Flex-piirilevyjen kokoonpano: Piirilevyprototyypit, valmistus ja kokoonpano

SMT-kokoonpano, BGA-kokoonpano, läpivientikokoonpano, seka-kokoonpano
Piirilevyjen kokoonpano- tai kokonaisvalmisteiset elektroniikkakokoonpanopalvelut tuottavat PCBA:n tai valmiin elektroniikkakokoonpanon.

Flex piirilevyjen kokoonpano

Jokaisessa tuotteessa, jossa on päälle/pois-kytkin, on jonkinlainen piirilevy.

Useimmissa tapauksissa valmistajat ja kuluttajat ovat tottuneet näkemään piirilevyt perinteisessä muodossaan – litteinä, suorakulmaisina levyinä, jotka asennetaan litteisiin, suorakulmaisiin tuotteisiin kuten televisioihin ja kannettaviin tietokoneisiin.

Mutta uudet ergonomiset tuotesuunnittelut ja wearble-teknologian yleistyminen muuttavat pelisääntöjä valmistajille.

Nyt piirilevyjä voidaan rakentaa sopimaan tiukkoihin, kolmiulotteisiin tiloihin samalla varmistamalla kestävyys mekaaniselle kulumiselle ja värähtelylle.

Flex-piirilevyt antavat valmistajille mahdollisuuden olla luovempia kuin koskaan.

2010-luvun alkuun asti flex-piirilevyjen kokoonpano oli erittäin kallista sekä materiaalien että tarvittavien työtuntien osalta. Lisäksi nämä varhaiset flex-piirilevyt toimivat harvoin yhtä luotettavasti kuin jäykät vastineensa.

Mutta kun flex-piirilevyjen kokoonpanokustannukset laskevat, niiden esiintyvyys arkipäiväisissä tuotteissa kasvaa räjähdysmäisesti.

Flex-piirilevyjen kokoonpanon haasteet

Flex-piirilevyt ja rigid flex -piirilevyt asettavat valmistajille merkittäviä haasteita.

Suuret tai painavat komponentit voivat aiheuttaa haasteita kokoonpanoprosessissa, mikä edellyttää huolellista käsittelyä ja erikoistuneita laitteita. Komponenttien paino voi vaikuttaa juottoliitosten laatuun, mikä voi johtaa ongelmiin kuten juottoliitosten halkeamiin tai väärään kohdistukseen.

Kun taas jäykät piirilevyt standardoiduilla mitoilla helpottavat kokoonpanijoiden työtä mahdollistamalla erittäin kehittyneet, liukuhihnatyyliset prosessit, jotka sopivat laajan valikoiman levyjen valmistukseen, jokainen flex-piirilevy tulee arvioida yksilöllisesti.

Ensinnäkin flex-piirilevyn tukipaletin on sovittava sen ainutlaatuiseen, joustavaan muotoon.

Erittäin kevyet flex-piirilevyt eivät yleensä asetu tasaisesti paletin pinnalle, ja kaksipuolisten flex-piirilevyjen tapauksessa kokoonpanijoiden on suunniteltava paletti, joka huomioi sekä ylä- että alapuolen piirikonfiguraation.

Jos flex-piirilevy ei ole tasaisesti paletin pinnalla, piirilevyn alla oleva ilmatyyny voi aiheuttaa mekaanista vastusta juotospastan seulonnassa ja SMT-pick-and-place-prosesseissa.

Pohjimmiltaan ilmatyyny toimii kuin trampoliini ja saa komponentit pomppimaan pois kokoonpanosta kiinnittymättä piirikalvoon.

Tämä edellyttää erikoistyökaluja ja varmistuslaitteita, joita voidaan säätää ainutlaatuisten joustavien piirilevyjen suunnittelua varten.

Räätälöity palettigeometria varmistaa, että piirilevy on tasainen vaikka sen paksuus vaihtelee eri kohdissa.

