Лазерное сверление микроотверстий в FPC

Решение о внедрении лазерно-сверленных микроотверстий в гибких печатных платах (FPC): что охватывает это руководство (и для кого оно)

Это руководство предназначено для инженеров по аппаратному обеспечению, разработчиков печатных плат и руководителей отделов закупок, которые переходят от стандартных жестких плат или простых гибких схем к гибким конструкциям с высокой плотностью межсоединений (HDI). В частности, оно рассматривает сложности лазерного сверления микроотверстий в FPC — критически важного процесса для достижения миниатюризации в современной электронике. В отличие от механического сверления, которое использует физические сверла, лазерное сверление применяет сфокусированную энергию для абляции материала, что позволяет получать отверстия диаметром значительно меньше 0,15 мм. Однако этот процесс вводит уникальные проблемы, касающиеся выбора материала, надежности металлизации и стабильности размеров, которых нет при изготовлении жестких печатных плат.

Решение о внедрении лазерно-сверленных микроотверстий в гибких печатных платах (FPC) часто обусловлено необходимостью увеличения плотности трассировки, улучшения целостности сигнала или необходимостью монтажа компонентов с малым шагом, таких как BGA, на гибкой подложке. Хотя эта технология обеспечивает расширенные функциональные возможности, она также сужает допустимый предел ошибок в производстве. Неправильная спецификация или некомпетентный поставщик могут привести к скрытым дефектам, таким как растрескивание переходных отверстий при динамическом изгибе или обрывы цепей, вызванные неполным удалением наплывов. В этом руководстве мы выходим за рамки базовых определений, чтобы предоставить основу для принятия решений. Вы найдете конкретные целевые спецификации, анализ скрытых рисков при масштабировании, план валидации для обеспечения надежности и контрольный список для аудита поставщиков. Независимо от того, создаете ли вы прототип медицинского носимого устройства или массово производите модуль камеры, это руководство поможет вам разобраться в технических компромиссах. В APTPCB (APTPCB PCB Factory) мы ежедневно сталкиваемся с этими проблемами и структурировали это руководство, чтобы помочь вам уверенно приобретать надежные решения FPC.

Решение о внедрении лазерно-сверленных микроотверстий в гибких печатных платах (FPC) является правильным подходом (и когда нет)

Понимание области применения лазерного сверления — это первый шаг; точное знание того, когда его использовать по сравнению с традиционными методами, гарантирует, что вы не переплатите за ненужную технологию.

Используйте лазерное сверление микроотверстий FPC, когда:

Маршрутизация высокой плотности обязательна: У вас большое количество входов/выходов на небольшой площади, например, BGA с шагом 0,35 мм или 0,4 мм, требующий via-in-pad или чрезвычайно плотного разводки, которую механические сверла (ограниченные ~0,15 мм) не могут обеспечить.
Целостность сигнала критична: Лазерные микроотверстия имеют более низкую паразитную емкость и индуктивность по сравнению с металлизированными сквозными отверстиями (PTH), что делает их идеальными для высокоскоростной передачи сигналов в гибких кабелях.
Высокое количество слоев (3+ слоя): В многослойных гибких или жестко-гибких конструкциях глухие и скрытые переходные отверстия необходимы для соединения внутренних слоев без прохождения через весь стек, что экономит ценную площадь поверхности.
Требуется динамическое изгибание: Меньшие переходные отверстия, как правило, лучше выдерживают механические нагрузки, чем более крупные, при условии правильного управления соотношением сторон и покрытием.
Вес и пространство являются ограничениями: Аэрокосмическая и портативная бытовая электроника часто требуют максимально тонкого стека; лазерные переходные отверстия позволяют использовать более тонкие диэлектрики по сравнению с материалами, необходимыми для механического сверления.

