn toàn, lớp niken cứng bên dưới sẽ nứt ra. Những vết nứt nhỏ này lan truyền xuống đế đồng. Cuối cùng, dấu vết bị phá vỡ hoàn toàn, dẫn đến hiện tượng hở mạch thảm khốc.
Hiệu quả chi phí
Kim loại quý thúc đẩy chi phí hoàn thiện bề mặt. Các quy trình như ENIG (Vàng ngâm niken điện phân) hoặc Vàng cứng sử dụng các nguyên tố đắt tiền. Palladium và vàng có chi phí nguyên liệu thô cao. Lớp mạ chọn lọc chỉ hạn chế những kim loại đắt tiền này ở các điểm tiếp xúc chức năng. Bằng cách giữ lớp mạ được định vị ở các miếng đệm và đầu nối, bạn tối ưu hóa chi phí sản xuất. Áp dụng vàng trên các khu vực dấu vết không có chức năng sẽ gây lãng phí vốn.
Tính toàn vẹn và trở kháng tín hiệu
Lớp mạ liên tục làm thay đổi kích thước vật lý của dấu vết dẫn điện của bạn. Điều này phá vỡ các thiết kế trở kháng được kiểm soát. Khi bạn áp dụng lớp mạ ở mọi nơi, ba biến số sẽ thay đổi không thể đoán trước:
Độ dày dấu vết: Lớp mạ tăng thêm chiều cao thẳng đứng cho đường đồng.
Hình học dấu vết: Mạ hóa học có thể làm thay đổi hình dạng mặt cắt ngang của dấu vết.
Khoảng cách điện môi: Khoảng cách giữa bề mặt vết và mặt phẳng tham chiếu dịch chuyển.
Bằng cách giới hạn lớp mạ ở các miếng đệm thành phần, dấu vết tín hiệu tốc độ cao của bạn vẫn đồng nhất. Chúng giữ lại kích thước đồng chính xác được xác định trong quá trình khắc ban đầu.
Đánh giá các phương án mạ bề mặt cho bảng mạch in linh hoạt
Không phải tất cả các bề mặt hoàn thiện đều phục vụ cùng một mục đích. Bạn phải chọn lớp hoàn thiện dựa trên môi trường lắp ráp, nhu cầu về thời hạn sử dụng và các giao diện cơ học.
Vàng ngâm Niken điện phân (ENIG)
ENIG là một trong những loại hoàn thiện phổ biến nhất trong ngành. Nó phủ một lớp niken lên trên đồng, tiếp theo là một lớp vàng ngâm mỏng.
Tốt nhất cho: Các linh kiện có bước cao độ mịn, bề mặt phẳng và khả năng hàn đáng tin cậy. Vàng ngăn chặn quá trình oxy hóa, trong khi niken hoạt động như một lớp rào cản.
Hạn chế: Lớp lót niken cứng. Bạn phải tuyệt đối giữ ENIG ngoài khu vực uốn cong. Nếu lỗ mở của lớp phủ mở rộng thành vùng gấp, niken sẽ bị gãy trong quá trình uốn.
Vàng cứng
Vàng cứng sử dụng quy trình điện phân để tạo ra hợp kim vàng dày hơn, cứng hơn. Nó chứa các nguyên tố vi lượng như coban để tăng độ bền.
Tốt nhất cho: Các đầu nối ZIF, các điểm tiếp xúc trượt và các khu vực yêu cầu khả năng chống mài mòn vật lý cao. Nó tồn tại hàng trăm chu kỳ chèn.
Hạn chế: Nó đắt tiền và cực kỳ giòn. Bạn cần các quy tắc thiết kế cụ thể để đảm bảo khu vực uốn cong vẫn tách biệt về mặt vật lý với các ngón tay vàng cứng.
Thiếc ngâm & Bạc ngâm
Những lớp hoàn thiện này lắng đọng một lớp thiếc hoặc bạc mỏng trực tiếp lên các miếng đồng lộ ra ngoài.
