Flexibel kretskortsmontering:Kretskortsprototyper, Tillverkning och Montering

SMT-montering, BGA-montering, Genomhullmontering, Blandad montering
Kretskortsmontering eller Box build-montering levererar en PCBA eller en komplett elektronikmontering i en låda

Flexibel kretskortsmontering

Varje produkt med en på/av-knapp har någon form av kretskort inuti.

För det mesta är tillverkare och konsumenter vana vid att se kretskort i deras traditionella format – platta, rektangulära kretskort som monteras i platta, rektangulära produkter som tv-apparater och bärbara datorer.

Men nya ergonomiska produktdesigns och spridningen av bärbar teknik förändrar spelreglerna för tillverkare.

Nu kan man bygga kretskort som passar i trånga, tredimensionella utrymmen samtidigt som de säkerställer motståndskraft mot mekanisk slitage och vibrationer.

Flexibla kretskort gör det möjligt för tillverkare att vara mer kreativa än någonsin.

Fram till början av 2010-talet var montering av flexibla kretskort oöverkomligt dyrt, både när det gäller material och arbetstimmar som krävdes för att slutföra en design. Dessutom fungerade dessa tidiga flexibla kretskort sällan lika tillförlitligt som deras styva motsvarigheter.

Men när monteringskostnaderna för flexibla kretskort sjunker, ökar deras närvaro i vardagsprodukter kraftigt.

Utmaningar med flexibel kretskortsmontering

Flexibla kretskort och flex-rigida kretskort innebär betydande utmaningar för tillverkare.

Stora eller tunga komponenter kan innebära utmaningar under monteringsprocessen och kräver noggrann hantering och specialutrustning. Vikten av komponenter kan påverka kvaliteten på lödningarna, vilket potentiellt kan leda till problem som sprickbildning eller feljustering av lödningar.

Medan standardiserade dimensioner på styva kretskort gör det enkelt för monterare att skapa högteknologiska, löpande band-liknande processer som fungerar för att tillverka ett brett utbud av kretskort, måste varje enskilt flexibelt kretskort bedömas individuellt.

Först måste pallen som stöder det flexibla kretskortet anpassas till dess unika, flexibla form.

Extralätta flexibla kretskort ligger sällan helt platta på en pall, och när det gäller dubbelsidiga flexibla kretskort måste monterare designa en pall som tar hänsyn till både den övre och nedre kretskonfigurationen.

Om det flexibla kretskortet inte ligger platt på pallen, kan en luftkudde under kretskortet skapa mekaniskt motstånd under lödpastatryckning och SMT pick-and-place-processer.

I grund och botten kommer luftkudden att fungera som en trampolin och få komponenter att studsa bort från monteringen istället för att fästa vid kretsmembranet.

Detta kräver specialverktyg och backup-fixturer som kan kalibreras för unika flexibla kretsdesigns.

Anpassad pallgeometri säkerställer att kretskortet ligger platt även om det har olika tjocklek på olika ställen.

SMT pick-and-place-maskiner arbetar vanligtvis med hög hastighet och med extremt liten felmarginal. Den minsta skillnaden mellan nominella kretsdimensioner och den faktiska geometrin hos det flexibla kretskortet kan skapa problem i monteringsprocessen.

Process för montering av flexibla kretskort

Montering av flexibla kretskort är processen att montera komponenter. Denna process liknar den för styva kretskort. Bilden nedan visar processflödet.
Nedanstående bild visar processflödet.

Materiallista (BOM)

BOM eller materiallista är en lista över komponenter som krävs för att montera ett kretskort.

Ugnstorkning av flexibla kretskort

En stack-up av flexibla kretskort sätts samman och skickas till ugnstorkningsprocessen för att minska mängden fukt inuti kretskortet. Temperaturen och varaktigheten för ugnstorkningen beror på kretskortets totala tjocklek.

Total tjocklek av flexibelt kretskort	Varaktighet och temperatur för ugnstorknin g
Upp till 1 mm (39 mils)	Minst 2 timmar vid 120 °C
> 1 mm upp till 1,8 mm (70 mils)	Minst 4 timmar vid 120 °C
> 1,8 mm upp till 4 mm (157 mils)	Minst 6 timmar vid 120 °C

Lödpastatryckning

Efter ugnstorkning genomgår kretskortet lödpastatryckning. I denna process appliceras lödpasta på kretskortets yta. Huvudmålet här är att löda fötter på kretskortet. Detta görs genom att screen-trycka lödpastan genom en stencil. Ett verktyg som kallas squeegee används för att applicera den nödvändiga kraften på lödpastan för att flytta den över stencilen. Squeegees är vanligtvis tillverkade av metall eller polyuretan.

