برد مدار چاپی انعطاف‌پذیر-سخت در مقابل بردهای مدار چاپی سخت سنتی: انتخاب راه‌حل مناسب برای الکترونیک مدرن

تصاویر مجاز مشتری

در دنیای پرشتاب طراحی الکترونیک، انتخاب فناوری مناسب برد مدار چاپی (PCB) می تواند موفقیت یک محصول را رقم بزند یا آن را نابود کند. دستگاه های امروزی - از تلفن های هوشمند تاشو گرفته تا پوشیدنی های پزشکی - بیش از عملکرد اولیه نیاز دارند: آنها به جمع و جور بودن، دوام و سازگاری نیاز دارند. این امر، بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت و بردهای مدار چاپی سخت سنتی را در یک رقابت رو در رو قرار داده است که هر کدام نقاط قوت منحصر به فردی دارند. درک تفاوت ها، کاربردها و مبادلات آنها برای انتخاب آگاهانه ضروری است.

نکات کلیدی
  الف. بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت، بخش های سخت و انعطاف پذیر را با هم ترکیب می کنند و امکان صرفه جویی در فضا به میزان 30 تا 50 درصد و کاهش وزن 20 تا 30 درصد را در مقایسه با بردهای مدار چاپی سخت سنتی فراهم می کنند.
  ب. بردهای مدار چاپی سخت سنتی برای دستگاه های استاتیک و کم پیچیدگی مانند تلویزیون یا ابزار برقی، مقرون به صرفه (30 تا 50 درصد ارزان تر) باقی می مانند.
  ج. بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت به دلیل داشتن اتصالات کمتر و مقاومت در برابر لرزش برتر، در کاربردهای پویا و محدود به فضا (به عنوان مثال، تلفن های تاشو، ایمپلنت های پزشکی) عالی هستند.
  د. انتخاب به عواملی مانند حرکت دستگاه، محدودیت های فضا، هزینه و نیازهای قابلیت اطمینان بستگی دارد - با این حال، انعطاف پذیر-سخت در سناریوهای با عملکرد بالا، ارزش بلندمدت را ارائه می دهد.

بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت چیست؟
بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت، طرح های ترکیبی هستند که بخش های سخت و انعطاف پذیر را در یک برد واحد ادغام می کنند. آنها شامل موارد زیر هستند:

  بخش های سخت: زیرلایه های سفت و سخت FR-4 یا هسته فلزی که اجزا (تراشه ها، کانکتورها) را در خود جای داده و پایداری ساختاری را فراهم می کنند.
  بخش های انعطاف پذیر: لایه های نازک و قابل خم شدن پلی آمید یا پلی استر که قسمت های سخت را به هم متصل می کنند و به برد اجازه می دهند تا تا شود، بچرخد یا با شکل های سه بعدی مطابقت داشته باشد.
  تعداد لایه ها: تا 20 لایه، پشتیبانی از اجزای متراکم و سیگنال های پرسرعت (تا 10 گیگابیت بر ثانیه).

این طراحی، نیاز به دسته سیم و کانکتورها را از بین می برد و نقاط خرابی را تا 60 درصد در مقایسه با مجموعه های سنتی کاهش می دهد.

بردهای مدار چاپی سخت سنتی چیست؟
بردهای مدار چاپی سخت سنتی، بردهای جامد و غیرقابل انعطافی هستند که از موارد زیر ساخته شده اند:

  زیرلایه FR-4: یک لمینت اپوکسی تقویت شده با فایبرگلاس که استحکام و عایق را فراهم می کند.
  لایه های مسی: 1 تا 12 لایه از ردیابی های مسی برای اتصال الکتریکی.
  ماسک لحیم: یک پوشش محافظ برای جلوگیری از اتصال کوتاه.

آنها برای دستگاه های استاتیک که در آن حرکت کم است، ایده آل هستند و سادگی، کم هزینه بودن و قابلیت اطمینان اثبات شده را در کاربردهایی مانند رایانه های رومیزی، روشنایی LED و لوازم خانگی ارائه می دهند.

