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FPC的SMT制造工藝

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  • 發布時間:2022-10-20 14:00
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【概要描述】FPC的SMT制造工藝

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一、FPC的簡介

FPC是Flexible Printed Circuit的簡稱,又稱柔性線路板或軟板。它是以聚酰亞胺或聚酯薄膜為基材制成的一種具有高度可靠性的柔性印制電路。

根據JIS C5017的定義,單面及雙面印刷電路板是利用銅箔壓合在PET或是PI基材上形成單面線路的單面軟性印刷電路板,或是以PI為基材在兩面形成線路的雙面軟性印刷電路板。

FPC主要應用于:MP3、MP4播放器、便攜式CD播放機、家用VCD、DVD 、數碼照相機、手機及手機電池、數字對講機、醫療、汽車,航天及軍事等領域。

FPC的特點有:

優點

缺點

重量輕、小型化、薄形化

制程長,對制程及環境的要求高,成本高

具有可撓性,可在三維空間隨意移動伸縮

報廢率高

設計領域大,可立體配線

機械強度低

散熱性好

檢查方式相比PCB要困難

可提高配線密度

需借助夾具生產,對工程人員的夾具設計能力提出高要求

 

二、FPC的SMT生產方式

2.1 RTR連續卷帶式

roll-to- roll 或 reel-to-reel,簡稱RTR,中文全稱:連續卷帶法。

在20世紀80年代間,世界上有少數大型FPC生產廠家就開始建起了RTR的生產線。

由于當時所采用的工藝技術尚未成熟,使得RTR生產線上所生產FPC的產品合格率很低。到90年代后期,由于TAB、COF市場的擴大以及RTR技術趨于初步的成熟,在生產 TAB、COF的FPC中,開始逐漸發揮出這種連續生產FPC的設備及工藝的優越性。到21世紀初,RTR方式生產FPC的技術發展已經相對成熟。

REEL TO REEL 生產線示意圖:

說明: http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20171129/7fa3469274e54475baaecd1f84a86923.jpeg

2.1.1 Reel to Reel的優勢

Ø 無需作業員將FPC貼附在夾具上等相關作業工序。

Ø 避免FPC折痕、劃傷。

Ø 如后工序要做FOG、NCP等對無塵環境要求高的產品,可避免人員作業及環境的污染。

Ø 簡化包裝、運輸及作業條件。

Ø 能滿足超薄、高端FPC的COF等工序需求。

2.1.2 Reel to Reel的劣勢

Ø 生產線設備的專業化程度高,適用的產品范圍窄。

Ø RTR生產設備投入成本昂貴。

Ø 適合超大批量的FPC生產。不適用于多品種小批量的生產模式。

2.2 夾具貼附式

此類生產方式的重點是FPC的貼附/和固定。FPC貼附的目的就是利用夾具把FPC變成“PCB”,使FPC能像“PCB”一樣進行SMT。其簡化的工藝流程為:

說明: http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20171129/0a5fa7218331478792c25c5816dfc1ab.jpeg

相對REEL TO REEL,夾具貼附方式的成本低,簡單易用,所以使用夾具進行FPC SMT是目前業界最常使用的方法。本文將基于夾具貼附的生產方式進行闡述。

三、夾具貼附方式的工藝要點

3.1 預烘烤

FPC材料容易受潮,當受潮的FPC經高溫焊接后,會出現起泡分層而導致報廢。所以通常要求FPC供應商在來料時真空包裝。但是真空包裝也并不是萬無一失的,在貼片前最好對FPC進行預烘烤。

預烘烤的條件設定需根據FPC的材料、FPC厚度、烘爐、烘烤托盤等綜合考慮,經工程實驗后再定下預烘烤的條件:溫度、烘烤時間、堆疊數量。

經烘烤后,FPC需冷卻至室溫后,才可以投入生產,否則熱的FPC會引起錫膏熱坍塌。這里又有兩個地方需要監控:冷卻時間和超期返烘烤時間,同樣需要做工程實驗后才能確定。