Не используйте микропереходные отверстия FPC, просверленные лазером, когда:

Достаточно стандартной технологии: Если ваш дизайн допускает отверстия 0,2 мм и стандартные трассы/зазоры, механическое сверление значительно дешевле и быстрее.
Стоимость является основным фактором: Лазерное сверление — это последовательный процесс (сверление одного отверстия за раз одним лучом) и требует дорогостоящего капитального оборудования, что увеличивает удельную стоимость по сравнению с механическими отверстиями, просверленными группами.
Высокая токовая нагрузка: Микропереходные отверстия имеют малую площадь поперечного сечения. Если вам нужно передавать значительную мощность, вам понадобятся массивы микропереходных отверстий или стандартные механические сквозные отверстия.
Высокая толщина материала: Лазерное сверление становится неэффективным и подверженным образованию пустот в покрытии, если диэлектрический слой слишком толстый. Оно лучше всего подходит для тонких диэлектриков (обычно <50 мкм на слой).

Требования, которые необходимо определить перед запросом коммерческого предложения

Как только вы определили, что лазерные микропереходы необходимы, вы должны перевести проектное намерение в жесткие производственные спецификации, чтобы избежать двусмысленности.

Диаметр отверстия (целевой и допуск): Укажите целевой размер готового отверстия, обычно от 75 мкм до 125 мкм (3-5 мил). Определите допуск ±25 мкм. Обратите внимание, что лазерные переходы имеют коническую форму; укажите, относится ли размер к верхнему или нижнему диаметру.
Размер контактной площадки: Определите контактную площадку, которая учитывает движение материала. Для перехода 100 мкм рекомендуется площадка от 200 мкм до 250 мкм. Материалы FPC сжимаются и растягиваются больше, чем жесткий FR4, поэтому "идеальная" регистрация невозможна.
Соотношение сторон: Сохраняйте соотношение сторон (глубина к диаметру) ниже 0.8:1 для глухих переходов, чтобы обеспечить надежное покрытие. Соотношение сторон 1:1 возможно, но рискованно для массового производства без передовых возможностей покрытия.
Тип диэлектрического материала: Явно запрашивайте ламинаты FPC из меди без клея. Клеи (акриловые или эпоксидные), используемые в старых гибких материалах, чрезмерно размазываются во время лазерного сверления и трудно очищаются, что приводит к сбоям в соединениях.
Тип медной фольги: Укажите отожженную прокатную (RA) медь для динамических гибких применений или электроосажденную (ED) медь для статических применений. Для лазерного сверления предпочтительна более тонкая медь (1/3 унции или 12 мкм) для сокращения времени лазерной обработки и улучшения качества отверстий.
Поверхностная обработка: Выберите покрытие, совместимое с монтажом с малым шагом, например ENIG (химическое никелирование с иммерсионным золочением) или ENEPIG. HASL обычно слишком неровное для тонких элементов, связанных с микропереходами.
Процесс десмира: Обязательно укажите плазменную очистку (плазменный десмир) в производственных примечаниях. Химический десмир сам по себе часто недостаточен для удаления остатков полиимида, оставшихся после лазерной абляции.
Требования к заполнению переходных отверстий: Четко укажите, должны ли микропереходы быть заполнены медью (via-in-pad) или допустимо конформное покрытие. Заполнение медью значительно увеличивает стоимость и время обработки, но необходимо для стекирования переходных отверстий.
Контроль импеданса: Если микропереходы являются частью линии с контролируемым импедансом, укажите целевой импеданс (например, 50 Ом ±10%) и опорные слои. Диэлектрическая проницаемость (Dk) полиимида изменяется в зависимости от частоты и влажности.
Защитный слой (Coverlay) против паяльной маски: Определите изоляционный слой. Выбор между защитным слоем (coverlay) и паяльной маской на FPC является критически важным; защитный слой обеспечивает лучшую гибкость, но требует больших отверстий (менее точных), в то время как гибкая фоточувствительная паяльная маска (LPI) позволяет создавать более плотные барьеры вокруг микропереходов, но менее гибка.
Каплевидные утолщения (Teardrops): Требуйте добавления каплевидных утолщений (teardrops) на стыке дорожек и контактных площадок переходных отверстий. Это механическое усиление имеет решающее значение в гибких схемах для предотвращения трещин на границе раздела при термическом или механическом напряжении.
Стандарты тестирования: Ссылка на IPC-6013 (Спецификация квалификации и производительности для гибких печатных плат), в частности, Класс 2 (стандартная надежность) или Класс 3 (высокая надежность/аэрокосмическая).

