پیشرفت های HDI در PCB های سفت و انعطاف پذیر: گسترش مرزهای طراحی الکترونیک

PCB های سخت انعطاف پذیر با چگالی بالا (HDI) نقطه اوج نوآوری در صفحه مدار را نشان می دهند و مزایای صرفه جویی در فضای فناوری HDI را با تنوع طراحی های سخت انعطاف پذیر ترکیب می کنند.این PCB های پیشرفته صنعت را از هوافضا به پوشیدنی ها تغییر داده اند، دستگاه هایی را که کوچکتر، سبک تر و قابل اطمینان تر از قبل هستند. پیشرفت های اخیر در مواد، تولید و ابزارهای طراحی توانایی های آنها را گسترش داده است.که آنها را برای نسل بعدی الکترونیک ضروری می کند..

این راهنما آخرین پیشرفت های فناوری PCB سخت و انعطاف پذیر HDI را بررسی می کند، چگونه آنها چالش های مهندسی پیچیده را حل می کنند و چرا آنها تبدیل به پایه دستگاه های پیشرفته می شوند.از نوآوری های میکروویا تا تکنیک های پیشرفته لایه کشی، ما به پیشرفت هایی که این زمینه در حال تکامل سریع را هدایت می کند، می پردازیم.

نکات کلیدی
1PCB های سخت انعطاف پذیر HDI ترکیبی از میکروویا (50-150μm) و پیچ های انعطاف پذیر برای دستیابی به تراکم جزء 30-50٪ بالاتر از طرح های سنتی سخت انعطاف پذیر هستند.
2پیشرفت های اخیر در مواد مانند پلی آمید های کم ضایعات و دی الکتریک های نانوکامپوزیت، یکپارچگی سیگنال را در 50Gbps + و دماهای عملیاتی تا 200 °C بهبود بخشیده است.
3تصویربرداری مستقیم لیزر (LDI) و تکنیک های لایه بندی متوالی اکنون دقت تراز ±5μm را امکان پذیر می کنند، که برای BGA های 0.3mm pitch و میکروویای انباشته شده حیاتی است.
4این PCB ها وزن دستگاه را 20٪ تا 40٪ کاهش می دهند و قابلیت اطمینان را 60٪ در کاربردهای مستعد لرزش بهبود می بخشند، با موارد استفاده از تلفن های هوشمند قابل انعطاف تا سنسورهای هوافضا.

PCB های HDI سخت و انعطاف پذیر چیست؟
PCB های سخت و انعطاف پذیر HDI دو فناوری کلیدی را ادغام می کنند:
1.HDI: از میکروویا، ردپای های نازک (2550μm) و لایه های متراکم برای به حداکثر رساندن تراکم قطعات استفاده می کند.
2.Rigid-Flex: ترکیب بخش های سفت (برای نصب قطعات) با پیچ های انعطاف پذیر (برای خم کردن و ادغام سه بعدی).
نتیجه یک مدار تک و پیوسته است که می تواند:
a. 1000+ قطعات در هر اینچ مربع را نصب کنید (در مقایسه با 500-700 در استاندارد سخت انعطاف پذیر).
ب. دور گوشه ها خم کنید، تاپیک بزنید یا پیچ کنید بدون اینکه یکپارچگی سیگنال را از بین ببرید.
c. از بین بردن کانکتورها و کابل ها، کاهش نقاط شکست در سیستم های با قابلیت اطمینان بالا.
پیشرفت های اخیر این قابلیت ها را حتی بیشتر کرده است و PCB های HDI سخت و انعطاف پذیر را برای سخت ترین برنامه ها مناسب می کند.

پیشرفت در فناوری PCB های سخت و انعطاف پذیر HDI
1نوآوری های میکروویا: ارتباطات کوچکتر و قابل اطمینان تر
میکروویا (جفت های کوچک پوشیده شده که لایه ها را به هم متصل می کنند) ستون فقرات فناوری HDI هستند و پیشرفت های اخیر پتانسیل آنها را گسترش داده است:
a.میکروویا های بسیار کوچک: حفاری لیزری UV در حال حاضر به میکروویا های 50μm قطر (از 100μm یک دهه پیش) می رسد، که امکان اتصال 40٪ بالاتر در همان فضا را فراهم می کند.اين لوله هاي کوچيک براي.3mm pitch BGA و بسته های مقیاس تراشه (CSP).
b. Vias Stacked و Staggered: lamination دنباله ای پیشرفته اجازه می دهد تا microvias را با ± 5μm هماهنگی، با استفاده از فضای 30٪ در مقایسه با ویاس های مرحله ای متصل کند.
c.میکروویا های دفن شده: ویاس های پنهان بین لایه های داخلی، لایه های بیرونی را برای اجزای موجود آزاد می کند و سطح قابل استفاده را در طرح های 8+ لایه 25٪ افزایش می دهد.

