Непрекращающаяся миниатюризация изделий электроники с одновременным расширением их функциональности является основной движущей силой развития рынка гибких печатных узлов. Размеры устройств уменьшаются, а быстродействие и сложность — возрастают. Наиболее стабильно эта тенденция проявляется в потребительских сегментах рынка, таких как мобильные телефоны и интеллектуальная электроника, а также в отдельных отраслях промышленности, например, в медицинской (портативная медицинская электроника, диагностическая аппаратура) и оборонной.
Разумеется, гибкие печатные узлы значительно отличаются от жестких в части технологии сборки. По словам Дэвида Муди (David Moody), директора по продажам и маркетингу в компании Lenthor Engineering, главные трудности здесь связаны с материалом печатных плат, а также с гибкостью как таковой: «Эти печатные узлы не плоские и не жесткие, они принимают форму определенной поверхности. Другая особенность гибких печатных узлов — их трехмерность: возникает задача монтажа на плате мелких компонентов и микросхем в корпусах BGA и выполнения технологических операций над участками гибкой платы, которые зачастую расположены в разных плоскостях. Одни элементы печатного узла находятся выше других, поэтому, чтобы получить удобную, плоскую и надежную поверхность для монтажа компонентов, необходимо все выровнять, и именно в этом на самом деле состоит основная сложность».
Дэвид Муди знает, о чем говорит, ведь их компания занимается изготовлением гибких и гибко-жестких печатных плат более 35 лет.
Технологический процесс сборки гибких печатных узлов в Lenthor частично автоматизирован, а частично выполняется вручную. В случае гибких печатных узлов обычно используется сочетание ручной сборки с автоматизированной установкой и пайкой компонентов для поверхностного монтажа. Гибко-жесткие печатные узлы проектируются, как правило, аналогично жестким, поскольку большая часть функциональности такого узла сосредоточена на жестких участках, а гибкие участки в основном играют роль соединений между ними. Это несколько облегчает задачу, но гибкие печатные узлы сами по себе в гораздо большей степени побуждают к применению разнородных технологических процессов.
Пайка гибких печатных узлов может оказаться очень непростой задачей. Для исключения перегрева этого разнородного по теплоемкости изделия необходима операция настройки профиля оплавления, в которой используются специальные термопрофайлеры
По словам специалистов Lenthor, большинство первоначальных затруднений со сборкой гибких печатных узлов и их качеством удалось решить благодаря грамотно спроектированной оснастке — она стала ключевым залогом успеха при сборке гибких печатных узлов.
К этому мнению присоединяется и Боб Уэттерман (Bob Wettermann), руководитель компании BEST Inc., которая занимается восстановлением и ремонтом изделий электроники, а также сборкой печатных узлов: «В случае жесткого печатного узла имеется неизменно плоская поверхность печатной платы и компоненты с известными фиксированными размерами, поэтому автомат установки компонентов располагает точной информацией о том, где и как устанавливать тот или иной компонент. Когда же поверхность становится трехмерной и перестает быть жесткой, устанавливать крошечные компоненты на такой зыбкий, податливый рельеф становится очень трудно. По словам специалистов Lenthor, большинство первоначальных затруднений со сборкой гибких печатных узлов и их качеством удалось решить благодаря грамотно спроектированной оснастке — она стала ключевым залогом успеха при сборке гибких печатных узлов.
Ключ к решению этой проблемы — оснастка. Наличие удобной плоской поверхности для демонтажа и повторного монтажа компонентов — главное условие успешного выполнения этих операций при восстановлении гибких печатных узлов. Ремонт гибких печатных узлов не описывается стандартами вроде IPC-7721, поэтому соответствующую технологию приходится создавать самостоятельно в процессе работы. На днях клиент попросил нас оценить критерии годности паяных соединений микросхемы в корпусе SOIC, смонтированной на гибкой печатной плате с применением эпоксидного адгезива. И знаете что? В отрасли просто нет общепринятых критериев годности. Так что по состоянию стандартов, знаний и практики — это до сих пор своего рода «Дикий Запад». Все изобретают что-то сами по ходу дела».
Привычка самоустраняться от дальнейшего
Всякий раз в беседах отраслевых специалистов взаимодействие по цепочке поставок упоминается как ключевой фактор успеха в деле проектирования, изготовления и сборки. Это связано с до сих пор преобладающим в отрасли подходом «свое дело сделал, а дальше хоть трава не расти» Не исключение и рассматриваемая нами область. «Тут все обусловлено характером сборочной деятельности: например, мы занимаемся опытно-конструкторской работой (ОКР), чтобы предоставить клиенту работоспособные опытные образцы, чтобы он мог потом провести вторую или третью итерацию, — поясняет Боб Уэттерман. — Как правило, изготовленные узлы не доходят до конечных потребителей; наше дело — обеспечить надежные прототипы».
