Circuiti Flessibili: Innovazioni e processi

I PCB flessibili hanno costituito un fattore chiave per l’elettronica moderna ad alta densità, ma raggiungere questa densità richiede strati più sottili e piste più fini. I circuiti flessibili a tre strati convenzionali composti da rame, polyimide e adesivi cedono il passo a circuiti flessibili a due strati più fini, più lisci che non richiedono lo strato adesivo – il rame è depositato invece direttamente sul polyimide. Questi circuiti a due strati possono essere di soli 30 µm di spessore, con interlinea di soli 15 µm (0,6 mils). È essenziale di conseguenza che i pannelli elaborati siano trattati con estrema cautela per evitare di causare pieghe, tensioni, o graffi.

Circuiti flessibili integrati per le connessioni elettroniche negli smartphone 

La delicatezza fisica intrinseca dei circuiti flessibili fa insorgere alcune sfide chiave per la manifattura che possono influenzare negativamente il rendimento e potenzialmente avere un impatto sulla possibilità di realizzare un progetto. Queste sfide sono affrontate per mezzo di tecnologie che supportano flessibilità e che consentono una produzione di FPC (flexible printed circuit – circuito stampato flessibile) in larga scala mentre assicurano il rendimento e una produzione di qualità. Molti fornitori di circuiti flessibili stanno adottando tecniche di produzione flessibile avanzate per migliorarne l’efficienza, incrementarne il rendimento, e mantenere bassi costi e aumentare la competitività sul mercato.

La progettazione della produzione e la manifattura di FPC è diversa da quella dei PCB rigidi, e durante gli ultimi dieci anni sono state sviluppate nuove soluzioni in ogni parte del ciclo di produzione per supportare la delicatezza della produzione di PCB flessibili. I miglioramenti nel trattamento di materiale sheet-to-sheet tradizionale e ultimamente, processi automatici roll-to-roll (R2R) rinforzano la produzione di circuiti flessibili per soddisfare la crescente domanda di mercato. Se lavorate con circuiti flessibili, ecco alcune tecnologie che dovreste conoscere.

Circuiti flessibili multipli nella progettazione degli smartphone 

Soluzioni CAM e CAD flessibili: Miglior controllo del processo dalla progettazione alla produzione

Speciali strumenti software di design for manufacturing (DFM) per circuiti flessibili aiutano a neutralizzare problemi di produzione durante la fase della progettazione. Questi strumenti avanzati sono usati per automatizzare totalmente sessioni di modifica manuale, riducendo errori e durata critica del ciclo. Fra i DFM flessibili disponibili oggi troviamo curvatura automatica di giunti e levigazione di superficie, e ottimizzazione automatica di coverlay e solder mask che rendono la progettazione più veloce, di più alta qualità e più accurata.

Analisi e ottimizzazione produttiva dei pannelli FPCs (source: Frontline PCB Solutions)

Progetto tipico di un multilayer rigid flex (source: Frontline PCB Solutions)

Strumenti di analisi di progettazione di circuito flessibile forniscono un controllo ulteriore consentendo agli ingegneri la revisione di progettazioni prima, durante e dopo la lavorazione con utensili. Possono essere usati per controllare limitazioni della costruzione per schede flessibili e riferire problemi collegati con elementi di rinforzo, intercapedini d'aria, zone pre-piegate, parti che si muovono frequentemente, sovrapposizioni di tracce e giunzioni e maschere conduttive.

Strumenti speciali CAD e CAM dedicati come Xpedition di Mentor Graphics e GenFlex e InCAM Flex di Frontline sono disponibili per progettazione di circuito stampato flessibile.

Foratura laser di pannelli flessibili per alta densità e rendimento

Routing e foratura laser sono comuni nella produzione dei circuiti stampati flessibili. Tecnologia di foratura laser ultra-violetta è usata nella produzione dei flessibili ad alta densità per forare vias di meno di 70 µm direttamente attraverso gli strati di rame e polyimide. La foratura laser ad alta precisione ha la capacità di acquisire i target sui pannelli e allineare accuratamente la posizione di foratura per assicurare la miglior registrazione dei vias. Le macchine laser vengono anche usate per un routing di precisione accurato e ablazione di scanalature che sono comuni nei PCB. La foratura laser supporta la produzione tipica a pannello e ultimamente è stata adottata per modalità di produzione roll-to-roll.

