Прототипы гибких печатных плат
В течение десятилетий гибкие печатные платы были решением для подвижных соединений, они должны быть легкими и занимать мало места, или используются при необходимости быстрого подключения. Гибкие печатные платы обычно выполняют только пассивную функцию передачи сигналов. Они заменяют кабели и часто встречаются в клавиатурах – в составе переключателей – и включают в себя электронные компоненты передачи сигналов. Гибкие печатные платы часто комбинируются с одной или двумя жесткими печатными платами (жесткая – гибкая печатная плата), соединяющие жесткие платы напрямую без разъемов. Таким образом, они устраняют проблемы, вызванные разъемами при высокоскоростной передаче данных. Другие актуальные области применения такие как, светодиодное освещение, антенны для ПК и мобильных устройств, различные датчики, и датчики контроля движения или датчики доставки лекарств. Они незаменимы в носимых устройствах.
Гибкие печатные платы
Гибкие печатные платы (FPCBs) обычно создаются на тонкой полиимидной (PI) пленке в качестве подложки или сердцевины, на которую наносится медное покрытие. После обработки медный слой защищается покровным слоем, с открытыми для доступа контактными площадками. Полиимид обладает высокой механической стабильностью в широком диапазоне температур, химической стойкостью, высокой теплопроводностью и диэлектрической проницаемостью. В гибких печатных платах используются различные пленочные полимеры, такие как полиэстер (PET), различные полиэтилены (PEN, PEI), фторполимеры… FPCB являются многофункциональными и могут быть одно-, двух- или многослойными, со сквозными отверстиями и обработкой поверхности, аналогичной жестким печатным платам. Хотя в массовом производстве медный слой структурируется химическим травлением, для вскрытия покровного слоя и точной резки гибких печатных плат предпочтительно использовать лазерные системы.
Прототипирование
Односторонние гибкие печатные платы можно легко фрезеровать как плоскую подложку с помощью плоттеров LPKF для печатных плат серии LPKF ProtoMat. Однако обработка двусторонних гибких печатных плат практически невозможна с помощью механического фрезерования, поскольку структурирование меди сверху или снизу приведет к неровностям в тонкой пленке. При лазерном структурировании или контролируемом отслоении меди с помощью лазера неровность поверхности, вызванная обработкой противоположной стороны, не оказывает большого влияния на процесс удаления меди или металла с обратной. Лазерная обработка в основном зависит от типа и метода используемого клея, а также от материала сердцевины и толщины металлического слоя по сравнению с толщиной полимера сердцевины. За исключением пикосекундных лазеров, при лазерной абляции выделяется некоторое количество тепла, которое может воздействовать на основной материал. Полимеры хорошо разрезаются лазером (предпочтительно ультрафиолетовыми).
Компания LPKF использует две стратегии для лазерной обработки гибких печатных плат:
1. Структурирование с отслаиванием больших участков, где клей высвобождается(расплавляется) под
воздействием тепла (более быстрый метод с минимальным воздействием на субстрат, запатентованный процесс LPKF).
2. Структурирование с построчным удалением материала, при котором связующий материал не плавится под воздействием тепла лазера (т.е. чрезвычайно термостойкие специальные материалы, материалы без адгезивного слоя, …)
Не все материалы могут быть успешно или подходящим образом обработаны с помощью разных типов ProtoLaser. LPKF ProtoLaser R4, основанный на новом зеленом пикосекундном лазерном источнике, открыл много новых возможностей.
Для лучшего понимания различий между лазерными системами, а также оценки применения, технические данные приведены в качестве справочной информации в следующей таблице:
| Характеристика | ProtoLaser U4 | ProtoLaser S4 | ProtoLaser S | ProtoLaser R | ProtoLaser R4 |
|---|---|---|---|---|---|
| Макс. размер материала и площадь макета | 229 x 305 x 10 мм | 229 x 305 x 10 мм | 229 x 305 x 10 мм | 229 x 305 x 10 мм | 229 x 305 x 10 мм |
| Длина волнылазера | 355 нм | 532 нм | 1,064 нм | 1,030 нм | 515 nm |
| Частота лазерного импулься | 25-300 кГц | 25-300 кГц | 15-200 кГц | 40/100/200 kHz | 50 – 500 kHz |
| Длительность лазерного импульса | 2 -5 нс | 1 нс | 1 нс | 1 пс | 1.5 пс |
| Мощность лазера | Макс. 6 W | Макс. 12 W | Макс. 12 W | Макс. 4 W | Макс. 8 W |
| Диаметр лазерного пятна в фокусе | 20 µm | 23 µm | 25 µm | 15 µm | 15 µm |
Обработка каптона от DuPont
Kapton” от DuPont ‘” является распространенным и популярным материалом полиимидного сердечника.
Обладая высокой термической стабильностью в широком диапазоне температур, высокой электроизоляцией, низким поглощением влаги, воспламеняемостью по UL 94 V-0, Kapton” является распространенным выбором для гибких печатных плат.