Скрытые риски, препятствующие масштабированию

Определение требований — это основа; понимание того, где процесс дает сбой, позволяет предвидеть и смягчать отказы до того, как они достигнут сборочной линии.

Неполное удаление нагара (ICD):
- Риск: Лазер создает интенсивное тепло, карбонизируя полиимид и оставляя остаток смолы (нагар) на дне отверстия.
- Почему это происходит: Недостаточная плазменная очистка или неправильные настройки энергии лазера.
- Обнаружение: Дефекты межсоединений (ICD) часто проходят электрические испытания, но выходят из строя после термошока (пайки оплавлением).
- Предотвращение: Обязательное плазменное удаление нагара и запрос микрошлифов с купона каждой производственной партии.
Дрейф регистрации:
- Риск: Лазерное сверло попадает в край контактной площадки или полностью промахивается (выход за пределы).
- Почему это происходит: Полиимид гигроскопичен и нестабилен в размерах. Он расширяется/сжимается во время травления и металлизации.
- Обнаружение: Визуальный осмотр и рентгеновский контроль выравнивания.
- Предотвращение: Использование локальных реперных точек для лазерного выравнивания вместо глобальных. Коэффициенты масштабирования должны рассчитываться для каждой партии.
Пустоты покрытия / Захваченный воздух:
Риск: Пузырьки воздуха застревают в маленьких глухих отверстиях во время процесса гальванизации, препятствуя электрическому соединению.
- Причина: Высокое поверхностное натяжение в маленьких переходных отверстиях или плохое смачивание раствора для гальванизации.
- Обнаружение: Микрошлифовка — единственный надежный метод.
- Предотвращение: Убедитесь, что поставщик использует вибрацию или ультразвуковое перемешивание во время гальванизации и соответствующие смачивающие агенты.
Медный нависание:
- Риск: Верхняя медная фольга не абляруется так чисто, как диэлектрик, создавая "губу" или нависание.
- Причина: Несоответствие поглощения лазера между медью и полиимидом.
- Обнаружение: Микроскопия сверху.
- Предотвращение: Используйте "двухэтапный" лазерный процесс (УФ для резки меди, CO2 для удаления диэлектрика) или химически травите медное окно перед лазерной обработкой.
Трещины от расширения по оси Z:
- Риск: Медный цилиндр трескается во время пайки оплавлением.
- Причина: Полиимид имеет высокий коэффициент теплового расширения (КТР) по оси Z. Он расширяется быстрее, чем медное покрытие.
- Обнаружение: Испытание на термошок с последующим измерением сопротивления.
- Предотвращение: Обеспечьте достаточную толщину покрытия (обычно >15 мкм в среднем) и используйте химию для пластичного медного покрытия.
Отслоение контактной площадки:
- Риск: Захватная площадка отделяется от базового ламината.
- Причина: Чрезмерный нагрев во время сверления или пайки в сочетании с малой площадью поверхности площадки.
Обнаружение: Тест на прочность отслаивания.
Предотвращение: Используйте безадгезивные ламинаты (лучшая прочность сцепления) и максимально увеличивайте размер контактной площадки, где это возможно.
Влагопоглощение:
- Риск: «Попкорнинг» или расслоение во время сборки.
- Почему это происходит: Полиамид быстро поглощает влагу (до 3% по весу).
- Обнаружение: Измерение увеличения веса.
- Предотвращение: Требуется выпекание FPC перед упаковкой и вакуумная герметизация с осушителем.