Formazione diretta dell'immagine laser: Precisione e compensazione di deformazione per materiali flessibili non-piani

Finora, i fornitori di circuiti flessibili avanzati hanno fatto conto soprattutto su attrezzatura di esposizione diretta dell'immagine laser (laser direct imaging  -LDI) da usare con la loro formazione dell'immagine basata su lastra per materiali flessibili a doppia faccia, flessibili rigidi e flessibili multistrato. La tecnologia LDI aiuta a superare sfide di produzione di circuiti flessibili per mezzo di:

  1. Ottica per la profondità di campo (depth of field - DOF) molto accurata: caratteristiche di piste fini in produzione di immagini su materiali flessibili dove una superficie non è sempre piana e per variazioni di altezza della superficie da 100 µm a 300 µm. LDI con tecnologia di Ottica a Larga Scale (Large Scale Optics - LSO) fornisce una profondità di messa a fuoco di più di 300 µm assicurando qualità ottimale delle piste e uniformità su qualsiasi superficie flessibile. Altre architetture di ottica meno accurate per immagini, che hanno ad es. DOF inferiore a 100 µm , danno risultati di bassa qualità con piste non uniformi, influenzando il rendimento del circuito.
  2. Compensazione di Distorsione: materiale flessibile di polyimide viene deformato e teso durante la produzione. Per compensare questa deformazione, ogni singolo pannello flessibile viene misurato e poi l’immagine preparata è un’immagine corretta compensata, assicurando un allineamento accurato dello stampo con i vias perforati.  Solo una soluzione di formazione diretta dell'immagine digitale con un’alta precisione di registrazione può modificare e correggere l’immagine della stampa per ogni pannello misurato. Questo supporta una stampa accurata per la registrazione dei vias, consentendo piccole superfici d'acquisizione e un’alta densità con produzione di FPC ad alto rendimento

L’esposizione LDI è usata in più dell’80% della produzione di massa di circuiti stampati flessibili con piste sottili. L’esigenza di lavorazione con LDI in sistemi di produzione roll-to-roll continua a crescere, e il sistema LDI per rotoli di materiale flessibili è in fase di sviluppo.

Ispezione Ottica Automatizzata (Automated Optical Inspection - AOI): Ottenere livelli più elevati di ispezione di qualità

La maggior parte di prodotti FPC sono a doppia o singola faccia. Tradizionalmente, questi non sono sempre stati sottoposti a ispezione AOI. Negli ultimi cinque anni, i circuiti flessibili con piste sottili (fine line) sono diventati una parte importante dell’interconnessione negli smartphone; il risultato è che i costruttori di dispositivi integrati richiedono un controllo di qualità più elevato dei FPC a doppia e singola faccia, e rendono l’ispezione a livello AOI obbligatoria.

Il materiale a base di polyimide è trasparente e presenta una sfida per eseguire l’ispezione ottica. Nuovi strumenti di ispezione AOI sono stati sviluppati con capacità di formazione dell’immagine multiple, consentendo al FPC di essere scansionato in un modo che assicuri un’individuazione completa senza false interferenze dagli strati inferiori del pannello.

L’ AOI implica tipicamente un trattamento manuale degli strati del pannello nelle fasi di ispezione e verifica. Questo metodo manuale presenta una sfida per il processo e causa frequentemente un danno durante il trattamento per i delicati e sottili strati FPC, creando un aumento sostanziale di scarti.

Il trattamento automatico di nuclei sottili di strati flessibili costituisce una sfida tecnica considerevole e di conseguenza è aumentata l’esigenza di passare a una modalità di operazione roll-to-roll per ispezione e verifica.

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Sistema AOI automatizzato per rotolo flessibile

Oggi circa 100 sistemi AOI usano il processo roll-to-roll per elaborazione della modalità di ispezione e verifica nella regione Asia-Pacifico, soprattutto per la produzione di smartphone. Questi sistemi AOI vengono usati per circuiti flessibili a singola e doppia faccia, e inoltre gli strati interni di circuiti flessibili a strato rigido e multi-strato.

