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PCBA大講堂:FPC與PCB的連接及焊接方式介紹

time : 2019-09-20 09:03       作者:凡億pcb

PCBA大講堂:FPC與PCB的連接及焊接方式介紹
隨著電子產品的發展,使用FPC軟板連接到PCB的技術需求也越來越高,本文試著介紹目前業界常用的幾種FPC與PCB的連接及焊接方式。
 
FPC(Flexible Printed Circuit,「軟性印刷電路板」或稱「柔性線路板」)目前應用在多樣的電子產品,尤其是穿戴裝置及輕薄短小的手持裝置上,雖然現在PCBA制程已經發展出可以在FPC上面直接焊接電子零件,但是其可焊性及品質信賴度仍然不佳,比如哪些給終端使用者插拔的「I/O連接器」,如micro-USB、USBC充電與傳輸資料的連接器,大顆的BGA及QFN也不建議焊接于FPC。
 
一般FPC最終還是需要連接到硬式PCB上,而FPC連接到PCB的工藝則有使用:
? 軟板連接器(FPC Connector)
? 軟硬復合板(Rigid-Flex Board)
? 焊接(Soldering)。采用焊接最主要在節省「連接器」的費用并降低高度。
 
本文就僅FPC與PCB之間的焊接工藝來加以介紹,而其軟板焊接的方式也是多種多樣,不過總的來說可以用下列幾種方式來焊接:
一、人工電烙鐵焊接(manual soldering)
人工焊接軟板于電路板是所有軟板焊接工藝最便宜的制程,有些甚至完全不需要使用治具就可以作業,但其焊接品質也是最不克靠的一種制程,因為人工焊接容易造成空焊、虛焊、假焊、架橋短路之類的品質問題。這是因為人工焊接時軟板容易在烙鐵頭移開且焊錫還未固化時移動或翹起,等到焊錫固化后就形成了假焊、空焊等結果。
 
所以在人工焊接時最好使用重物壓在軟板上直到焊接完畢后移開,這樣可以大大提升焊接良率。另外,軟板焊接的金手指最好開有通孔(PTH),可以增加視覺來確認焊接是否良好,也可以降低溢錫短路的風險。
 
一般來說如果在設計還沒有定下來(Lock-down)時,為了減少治具設計與制作的費用,可以少量使用人工電烙鐵焊接軟板作業以給RD做功能驗證用。大量生產時強烈建議不可人工焊接。
 
二、HotBar(哈巴)焊接
HotBar(哈巴)焊接
HotBar(哈巴)焊接的原理基本上是利用所謂的【脈沖電流(pulse)】流經鉬、鈦等具有高電阻特性金屬材料時所產生的【焦耳熱】來加熱【熱壓頭(thermodes/heater-tip)】,再藉由熱壓頭加熱熔融PCB上已經印刷的錫膏與FPC連結達到焊接的目的。
 
所以,HotBar作業時必須要有HotBar機臺,還要有載具(carrier)來固定FPC于PCB上,只要FPC及PCB設計得好,基本上都可以達到量產與一定的良率的目標。
 
? HotBar焊接品質的好壞基本上絕大部分取決于設計的良秀,詳細的設計要求可以參考深圳宏力捷之前關于HotBar設計的文章。 
HotBar FPCB附近零件的限制 
HotBar FPCB軟板設計注意事項—PTHs 
HotBar熱壓FPCB與PCB焊墊相對位置的建議 
HotBar FPCB軟板設計—避免應力集中,線路折斷
 
? 再來是FPC金手指的間距大小,間距越大越容易生產,良率也越高,但設計上要求卻是越來越小,這也造成HotBar越來越難做,良率直直掉的窘況。
 
? 最后才是制程管控問題。比如說錫膏量的控制,HotBar時助焊劑的涂抹是否到位,HotBar的溫度、壓力、時間設定,HotBar機臺的能力(熱壓頭的壓力是否可程式化)。 
 
另外,有些HotBar軟板的設計無法達到有效導熱的效果,這時候可能需要考慮是否采用錫鉍(SnBi)低溫錫膏,但低溫錫膏較脆,所以建議加強輔助結構。
建議相關文章閱讀: 
低溫錫膏制作HotBar焊接的可行性評估
 
三、回流焊接(Reflow soldering)
深圳宏力捷以前沒有試過軟板貼附回流焊制程,不過理論上應該可行,而且網絡上也可以看到一些討論區有人執行回流焊制程。它的作法基本上就是現在PCB上印刷錫膏,然后在回焊爐前擺放FPC,并使用上蓋下座回焊載具(reflow carrier)過回焊爐,上下載具使用磁扣來確保FPC位置不會移動,且在回焊時FPC焊點不會翹起。
 
這種FPC回焊制程有幾點注意事項需要要留意:
? FPC材料是否可以承受無鉛回焊高溫。如果FPC材質高溫受限,可能需要考慮低溫錫膏的可行性。
? FPC的擺放一般都是人工作業,這時候錫膏還是膏狀,如何避免人工作業去碰觸到錫膏或是其他零件是一大課題。所以,這種制程不適合有零件放置在FPC下方。
 
深圳宏力捷個人以為,這種制程適合PCB上沒有太多零件且FPC上面也沒有零件的產品,否則碰觸到其他零件或錫膏所產生的不良率應該蠻高的,細間距的FPC應該也不適合。
 
四、雷射激光焊接(Laser soldering)
雷射激光雷射焊接(Laser soldering)就是靠雷射能量激發轉變為熱能以達到焊接的目的,所以其焊接通常運用在可以將雷射打在焊料的位置直接加熱。
 
其實深圳宏力捷覺得雷射激光焊接不是非常適合用在FPC焊接于PCB的作業上,或許是深圳宏力捷的經驗不足吧!總認為雷射激光比較適合應用在連接器的焊接上,因為現在有很多的FPC設計是沒有導通孔的,這就造成鐳射光無法直接打在焊料上,無法讓鐳射光起到充分加熱的作用。
 
此外,這種雷射焊接設備通常是專用機非泛用機,它的能量一般不適合拿來執行其他的作業,所以設備費用也不便宜,除非產量大的產品,否則不建議,自己計算一下ROI看看吧!
 
五、ACF(異方性導電黏膠)
在無法使用焊錫來焊接FPC與PCB時,或許可以考慮采用「ACF(異方性導電黏膠, Anisotropic Conductive Film)」來導通FPC與PCB的電子訊號,ACF的加工溫度比HotBar來得低,不用擔心FPC燙壞的問題,ACF的作業方式其實與HotBar相似,但是ACF更簡單,它其實有點像黏膠,放置在PCB與FPC的金手指間,然后加熱加壓就可以完成連接,有些設備機臺甚至可以設定不同溫度與壓力就可以同時給HotBar及ACF制程使用。
 
不過ACF有個最大的缺點就是使用一段時間后其黏膠容易失效剝落,所以必須增加額外的機構來確保FPC不會自PCB松脫。