PCB های چند لایه انعطاف پذیر: کاربردها، چالش ها و نوآوری در الکترونیک مدرن

تصاویر مجاز مشتری

PCB های چند لایه انعطاف پذیر، روش طراحی الکترونیک را تغییر داده اند و دستگاه هایی را که می توانند خم شوند، تاپیک شوند و در فضاهایی که قبلاً غیرممکن به نظر می رسید قرار بگیرند، امکان پذیر کرده اند.با ترکیب سازگاری زیربناهای انعطاف پذیر با پیچیدگی معماری های چند لایه، این تخته ها قابلیت های بیشتری را به شکل های کوچک تر و سبک تر بسته بندی می کنند که برای پوشیدنی ها، دستگاه های پزشکی و سیستم های خودرو حیاتی است.از دقت تولید تا محدودیت های مواددر اینجا یک غوطه عمیق در نحوه کار PCB های چند لایه انعطاف پذیر، جایی که آنها برتری دارند، و چگونگی غلبه بر رایج ترین موانع آنها است.

نکات کلیدی
1PCB های چند لایه انعطاف پذیر 2 ٪12 لایه از آثار مس را بر روی زیربناهای انعطاف پذیر (به عنوان مثال، پلی آمید) ادغام می کنند و 40٪ چگالی بیشتر از PCB های تک لایه انعطاف پذیر را ارائه می دهند.
2آنها در کاربردهایی که نیاز به سازگاری سه بعدی، مقاومت در برابر ارتعاش و بهره وری از فضا دارند، از تلفن های تاشو تا دستگاه های پزشکی قابل کاشت رشد می کنند.
3چالش های تولید شامل تراز لایه (± 5μm تحمل) ، سازگاری مواد، و اطمینان از ارتباط متقابل قابل اعتماد در خم مجدد است.
4در مقایسه با PCB های سفت، آنها با حذف سیم کشی و کانکتورها، خطاهای مونتاژ را در سیستم های پیچیده 35٪ کاهش می دهند.

PCB های چند لایه انعطاف پذیر چیست؟

PCB های چند لایه انعطاف پذیر برای خم کردن، پیچاندن یا تاپیک شدن در حالی که عملکرد الکتریکی را در چندین لایه حفظ می کنند طراحی شده اند. ساختار آنها شامل:
1زیربنای: فیلم های نازک پلی آمید (PI) یا پلی استر (PET) (25μ125μm ضخامت) که در برابر خم کردن مکرر (10,000+ چرخه) مقاومت می کنند.
2لایه های مس: ردیف های مس 1/3 ′′2 اونس (25 ′′70μm ضخیم) که به مدارهای الگویی شکل داده شده و توسط لایه های دی الکتریک جدا شده اند.
3چسب: مواد چسب دهنده نازک (اغلب آکریلیک یا اپوکسی) که لایه ها را بدون از بین بردن انعطاف پذیری لایه بندی می کنند.
4پوشش: فیلم های محافظ (پولیامید یا ماسک جوش) که ردپای را از رطوبت، سایش و مواد شیمیایی محافظت می کنند.

بر خلاف PCB های تک لایه انعطاف پذیر که مدارهای ساده را مدیریت می کنند، طرح های چند لایه ای از توابع پیچیده پشتیبانی می کنند: توزیع برق، سیگنال های با سرعت بالا،و یکپارچه سازی سیگنال مخلوط همه در یک عامل فرم که در داخل یک ساعت هوشمند قرار می گیرد یا در اطراف یک بازوی رباتیک می پیچد.

چگونه PCB های چند لایه انعطاف پذیر در مقایسه با انواع دیگر PCB ها هستند

کاربردهای حیاتی: جایی که PCB های چند لایه انعطاف پذیر درخشان هستند
ترکیب منحصر به فرد انعطاف پذیری و پیچیدگی این PCB ها را در چهار صنعت کلیدی ضروری می کند:

1الکترونیک مصرفی: ایجاد نوآوری های تاشو
تلفن های هوشمند و تبلت های تاشو برای اتصال پیچ ها، صفحه نمایش ها و باتری ها به PCB های انعطاف پذیر 4 ′′ 6 لایه متکی هستند.از یک PCB انعطاف پذیر 6 لایه با رد 25μm برای انتقال سیگنال های 5G و قدرت از طریق تاپیک استفاده می کند، با مقاومت بیش از 200،000 تا (معادل 5 سال استفاده)
a. از بین بردن کانکتورهای سنگین، کاهش ضخامت دستگاه با 20٪.
b. پشتیبانی از داده های با سرعت بالا (USB 3.2، 10Gbps) بین بخش های تاشو.
c.در برابر دمای -20°C تا 60°C (معمولاً در محیط های جیبی یا کیسه ای) مقاومت می کند.