План валидации (что тестировать, когда и что означает «пройдено»)

Чтобы убедиться, что ваши микропереходы FPC, просверленные лазером, надежны, вы не можете полагаться исключительно на окончательный контроль качества производителя. Вы должны реализовать план валидации, который коррелирует с вашими конкретными рисками применения.

Анализ микрошлифа (поперечное сечение):
- Цель: Проверить форму отверстия, толщину покрытия и качество интерфейса.
- Метод: Залить и отполировать тестовый образец из производственной панели. Просмотреть под микроскопом 100x-400x.
- Приемлемость: Отсутствие размазывания на межсоединении. Толщина покрытия соответствует спецификации (например, >12 мкм). Отсутствие трещин или пустот в покрытии.
Тест на термошок:
- Цель: Имитировать напряжение пайки оплавлением и суровых условий.
- Метод: Циклировать образцы между -55°C и +125°C (или погружение в припой при 288°C на 10 секунд).
- Приемлемость: Изменение сопротивления <10%. Отсутствие расслоения или трещин в бочке, видимых в микрошлифе после воздействия напряжения.
Тест на стресс межсоединений (IST):
Цель: Ускоренные ресурсные испытания переходных отверстий.
Метод: Быстрое циклическое изменение температуры цепи переходных отверстий путем пропускания через нее тока.
Приемлемость: Выдержать более 500 циклов без обрыва цепи. Это более чувствительно, чем стандартное термоциклирование.
Испытание на прочность на отрыв:
Цель: Проверить адгезию меди к полиимиду, особенно после лазерных процессов и процессов металлизации.
Метод: IPC-TM-650 2.4.8.
Приемлемость: >0,8 Н/мм (или согласно техническому паспорту материала).
Диэлектрическая прочность (Hi-Pot):
Цель: Убедиться, что лазер не карбонизировал боковые стенки, создавая проводящий путь.
Метод: Приложить высокое напряжение между слоями.
Приемлемость: Отсутствие тока утечки или пробоя.
Проверка импеданса (TDR):
Цель: Подтвердить, что микропереходные отверстия и трассы соответствуют требованиям целостности сигнала.
Метод: Рефлектометрия во временной области на тестовых купонах.
Приемлемость: В пределах ±10% от целевого импеданса.
Испытание на паяемость:
Цель: Убедиться, что чистота поверхности на контактных площадках микропереходных отверстий подходит для сборки.
Метод: Погружение и осмотр / Баланс смачивания.
Приемлемость: Покрытие >95%, равномерное смачивание.
Измерение стабильности размеров:
Цель: Проверить усадку/растяжение материала.
Метод: Измерить расстояние между реперными точками до и после обработки.
Приемлемость: В пределах требуемого допуска для монтажа методом "выбери и размести".

Контрольный список поставщика (RFQ + вопросы аудита)

Используйте этот контрольный список для проверки потенциальных партнеров. Поставщик, который не может четко ответить на эти вопросы, представляет высокий риск для проектов HDI flex.

Входные данные RFQ (Что вы отправляете):

Файлы Gerber (RS-274X или X2) с четкими файлами сверления.
Чертеж стека, указывающий выбор полиимидных материалов FPC (марка/тип).
Таблица сверления, различающая лазерные переходные отверстия от механических.
Требование класса IPC (Класс 2 или 3).
Требования к панелизации (если у вас есть ограничения по сборке).
Требования к импедансу и ссылка на слой.
Спецификация финишного покрытия.
Прогнозы объемов (прототип против массового производства).

Подтверждение возможностей (Что они должны иметь):

Лазерное оборудование: Есть ли у них УФ-лазеры (для резки меди) и CO2-лазеры (для диэлектрика)? Или двухголовочные системы?
Удаление смолы: Есть ли у них собственное оборудование для плазменной очистки? (Обязательно для гибких плат).
Покрытие: Есть ли у них VCP (вертикальное непрерывное покрытие) или горизонтальные линии, оптимизированные для гибких плат?
Регистрация: Каков их минимальный размер контактной площадки над размером отверстия? (например, +100 мкм).
Минимальное переходное отверстие: Могут ли они надежно сверлить и покрывать переходные отверстия 75 мкм или 100 мкм в производстве?
Запас материалов: Есть ли у них на складе бесклеевой FCCL от крупных брендов (Dupont, Panasonic, Thinc)?