Это подтверждает и Дэвид Муди: «На этапе опытного конструирования многие клиенты хотят просто получить первоначальный вариант изделия с определенным набором функций. С другой стороны, любопытно наблюдать, что с момента начала обсуждения — а оно начинается иногда еще на этапе проектирования — вопросы сборки не затрагиваются практически до последнего, когда без их рассмотрения уже не обойтись. Не знаю, с чем это связано, но до сих пор приходится сталкиваться с нежеланием задумываться о том, как будет выглядеть собранное изделие или как можно будет осуществить сборку.
Вот есть группа инженеров: один специализируется на радиоэлектронной начинке, другой на конструктиве, третий на чем-то еще. Вместе они рождают какую-то идею, пытаются ее конкретизировать и заранее отбирают под нее компоненты, а потом хотят, чтобы кто-то по этим вводным разработал конструкцию с указанными компонентами. Но случается так, что конкретный выбор компонента может грозить технологическими проблемами при сборке конструируемого изделия. Тем не менее инженеров трудно уговорить отказаться от уже принятых решений по компонентам, поэтому можно заключить, что вопросам окончательной сборки уделяется недостаточно внимания на ранних стадиях проектирования».
Что посоветовать конструкторам?
Слово Бобу Уэттерману: «Следует задуматься, как будет собрано изделие. Какой-нибудь «рыцарь мыши и клавиатуры» инженер-конструктор, который, сидя за компьютером, проектирует носимый гаджет или, например, гибко-жесткий печатный узел для ракетного комплекса, вряд ли имеет опыт в том, что касается сборки. Такой опыт редкость среди тех, кто занимается проектированием гибких печатных узлов. Иногда к проектированию привлекают консалтинговые фирмы с определенным опытом в области сборки гибких и гибко-жестких печатных узлов, и тогда их приглашают поучаствовать в процессе и демонстрируют проблему. Мы стремимся показать и рассказать, какие трудности могут возникать в ходе реальной сборки, — думаю, это помогает им быстрее учиться. В конструкторском сообществе есть немало квалифицированных специалистов по проектированию как жестких, так и гибких печатных узлов. Задача таких экспертов, как Дэвид и я, — помочь им в том, что касается сборки изделий». Со своим коллегой соглашается и Д. Муди: «В начале обсуждения изделия, для которого еще не разведена печатная плата, в числе первых задаются вопросы об области применения, условиях эксплуатации, предполагаемой окончательной конфигурации печатного узла и способе его размещения в корпусе или общем конструктиве устройства. Если есть печатные проводники, то по ним, вероятно, будут передаваться какие-то сигналы; в узле могут быть разные перепады высот, и он может проходить из нижней части корпуса в верхнюю с несколькими изгибами, так что в ходе проектирования необходимо понять, где эти изгибы будут находиться. Кое-чего нужно попросту избегать: например, нельзя или по крайней мере не рекомендуется размещать компоненты в местах изгиба печатного узла (хоть мы и зовем его «гибким»).
Зачастую инженеры самонадеянно полагают, будто им точно известно, где что должно находиться: дескать, вот этот компонент должен быть именно здесь и нигде более, поскольку от него нужен доступ к другому компоненту, который располагается там-то. Но им неизбежно приходится пересматривать свои идеи, потому что они не выдерживают столкновения с реальностью. В этом и суть: нужно выяснить способ применения и окончательную конфигурацию узла, чтобы исходя из этого дать совет, где следует усилить узел элементами жесткости (если это просто гибкий печатный узел), где разместить компоненты, а где их устанавливать нельзя или настоятельно не рекомендуется».
К обсуждению присоединился Мэтт Кан, менеджер-эколог в компании Lenthor Engineering: «Был пример, когда клиент прописал в технических условиях элемент жесткости, расположенный вблизи зоны контактных площадок под трафаретную печать для поверхностного монтажа. Крепить его требовалось термоусадкой, а это нужно делать до сборки. Мы же порекомендовали в целях экономии вместо термоусадки посадить этот элемент жесткости на липкий клей после сборки. В одних случаях клиенты потом приходят и говорят: «Нет, нам нужна именно термоусадка», а в других соглашаются на предложенную замену. Нужно, чтобы по ходу процесса стороны вели диалог о том, как усовершенствовать конструкцию или сделать ее технологичнее».
