Progressi nei materiali e nella produzione PCB flessibili

Negli ultimi anni, il mondo dei PCB flessibili (circuiti stampati) ha registrato una crescita e progressi tecnologici significativi. Questi sviluppi hanno portato ad un aumento della quota di mercato e ad un ampliamento delle applicazioni grazie ai vantaggi intrinseci della flessibilità, della sottigliezza e del design leggero. In questo articolo completo esploreremo i materiali primari utilizzati nei PCB flessibili, i relativi miglioramenti prestazionali e il panorama in evoluzione delle tecnologie di produzione di PCB flessibili.

Miglioramento delle prestazioni attraverso i materiali del substrato

La performance di PCB flessibili dipende in gran parte dalle proprietà dei materiali di supporto utilizzati. I substrati svolgono un ruolo fondamentale poiché fungono sia da portatori di conduttori che da mezzi isolanti tra i circuiti. Inoltre, devono mostrare la capacità di piegarsi e arricciarsi, che è essenziale per i PCB flessibili.

I materiali di substrato comunemente utilizzati per PCB flessibili includono film di poliimmide (PI) e film di poliestere (PET), insieme ad altri film polimerici come polietilene naftalato (PEN), politetrafluoroetilene (PTFE) e anche l'Aramide trova applicazioni. La scelta del materiale del substrato dovrebbe essere basata su un'attenta valutazione delle loro prestazioni e del rapporto costo-efficacia.

Pellicola di poliimmide (PI).

La pellicola di poliimmide, una resina termoindurente, è uno dei principali materiali di substrato per laminati flessibili rivestiti in rame (FCCL). A differenza della maggior parte delle resine termoindurenti, il PI non si ammorbidisce né scorre alle alte temperature, rendendolo particolarmente adatto per PCB flessibili. PI vanta un'elevata resistenza termica e ottime caratteristiche elettriche. Presenta però uno svantaggio in termini di assorbimento dell’umidità e resistenza allo strappo. Le pellicole PI migliorate hanno un assorbimento di umidità significativamente inferiore allo 0.7%, rispetto al tasso tipico dell'1.6%. Presentano inoltre una migliore stabilità dimensionale, con tolleranze ridotte da ±0.04% a ±0.02%.

Pellicola in poliestere (PET).

La resina PET offre prestazioni meccaniche ed elettriche favorevoli. Il suo principale limite è la scarsa resistenza al calore, che lo rende inadatto ai processi di saldatura diretta e assemblaggio. Tuttavia, le prestazioni del polietilene naftalato (PEN) sono superiori a quelle del PET ma non raggiungono le qualità del PI, rendendolo un'alternativa adatta in alcune applicazioni.

Polimero a cristalli liquidi (LCP)

Per progetti RF compatti e flessibili ad alta frequenza, Highleap può anche esaminare un Progetto di produzione di PCB LCP insieme al pacchetto di assemblaggio e montaggio flessibile.

Per affrontare i limiti dei substrati in poliimmide, il polimero a cristalli liquidi (LCP) è emerso come un’alternativa promettente. LCP è un materiale termoplastico che può essere trasformato in film sottili adatti per PCB. Presenta un basso assorbimento di umidità (0.04%) e una costante dielettrica di 2.85 (1GHz), che lo rende adatto per circuiti digitali ad alta frequenza. Le proprietà dell'LCP, tra cui compatibilità ad alta frequenza, stabilità dimensionale termica e basso assorbimento di umidità, hanno portato alla sua adozione nella produzione di PCB flessibili.

Materiali di substrato privi di alogeni

L’industria elettronica ha assistito a uno spostamento verso la responsabilità ambientale. Regolamenti come RoHS (Restrizione delle sostanze pericolose) e RAEE (Rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche) hanno vietato l'uso di sostanze pericolose nei dispositivi elettronici. Di conseguenza, sono stati sviluppati materiali di substrato privi di alogeni compatibili con i requisiti ambientali e ora ampiamente utilizzati nei PCB rigidi e flessibili.

