Пленочные печатные платы

Когда говорят о пленочных печатных платах, многие сразу представляют что-то ультратонкое и гибкое, чуть ли не фольгу. На практике же — это целый пласт технологий, где гибкость лишь одно из свойств, и далеко не всегда самое критичное. Частая ошибка — ставить знак равенства между гибкими и пленочными платами. Пленочная основа — это про материал, про метод формирования проводящего слоя, а не только про возможность согнуть плату. Вспоминается, как лет пять назад к нам в ООО 'Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии' пришел заказчик с требованием сделать 'самую гибкую плату' для носимого устройства, но при этом его схема содержала компоненты с крупными выводами, которые просто рвали тонкую полиимидную основу при изгибе. Пришлось долго объяснять, что гибкость — это компромисс между материалом, толщиной меди и топологией проводников.

Что скрывается за термином 'пленочная'?

Если отбросить академические определения, для инженера-технолога пленочные печатные платы — это, прежде всего, подложка. Не стеклотекстолит FR-4, а полиимид (PI), жидкокристаллический полимер (LCP), иногда PEN или PET. У каждого — своя история. Полиимид, например, Кapton, — классика жанра, выдерживает пайку, имеет отличные диэлектрические свойства, но гигроскопичен. Это важно: если не контролировать влажность в цехе перед ламинированием, потом будут пузыри и расслоения. LCP — дороже, но с практически нулевым влагопоглощением, идеален для высокочастотных применений. Но с ним своя головная боль — адгезия меди. Стандартные процессы чернения/оксидирования не всегда работают, приходится подбирать плазменную обработку или специализированные адгезивы.

А вот с тонкой медью — отдельная песня. Часто используют фольгу 9, 12, 18 мкм. Казалось бы, чем тоньше, тем гибче. Но! При травлении такой тонкой меди легко получить подтравы или, наоборот, 'мостики'. Особенно если фотошаблон не идеален. У нас на производстве был случай с платами для медицинских датчиков: на контрольных измерениях сопротивление дорожек 'плыло'. Оказалось, микроскопические неровности кромки проводника от неправильной экспозиции фоторезиста создавали локальные перегревы. Пришлось пересматривать весь процесс экспонирования и проявляния для конкретного типа резиста на тонкой меди.

Именно в таких нюансах и кроется разница между просто 'гибкой платой' и качественной пленочной печатной платой. Компания ООО 'Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии', развиваясь с 2018 года, сделала ставку на глубокую проработку именно этих технологических цепочек. Не просто предлагать услуги изготовления, а выстраивать полный цикл от выбора материала под задачу заказчика до тестирования на усталость при изгибе. Это то, что превращает группу компаний в экосистему, где контроль над смежными процессами (например, производством специализированных покровных слоев или жестких элементов для flex-rigid плат) дает синергетический эффект.

Провалы, которые учат лучше успехов

Хочется рассказать не об успешном кейсе, а об одном досадном провале. Заказ на многослойную пленочную плату для аэрокосмического применения. Схема сложная, переходные отверстия малого диаметра. Все рассчитали, сделали. На электрических тестах — идеально. Но при термоциклировании (от -55°C до +125°C) в вакуумной камере на 200-м цикле — разрыв по линии перехода с гибкого участка на жесткий. Расследование показало: коэффициент теплового расширения (КТР) выбранного адгезива для склейки слоев не был должным образом согласован с КТР полиимида и меди. При резких перепадах возникали критические механические напряжения. Технический отдел тогда недооценил этот параметр, сконцентрировавшись на электрике и базовой гибкости.

Этот случай заставил полностью пересмотреть подход к валидации материалов для критичных применений. Теперь для любого нестандартного заказа мы проводим не только электрические и механические тесты, но и обязательно моделирование термических нагрузок, особенно для переходных зон в Flex-Rigid конструкциях. Информация о таких 'шишках' — часть корпоративной культуры, она циркулирует между инженерами на разных площадках, что и создает ту самую 'значительную комплексную способность', о которой говорится в описании нашей группы компаний.