Резка каптоновой фольги или вырезание трафаретов SMD отлично выполняется лазерными системами на основе УФ-излучения, такими как ProtoLaser U4, также хорошо с ProtoLaser S4 (см. рисунок 1), но очень плохо с ProtoLaser S (1,064 нм). Более короткие длины волн лучше поглощаются материалом, и процесс абляции проходит лучше, в то время как более длинные ИК-волны обычно расплавляют Kapton® под воздействием тепла. Это приводит к размытым краям и хорошо заметному обугливанию.
Благодаря расширенным возможностям, таким как точный режим низкого энергопотребления в ProtoLaser U4, позволяет хорошо контролировать глубину процесса абляции на пленке Kapton°. Например, в микрофлюидных приложениях, таких как Lab-on-a-Foil или мастера для форм PMDS.
DuPont” Pyralux” – это семейство ламинатов с медным покрытием на основе материала Kapton*. Ламинаты различаются по составу связующего слоя между сердечником и медью, который может быть:
– Клей на акриловой основе (например,Pyralux® LF)
– Полиимиды (например,Pyralux® AP, Pyralux® AC, Pyralux® CG)
– На основефторполимера -тефлон°(например, Pyralux® TK)
Рисунок 1: Трафарет DuPont° Kapton™ 125um (5miI)
Рисунок 2: Глубокая гравировка с помощью ProtoLaser U4
Структурирование меди (лазерное структурирование) зависит от связующего слоя. Запатентованная компанией LPKF технология, для удаления больших полигонов меди, вместо того, чтобы удалять их построчно, разрезает выбранные большие участки на тонкие полоски, которые удаляются с помощью лазерного нагрева и сжатого воздуха(воздушный нож).
LPKF ProtoLaser S4, а также ProtoLaser U4 могут обрабатывать специальный материал для высокоскоростных цифровых и высокочастотных приложений – Pyralux° TK. Благодаря тефлоновому слою, который практически прозрачен для лазерного излучения, но имеет лишь ограниченную адгезию, большие участки меди удаляются очень гладко с минимальным воздействием на подложку. Сверление и резка любых форм контуров выполняются с прекрасными результатами. На рисунках 3-4 показан двусторонний паттерн, выполненный с помощью ProtoLaser U4: сверление DuPont° Pyralux® TK 125712, двухстороннее структурирование (лазерное структурирование) и контурная резка.
Рис. 3 Двухсторонний гибкий образец,
обработанный с помощью ProtoLaser U4
Рис. 4: Двусторонний гибкий образц (100x),
обработанный с помощью ProtoLaser U
Рис. 5 Двухсторонний гибкий образец,
обработанный с помощью ProtoLaser S4
Рис. 6: Двусторонний гибкий образц (100x),
обработанный с помощью ProtoLaser S4
Обработка с помощью ProtoLaser S4 предлагает два подхода. Аналогично рисункам 3 – 6, со штриховкой и расслаиванием результат выглядит аналогично, на поверхности остаются видимые линии штриховки, как показано на рисунке 7. Другая возможность предлагаемая только ProtoLaser R4, – это сочетание аблирования в комбинации направлений X и Y в тепловом режиме, а последние 2 микрона меди и тонкий слой Teflon® аблируются в холодном режиме. При таком подходе поверхность Kapton остается без термического напряжения и следов (рис. 8).
Рис. 7 Двухсторонний гибкий образец, обработанный с помощью ProtoLaser R4 (нагрев и отслоение)
Рис. 8: Двусторонний гибкий образц (100x), обработанный с помощью ProtoLaser R4 в сочетании с холодной абляцией
Обработка Пиралюкс AP
Результаты использования ProtoLaser U4 (или более раннего U3) при обработке Pyralux° AP менее обнадеживающие. Были структурированы небольшие двухсторонние образцы. Тепловое воздействие на материал относительно велико.
Следующие примеры демонстрируют двухстороннее структурирование Pyralux° AP 8565R (толщина диэлектрика 6 мил/150 мкм, толщина меди 0,5 унции/18 мкм) и методы штриховки и деламинирования на Pyralux® AP 8535R.
С другой стороны, ProtoLaser U4 и ProtoLaser S4 могут успешно и быстро сверлить и резать Pyralux° AP. На рис. 9 показан пример резки и сверления Pyralux^ AP 8535R (толщина диэлектрика 3 mil/75 мкм, толщина меди 0,5 oz/18 мкм).
Двухсторонний Pyralux AP 8565R
DuPont Pyralux AP 8535R
Рис 9: Резка и сверление Pyralux^ AP 8535R
Покровные слои
Вскрытие уже ламинированных покровных слоев является типичным процессом для УФ-лазеров при производстве гибких печатных плат. Покровный слой также может быть вырезан перед ламинированием. Для обоих методов предпочтительно использовать ProtoLaser U4, хотя и ProtoLaser S4 также может использоваться для этих задач.