Materiali di substrato in evoluzione

Poiché la domanda di PCB flessibili continua a crescere, sono in corso attività di ricerca e sviluppo per esplorare nuovi materiali di substrato che possano migliorare ulteriormente le prestazioni dei circuiti flessibili. Con oltre 2000 tipi di pellicole plastiche applicabili disponibili in tutto il mondo, c'è senza dubbio spazio per la scoperta di materiali che possano ampliare i confini della tecnologia. progettazione PCB flessibile.

Il ruolo dell'adesivo nei PCB flessibili

Per le costruzioni flessibili in poliimmide che necessitano di un sistema adesivo definito, Processo per circuiti flessibili DuPont Pyralux LF è un utile riferimento specifico per il materiale prima del rilascio della costruzione.

L'adesivo è un componente fondamentale nei PCB flessibili, poiché è responsabile dell'incollaggio della lamina di rame e della pellicola del materiale del substrato. Gli adesivi sono classificati in varie categorie, tra cui resina PI, resina PET, resina epossidica modificata e resina acrilica. Tra queste, la resina epossidica modificata e la resina acrilica sono più comunemente utilizzate per la loro elevata forza adesiva.

Materiale del substrato PI a due strati

Il tradizionale laminato flessibile rivestito in rame (FCCL) è generalmente costituito da tre strati: poliimmide, adesivo e lamina di rame. Tuttavia, lo strato adesivo a volte può avere un impatto negativo sulle prestazioni dei PCB flessibili, in particolare in termini di prestazioni elettriche e stabilità dimensionale. Per risolvere questo problema è stato sviluppato il CCL flessibile a due strati (2L-FCCL) senza adesivo. Questo progresso non solo migliora la compatibilità ambientale dei PCB flessibili, ma soddisfa anche i requisiti della saldatura senza piombo aumentando la soglia di temperatura da 220°C a 260-300°C. Un confronto tra 2L-FCCL senza adesivo e 3L-FCCL con adesivo è fornito nella Tabella 1 di seguito.

Tre metodi vengono generalmente utilizzati per la produzione di 2L-FCCL:

1. Galvanotecnica
2. Rivestimento in pellicola
3. Plastificazioni

Ogni metodo ha i suoi vantaggi e viene scelto in base a requisiti specifici. La galvanica, ad esempio, è adatta per la produzione di laminazione e per materiali di substrato più sottili, offrendo una soluzione economicamente vantaggiosa. Il rivestimento con pellicola è ideale per la produzione in grandi volumi e offre efficienza in termini di costi. La laminazione, d'altro canto, eccelle nella fabbricazione di pannelli fronte-retro.

Materiale del substrato in polimero a cristalli liquidi (LCP).

Il polimero a cristalli liquidi (LCP) è un materiale di substrato relativamente nuovo che cerca di risolvere i limiti dei substrati di poliimmide. La pellicola LCP è rivestita con un foglio di rame e viene sottoposta a pressatura a caldo per creare laminati rivestiti in rame (CCL) su un lato o su due lati. I CCL basati su LCP offrono proprietà eccezionali, tra cui un basso tasso di assorbimento d'acqua di solo lo 0.04% e una costante dielettrica compatibile con circuiti digitali ad alta frequenza (2.85 a 1 GHz). Le proprietà di LCP lo rendono la scelta ideale per applicazioni ad alta frequenza in PCB flessibili.

Materiali di substrato flessibili privi di alogeni

Le normative ambientali hanno costretto l'industria elettronica a passare a materiali di substrato privi di alogeni. Dal 2003, l’UE ha implementato le normative RoHS e RAEE, limitando l’uso di sei sostanze pericolose e regolamentando il trattamento dei rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche. Queste normative hanno avuto un impatto sui materiali utilizzati nei PCB, compresi i PCB flessibili. Di conseguenza, vari componenti dei PCB flessibili, come FCCL, coverlay, prepreg, maschera di saldatura e schede di rinforzo, devono soddisfare i requisiti di resistenza al fuoco e assenza di alogeni.