2دستگاه های پزشکی: دقت در فضاهای تنگ
از مانیتورهای پوشیدنی ECG تا ابزارهای آندوسکوپی، دستگاه های پزشکی نیاز به سازگاری زیستی، کوچک سازی و قابلیت اطمینان دارند. PCB های چند لایه انعطاف پذیر:
a. دستگاه های قابل کاشت: 4 لایه PCB های پلی آمید (0.1 میلی متر ضخامت) سازنده های قدرت قلب و محرک های عصبی که بدون آسیب به بافت با حرکات بدن خم می شوند.مواد سازگار با زیست محیطی آنها (USP کلاس VI) در برابر جذب مایع برای 10 سال و بیشتر مقاومت می کنند.
b. تجهیزات تشخیصی: PCB های انعطاف پذیر 6 لایه در سُند های سونوگرافی حجم کابل را تا 50٪ کاهش می دهند و در عین حال یکپارچگی سیگنال را در تصویربرداری با فرکانس بالا (1020MHz) حفظ می کنند.

3سیستم های خودرو: دوام در محیط های خشن
ماشین های مدرن از PCB های چند لایه انعطاف پذیر در مناطق تنگ و مستعد لرزش استفاده می کنند:
حسگرهای ADAS: PCB های انعطاف پذیر 4 لایه در ماژول های LiDAR در برابر ارتعاش 20G (راه های خشن) و دماهای -40 °C تا 125 °C مقاومت می کنند و عملکرد ثابت را در تمام آب و هوا تضمین می کنند.
ب.الکترونیک داخلی: طرح های لایه 2-4 در پانل های درب و سنسورهای صندلی جایگزین سیم کشی می شوند، وزن را به میزان 3 کیلوگرم در هر وسیله نقلیه کاهش می دهند و خطاهای مونتاژ را به میزان 35٪ کاهش می دهند.

4صنعت و هوافضا: انعطاف پذیری قوی
در رباتیک و هوافضا، این PCB ها در شرایط شدید زنده می مانند:
a. بازوهای رباتیک: PCB های انعطاف پذیر 6 لایه ای با مس تقویت شده (2 اونس) گیرنده ها را به کنترل کننده ها متصل می کنند و بدون خستگی 100،000 بار خم می شوند.
سیستم های ماهواره ای: PCB های 8 لایه ای با زیربنای پلی آمید (تسامح 200 درجه سانتیگراد تا 260 درجه سانتیگراد) از تابش و چرخه حرارتی در فضا استفاده می کنند و از ارتباطات ماهواره ای 5G پشتیبانی می کنند.

چالش های تولید: مهندسی برای انعطاف پذیری
تولید PCB های چند لایه انعطاف پذیر نیاز به دقت فراتر از تخته های سفت سنتی دارد. موانع اصلی عبارتند از:

1. تراز لايه
طرح های چند لایه ای نیاز به ثبت دقیق (توفیق) بین لایه ها دارند حتی 10μm از عدم تراز می تواند مدار کوتاه یا ردپای را بشکنند. سازندگان از:
a. تراز لیزر: نشانگرهای مادون قرمز در هر لایه دقت ±5μm را در طول لایه بندی تضمین می کنند.
ب. لامیناسیون دنباله دار: لایه های ساختمانی یک به یک (در مقابل لامیناسیون دسته ای) باعث کاهش ورپج می شود ، که برای طرح های 8+ لایه بسیار مهم است.
یک مطالعه توسط IPC نشان داد که تراز ضعیف باعث 28٪ از شکست PCB انعطاف پذیر می شود، که این چالش تولید را به عنوان چالش اصلی تبدیل می کند.