Система качества и прослеживаемость:

Сертификаты: ISO 9001, ISO 13485 (медицинский) или IATF 16949 (автомобильный) по мере необходимости.
Проверка: Используют ли они AOI (автоматический оптический контроль) на внутренних слоях до ламинирования?
Поперечное сечение: Выполняют ли они микрошлифы на каждой панели или каждой партии?
Прослеживаемость: Могут ли они отследить неисправную плату до конкретной партии материала и параметров гальванической ванны?
Чистота: Является ли зона ламинирования и экспонирования сертифицированной чистой комнатой?

Контроль изменений и Доставка:

Политика PCN: Уведомят ли они вас перед изменением поставщиков материалов или параметров лазера?
Мощность: Какова их ежедневная производительность лазерного сверления (ударов/день)?
Упаковка: Запечатывают ли они вакуумом с карточками-индикаторами влажности?
Поддержка DFA: Могут ли они проанализировать конструкцию на предмет рисков сборки (например, расположение усилителя относительно переходных отверстий)?

Руководство по принятию решений (компромиссы, которые вы действительно можете выбрать)

Инженерия — это компромисс. Вот конкретные компромиссы, связанные с лазерным сверлением FPC.

Безадгезивные против адгезивных ламинатов:
- Приоритет надежности: Выберите безадгезивный медный FPC. Он обладает лучшими тепловыми характеристиками, меньшим размазыванием и более тонким профилем.
- Приоритет стоимости: Ламинаты на основе клея дешевле, но рискованны для лазерных переходных отверстий из-за размазывания. Избегать для HDI.
УФ-лазер против CO2-лазера:
Prioritize Hole Quality: УФ-лазеры чисто режут медь и диэлектрик с минимальной карбонизацией. Лучше всего для переходных отверстий <100µm.
Prioritize Speed/Cost: CO2-лазеры быстрее удаляют диэлектрик, но отражаются от меди (требуется предварительно вытравленное окно). Лучше всего для больших переходных отверстий (>125µm).
Защитная пленка (Coverlay) против паяльной маски:
- Prioritize Flexibility: Выберите Coverlay. Он прочен, но требует больших зазоров вокруг контактных площадок.
- Prioritize Density: Выберите гибкую паяльную маску LPI. Она позволяет создавать определенные перемычки между контактными площадками с малым шагом, но менее гибка, чем Coverlay.
Заполненные переходные отверстия против конформного покрытия:
- Prioritize Stacked Vias: Вы должны выбрать переходные отверстия, заполненные медью, чтобы разместить одно отверстие поверх другого.
- Prioritize Cost: Конформное покрытие (полое переходное отверстие) является стандартным и более дешевым. Используйте смещенные переходные отверстия вместо расположенных друг над другом, чтобы сэкономить деньги.
Использование панели против стабильности:
- Prioritize Stability: Используйте меньшие производственные панели. Гибкие материалы сжимаются; большие панели имеют худшие ошибки регистрации по краям.
- Prioritize Unit Cost: Большие панели дают больше деталей, но увеличивают риск брака из-за проблем с выравниванием.

FAQ

Каков минимальный размер контактной площадки для лазерного переходного отверстия 100µm? Обычно требуется диаметр контактной площадки от 200µm до 250µm. Это обеспечивает кольцевую область 50-75µm для учета движения материала и допусков на регистрацию сверления.

Могу ли я укладывать микропереходные отверстия в FPC? Да, но нижнее переходное отверстие должно быть заполнено медью и планаризовано. Смещение переходных отверстий (их расположение в шахматном порядке) предпочтительно в гибких конструкциях для поддержания гибкости и снижения затрат.