SMT-pick-and-place-koneet toimivat yleensä nopeasti ja erittäin pienellä virhemarginaalilla. Pieninkin ero nimellisten piirilevymittojen ja todellisen flex-piirilevyn geometrian välillä voi aiheuttaa ongelmia kokoonpanoprosessissa.

Flex-piirilevyjen kokoonpanoprosessi

Flex-piirilevyjen kokoonpano on komponenttien asennusprosessi. Tämä prosessi on samankaltainen kuin jäykissä piirilevyissä.
Alla oleva kuva esittää prosessivirtauksen.

Materiaaliluettelo

BOM (Bill of Materials) eli materiaaliluettelo on lista piirilevyn kokoonpanoon tarvittavista komponenteista.

Flex-piirilevyn kuivaus

Flex-piirilevypinnoitus asetetaan ja lähetetään kuivausprosessiin vähentämään levyn sisällä olevaa kosteutta. Kuivausprosessin lämpötila ja kesto riippuvat piirilevyn kokonaispaksuudesta.

Flex-piirilevyn kokonaispaksuus	Kuivauksen kesto ja lämpötila
Enintään 1 mm (39 mils)	Vähintään 2 tuntia 120 °C:ssa
> Yli 1 mm – 1,8 mm (70 mils)	Vähintään 4 tuntia 120 °C:ssa
> Yli 1,8 mm – 4 mm (157 mils)	Vähintään 6 tuntia 120 °C:ssa

Juotospastan tulostus

Kuivauksen jälkeen levy läpikäy juotospastan tulostusprosessin. Tässä prosessissa juotospastaa levitetään piirilevyn pinnalle. Päämääränä on juottaa kontaktipohjat piirilevyyn. Tämä tehdään seulontatulostamalla juotospasta stensiilin läpi. Työkalua nimeltä raaputuslanka käytetään soveltamaan tarvittavaa voimaa juotospastaan sen liikuttamiseksi stensiilin yli. Raaputuslangat valmistetaan yleensä metallista tai polyuretaanista.

Uudelleenjuottaminen

Uudelleenjuottaminen on prosessi, jossa komponentit esilämmitetään ja juotos sulatetaan piirilevyllä saavuttaakseen hyvät juottoliitokset levyn ja komponenttien välille. Komponentit kiinnitetään flex-piirilevyyn juotospastan avulla. Tämä juotospasta sulaa uudelleenjuottamisprosessissa ja jäähtyy muodostaen hyvän juottoliitoksen. Tapahtuma tapahtuu uudelleenjuottausuuneissa. Näissä uuneissa on erilaisia lämmitysvyöhykkeitä. Jokaisella lämmitysvyöhykkeellä on oma lämpötilansa, joka on asetettu kokoonpanoprosessin juotosprofiilien mukaan.

Uudelleenjuottamisessa on neljä vaihetta:

Esilämmitysvaiheessa lämpö kertyy piirilevyyn ja komponentteihin. Lämpötilan tulisi muuttua asteittain, koska nopeat lämpötilanmuutokset voivat vaurioittaa komponentteja. Yleensä lämpötilan muutos on enintään 2°C/sekunti. Tämä tieto löytyy juotospastan teknisten tietojen lehtestä.

Lämpökäsittelyvaiheessa kontaktipohjien ja komponenttien johdinten hapettumista vähennetään aktivoimalla fluksi.

Uudelleenjuottausvaiheessa juotospasta sulaa ja prosessi saavuttaa maksimilämpötilansa (alle komponenttien sallitun maksimilämpötilan). Käsitelty levy jäähdytetään sitten ja juotosseos jähmettyy muodostaen juottoliitokset.

Seuraavissa vaiheissa flex-piirilevy tarkastetaan optisesti ja testataan sähköisesti varmistaakseen, että se on 100% virheetön. Testauksen jälkeen se leikataan paneelista irti ja lähetetään lopulliseen laaduntarkastukseen (FQC). FQC:n jälkeen piirilevy lähetetään pakkaukseen ja varastointiin.