تفاوت های اصلی: بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت در مقابل بردهای مدار چاپی سخت سنتی

عملکرد: زمانی که انعطاف پذیر-سخت از سنتی پیشی می گیرد
بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت، مزایای عملکردی متمایزی را در محیط های سخت ارائه می دهند:

  الف. یکپارچگی سیگنال: ردیابی های کوتاه و مستقیم آنها، تلفات سیگنال را 30 تا 40 درصد در مقایسه با بردهای مدار چاپی سنتی که به کانکتورهایی متکی هستند که سیگنال های پرسرعت را تخریب می کنند (به عنوان مثال، 5G یا USB 4.0) کاهش می دهد.
  ب. قابلیت اطمینان: با 70 درصد کانکتور کمتر، طرح های انعطاف پذیر-سخت، میزان خرابی را 50 درصد در کاربردهای مستعد لرزش مانند سنسورهای خودرو یا پهپادها کاهش می دهند.
  ج. راندمان فضا: با تا شدن یا انطباق با اشکال، در محفظه های 30 تا 50 درصد کوچکتر قرار می گیرند. به عنوان مثال، یک آندوسکوپ پزشکی با استفاده از بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت، 40 درصد نازک تر از آندوسکوپی است که از بردهای مدار چاپی سنتی و سیم کشی استفاده می کند.

هزینه: بردهای مدار چاپی سخت سنتی برای پروژه های ساده برنده می شوند
بردهای مدار چاپی سخت سنتی، انتخاب مقرون به صرفه ای باقی می مانند:

  الف. هزینه های اولیه: یک برد مدار چاپی سخت 4 لایه 100x100 میلی متری 0.50 تا 2.00 دلار هزینه دارد، در حالی که یک طرح انعطاف پذیر-سخت مشابه 5.00 تا 8.00 دلار هزینه دارد.
  ب. سرعت تولید: بردهای مدار چاپی سخت به 2 تا 3 روز برای نمونه سازی نیاز دارند، در مقابل 5 تا 7 روز برای انعطاف پذیر-سخت (به دلیل لمینیت پیچیده).
  ج. مقیاس پذیری: تولید با حجم بالا (100000+ واحد) هزینه های برد مدار چاپی سخت را 30 تا 40 درصد کاهش می دهد که به لطف تولید استاندارد شده است.

کاربردها: تطبیق نوع PCB با نیازهای دستگاه
بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت در موارد زیر عالی هستند:
  الف. الکترونیک های تاشو: تلفن ها (به عنوان مثال، Samsung Galaxy Z Fold) و تبلت ها از بخش های انعطاف پذیر-سخت برای خم شدن بدون شکستن استفاده می کنند و از 100000+ تاخوردگی پشتیبانی می کنند.
  ب. دستگاه های پزشکی: مانیتورهای قابل کاشت و آندوسکوپ ها به زیست سازگاری و توانایی آنها در انطباق با شکل بدن متکی هستند.
  ج. هوافضا و دفاع: ماهواره ها و پهپادها از آنها برای مقاومت در برابر دما و لرزش شدید استفاده می کنند و نرخ قابلیت اطمینان 99.9 درصدی در مدار دارند.
  د. سیستم های خودرو: دوربین های ADAS و نمایشگرهای داخل کابین از اندازه جمع و جور و مقاومت در برابر گرمای محفظه موتور بهره مند می شوند.

بردهای مدار چاپی سخت سنتی برای موارد زیر بهتر هستند:
  الف. لوازم الکترونیکی مصرفی: تلویزیون ها، روترها و کنسول های بازی از بردهای مدار چاپی سخت برای کم هزینه بودن و نصب استاتیک آنها استفاده می کنند.
  ب. تجهیزات صنعتی: موتورها و منابع تغذیه، استحکام و اتلاف گرما را در اولویت قرار می دهند، جایی که حرکت کم است.
  ج. روشنایی LED: وسایل ثابت (به عنوان مثال، چراغ های سقفی) از بردهای مدار چاپی سخت برای کم هزینه بودن و سهولت تولید آنها استفاده می کنند.

ملاحظات طراحی و ساخت
چالش های طراحی انعطاف پذیر-سخت:
  الف. شعاع خمش: بخش های انعطاف پذیر به حداقل شعاع خمش (1 تا 5 برابر ضخامت) نیاز دارند تا از ترک خوردن ردیابی جلوگیری شود. یک لایه انعطاف پذیر 0.1 میلی متری به شعاع 0.5 میلی متری نیاز دارد.
  ب. سازگاری مواد: پلی آمید (انعطاف پذیر) و FR-4 (سخت) دارای نرخ انبساط حرارتی متفاوتی هستند که نیاز به لمینیت دقیق برای جلوگیری از جدا شدن لایه ها دارد.
  ج. مبادلات هزینه: در حالی که گران تر است، بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت، هزینه های مونتاژ را با حذف سیم کشی و کانکتورها 20 تا 30 درصد کاهش می دهند.