Еще один момент — покрытия. Золотое покрытие immersion gold (ENIG) для пайки — стандарт для жестких плат. Но для динамически изгибаемых пленочных печатных плат оно может быть хрупким. Для контактов, работающих на изгиб (например, в шлейфах складных телефонов), часто предпочтительнее мягкое золочение (electrolytic soft gold) большей толщины. Но оно дороже и требует своего техпроцесса. Бывало, заказчики требовали 'просто золочение', не вдаваясь в детали, а потом удивлялись поломкам в ходе ресурсных испытаний. Теперь мы всегда инициируем этот диалог: 'А как плата будет работать? Статический изгиб при монтаже или динамический в течение срока службы?'

Сложности с монтажом компонентов

Монтаж компонентов на гибкую основу — это отдельный вызов. Стандартный конвейер для SMD-монтажа рассчитан на жесткие панели. Тонкая полиимидная пленка под вакуумом в трафаретном принтере может 'дышать', что ведет к размазыванию паяльной пасты. Решение — использование специальных несущих панелей-носителей (carrier panels), на которые временно крепится гибкая основа. Но это добавляет этап и стоимость. Иногда для мелкосерийного производства проще и дешевле использовать ручной дозатор пасты, хотя это и снижает скорость.

А еще проблема с отводом тепла. При пайке оплавлением (reflow) полиимидная основа — плохой проводник тепла. Если на небольшой площади сосредоточены крупные компоненты (скажем, микросхемы в корпусах BGA), есть риск локального перегрева основы выше ее Tg (температуры стеклования), что приведет к деформации. Приходится очень тщательно разрабатывать температурный профиль печи, иногда использовать нижний подогрев панели-носителя для более равномерного прогрева.

Именно для решения таких комплексных задач — от проектирования до монтажа — и нужна интеграция, о которой заявлено в миссии ООО 'Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии'. Контроль или участие в предприятиях, занимающихся, например, проектированием оснастки для монтажа или специализированным SMD-производством, позволяет управлять этими рисками на ранних этапах, а не разгребать проблемы на выходе.

Будущее: не тоньше, а умнее

Сейчас тренд — не просто сделать плату тоньше и гибче. Тренд — в интеграции функций. Речь о встраивании пассивных компонентов (резисторов, конденсаторов) прямо в слои пленочной печатной платы методом тонкопленочного напыления. Или о создании на той же полиимидной основе сенсоров, антенн. Это уже область печатной электроники (printed electronics), но граница размывается. Мы экспериментировали с нанесением проводящих полимерных чернил для создания датчиков деформации прямо на плату. Получилось, но стабильность параметров во времени пока оставляет желать лучшего — материалы 'стареют'.

Другой вектор — экология. Переход на бессвинцовые припои и 'зеленые' технологии травления. Сложность в том, что некоторые 'мягкие' бессвинцовые припои имеют более высокую температуру плавления, что снова бьет по термостойкости полиимида. Приходится искать компромиссы или переходить на более термостойкие, но и более дорогие материалы, такие как некоторые марки LCP.

В этом и есть суть работы в этой области: это постоянный поиск баланса. Баланса между гибкостью и прочностью, стоимостью и надежностью, тонкостью и возможностью монтажа. Это не конвейерное производство, где все регламентировано. Каждый сложный проект — это немного исследовательская работа. И когда видишь, как твоя плата работает в сложенном смартфоне или на орбитальном спутнике, понимаешь, что все эти мучения с адгезией, термоциклированием и подбором покрытий были не зря. Главное — не бояться этих деталей и честно говорить о них с заказчиком, что мы и стараемся делать, развивая нашу технологическую экосистему, информацию о которой можно найти на https://www.apexpcb-cn.ru.