3.2 FPC貼附和固定

FPC的貼附和固定方式依據不同的夾具設計而有所區別。FPC夾具經過多年的發展,已經有了許多成熟的設計方法。排除特殊產品的需要,并考慮到可操作性、維護的簡便性,我們通常將夾具設計成兩部分:底座和托板。

3.2.1底座

它的作用是固定托板和定位FPC。 底座設計雖然簡單,但是作為夾具的組成部分,不可缺少。其中一種BASE設計如右圖:

說明: http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20171129/84216aea8e3b41969649809257d84258.jpeg

3.2.2 托板

托板起到固定FPC的作用。

Ø 根據固定方式和材料的不同可分為:硅膠貼附托板、耐高溫膠紙貼附托板、磁性托板等

Ø 根據材料的不同分為:鋁合金托板、合成石托板。而由于鋁合金成本低應用的最為廣泛。

3.2.2.1 硅膠貼附托板

它是利用硅膠的粘性固定FPC。在托板加工完成后要在托板上印刷硅膠或貼硅膠膜。

這種托板的優點是:節約成本,可反復使用;節約人員,效率高;表面平整,利于印刷;爐后取板方便、快捷。

缺點是:要對貼硅膠貼的位置沉槽,增加了夾具的設計和制作復雜度;貼硅膠貼對應FPC的位置不能有元件;硅膠使用壽命較短,維護(硅膠失效時需要更換等)工作量大。

 

3.2.2.2高溫膠紙貼附托板

它是在FPC上貼高溫膠紙,其托板加工完成后無需后工序。

這種托板的優點是:固定良好,過爐不掉板;無需特別維護。

缺點是:高溫膠紙成本高;人員浪費,效率低;爐后取板撕膠紙時易刮傷FPC表面;容易造成FPC附膠。

高溫膠紙的成本高是這種方法的主要缺陷之一,為了降低此成本,我們找到了一種白色日本耐高溫膠紙,這種膠紙可以重復循環5次,大大降低了高溫膠紙的成本。

 

3.2.2.3 磁性托板

它是在加工托板的時候在托板中嵌入高溫磁鐵,將FPC定位到托板上后,蓋上壓片,壓片中含有鐵元素,可以與托板中的磁鐵產生磁場的吸引力,將FPC牢牢的夾在托板和壓片中間。

這種托板的優點是:固定良好,過爐不掉板;無需特別維護。成本一次投入,無后續費用累計,總成本低;可明顯改善金手指附錫的問題。

缺點是:制作復雜,周期長;初期投入成本高;壓片易變形;不適用于阻焊層采用PSR或PSC類的FPC。

說明: http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20171129/3cd86d0b54d54c16a3dc529bd187779c.jpeg

托板,底部裝有耐高溫磁鐵

 

說明: http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20171129/11e9bd9818204e3a9c3facc751b38ae3.jpeg

不銹鐵材料做的壓片

以上的3種夾具方案,并沒有說哪一種一定好于另一種。我們在選用夾具設計方案時,需要綜合考慮產品的特點、訂單量等因素。

夾具的設計和制作好壞直接影響到FPC的生產直通率。對于FPC來講,工藝人員需要制作一套適合公司產品的FPC夾具設計規范,以指導和規范工裝夾具部或外協供應商的夾具制作。

3.3 FPC的錫膏印刷

雖然FPC經過貼附固定后變成了“PCB”,但是FPC表面仍然會不平整。這種不平整來自于:FPC本身的變形、貼附材料的厚度、補強板或背膠的厚度。當FPC不平整時會引起印刷連錫、少錫、多錫的問題。

為消除FPC不平整的影響,可采取以下的措施:

3.3.1 優化高溫膠紙的貼附位置和數量

FPC的變形在采用高溫膠紙貼附時表現的尤其明顯,會導致脫膜不利而少錫。為減少影響,需要在印刷區域附近增加高溫膠紙,或者在不增加膠紙的情況下使膠紙貼附位置靠近印刷區域,同時又要保證膠紙距離焊盤至少8mm,以防膠紙的厚度干涉到了焊盤而導致印刷了多錫或連錫。