Flex-piirilevyjen lämpörajoitusten huomioiminen

Toinen piirilevyjen kokoonpanijoiden huomioitava ongelma on lämpöherkkyys.

Koska flex-piirilevyt ovat paljon ohuempia kuin jäykät piirilevyt, juottamiseen käytetty lämpö ei voi hävitä minnekään – se kaikki kulkee suoraan tynnyrin läpi.

Flex-piirilevyjen juottaminen edellyttää tarkkojen juottotyökalujen käyttöä erittäin kokeneen teknikon käsissä. Virhemarginaali on paljon pienempi kuin jäykissä piirilevyissä.

Flex-piirilevyjä valmistavien tukiteknologioiden jatkuvat edistysaskeleet varmistavat, että kokoonpanijat, jotka investoivat viimeisimpiin työkalusetteihin ja teknikoiden koulutukseen, voivat alentaa kustannuksia ja parantaa tuottavuutta valmistettaessa flex-piirilevyjä uusiin tuotteisiin.

Flex-piirilevyjen kokoonpanon suunnitteluohjeet

Tärkeimmät flex-piirilevyjen kokoonpanon spesifikaatiot, jotka suunnittelijan tulee tietää.

Perusmateriaalit

Yleisin flex-piirilevyissä käytetty perusmateriaali on polyimidikalvot. Nämä materiaalit ovat joustavia ja ohuita. Valitse materiaali, jolla on hyvä lämmönkestävyys ja sähkönjohtavuus.

Kerrosten määrä

Flex-piirilevyn kerrosten määrä riippuu siitä, mihin sovellukseen sitä käytetään. Dynaamisissa sovelluksissa valitaan yhden kerroksen levy. Staattisissa sovelluksissa kerrosten määrä voi vaihdella 4-8 välillä.

Taivutussäde

Taivutussäde määrittää levyn taipuisuuden. Yleensä näiden levyjen taivutus

Flex-piirilevyjen kokoonpanon ominaisuudet

Aputarvikkeiden käyttö

Flex-piirilevyt ovat alttiita kulumiselle ja vaurioitumiselle, koska ne ovat ohuita ja kevyitä. SMT-komponenttien onnistuneeseen kokoonpanoon käytetään jäykkiä kantajia. Kantajan asento ja tasaisuus ovat erittäin tärkeitä kokoonpanoprosessissa. Flex-piirilevyjen kokoonpanossa käytetään lukuisia aputarvikkeita, kuten levyjen kuljetusalustoja, kuivaus-, sähkötestaus-, toiminnallisuustestaus- ja leikkauslaitteistoja.

Matala komponenttitiheys

Flex-piirilevyille voidaan asentaa suhteellisen vähän komponentteja verrattuna jäykkään piirilevyyn.

Korkeat laatuvaatimukset

Yleensä näitä piirilevyjä käytetään sovelluksissa, joissa vaaditaan toistuvaa taivuttelua. Kokoonpanossa käytettävien komponenttien on täytettävä käyttöolosuhteiden vaatimukset. Siksi flex-piirilevyt asettavat korkeammat standardit puhtaudelle ja juottoluotettavuudelle verrattuna jäykkään piirilevyyn.

Huolellisesti harkitsemalla komponenttien tyyppiä, kokoa ja mekaanisia ominaisuuksia piirilevysuunnittelijat voivat optimoida joustavat piirilevysuunnitelmat varmistaakseen luotettavuuden ja suorituskyvyn, erityisesti sovelluksissa, joissa joustavuus on kriittistä. Kuten aina, valmistajien kanssa tehtävä yhteistyö suunnitteluvaiheessa voi auttaa tunnistamaan ja ratkaisemaan joustaviin piirilevyihin liittyviä mahdollisia ongelmia komponenttien sijoittelussa.