Почему требуется плазменная очистка? Лазерное сверление сжигает полиимид, оставляя углеродный остаток. Химическая очистка подходит для FR4, но часто неэффективна при загрязнении полиимидом. Плазма физически бомбардирует остаток, чтобы обеспечить чистое электрическое соединение.

Как лазерное сверление влияет на импеданс? Лазерные переходные отверстия являются коническими (сужающимися), а не цилиндрическими. Эта форма влияет на емкость переходного отверстия. Для высокочастотных конструкций (>10 ГГц) необходимо точное моделирование этого сужения.

Дороже ли лазерное сверление, чем механическое? В расчете на одно отверстие лазер быстрее. Однако настройка, стоимость машины и последовательный характер (одно отверстие за раз) могут сделать его более дорогим при небольшом количестве отверстий. При высокой плотности он становится экономичным.

В чем разница между глухими и скрытыми микропереходными отверстиями? Глухие переходные отверстия соединяют внешний слой с внутренним. Скрытые переходные отверстия соединяют только внутренние слои. Оба типа могут быть просверлены лазером, но скрытые переходные отверстия требуют последовательных циклов ламинирования, что увеличивает стоимость.

Могу ли я использовать лазерное сверление на усилителях жесткости? Нет. Усилители жесткости (FR4 или PI) обычно сверлятся или фрезеруются механически. Лазерное сверление применяется к слоям гибкой схемы до прикрепления усилителя жесткости.

Какое лучшее финишное покрытие для лазерных микропереходных отверстий? ENIG или ENEPIG являются лучшими. Они обеспечивают плоскую поверхность для сборки и не нагружают маленькие переходные отверстия, как термический шок HASL.

Возможности гибких печатных плат – Ознакомьтесь с базовыми характеристиками гибких схем, чтобы понять, как лазерное сверление вписывается в более широкие производственные возможности.
Технология печатных плат HDI – Изучите структуры стека (1+N+1, 2+N+2), которые используют лазерные микропереходные отверстия для трассировки высокой плотности.
Решения для жестко-гибких печатных плат – Узнайте, как интегрировать гибкие слои, просверленные лазером, в сложные жестко-гибкие сборки для 3D-упаковки.
Процессы сверления печатных плат – Сравните лазерное сверление с механическим сверлением, чтобы убедиться, что вы выбираете правильный метод для ваших требований к плотности.
Выбор материалов для печатных плат – Изучите специфические свойства полиимидных и безадгезивных ламинатов, критически важных для надежных микропереходных отверстий.

Запросить коммерческое предложение

Готовы проверить свой дизайн? Отправьте свои данные в APTPCB для всестороннего анализа DFM и ценообразования.

Чтобы получить наиболее точное коммерческое предложение и обратную связь по DFM, пожалуйста, включите:

Файлы Gerber: Включая все слои меди, паяльную маску/защитное покрытие и файлы сверления.
Чертеж стека: Четко обозначать лазерные переходные отверстия по сравнению с механическими.
Спецификация материала: Указать "безадгезионный ПИ" при необходимости.
Требования к испытаниям: Упомянуть, требуется ли IPC Class 3 или специфическое тестирование импеданса.
Объем: Количество прототипов по сравнению с предполагаемым годовым использованием.

Заключение

Внедрение микропереходных отверстий FPC, выполненных лазерным сверлением, является значительным шагом вперед в технологии, который позволяет создавать более легкие, быстрые и компактные устройства. Однако успех зависит от уважения уникальных свойств гибких материалов — в частности, от необходимости использования безадгезионных ламинатов, тщательной плазменной очистки и допустимых допусков на контактные площадки. Следуя шагам валидации и контрольному списку в этом руководстве, вы сможете перейти от прототипа к производству с минимальным риском. APTPCB готова поддержать ваши проекты по гибким платам высокой плотности с помощью прецизионного оборудования и инженерного опыта, необходимых для успеха.