По словам Д. Муди, очень важно начать взаимодействие по проекту заблаговременно, прежде чем конструкция примет окончательный вид, чтобы предотвратить возможные проблемы при сборке: «Нам нередко приходилось со всей очевидностью убеждаться в этом на практике, пока мы не обзавелись собственной сборкой. Как уже было сказано, все дело в той самой привычке самоустраняться от дальнейшего и спихивать заложенные в конструкции проблемы на следующих по цепочке. Это чревато ростом затрат, причем не только в прямом денежном выражении, но и в смысле задержки в выпуске продукта на рынок. Время, затраченное на совместную предварительную проработку конструкции, в том числе рационализацию сборки, обернется более совершенным и технологичным продуктом. Крайне важно провести всю эту работу заранее».
Особенности материалов
До сих пор существуют заблуждения в вопросах о том, какие материалы следует выбирать для гибких печатных плат с точки зрения оптимизации сборки.
В качестве примера Б. Уэттерман делится ошибочными представлениями некоторых своих клиентов о каптоне (пленка из полиимида): «От лица клиентов с нами общаются в основном продукт-менеджеры и менеджеры проектов. Попытки объяснить им, что каптон при всех его преимуществах — широком конструкционном диапазоне температур, высокой стойкости к механическим и термическим воздействиям, хороших диэлектрических характеристиках и т. д. — может рваться, наталкиваются на недоверие. Но с каптоном действительно случается подобное».
Д. Муди указывает на недопонимание ограничений, свойственных конкретному материалу: «Я бы еще отметил — и это касается не столько монтажа компонентов на плате, сколько монтажа уже готового узла с компонентами в корпус — не вполне адекватное представление о характере и степени изгиба, который способны выдерживать гибкие печатные узлы. Можно сделать узел чересчур жестким, так что он вообще не станет гнуться, и тогда трудно будет добиться необходимого рельефа поверхности или функционального взаимодействия между участками, находящимися на разных уровнях. Приходится много консультировать клиентов на предмет выбора материалов, которые позволили бы реализовать нужную функциональность или форм-фактор печатного узла в контексте сборки. Повторюсь, речь тут вовсе не о трудностях или особенностях монтажа компонентов на плате, а о том, чтобы суметь правильно разместить собранный печатный узел в корпусе. Так что вот еще один аспект сборки гибких печатных узлов, выходящий за рамки собственно монтажа компонентов».
Особенности печати
В большинстве случаев при изготовлении гибких печатных узлов паяльную пасту наносят привычным методом трафаретной печати. Но порой используют и каплеструйную печать — это определяется конструкцией гибкой печатной платы и толщинами ее участков.
«Иногда применяется каплеструйная печать в дополнение к традиционной трафаретной, — говорит М. Кан. — Например, бывает, что с двух сторон платы вблизи элемента жесткости располагаются компоненты, и эта более жесткая область находится выше контактных площадок. На всех остальных участках можно использовать трафаретную печать, но в непосредственной близости от элемента жесткости печатный узел не гнется, поэтому приходится прибегать к каплеструйной технологии. Или даже, может быть, паять вручную, если нет каплеструйного принтера для печатных плат».
По мнению Кана, каплеструйная печать благоприятно скажется на процессе сборки гибких печатных узлов ввиду ее большей скорости по сравнению с трафаретной, но вряд ли станет предпочтительным методом в ближайшем обозримом будущем.
«Выбор оборудования крайне ограничен, — говорит Боб Уэттерман. — Основной производитель — Mydata (Mycronic). Есть одна модель у ASYMTEK. Когда оборудование для каплеструйной печати распространится шире, можно будет использовать различные виды паяльной пасты и проводящих чернил, а не только строго определенные. Печать — отдельная инженерная задача, решение которой позволит усовершенствовать процесс сборки гибких печатных узлов, и одним из средств ее решения могла бы стать каплеструйная технология.