3.3.2 補強板和背膠的避位

補強板和背膠是引起FPC不平整的又一重要因素。我們可以在托板上設計一些沉槽來消除它們的影響,使得FPC表面盡可能的平整。不過,在設計沉槽深度的時候要考慮到加工精度,只要保證FPC的焊盤區域不受干涉即可。否則由于加工精度低,導致沉槽過深,將引起多錫、連錫的問題。

補強板和背膠在設計時需要考慮與焊盤的距離,否則沉槽的避位距離不足,引起印刷多錫、連錫。如下圖。

說明: http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20171129/4a0c411509624c77b61d0ddb8c6354af.jpeg

此距離需要根據補強板或背膠厚度、FPC材料和厚度、焊盤類型等進行不同的設定。通常8mm的距離可以應付絕大多數狀況。

3.3.3 磁性夾具中壓片的厚度和開口尺寸

如何減少壓片與FPC間的不平整對印刷的影響呢?

首先,選擇好壓片的厚度,壓片的材料為不銹鐵,推薦選擇厚度為0.06mm的不銹鐵做壓片。

其次,可將壓片的開口做大來減少壓片厚度的影響,推薦壓片開口邊緣與焊盤邊緣的距離為:印刷方向至少8mm,非印刷方向至少6mm。

 

3.4 FPC的貼片

當FPC貼附到夾具上后,FPC就變成了“PCB”,并且已經解決了FPC的不平整問題,那么貼片就顯的非常簡單,與PCB貼片無多大差別。但是由于FPC的元件少,必須拼板進行貼片,所以如何高效的使用貼片機是FPC貼片的主要問題。

3.4.1 當FPC為拼板來料時

FPC拼板來料的貼片較簡單,此時,僅需要關注每拼板的壞板率對貼片效率的影響。必須保證當壞板率最高時,貼片機的CYCLE TIME仍然最高。

3.4.2 當FPC為單板來料時

單板FPC需要先在夾具上做成拼板,然后才能投入生產。拼板的數量直接影響到貼片效率。因為FPC以CHIP為主,IC和連接器的數量不多,所以我們推薦拼板數量=貼片機每個懸臂上段位器數量的倍數。比如西門子D4貼片機,每個懸臂的段位器數量為12個,那么FPC的拼板數量可以為12/拼或12的倍數/拼。如此拼板的優點是每個CYCLE可以取滿元件而不會有浪費,并且便于程序優化(自動優化后的手工微調)。

 

FPC單板拼成12拼板,受到夾具定位精度和FPC定位孔精度的影響,每個FPC的位置或多或少都會有偏差。所以在貼片時需要對每個FPC進行MAKR點識別,比如12拼板就需要識別24個MARK點,效率損失很大。

推薦一種錫膏MARK點技術,如下圖。使用該技術,不僅可以將MARK點減少到2個,而且可以明顯改善豎立、假焊的品質問題。不過在使用錫膏MARK點前,需要確認貼片機的相機是否有藍光和45度光源,否則需要對相機進行改裝,外加一個45度的藍光光源即可。

 

3.5 FPC的分板

拼板來料的FPC需要分板,根據 FPC拼板的連接方式不同,需要選擇不同的分板方式。

3.5.1 微連接的分板方式

采用微連接的FPC,其連接部位與FPC拼板有輕微的連接,用手輕輕一撕就將FPC分下。但是微連接的連接力度太弱,一不小心FPC就會從拼板中脫落而導致印刷偏位。所以,對于元件密度較高、焊盤間距小的FPC,不適用于微連接方式拼板,應使用連接筋方式連接。

 

3.5.2 連接筋的分板方式

如下圖,是用連接筋方式連接的FPC。

分板方式有3種:

Ø 用刻刀或刀片分割的手工分板,精度和效率低,成本低。

Ø 刀模分板。精度較低,壽命短,但是成本低,效率高。

Ø 鋼模分板。精度高,壽命長,效率高,但是成本非常高。

需要根據產品特點和訂單量來選擇不同的分板方式。

 

— END —

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