بردهای مدار چاپی انعطاف‌پذیر: فناوری، مزایا و کاربردهای کلیدی

تصاویری که توسط مشتری به وجود آمده است

صفحه های مداری چاپی انعطاف پذیر (PCB) صنعت الکترونیک را با ایجاد طرح هایی که می توانند خم شوند، تاپیک شوند و با فضاهای تنگ سازگار شوند، تغییر داده اند. چیزی که PCB های سفت به سادگی نمی توانند به دست آورند.از زیربناهای انعطاف پذیر مانند پلی آمید ساخته شده است، این صفحه های مداری عملکرد الکتریکی را با انعطاف پذیری مکانیکی ترکیب می کنند، که آنها را در دستگاه های مدرن از پوشیدنی تا سیستم های هوافضا ضروری می کند.

این راهنما فناوری پشت PCB های انعطاف پذیر، مزایای منحصر به فرد آنها نسبت به جایگزین های سفت، انواع رایج و کاربردهای کلیدی در صنایع را بررسی می کند.این که آیا شما در حال طراحی یک گوشی هوشمند تاشو یا یک ایمپلنت پزشکی هستید، درک PCB های انعطاف پذیر برای باز کردن نوآوری در شکل و عملکرد بسیار مهم است.

نکات کلیدی
1PCB های انعطاف پذیر از بستر های پلی آمید یا پلی استر استفاده می کنند تا شعاع خم شدن را به اندازه 0.5 میلی متر به دست آورند و در کاربردهای با قابلیت اطمینان بالا 100،000 چرخه انعطاف پذیر را تحمل کنند.
2در مقایسه با PCB های سفت، وزن دستگاه را 30٪ تا 50٪ و حجم را 40٪ تا 60٪ کاهش می دهند در حالی که 70٪ از کانکتورها و کابل ها را حذف می کنند.
3انواع کلیدی شامل PCB های تک طرفه، دو طرفه، چند لایه و PCB های انعطاف پذیر سخت و انعطاف پذیر (هایبریدی) است که هر کدام برای کاربردهای خاص مناسب هستند.
4صنایع مانند الکترونیک مصرفی، خودرو و دستگاه های پزشکی به PCB های انعطاف پذیر برای صرفه جویی در فضا، دوام و آزادی طراحی متکی هستند.

PCB های انعطاف پذیر چیست؟
PCB های انعطاف پذیر ، صفحه های مداری نازک و سبک هستند که بر روی زیربناهای عایق مرسوم ساخته شده اند ، به طور معمول پلی آمید (PI) یا پلی استر (PET) است. بر خلاف PCB های سفت که از FR4 (اپوکسی تقویت شده با شیشه) استفاده می کنند ،PCB های انعطاف پذیر بدون شکستن خم می شوند، اجازه می دهد تا آنها را در قسمت های منحنی یا متحرک دستگاه ها قرار دهند.

اجزای اصلی
بستر: پلی آمید استاندارد طلا است، مقاومت در برابر گرما (تا 260 ° C) ، ثبات شیمیایی و عمر انعطاف پذیری عالی را ارائه می دهد. پلی استر ارزان تر است اما مقاومت گرما کمتر (تا 130 ° C) ،مناسب برای کاربردهای کم هزینه.
لایه رسانا: ورق مس نازک (1/2 اونس تا 2 اونس) به زیربنای لایه بندی شده و به دنباله هایی برای حمل سیگنال های الکتریکی حک شده است.
پوشش: یک فیلم محافظ پولی آمید آثار مس را پوشش می دهد و آنها را از رطوبت، گرد و غبار و آسیب مکانیکی جدا می کند در حالی که انعطاف پذیری را امکان پذیر می کند.