Tốt nhất cho: Các ứng dụng có khối lượng lớn, nhạy cảm với chi phí. Chúng cung cấp các bề mặt phẳng tuyệt vời để hàn bước nhỏ.
Hạn chế: Chúng có thời hạn sử dụng ngắn. Cả hai đều dễ bị hư hỏng và bị xỉn màu. Bạn phải bảo quản chúng trong môi trường kín chân không, được kiểm soát chặt chẽ trước khi lắp ráp.
Chất bảo quản hàn hữu cơ (OSP)
OSP là một hợp chất hữu cơ gốc nước. Nó liên kết có chọn lọc với đồng, tạo thành một lớp bảo vệ cực nhỏ.
Tốt nhất cho: Hàn không chì, chi phí rất thấp. Nó giữ cho miếng đệm phẳng hoàn hảo mà không cần thêm bất kỳ độ dày kim loại nào.
Hạn chế: Nó không có khả năng bảo vệ chống lại sự mài mòn vật lý. OSP xuống cấp nhanh chóng sau chu kỳ nhiệt đầu tiên. Nó không phù hợp với các cụm chỉnh lại dòng nhiều lần.
Biểu đồ so sánh bề mặt hoàn thiện
Loại hoàn thiện
Lợi ích chính
Hạn chế lớn
Ứng dụng tốt nhất
ENIG
Bề mặt phẳng tuyệt vời, thời hạn sử dụng lâu dài
Niken cứng gây nứt ở vùng uốn cong
Miếng đệm thành phần SMT mật độ cao
Vàng cứng
Khả năng chống mài mòn vượt trội
Giá thành cao, độ giòn cao
Ngón tay kết nối ZIF, tiếp điểm trượt
Ngâm Thiếc/Bạc
Bề mặt phẳng, tiết kiệm chi phí
Dễ bị xỉn màu, cần bảo quản nghiêm ngặt
Xây dựng số lượng lớn, thời hạn sử dụng ngắn
OSP
Chi phí thấp nhất, không thêm độ dày
Suy thoái sau một chu kỳ chỉnh lại dòng
Lắp ráp SMT đơn giản một mặt
Mạ xuyên lỗ (PTH) so với mạ hoàn thiện bề mặt
Các kỹ sư thường nhầm lẫn lớp mạ bề mặt với lớp mạ xuyên lỗ. Mặc dù cả hai đều liên quan đến việc lắng đọng kim loại nhưng chúng đóng vai trò cấu trúc hoàn toàn khác nhau trong một thiết kế bảng mạch in linh hoạt .
Phân biệt hai quá trình
Lớp mạ kết cấu kết nối các lớp khác nhau của bảng. Các nhà sản xuất ký gửi đồng vào bên trong lỗ khoan. Điều này thiết lập tính liên tục về điện giữa các lớp trên và dưới. Chúng tôi gọi đây là công nghệ Mạ xuyên lỗ (PTH). Lớp mạ bảo vệ bề mặt thì khác. Đây là lớp hoàn thiện cuối cùng được phủ lên các miếng đệm và vòng hình khuyên PTH để bảo vệ đồng khỏi quá trình oxy hóa. PTH xây dựng cấu trúc mạch. Bề mặt hoàn thiện bảo vệ giao diện.
PTH trong bảng Flex
Thông qua việc mạ trên chất nền linh hoạt sẽ tạo ra những thách thức sản xuất độc đáo. Bảng Flex dựa trên chất kết dính acrylic hoặc polyimide. Những chất kết dính này có Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) cao. Trong quá trình lắp ráp lại, bo mạch nóng lên. Chất kết dính mở rộng nhanh chóng dọc theo trục Z. Sự mở rộng này kéo thùng đồng bên trong lỗ xuyên qua. Nếu lớp mạ đồng quá mỏng, thùng sẽ bị vỡ. Việc quản lý ứng suất trục Z này đòi hỏi sự lắng đọng đồng điện phân được kiểm soát chặt chẽ.