Progressi nella lamina di rame

La conduttività è una proprietà critica nei PCB flessibili e la lamina di rame funge da materiale conduttore primario. Oltre al rame, a volte vengono utilizzati materiali in lega come alluminio, nichel, oro e argento. La scelta del foglio di rame dipende dall'applicazione specifica e dal metodo di produzione.

Foglio di rame Electro Deposit (ED).

Il foglio di rame ED è uno dei materiali conduttori più comunemente utilizzati nei PCB flessibili. È caratterizzato da una struttura cristallina a squama di pesce, che risulta in una lamina di rame liscia con buona tenacità. Il foglio di rame ED è particolarmente adatto per PCB dinamicamente flessibili che richiedono elevata flessibilità.

Lamina di rame laminata e ricotta (RA).

La lamina di rame RA, invece, presenta una struttura cristallina colonnare, che risulta in una struttura uniforme e piatta. Questo tipo di lamina di rame è ideale per i processi di irruvidimento e incisione. Il foglio di rame RA viene spesso utilizzato nei PCB flessibili ad alta densità.

Richieste emergenti nel foglio di rame

Con l’aumento della domanda di PCB flessibili ad alta densità con passi più fini che vanno da 40μm a 50μm, vengono imposti nuovi requisiti alla produzione di fogli di rame. Questi requisiti includono una bassa rugosità superficiale e lamine di rame ultrasottili per soddisfare le esigenze della produzione di PCB in grandi volumi.

Pasta d'argento conduttiva

La fabbricazione di PCB flessibili prevede l'uso di inchiostro conduttivo, che viene stampato su pellicola isolante per creare fili o strati schermanti. La pasta d'argento conduttiva è il materiale principale utilizzato per questo scopo. È essenziale che lo strato conduttivo stampato presenti una bassa resistenza, garantisca una connessione solida e mantenga la flessibilità. Inoltre, il processo di stampa dovrebbe essere facilmente implementabile e la polimerizzazione dovrebbe essere rapida.

La moderna pasta d'argento conduttiva soddisfa queste esigenze, consentendo la formazione di modelli conduttivi su pellicole, tessuti e carta polimerici termoindurenti o termoplastici. Questa tecnologia si estende anche alla creazione di grafica utilizzata nei prodotti RFID. I prodotti finali con pasta d'argento conduttiva sono rigorosamente testati per la conservazione ad alta temperatura, la resistenza all'umidità e le prestazioni di ciclismo ad alta e bassa temperatura. La pasta conduttiva d'argento è in linea con i requisiti di protezione ambientale e di efficienza dei costi.

Copertura in poliimmide (PI) fotosensibile

I tradizionali rivestimenti PI/adesivi hanno riscontrato limitazioni nel soddisfare i requisiti dei PCB flessibili ad alta densità, dimensionalmente stabili e rispettosi dell'ambiente. In risposta, è stato sviluppato Photo-Imageable Coverlay (PIC). Il PIC, a seconda delle resine epossidiche o acriliche modificate, ha guadagnato popolarità grazie alla sua alta risoluzione, eccellente forza di adesione e flessibilità. Tuttavia, questi PIC presentano limitazioni, tra cui una bassa stabilità dimensionale sui PCB ad alta densità, una bassa temperatura di transizione vetrosa (Tg) e una resistenza termica limitata.

Conclusione

I PCB flessibili hanno fatto molta strada in termini di materiali e tecnologie di produzione. I progressi nei materiali dei substrati, nei fogli di rame, nelle paste conduttive e nei rivestimenti hanno aperto nuove possibilità per PCB flessibili ad alta densità, alta frequenza e rispettosi dell'ambiente. Poiché la domanda di elettronica flessibile continua a crescere, è chiaro che gli sforzi continui di ricerca e sviluppo porteranno a ulteriori innovazioni nei materiali e nei processi.

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