چگونه PCB های انعطاف پذیر کار می کنند
انعطاف پذیری ناشی از خواص مکانیکی بستر است: پلی آمید دارای مقاومت کششی بالا و مدول انعطاف پذیری پایین است ، به این معنی که می تواند بارها و بارها کشش یابد و به شکل خود بازگردد.آثار مس طراحی شده اند تا بدون شکستن خم شوند، اغلب با استفاده از مسیرهای منحنی به جای زاویه های تیز برای توزیع استرس.
مکانیک خم کردن: یک PCB انعطاف پذیر با یک زیربنای پلی آمید 0.1 میلی متر می تواند بدون آسیب به شعاع 0.5 میلی متر (5 برابر ضخامت آن) خم شود. شعاع های تنگ تر نیاز به زیربناهای نازک تر (0.05mm) یا مناطق انعطاف پذیر تقویت شده.
عملکرد الکتریکی: PCB های انعطاف پذیر در فرکانس ها تا 10GHz یکپارچگی سیگنال را حفظ می کنند، با مقاومت کنترل شده (50Ω / 100Ω) که از طریق طراحی دقیق ردیابی و انتخاب بستر قابل دستیابی است.

انواع PCB های انعطاف پذیر
PCB های انعطاف پذیر در چندین پیکربندی وجود دارند که هرکدام برای موارد استفاده خاص بهینه شده اند:

مزایای PCB های انعطاف پذیر
PCB های انعطاف پذیر از PCB های سفت در زمینه های کلیدی بهتر عمل می کنند، که آنها را برای الکترونیک مدرن ایده آل می کند:
1. صرفه جویی در فضا و وزن
طراحی جمع و جور: PCB های انعطاف پذیر در اطراف گوشه ها خم می شوند و در فضاهای تنگ (به عنوان مثال، پیچ تلفن تاشو) قرار می گیرند، و حجم دستگاه را 40٪ کاهش می دهند.
وزن سبک: یک PCB انعطاف پذیر پولی میدی 0.1 میلی متر 70٪ کمتر از یک PCB FR4 سخت معادل است، که برای برنامه های بدون سرنشین و هوافضا حیاتی است.

2قابلیت اطمینان در محیط های پویا
مقاومت در برابر لرزش: هیچ اتصال دهنده یا کابل برای شل شدن وجود ندارد، کاهش میزان شکست در 50٪ در تنظیمات لرزش بالا (به عنوان مثال موتورهای خودرو).
طول عمر چرخه انعطاف پذیر: PCB های انعطاف پذیر صنعتی 100،000 چرخه خم شدن (در شعاع 1 میلی متر) را تحمل می کنند و از PCB های سفت در قطعات متحرک (به عنوان مثال، بازوهای رباتیک) دوام بیشتری دارند.

3. پیچیدگی مونتاژ کاهش یافته
سیم کشی ساده: بسته های کابل را با یک PCB انعطاف پذیر جایگزین می کند و زمان مونتاژ را 30٪ تا 50٪ کاهش می دهد.
اتصالات کمتر: 70٪ از اتصالات را حذف می کند، نقاط شکست را کاهش می دهد و قابلیت اطمینان را بهبود می بخشد.

4آزادی طراحی
یکپارچه سازی سه بعدی: با سطوح منحنی مطابقت دارد (به عنوان مثال، محور داشبورد ماشین یا کیس ساعت هوشمند).
شکل های سفارشی: می تواند در اشکال غیر مستطیل تولید شود، بهینه سازی فضا در محفظه های منحصر به فرد.

کاربردهای اصلی PCB های انعطاف پذیر
PCB های انعطاف پذیر در صنایع مورد استفاده قرار می گیرند که در آن شکل، وزن و دوام مهم است:
1الکترونیک مصرفی
تلفن های هوشمند و پوشیدنی:
تلفن های تاشو (به عنوان مثال، سامسونگ گلکسی Z Fold) از PCB های انعطاف پذیر چند لایه ای در پیچ ها برای اتصال صفحه نمایش تاشو به صفحه اصلی استفاده می کنند، که بیش از 200،000 تا را تحمل می کنند.
ساعت های هوشمند (Apple Watch) از PCB های انعطاف پذیر یک طرفه برای قرار دادن سنسورها، باتری ها و صفحه نمایش ها در کیس های منحنی استفاده می کنند، وزن را در مقایسه با طرح های سفت 40٪ کاهش می دهند.
دستگاه های صوتی:
هدفون های بی سیم از PCB های انعطاف پذیر بسیار نازک (0.05 میلی متر) برای اتصال میکروفون ها، بلندگوها و تماس های شارژ در محفظه های کوچک استفاده می کنند.