Các phương pháp hay nhất về kiểm tra quy tắc thiết kế (DRC)
Bạn phải định vị vias cẩn thận để tránh làm gãy lỗ mạ. Thực hiện theo các quy tắc cụ thể này trong quá trình bố trí của bạn:
Tránh các vùng uốn cong: Không bao giờ đặt vias ở các vùng uốn cong động hoặc tĩnh. Việc uốn làm căng thùng đồng cứng, gây ra hư hỏng ngay lập tức.
Sử dụng các phần được gia cố hóa: Đặt vias vào các khu vực được hỗ trợ bởi các thanh gia cố bất cứ khi nào có thể. Chất làm cứng hạn chế chuyển động và bảo vệ tính toàn vẹn của PTH.
Tăng vòng hình khuyên: Vật liệu Flex co lại và giãn ra trong quá trình sản xuất. Sử dụng các vòng hình khuyên lớn hơn để bù đắp cho sự dịch chuyển đăng ký giữa các lớp.
Đặc điểm kỹ thuật và mua sắm: Cách xác định lớp mạ trong ngăn xếp của bạn
Bạn không thể để các quyết định mạ có cơ hội. Hồ sơ sản xuất không rõ ràng dẫn đến năng suất lắp ráp kém. Bạn phải xác định rõ ràng các lớp hoàn thiện bề mặt và các lỗ mở lớp phủ trong ghi chú chế tạo của mình.
Xác định các lỗ mở của lớp phủ
Bạn phải chỉ định dung sai thích hợp cho việc đăng ký lớp phủ. Lớp phủ được khoan, đục lỗ hoặc cắt bằng tia laser trước khi được dán lên bảng. Đôi khi, sự thay đổi căn chỉnh xảy ra. Nếu lớp phủ chồng lên tấm đệm thành phần quá mức, nó sẽ tạo ra một mặt nạ. Hóa chất mạ không thể tiếp cận được đồng bị mắc kẹt. Điều này dẫn đến 'bỏ qua lớp mạ'. Nếu không mạ, đồng trần sẽ bị oxy hóa. Trong quá trình lắp ráp, chất hàn không chịu làm ướt đồng bị oxy hóa, tạo ra các mối nối bị lỗi. Luôn thiết kế các lỗ hở của lớp phủ lớn hơn tấm đồng bên dưới. Khoảng hở tiêu chuẩn thường là 0,05mm đến 0,10mm mỗi bên.
Căn chỉnh kết thúc với chiến lược lắp ráp
Lớp hoàn thiện bạn đã chọn phải phù hợp với khả năng của Nhà sản xuất Hợp đồng (CM) của bạn. Trước khi hoàn tất quá trình xếp chồng, hãy xác minh hồ sơ chỉnh lại dòng của họ. Nếu CM của bạn sử dụng nhiều chu trình nhiệt mạnh mẽ, OSP sẽ thất bại. Lớp hữu cơ cháy hết trong lần đi đầu tiên. Những lần đi tiếp theo sẽ khiến đồng trần bị oxy hóa. Trong các tình huống nhiều lượt, ENIG có khả năng phục hồi tốt hơn nhiều. Ngoài ra, hãy đảm bảo lớp hoàn thiện tương thích với các loại từ thông được sử dụng trong máy hàn sóng hoặc máy hàn chọn lọc.
Xác minh tuân thủ và nhà cung cấp
Khi lựa chọn một nhà sản xuất, hãy đánh giá sự tuân thủ của họ với các tiêu chuẩn ngành. Bạn nên tìm kiếm sự tuân thủ nghiêm ngặt các khả năng của IPC-6013. Tiêu chuẩn này quy định các thông số kỹ thuật về chất lượng và hiệu suất đối với hệ thống dây in linh hoạt. Đặt câu hỏi cụ thể về việc kiểm soát hóa chất của họ.