مزایای طراحی برد مدار چاپی سخت سنتی:
  الف. سادگی: ابزارهای استاندارد (به عنوان مثال، Altium، KiCad) طراحی را ساده می کنند، به طوری که 80 درصد از مهندسان با طرح های برد مدار چاپی سخت آشنا هستند.
  ب. مدیریت حرارتی: لایه های مسی ضخیم (2 تا 4 اونس) و سینک های حرارتی به راحتی ادغام می شوند و آنها را برای اجزای پرقدرت مانند رگولاتورهای ولتاژ ایده آل می کند.

مطالعات موردی دنیای واقعی
  الف. ADAS خودرو: یک تامین کننده سطح 1 از بردهای مدار چاپی سنتی به انعطاف پذیر-سخت در ماژول های رادار تغییر یافت. نتیجه: 40 درصد اندازه کوچکتر، 30 درصد خرابی کمتر و 0.75 دلار در هر واحد صرفه جویی از کاهش سیم کشی.
  ب. ردیاب های تناسب اندام پوشیدنی: یک برند بزرگ بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت را اتخاذ کرد و وزن دستگاه را 25 درصد کاهش داد و عمر باتری را 15 درصد افزایش داد (به دلیل کاهش تلفات برق).
  ج. سنسورهای صنعتی: یک ربات کارخانه ای با استفاده از بردهای مدار چاپی سنتی سالانه 12 درصد خرابی کانکتور را تجربه کرد. پس از تغییر به انعطاف پذیر-سخت، خرابی ها به 2 درصد کاهش یافت.

نحوه انتخاب: یک چارچوب تصمیم گیری
  1. حرکت دستگاه: اگر دستگاه خم می شود، می لرزد یا حرکت می کند (به عنوان مثال، پهپادها، پوشیدنی ها)، انعطاف پذیر-سخت را انتخاب کنید.
  2. محدودیت های فضا: برای محفظه های زیر 50 میلی متر (به عنوان مثال، ابزارهای پزشکی)، جمع و جور بودن انعطاف پذیر-سخت بسیار مهم است.
  3. بودجه: برای دستگاه های استاتیک با حجم بالا (به عنوان مثال، تلویزیون)، بردهای مدار چاپی سخت سنتی 30 تا 50 درصد صرفه جویی می کنند.
  4. نیازهای قابلیت اطمینان: در سیستم های ایمنی (به عنوان مثال، هوافضا)، نرخ خرابی کمتر انعطاف پذیر-سخت، هزینه را توجیه می کند.

سوالات متداول
س: آیا بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت می توانند جایگزین تمام بردهای مدار چاپی سخت سنتی شوند؟
پاسخ: خیر. برای دستگاه های استاتیک و کم هزینه (به عنوان مثال، توسترها)، بردهای مدار چاپی سنتی همچنان کاربردی هستند. انعطاف پذیر-سخت برای طرح های پویا یا جمع و جور بهترین است.

س: آیا تعمیر بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت دشوارتر است؟
پاسخ: بله. طراحی یکپارچه آنها، تعویض اجزا را دشوار می کند، اما نرخ خرابی کمتر آنها، نیاز به تعمیر را کاهش می دهد.

س: حداکثر تعداد لایه برای بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت چقدر است؟
پاسخ: 20 لایه برای کاربردهای هوافضا، اگرچه اکثر دستگاه های تجاری از 4 تا 8 لایه برای هزینه و انعطاف پذیری استفاده می کنند.

س: آیا بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت به ساخت ویژه ای نیاز دارند؟
پاسخ: بله. آنها به لمینیت و آزمایش تخصصی (به عنوان مثال، اشعه ایکس برای نقص های پنهان) نیاز دارند که هزینه های تولید را افزایش می دهد.

نتیجه
بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت و سخت سنتی، نقش های متمایزی را در الکترونیک مدرن ایفا می کنند. انعطاف پذیر-سخت در دستگاه های پویا، جمع و جور و با قابلیت اطمینان بالا عالی است و هزینه بالاتر خود را با عملکرد برتر توجیه می کند. بردهای مدار چاپی سخت سنتی برای پروژه های استاتیک و کم هزینه بی رقیب باقی می مانند. با همسو کردن نوع PCB با نیازهای دستگاه - حرکت، فضا، بودجه و قابلیت اطمینان - مهندسان می توانند محصولاتی بسازند که در بازار رقابتی امروزی پیشرفت می کنند.

برای طرح های پیشرفته که نیاز به سازگاری دارند، بردهای مدار چاپی انعطاف پذیر-سخت آینده هستند. برای الکترونیک های ساده و مقیاس پذیر، بردهای مدار چاپی سخت سنتی همچنان بهترین ارزش را ارائه می دهند.