2صنعت خودرو
سیستم های پیشرفته کمک راننده (ADAS):
PCB های انعطاف پذیر در سنسورهای رادار و LiDAR با بمپرها و آینه های خودرو مطابقت دارند، فضای را صرفه جویی می کنند در حالی که در برابر دماهای -40 درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد مقاومت می کنند.
الکترونیک داخلی:
صفحه نمایش های اطلاعات و سرگرمی منحنی از PCB های سفت و انعطاف پذیر استفاده می کنند که دارای بخش های انعطاف پذیر هستند که صفحه نمایش را به واحد کنترل اصلی پشت داشبورد متصل می کنند.
برنامه های کاربردی زیر هود:
PCB های انعطاف پذیر پلی آمید با دمای بالا در واحدهای کنترل موتور (ECU) در برابر روغن، لرزش و حرارت 150 درجه سانتیگراد مقاومت می کنند و وزن کمربند سیم کشی را 30٪ کاهش می دهند.

3دستگاه های پزشکی
دستگاه های قابل کاشت:
سازنده های ضربان قلب و محرک های عصبی از PCB های انعطاف پذیر زیست سازگار (پرت شده با پاریلن) استفاده می کنند که مطابق با خطوط بدن هستند و در معرض قرار گرفتن در معرض مایعات و حرکت هستند.
حسگرهای پزشکی پوشیدنی:
مانیتورهای گلوکز مداوم (CGM) از PCB های انعطاف پذیر برای اتصال سنسورهای گلوکز خون به فرستنده ها استفاده می کنند، اطمینان از راحتی و تماس قابل اعتماد با پوست.
تصویربرداری پزشکی:
اندوسکوپ ها از پی سی بی های انعطاف پذیر برای انتقال سیگنال های ویدیویی با وضوح بالا از دوربین های کوچک به مانیتورهای خارجی استفاده می کنند، از طریق گذرگاه های باریک بدن خم می شوند.

4هوافضا و دفاع
ماهواره ها و UAV ها:
PCB های انعطاف پذیر سبک وزن وزن بار مفید را تا ۵۰ درصد کاهش می دهند و هزینه های پرتاب را کاهش می دهند. آنها در برابر تشعشعات و نوسانات شدید دمای فضا مقاومت می کنند.
تجهیزات نظامی:
رادیو های قابل حمل و عینک های بینایی شب از PCB های سفت و انعطاف پذیر استفاده می کنند که بخش های سفت و انعطاف پذیر را برای قطعات با بخش های انعطاف پذیر ترکیب می کنند تا از سقوط و ضربه ها در امان باشند.

5الکترونیک صنعتی
رباتیک:
PCB های انعطاف پذیر در بازوهای رباتیک موتورها و سنسورها را در میان مفاصل متحرک متصل می کنند، که در اتوماسیون کارخانه با بیش از یک میلیون چرخه انعطاف پذیر مقاومت می کنند.
نورپردازی LED:
نوارهای LED منحنی (به عنوان مثال، برای روشنایی معماری) از PCB های انعطاف پذیر برای حفظ توزیع جریان حتی در حالی که در اطراف سطوح خم می شوند، استفاده می کنند.

ملاحظات طراحی برای PCB های انعطاف پذیر
برای به حداکثر رساندن عملکرد، مهندسان باید به چالش های اصلی طراحی بپردازند:
1. شعاع خم و زندگی انعطاف پذیر
قانون انگشت شست: کمترین شعاع خم = 10 برابر ضخامت بستر (به عنوان مثال شعاع 1 میلی متر برای پلی آمید 0.1 میلی متر). شعاع های تنگ تر نیاز به زیربناهای نازک تر یا طرح های تخفیف استرس دارند (به عنوان مثال ، ردپای مار).
جهت گیری ردیف: ردیف هایی که موازی با محور خم هستند بیشتر از قطب عمودی می شکنند. از زاویه های 45 درجه برای توزیع فشار استفاده کنید.