Ví dụ: xác minh khả năng kiểm soát độ dày niken của họ trong quy trình ENIG. Nếu nhà cung cấp quản lý bể ngâm vàng không tốt, điều đó có thể gây ra hiện tượng ăn mòn quá mức đối với lớp niken bên dưới. Chúng tôi gọi đây là hội chứng 'miếng đệm đen'. Trong các ứng dụng uốn, miếng đệm màu đen dẫn đến gãy mối hàn dễ gãy nghiêm trọng. Một nhà cung cấp đáng tin cậy sẽ cung cấp các báo cáo mặt cắt vi mô chứng minh độ dày lớp mạ của họ vẫn nằm trong dung sai chặt chẽ của IPC.
Phần kết luận
Mạ là một lớp chức năng, có tính bản địa hóa cao được thiết kế hoàn toàn để kết nối và hàn. Lớp phủ nhìn thấy được cung cấp khả năng bảo vệ cấu trúc và môi trường bao phủ phần lớn bảng. Hiểu được sự khác biệt này sẽ giúp bạn đưa ra lựa chọn vật liệu tốt hơn.
Luôn hoàn thiện bán kính uốn cong, vùng gấp và loại đầu nối cần thiết của bạn trước khi chọn lớp hoàn thiện bề mặt. Giữ các lớp hoàn thiện cứng như ENIG và Hard Gold cách xa các vùng ứng suất động để tránh các vết nứt vi mô. Căn chỉnh các lựa chọn mạ của bạn với hồ sơ nhiệt của nhà sản xuất để đảm bảo năng suất lắp ráp cao.
Đừng đoán khi nói đến việc sắp xếp vật liệu. Gửi các tệp Gerber và các yêu cầu xếp chồng của bạn cho đối tác sản xuất của bạn để được đánh giá toàn diện về Thiết kế cho Khả năng sản xuất (DFM). Việc xem xét DFM kỹ lưỡng sẽ đảm bảo các thông số kỹ thuật mạ của bạn hoàn toàn phù hợp với mục tiêu về độ tin cậy lâu dài của bạn.
Câu hỏi thường gặp
Hỏi: Bạn có thể mạ toàn bộ bề mặt của một bảng mạch linh hoạt không?
Đáp: Về mặt kỹ thuật thì có thể nhưng rất không được khuyến khích. Các kim loại mạ như niken và vàng rất cứng. Phủ toàn bộ bề mặt gây mất tính linh hoạt. Bảng trở nên cứng, làm tăng nguy cơ nứt vết nghiêm trọng khi bị uốn cong. Nó cũng phải gánh chịu chi phí vật chất quá cao mà không tăng thêm giá trị chức năng.
Hỏi: Tại sao các đầu nối của bảng mạch linh hoạt của tôi trông khác với các miếng đệm thành phần?
Đáp: Các khu vực khác nhau phục vụ các chức năng khác nhau. Các đầu nối, được gọi là ngón tay, thường yêu cầu Vàng cứng. Hợp kim dày này mang lại độ bền tuyệt vời cho các chu kỳ lắp lặp đi lặp lại vào ổ cắm ZIF. Các miếng đệm thành phần yêu cầu khả năng hàn tối ưu hơn là khả năng chống mài mòn vật lý, vì vậy chúng thường được hoàn thiện bằng ENIG hoặc OSP.
Hỏi: Độ dày của lớp mạ có ảnh hưởng đến bán kính uốn cong không?
Đ: Vâng. Lớp mạ dày hơn hạn chế đáng kể bán kính uốn cong cho phép. Các lớp cứng, đặc biệt là lớp lót niken dày trong lớp hoàn thiện ENIG, không thể co giãn như đồng nền. Lớp mạ dày giới hạn bo mạch ở các ứng dụng 'flex-to-install' đơn giản thay vì các tình huống uốn động liên tục.