К сказанному я бы добавил только, что мы широко применяем роботизированное нанесение с помощью поршневого насоса, а для очень мелких компонентов — точечный перенос на иглах. В последнем случае удается несколько лучше контролировать объем наносимой паяльной пасты по сравнению с применением поршневого насоса»
Разделение групповых заготовок
Еще одна трудная задача, связанная со сборкой гибких печатных узлов, — разделение групповых заготовок печатных плат. По словам Уэттермана, в большинстве случаев гибкие печатные платы не такие большие, как жесткие, для которых характерны размеры вроде 8×12 или 12×14 дюймов: «Чаще всего имеется групповая заготовка с несколькими гибкими печатными платами, входящими в одно изделие. В конечном счете необходимо установить готовый печатный узел в корпус или же выполнить над ним ту или иную вспомогательную операцию. Но как разделить заготовку на отдельные платы? Во многих случаях для этого требуется прорезать или отделять от основы разнородные материалы: не просто каптон, а каптон и медь или, например, каптон, медь и какой-нибудь слоистый пластик. Вариантов множество. И, опять-таки, мы пытаемся разделить нечто большое, зыбкое и податливое на более мелкие части того же свойства. Операция разделения сама по себе очень трудна, но в случае жестких плат есть гораздо больше вариантов ее реализации: можно использовать перфорирование контура, фрезерование, лазерное скрайбирование и так далее. Так что разделение гибких печатных плат — еще одна проблема, помимо трехмерности, разнородности материалов и отсутствия жесткости. Чаще всего ее решают с помощью лазеров». Вот как описывает этот процесс М. Кан: «Используется пять лазеров. Как будет производиться разделение, мы определяем заранее: в зависимости от конструкции для жестких участков делаем предварительные надрезы с двух сторон, оставляя 0,3–0,4 мм толщины. Иногда перфорируем гибкую печатную плату, оставляя только ее собственный материал, после чего ее достаточно отрезать резаком».
Ручная доработка изделия
Кан отмечает, что технологические процессы в случае гибких печатных узлов не так просты: «Все происходит совсем иначе, чем с обыкновенной жесткой печатной платой. Нужно принимать во внимание и последующие процессы, такие как восстановление, пайка волной припоя, селективная пайка, доработка, формовка и так далее. Можно легко прожечь гибкую плату или повредить проводящую дорожку и не заметить этого. Если не соблюдать осторожность, скажем, устанавливая не оптимальную температуру при восстановлении, то появится большой риск повреждения самой платы даже прежде установленных на ней компонентов».
Еще один важнейший фактор при работе с гибкими печатными платами — это влага. Они абсорбируют влагу как минимум на 30% быстрее, чем традиционные жесткие платы. Поэтому сборке обязательно должна предшествовать сушка.
По словам Кана, в Lenthor платы перед сборкой сушат 2–3 часа, а грамотное планирование позволяет избежать увеличения длительности цикла:
«Если вы сушите платы, кладите их потом в шкафы сухого хранения. Иногда все идет не так, как запланировано. Поначалу мы в подобных случаях каждый раз сушили платы заново, что отнюдь не хорошо. Со временем стали после сушки запечатывать платы и класть их в шкафы сухого хранения. В большинстве случаев платы не нужно даже запечатывать, достаточно их высушить и положить в шкаф. Шкафы сухого хранения незаменимы, когда приходится иметь дело с влагочувствительными устройствами, особенно содержащими гибкие печатные платы. Они отлично зарекомендовали себя и позволяют реже прибегать к повторной сушке».
Шкаф сухого хранения
Растущий рынок
Гибкие печатные платы по-прежнему относятся к числу самых быстрорастущих сегментов рынка печатных плат. По данным нового отчета компании Transparency Market Research, занимающейся отраслевой маркетинговой аналитикой, объем мирового рынка гибких печатных плат в последние годы достиг $14,51 млрд, а среднегодовой темп его роста в сложных процентах на период 2018–2026 гг. должен составить 11,8% с итоговым объемом рынка в $38,27 млрд к концу указанного периода. В частности, в этом секторе повысился спрос на многослойные гибкие печатные платы, и в отчете прогнозируется, что данная тенденция сохранится в ближайшие несколько лет.
Основной движущей силой этого повышения стал значительный рост рынка бытовой электроники, обусловленный, в свою очередь, выросшим спросом на смартфоны, планшеты и ЖК-дисплеи.
Д. Муди рассматривает носимые устройства как один из ключевых секторов, определяющих развитие рынка гибких печатных плат: «На рынке представлено множество устройств, повторяющих форму той или иной части человеческого тела: одни надеваются на запястье или лодыжку, другие крепятся ремешком к спине, груди или лбу. Конструктивно это реализуется следующим образом: например, если устройство надевается на запястье, у него должна быть плоская часть, на которой можно будет расположить компоненты, и гибкая часть, которая, собственно, и будет облегать запястье. Необходимо располагать компоненты вдали от изгибов, складок и других неплоских участков печатной платы.
Гибкие печатные узлы — захватывающая область, в которой почти ежедневно приходится сталкиваться с новыми трудными задачами. Это и делает нашу отрасль интересной. Каждый день кто-то приходит с проектом совершенно нового изделия, и ты думаешь: ничего себе, а мне такое в голову не приходило, попробую-ка разобраться, как его сделать».
Стивен Лас-Мариас (Stephen Las Marias), I-CONNECT007
Под ред. инженера-технолога, к. х. н. Татьяны Кузнецовой Перевод: Артем Вахитов