Sagomatura ottica automatizzata: Miglioramento del rendimento recuperando scarti di FPC

A causa dello spessore di 30 µm del FPC a piste sottili a doppia faccia, la riparazione manuale o la rielaborazione di difetti non è stata possibile in passato e gli FPC difettosi erano immediatamente scartati. Ma negli ultimi tre anni, sono state sviluppate soluzioni di sagomatura di rame pienamente automatizzata per sagomare e risparmiare FPC sottili. Questa soluzione di sagomatura ottica automatizzata usa strumenti avanzati di ablazione laser e formazione di immagine basati sulla fosforescenza, che funzionano insieme all’interno di in un sistema di sagomatura a ciclo chiuso, rimuovendo piccoli corti circuiti quasi senza penetrazione e senza danno al FPC. Questi FPC danneggiati vengono così recuperati e non devono più essere scartati, aumentando il rendimento finale e risparmiando costi significativi di produzione. La sagomatura ottica automatica è stata recentemente implementata in modalità roll-to-roll.

Formazione diretta dell'immagine (Direct imaging - DI) per strato flessibile di soldermask

I prodotti sottili flessibili che non hanno fibre di vetro di rinforzo tendono a muoversi e deformarsi durante il processo di produzione. Queste deformazioni si accumulano durante tutto il processo di produzione e devono essere corrette durante la fase di stampa del solder mask. Questo spiega perchè l’uso del DI nello strato di solder mask per FPC per smartphone stia aumentando, e perchè il DI sta diventando una soluzione scelta per una produzione di FPC ad alto rendimento e di alto volume.

Elaborazione roll-to-roll: Eliminare i danni

Mentre i processi pannello-pannello (sheet-to-sheet) sono ostacolati da procedure di manipolazione a batch a passaggi multipli di piccole dimensioni di substrato, l’elaborazione roll-to-roll consente l’elaborazione ad alta velocità, continua di un lungo coil flessibile della lunghezza tipica di 100m. Con questo metodo, l’efficienza della produzione è migliorata in modo drastico, producendo decine di migliaia di piccoli FPC in un lungo supporto di produzione continua. Il materiale in roll-to-roll può contenere circuiti flessibili a singola o doppia faccia, e l’elaborazione degli strati interni di circuiti flessibili multistrato.

Elaborazione R2R continua ad alta velocità

L’infrastruttura di elaborazione roll-to-roll richiede un investimento di capitale iniziale considerevole per la personalizzazione di tutta l’attrezzatura di produzione descritta e inoltre per gli altri processi comprese le linee chimiche. Questo investimento è molto superiore a quanto richiesto per l’elaborazione sheet-to-sheet, quindi fornitori di circuiti flessibili sono stati comprensibilmente conservativi nell’adottare il roll-to-roll. Tuttavia, eliminando i danni che solitamente derivano nel trattamento del flessibile, i benefici di usare il processo roll-to-roll per una qualità più elevata e rendimenti più elevati lo rendono alla fine economicamente vantaggioso.

Conclusione

I FPC sono preziosissimi per una vasta gamma di applicazioni – nessuna più del moderno smartphone, dove forniscono un alto livello di densità del circuito insieme a capacità pieghevoli di interconnessione. Questo consente la progettazione di un prodotto sottile ed efficiente che semplicemente non è possibile ottenere con PCB rigidi convenzionali. Tuttavia produrre queste interconnessioni ultra-sottili, flessibili e delicate comporta molte sfide. Una particolare cura deve essere posta durante tutto il processo di produzione per assicurare che i benefici della tecnologia che questi circuiti consentono non siano compromessi da un basso rendimento e un’inefficienza di produzione che alla fine fanno aumentare il costo dei dispositivi finiti.

Usando abilmente un’elaborazione roll-to-roll altamente efficiente con foratura laser avanzata, possibilità di utilizzo del DI e dell’AOI, uniti a strumenti software ottimizzati per circuiti flessibili, i costruttori di circuiti flessibili stanno raggiungendo economie di scala e fornendo ai progettisti circuiti flessibili altamente affidabili e versatili di cui hanno bisogno per differenziare i loro prodotti in un mercato altamente competitivo.

Autore: Micha Perlman, Responsabile marketing senior, Orbotech
Published by: EDN

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