2سازگاری مواد
همه مواد در PCB های انعطاف پذیر به خوبی با هم کار نمی کنند:
a. چسب ها در مقابل انعطاف پذیری: چسب های ضخیم پیوند را بهبود می بخشند اما تخته را سفت می کنند؛ چسب های نازک (25μm) انعطاف پذیری را حفظ می کنند اما خطر از هم پاشیدن را دارند.
b. ضخامت مس: مس ضخیم (2 اونس) کنترل جریان را بهبود می بخشد اما انعطاف پذیری را کاهش می دهد. اکثر طرح ها از مس 1⁄2 1 اونس برای تعادل قدرت و انعطاف پذیری استفاده می کنند.
c. مقاومت در برابر دما: زیربناهای پلی آمید در برابر جوش 260 درجه سانتیگراد مقاومت می کنند، اما چسب ها ممکن است در بالای 180 درجه سانتیگراد تخریب شوند، که گزینه های کار مجدد را محدود می کند.

3از طريق امنيت
اتصال لایه ها در PCB های انعطاف پذیر نیاز به راه های تخصصی دارد:
a.Microvias: سوراخ های قطر کوچک (50-150μm) که با لیزر از لایه ها سوراخ می شوند و با مس پوشش داده می شوند تا در طول خم شدن هدایت پذیری را حفظ کنند.
b. Vias Stacked: اتصال 2+ لایه با microvias همپوشانی، اما نیاز به حفاری دقیق برای جلوگیری از ترک.
پیچ ها ضعیف ترین نقطه در PCB های انعطاف پذیر هستند.35٪ از شکست های میدان ناشی از خستگی از خم مجدد است.000 چرخه در شعاع ضخامت 10x) برای اطمینان از قابلیت اطمینان.

4. هزینه و مقیاس پذیری
قیمت PCB های چند لایه انعطاف پذیر 3×5 برابر بیشتر از PCB های سفت به دلیل:
مواد تخصصی (پولیامید 2 برابر گران تر از FR-4)
ب.پوشش و بازرسی که نیازمند کار زیاد است.
c. تولیدات پایین تر (85٪ در مقابل 95٪ برای PCB های سخت) به دلیل استانداردهای کیفیت سخت تر.
برای برنامه های کاربردی با حجم بالا (به عنوان مثال، واحدهای 1M +) ، اقتصادهای مقیاس هزینه ها را 20٪ کاهش می دهد، اما پروژه های کم حجم تمام هزینه را می پردازند.

طراحی بهترین شیوه ها برای PCB های چند لایه انعطاف پذیر قابل اعتماد
مهندسان می توانند با استفاده از این استراتژی های طراحی چالش ها را کاهش دهند:

1. مناطق خم شده را بهینه سازی کنید
شعاع خم: هرگز از ضخامت 1x برای کاربردهای ثابت (به عنوان مثال، یک صفحه 1mm نیاز به شعاع ≥1mm) یا ضخامت 5x برای خم شدن پویا (به عنوان مثال، بازوهای رباتیک) خم نکنید.
جهت گیری ردیف: ردیف ها را موازی با محور خم اجرا کنید تا فشار را کاهش دهید ✓ ردیف های عمودی 5 برابر سریع تر شکسته شوند.
سفت کننده ها: برای جلوگیری از آسیب های مرتبط با انعطاف، بخش های سخت (FR-4 یا فلزی) را در مناطق غیر خم کننده (به عنوان مثال نقاط نصب کانکتور) اضافه کنید.

2انتخاب مواد
زیرپوشها: پلیایمید (PI) برای اکثر برنامه ها استاندارد است (مجموعه دمایی: -200 ° C تا 260 ° C). برای هزینه های پایین تر، پلی استر (PET) برای -40 ° C تا 120 ° C کار می کند (به عنوان مثال، دستگاه های مصرفی).
چسب ها: از چسب های آکریلیک برای انعطاف پذیری یا اپوکسی برای مقاومت در برابر دمای بالا (تا 180 درجه سانتیگراد) استفاده کنید.
پوشش ها: پوشش های ماسک جوش (فیلم مایع یا خشک) بدون اضافه کردن حجم، که برای ایمپلنت های پزشکی حیاتی است، از ردپای ها محافظت می کنند.