Рис. 10: Обработка покровного слоя
Рис. 11: Поперечное сечение просверленного сквозного отверстия УФ-излучением; толщина материала 125 мкм
Рис. 12: Отверстие просверленное механически толщина материала 125 мкм
Рис.13: Отверстие, просверленное УФ-лазером, толщина материала 125 мкм
Сверление и перфорирование сквозных отверстий
Сверление и резка тонкого гибкого материала – типичный процесс для ProtoLaser. Наиболее подходящим материалом для лазерной обработки поверхности по результатам наших испытаний является Dupont Pyralux° TK с двумя внешними слоями тефлона. Однако из-за прозрачности тефлона для УФ-излучения поставщик советует отказаться от УФ-сверления и это хорошо видено на рисунке 11, где в поперечном сечении более короткий слой Kapton° в середине соединен с верхним и нижним слоем тефлона.
Сквозные отверстия были изготовлены с помощью гальванической системы Contac S4 компании LPKF для жестких печатных плат. Эти же образцы были просверлены механически для сравнения результатов нанесения сквозных отверстий. Механическое сверление дает более прямой срез, но покрытие отверстий, просверленных лазером, является достаточно надежным, т.к. образцы не подвергались термическому или механическому воздействию лазера.
Для большей наглядности тест был повторен с ProtoLaser S4 (532 нм), выявив тот же эффект сужения каптоновой* сердцевины, связанной с тефлоновым* слоем, устойчивым к лазерному излучению, и независимо от геометрии, осажденный слой меди остается постоянным (рис. 14).
Рис. 14: Серия гальванических сквозных отверстий, просверленных с помощью ProtoLaser S4 на Pyralux° TK127512; ; толщина материала 125 мкм.
Точная абляция материала
Пикосекундный лазер LPKF ProtoLaser R обеспечивает абляцию практически без зоны термического влияния (HAZ) и точное удаление материала. На следующих фотографиях показан образец с Cu 12 µm на 50 µm полиимида (PyraluxTK125012R). На рисунке 15 показан равномерный уровень оставшейся меди после одного прохода, и на рисунке 16 – полностью удаленная медь после второго прохода. После такого анализа процесс может быть оптимизирован, при необходимости, для дальнейшего уменьшения повреждения базового слоя. Были обработаны различные гибкие и тонкослойные полимеры. Для успешной обработки существенно найти правильный порог длины волны для каждого материала.
Рис. 15: Частично удаленная медь после первого прохода
Рис 16. Полностью удаленная медь после второго прохода
PEEK UHMWPE со слоем Au
С помощью лазера ProtoLaser U4 был обработан полиэфирэфиркетон UHMWPE с покрытием Au. Образец был успешно структурирован с проводниками шириной 50 µm и расстоянием между ними 20 µm. Кроме того, образец был обработан с помощью пикосекундной лазерной системы ProtoLaser R, что позволило достичь 25 µm щирины проводников и 15 µm расстояния между ними. Однако сверление и резка невозможны.
Рис. 17: PEEK UHMWPE Au, подвергнутый абляции с помощью ProtoLaser U4
Рис. 18: Деталь ПЭЭК СВМПЭ при 150-кратном увеличении
Майлар* ПЭТ
Улучшенные ПЭТФ являются традиционными материалами в электронике. Благодаря химической стойкости, термостойкости, хорошим изоляционным свойствам, прозрачности, влагостойкости, возможности печати и легкому нанесению алюминиевого покрытия, они используются для изготовления конденсаторов с начала 1950-х годов. Помимо прочего, сегодня ПЭТ используются в специальных клавиатурах, гибкой электронике и умной упаковке.
Антенна из гибкой ПЭТ-пленки (рис. 19) была структурирована путем абляции алюминия с помощью ИК-лазера ProtoLaser S (1064 нм). Лазер ProtoLaser S4 (532 нм) также может резать материал PET в дополнение к абляции, но прозрачность, к сожалению, вызывает потери из-за теплового нагрева.
Рис. 19: ПЭТ, ProtoLaser S
Рис 20. ПЭТ, ProtoLaser S4
Ультрафиолетовые лазерные системы предлагают больше возможностей для обработки, например, точное
структурирование различных металлов, сверление отверстий и резка.
Удаление металлов с очень тонкой фольги было протестировано с помощью ProtoLaser R.
Рис. 21: Cu на SiPET, ProtoLaser U4
Рис. 22: TiPt на PET, ProtoLaser U4
Рис. 22: 23: ПЭТ, протолазер R
Krempel Group AKAFLEX KCL 2-9/25полиимид
Еще один полиимид, испытанный с помощью ИК- и УФ-лазеров, был получен от Krempel Group. Обработка УФ-лазером имеет преимущества при сверлении и резке.
Рис. 25: Структурированная группа Кремпеля AKAFLE X KCL 2-9/25 полиимид Cu с ProtoLaser S (ИК лазер 1064 нм)
Выберите систему LPKF
Различные варианты лазеров и возможностей системы позволяют найти правильный баланс между стоимостью и качеством. Как для специальных применений, так и для массового производства оборудование для лазерной обработки LPKF является прекрасным решением. Системы работают как отдельные устройства или как компоненты производственных линий, могут быть адаптированы под различные требования обработки в электронной промышленности. Портфолио включает УФ-лазеры, зеленые лазеры и ИК-лазеры.