2انتخاب مواد
زیربنای: پولیمید را برای درجه حرارت بالا (> 130 °C) یا کاربردهای با قابلیت اطمینان بالا انتخاب کنید؛ پلی استر برای هزینه های کم و کاربردهای کم گرما.
وزن مس: مس نازک (1/2 اونس) انعطاف پذیرتر است اما جریان کمتری را حمل می کند؛ مس 2 اونس سخت تر است اما برای کاربردهای برق بهتر است.

3. قرار دادن قطعات
از قرار دادن قطعات سنگین (به عنوان مثال، کانکتورها) در بخش های انعطاف پذیر اجتناب کنید
اجزای کمترین فاصله 1 میلی متر را از خطوط خم نگه دارید تا از فشار روی مفاصل جوش جلوگیری شود.

4تست و صلاحیت
آزمایش چرخه انعطاف پذیر: عملکرد را پس از 10،000-100،000 خم تایید کنید (بر اساس استانداردهای IPC-2223).
آزمایش محیط زیست: اطمینان از مقاومت در برابر رطوبت، مواد شیمیایی و دمای شدید (به عنوان مثال، رتبه IP67 برای دستگاه های ضد آب).

PCB های انعطاف پذیر در مقابل PCB های سفت: یک مقایسه

سوالات عمومی
س: PCB های انعطاف پذیر چقدر می توانند نازک باشند؟
A: PCB های انعطاف پذیر بسیار نازک از زیربنای پلی آمید 0.025 میلی متری استفاده می کنند که برای دستگاه های کوچک مانند سمعک ها ایده آل است. ضخامت استاندارد از 0.05mm تا 0.2mm است.

س: آیا PCB های انعطاف پذیر ضد آب هستند؟
A: آنها می توانند با پوشش های سازگار (به عنوان مثال، پاریلن) یا گره بندی، با رتبه بندی IP67 / IP68 برای دستگاه های زیر آب ساخته شوند.

س: آیا PCB های انعطاف پذیر می توانند جریان های بالا را حمل کنند؟
A: بله PCB های انعطاف پذیر مس 2 اونس تا 10A را اداره می کنند ، مناسب برای برنامه های قدرت مانند رانندگان LED است. برای جریان های بالاتر ، از میله های اتوبوس با بخش های انعطاف پذیر استفاده کنید.

س: طول عمر یک PCB انعطاف پذیر چقدر است؟
A: PCB های انعطاف پذیر صنعتی در محیط های معمولی 5 تا 10 سال دوام می آورند؛ ایمپلنت های پزشکی با پوشش پاریلن می توانند 15 سال دوام بیاورند.

س: آیا PCB های انعطاف پذیر قابل بازیافت هستند؟
ج: بله ٪ مس را می توان از زیربناهای پلی آمید جدا کرد و بازیافت کرد، اگرچه این فرآیند پیچیده تر از PCB های FR4 است.

نتیجه گیری
PCB های انعطاف پذیر آنچه را که در طراحی الکترونیک امکان پذیر است، دوباره تعریف کرده اند، دستگاه هایی را که کوچکتر، سبک تر و با دوام تر از قبل هستند.توانایی خم شدن، انطباق و کاهش پیچیدگی آنها را به سنگ بنای تکنولوژی مدرن تبدیل می کند.
در حالی که هزینه آنها بیشتر از PCB های سفت است، مزایای صرفه جویی در فضا، قابلیت اطمینان و آزادی طراحی اغلب سرمایه گذاری را توجیه می کنند، به ویژه در برنامه هایی که فرم و عملکرد به همان اندازه مهم هستند..با پیشرفت مواد و فرآیندهای تولید، PCB های انعطاف پذیر به گسترش در صنایع جدید ادامه می دهند و نوآوری در الکترونیک را برای سال های آینده هدایت می کنند.
برای مهندسان و طراحان، استفاده از تکنولوژی PCB انعطاف پذیر فقط یک انتخاب نیست بلکه یک ضرورت برای رقابت در بازار است که به دستگاه های کوچکتر و قدرتمندتر نیاز دارد.