3صداقت سیگنال
سیگنال های با سرعت بالا (10GHz+) در PCB های انعطاف پذیر با چالش های منحصر به فرد روبرو هستند:
کنترل انسداد: 50Ω (یک طرفه) یا 100Ω (متفاوت) را با تنظیم عرض ردی (35 میلی لیتر) و ضخامت دی الکتریک (24 میلی لیتر) حفظ کنید.
کاهش ضایعات: استفاده از دی الکتریک های کم ضایعات (به عنوان مثال، Rogers RO3003) برای برنامه های 5G یا رادار، کاهش ضایعات سیگنال 40٪ در مقایسه با پلی آمید استاندارد.

4تست و اعتباربخشی
چرخه حرارتی: آزمایش در -40°C تا 125°C برای 1000 چرخه برای شبیه سازی پیری.
تست خم: با 10،000 + خم های پویا تأیید کنید، بررسی کردن باز شدن / کوتاه شدن با هر چرخه.
آزمایش محیط زیست: برای اطمینان از مقاومت در برابر رطوبت، برای 1000 ساعت به 85 °C/85٪ RH قرار دهید.

روند آینده: نوآوری در PCB های چند لایه انعطاف پذیر
تولید کنندگان و محققان با پیشرفت های جدید به چالش ها می پردازند:
لامیناسیون بدون چسب: پیوند لایه ها بدون چسب (با استفاده از پیوند مستقیم مس به پلی آمید) انعطاف پذیری و مقاومت در برابر دمای را بهبود می بخشد.
b.3D Printing: چاپ ردپای رسانا بر روی زیربناهای منحنی، که هندسه های پیچیده تری را امکان پذیر می کند.
c. مواد خود سازنده: پلیمرهای تجربی که ترک های کوچک در دی الکتریک ها را تعمیر می کنند، طول عمر را 2 × 3 برابر می کنند.

سوالات عمومی
س: حداکثر تعداد لایه برای PCB های انعطاف پذیر چیست؟
A: PCB های چند لایه انعطاف پذیر تجاری در 12 لایه قرار دارند، اگرچه نمونه های اولیه هوافضا از 16 لایه استفاده می کنند. لایه های بیشتر سفتی را افزایش می دهند و کاربرد برای کاربردهای خم شده را محدود می کنند.
س: آیا PCB های چند لایه انعطاف پذیر می توانند قدرت بالایی را تحمل کنند؟
A: متوسط. آنها برای دستگاه های کم مصرف (پوشیدنی: <5W) و سیستم های متوسط مصرف (سینسورهای خودرو: 5 ′′ 20W) کار می کنند. برای قدرت بالا (> 20W) ،PCB های انعطاف پذیر هسته فلزی (MCPCBs) لایه های آلومینیومی را برای از بین بردن گرما اضافه می کنند.
س: PCB های انعطاف پذیر تا چه مدت در محیط های خشن دوام می آورند؟
A: با طراحی مناسب، 5 ٪ 10 سال در محیط های صنعتی (تلاطم، نوسانات دمایی) و 10+ سال در محیط های پایدار (پیوند های پزشکی، الکترونیک مصرفی).

نتیجه گیری
PCB های چند لایه انعطاف پذیر در حال تعریف مجدد آنچه که الکترونیک می تواند انجام دهد، دستگاه هایی را که کوچکتر، سبک تر و یکپارچه تر از همیشه هستند، فعال می کنند.در حالی که چالش های تولیدی مانند تراز و هزینه ادامه دارد، نوآوری در مواد و فرایندهای این PCB را برای کاربردهای بیشتر در دسترس قرار می دهد. برای مهندسان، کلید تعادل انعطاف پذیری با عملکرد است.استفاده از بهترین شیوه های طراحی برای اطمینان از قابلیت اطمینانبا افزایش تقاضا برای فناوری تاشو، دستگاه های قابل کاشت و ماشین آلات هوشمند، PCB های چند لایه انعطاف پذیر در پیشروی نوآوری الکترونیکی باقی خواهند ماند.