Unter dem Antrieb des Miniaturisierungstrends bei tragbaren Elektronikprodukten hat die Starrflex-Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) ein breites Anwendungsspektrum gefunden. Zudem sieht sich die Leiterplattenindustrie einem zunehmend harten Wettbewerb ausgesetzt, was dazu führt, dass dem technologischen Fortschritt in der Starrflex-Leiterplattenfertigung die größte Bedeutung beigemessen wird. Aufgrund des komplexen Herstellungsprozesses von Starrflex-Leiterplatten sind einige Leiterplattenhersteller, die sich ausschließlich auf die Fertigung starrer Leiterplatten spezialisiert haben, nicht in der Lage, die Anforderungen der flexiblen Leiterplattenfertigung zu erfüllen. Die in diesem Artikel vorgestellte FR4-halbflexible Leiterplatte ist eine Art von Leiterplatte, die sich durch Flexibilität, die Fähigkeit zur 3D-Montage und Biegbarkeit auszeichnet.
Eigenschaften von FR4-halbflexiblen Leiterplatten
• FR4 Semi-Flex-Leiterplatten zeichnen sich durch Flexibilität aus, ermöglichen eine 3D-Montage und können ihre Form entsprechend den Platzbeschränkungen verändern.
• FR4 Semi-Flex-Leiterplatten sind biegsam, ohne die Signalübertragung zu beeinträchtigen.
• Auf der Grundlage der Konstruktion des betreffenden Produkts können die Arbeitsaufwände oder Fehler im Montagewerk reduziert werden, während sich die Lebensdauer des Produkts verbessert.
• Das Produktvolumen wird verringert, das Gewicht drastisch reduziert, die Funktionen werden erweitert und die Kosten gesenkt.
• FR4 Semi-Flex-Leiterplatten verfügen über ein einfaches Herstellungsverfahren und sind mit den aktuellen Fertigungskapazitäten von Herstellern starrer Leiterplatten kompatibel.
FR4-Halbflexible-Leiterplatten-Herstellungsverfahren
Als Substratmaterial wird ein FR4-Material mit mittlerem Tg-Gehalt und Füllstoff verwendet, um eine 6-lagige starre, semiflexible Leiterplatte herzustellen, die durch mechanische Bearbeitung einer Fräsnut gefertigt wird. Die verbleibende Dicke sollte im Bereich von 0,25 mm ± 0,025 mm gehalten werden. Außerdem muss die FR4-semiflexible Leiterplatte in der Lage sein, mehr als 10-mal um 90° gebogen zu werden, ohne dass Risse entstehen.
Das Herstellungsverfahren von FR4-Semiflex-Leiterplatten umfasst die folgenden Phasen: Materialzuschnitt, Trockenfilmbeschichtung,AOI (automatisierte optische Inspektion), Bräunung, Laminierung, Röntgeninspektion, Bohren von Löchern, Galvanisierung, Grafikübertragung, Ätzen, Siebdruck, Belichtung und Entwicklung,Oberflächenfinishtiefengesteuertes Fräsen, elektrischer Test, FQC (Endqualitätskontrolle), Verpackung.
Hauptprobleme und deren Lösungen während des Herstellungsverfahrens von halbflexiblen FR4-Leiterplatten
Das Hauptproblem bei FR4-Semiflex-Leiterplatten liegt in der Kontrolle der Genauigkeit und Toleranz der tiefengesteuerten Fräsung. Aufgrund der Materialstruktur und -eigenschaften müssen starre Leiterplatten über ausreichende Flexibilität verfügen, um nach der 3D-Montage eine hervorragende Leistung ohne Harzrisse oder Lackablösungen zu gewährleisten, da diese als potenzielle Qualitätsrisiken angesehen werden könnten. Daher sollten während des tiefengesteuerten Fräsprozesses die Plattendickenuniformität, die Prepreg-Dicke, der Harzgehalt und die Frästoleranz umfassend berücksichtigt und der optimale Bereich der verbleibenden Dicke definiert werden.
• Tiefengesteuerter Frästest A
Die Restdickenfräsung wird mittels Mapping-Methode durchgeführt und erfolgt jeweils mit einer verbleibenden Dicke von 0,25 mm, 0,275 mm und 0,3 mm. Anschließend wird die Leiterplatte einem 90°-Biegetest unterzogen. Die verbleibenden Dicken von 0,275 mm und 0,3 mm erfüllen die Anforderungen nicht. Basierend auf der Mikroschliffanalyse liegt die Hauptursache für das Ausbleiben der Flexibilität der Leiterplatte in der Beschädigung des Glasfaserbündels. Wenn die verbleibende Dicke 0,283 mm erreicht, ist die Glasfaser bereits beschädigt. Daher muss die Frästiefe unter Berücksichtigung der Leiterplattendicke, der Glasfaserdicke und der dielektrischen Situation festgelegt werden. Da die Dicke zwischen der Oberfläche des Lötstopplacks und der Kupferebene L2 im Bereich von 0,188 mm bis 0,213 mm liegt, kann die Zuverlässigkeitsanforderung nicht erfüllt werden, wenn die verbleibende Dicke mehr als 0,275 mm beträgt.
• Tiefengesteuerter Frästest B
Basierend auf dem oben genannten Test und der Mikrosektionenanalyse liegt die dielektrische Kupferdicke zwischen Lötstoppmaske und L2 im Bereich von 0,188 mm bis 0,213 mm, und ein 90°-Biegen kann nicht durchgeführt werden, wenn die Restdicke 0,283 mm überschreitet. Daher kann die mechanische Fertigung durchgeführt werden, wenn die Restdicke innerhalb des Toleranzbereichs von 0,245 mm ± 0,213 mm kontrolliert wird. Da die Panels relativ groß sind (400 mm x 450 mm), können sie aufgrund der Leiterplattendicke und des Verzugs beim Halten der Restdicke mit der Mapping-Methode nicht vollständig mit der Maschine übereinstimmen. Dies verringert direkt die Gleichmäßigkeit der Restdicke.
• Tiefengesteuerter Frästest C
Die Verkleinerung der Größe bringt einen Vorzieheffekt auf die Leiterplattenverwerfung und die Maschinenuniformität mit sich. Zuerst wird das Panel prototypisch gefertigt und eine tiefenkontrollierte Fräsbearbeitung gemäß der festgelegten Größe von 6,3" x 10,5" durchgeführt. Anschließend wird die Maschinenuniformität durch Mapping-Punktmessung mit einem vertikalen und horizontalen Abstand von 20 mm gemessen.
Basierend auf der Herstellung von halbflexiblen FR4-6-Lagen-Leiterplatten wird ein spezielles Fertigungsverfahren angewendet und weiterentwickelt, um die Tiefe mechanisch zu steuern und die verbleibende Dicke beizubehalten. Dadurch wird das Herstellungsverfahren vereinfacht; andere Prozesse entsprechen den üblichen Parametern; die Toleranz der Tiefensteuerung der verbleibenden Dicke wurde innerhalb eines Bereichs von ±20 μm gehalten.
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