Reflowlödning

Reflowlödning är en process där komponenter förvärmas och lödet på kretskortet smälts för att skapa lödningar mellan kretskortet och komponenterna. Komponenterna limmas fast vid det flexibla kretskortet av lödpastan. Denna lödpasta smälter under reflowlödningsprocessen och svalnar sedan för att skapa en bra lödning. Detta sker i reflowugnar. Dessa ugnar har olika värmezoner. Varje värmezon har sin temperatur inställd enligt lödprofilerna för monteringsprocessen.

Reflowlödning har fyra steg:

I förvärmningsstadiet ackumuleras värme i kretskortet och komponenterna. Temperaturen bör förändras gradvis eftersom snabba temperaturförändringar kan skada komponenterna. Generellt sett är temperaturförändringen högst 2°C per sekund. Denna information finns i lödpastans datablad.

Under termisk inblandningsstadium minskas oxidation av komponenters fötter och ledningar genom att flussmedlet aktiveras.

I reflow-stadiet smälter lödpastan och processen når sin maximala temperatur (lägre än komponenternas maximalt tillåtna temperatur). Det behandlade kretskortet svalnar sedan och lödlegeringen stelnar för att skapa lödningar.

I de efterföljande stegen inspekteras det flexibla kretskortet optiskt och testas elektriskt för att säkerställa att det är 100% felfritt. Efter testning stansas det ut från panelen och skickas till slutlig kvalitetskontroll (FQC). Efter FQC skickas kretskortet till förpackning och lagerförs.

Hantering av värmebegränsningar med flexibla kretskort

En annan fråga som kretskortsmonterare måste ta hänsyn till är värmekänslighet.

Eftersom flexibla kretskort är mycket tunnare än styva kretskort har värmen som tillförs för lödning ingenstans att spridas – allt går direkt genom hålet.

Lödning av flexibla kretskort kräver användning av ett precisionslödverktyg i händerna på en mycket erfaren tekniker. Felmarginalen är betydligt lägre än för styva kretskort.

Kontinuerliga framsteg inom stödteknik för tillverkning av flexibla kretskort säkerställer att monterare som investerar i toppmoderna verktyg och teknikerutbildning kan minska kostnaderna och förbättra produktiviteten vid montering av flexibla kretskort för nya produkter.

Designöverväganden för montering av flexibla kretskort

Viktiga specifikationer för montering av flexibla kretskort som en designer behöver känna till.

Basmaterial

Det vanligaste basmaterialet som används i flexibla kretskort är polyimidfilmer. Dessa material är flexibla och tunna. Välj ett material med god värmebeständighet och elektrisk ledningsförmåga.

Antal lager

Antalet lager i ett flexibelt kretskort beror på vilken typ av applikation det används i. För dynamiska applikationer, välj ett enkelskiktat kretskort. För statiska applikationer kan antalet lager variera från 4 till 8.

Böjeradius

Böjeradien bestämmer kretskortets böjbarhet. Generellt sett varierar böjeradien för dessa kretskort mellan 1 mm och 5 mm.

Egenskaper hos montering av flexibla kretskort

Tillämpning av hjälpfixturer

Flexibla kretskort är känsliga för slitage eftersom de är tunna och lätta. För att framgångsrikt montera SMT-komponenter används styva bärare. Positioneringen och konsistensen hos bäraren spelar en avgörande roll i monteringsprocessen. Många hjälpfixturer används vid montering av flexibla kretskort, inklusive bärarplattor, torknings-, elektriska test-, funktionstest- och skärfixturer.

Låg densitet

Antalet komponenter som kan monteras på flexibla kretskort är relativt lågt jämfört med styva kretskort.

Höga kvalitetskrav

Generellt sett används dessa kretskort i miljöer där upprepad böjning krävs. De monterade komponenterna måste uppfylla kraven från sina driftförhållanden. Därför ställer flexibla kretskort högre krav på renhet och lödningstillförlitlighet än styva kretskort.

Genom att noggrant överväga typ, storlek och mekaniska egenskaper hos komponenter kan PCB-designers optimera flexibla kretsdesigns för att säkerställa tillförlitlighet och prestanda, särskilt i applikationer där flexibilitet är kritisk. Som alltid kan samarbete med tillverkare under designfasen hjälpa till att identifiera och adressera potentiella problem relaterade till komponentplacering på flexibla kretsar.