2پیشرفت مواد: عملکرد تحت فشار
مواد جدید از محدودیت های طولانی مدت در گرما، فرکانس و انعطاف پذیری عبور کرده اند:
a.دیالکتریک های انعطاف پذیر با از دست دادن کم: پلی آمید ها که با نانوذرات سرامیکی تزریق شده اند (به عنوان مثال، Rogers RO3003) در حال حاضر ثابت های دیالکتریک (Dk) را تا 3.0 و لمسی از دست دادن (Df) <0 ارائه می دهند.002، امکان انتقال سیگنال 50Gbps+ در بخش های انعطاف پذیر را فراهم می کند که برای برنامه های 5G و مراکز داده حیاتی است.
b. لایه های انعطاف پذیر با درجه حرارت بالا: پلی آمید های اصلاح شده در برابر 200 درجه سانتیگراد (از 150 درجه سانتیگراد بالا) مقاومت می کنند.ساخت PCB های سخت و انعطاف پذیر HDI مناسب برای الکترونیک خودرو و موتورهای هوافضا.
c. چسب های تقویت شده: چسب های نانوسازمانی قدرت پیوند بین لایه های سخت و انعطاف پذیر را تا ۵۰٪ بهبود می بخشند و خطر قطع لایه را در محیط های مستعد لرزش (به عنوان مثال روبات های صنعتی) کاهش می دهند.

3دقت تولید: لیزر و اتوماسیون
تکنیک های تولیدی برای رسیدگی به پیچیدگی طرح های HDI سخت و انعطاف پذیر تکامل یافته اند:
a.تصاویر مستقیم لیزر (LDI): جایگزین عکس ماسک سنتی با الگوهای لیزر می شود، به منظور دستیابی به عرض / فاصله ردیابی 25/25μm (در مقابل 50/50μm با عکس ماسک).LDI همچنین دقت را در پانل های بزرگ بهبود می بخشد، با تحمل ±3μm
ب.پاشیده شدن دنباله ای 2.0: پریس های پیشرفته با نظارت فشار و دمای در زمان واقعی، اتصال یکنواخت لایه های سخت و انعطاف پذیر را تضمین می کنند. این باعث کاهش عدم تراز لایه به ± 5μm (در مقایسه با ± 25μm در سیستم های قدیمی) می شود.برای میکروویای انباشته شده بسیار مهم است..
ج.بررسی نوری خودکار (AOI) برای لایه های انعطاف پذیر: دوربین های با وضوح بالا (50MP +) می توانند ترک های کوچک را در رد های انعطاف پذیر و حفره ها را در میکروویا شناسایی کنند، با دقت 99.5٪ از 95٪ در بازرسی دستی.

4نرم افزار طراحی: مدل سازی و شبیه سازی سه بعدی
ابزارهای طراحی مدرن در حال حاضر از چالش های منحصر به فرد PCB های سخت و انعطاف پذیر HDI پشتیبانی می کنند:
a.3D شبیه سازی خم: نرم افزاری مانند Altium Designer و Cadence Allegro شبیه سازی می کند که چگونه بخش های انعطاف پذیر خم می شوند، نقاط استرس را پیش بینی می کنند و اطمینان حاصل می کنند که ردیف ها در طول استفاده شکسته نمی شوند.این باعث کاهش 40 درصد تکرار نمونه اولیه می شود..
ب.مدل سازی مقاومت برای انتقال های انعطاف پذیر و سفت: حل کننده های میدان (به عنوان مثال، Si8000 قطبی) مانع را در سراسر مرزهای انعطاف پذیر و سفت محاسبه می کنند و ثبات 50Ω/100Ω را برای سیگنال های با سرعت بالا تضمین می کنند.
c. تجزیه و تحلیل حرارتی: ابزارهای نقشه برداری حرارتی یکپارچه توزیع گرما را در بخش های HDI متراکم پیش بینی می کنند و به طراحان کمک می کند تا اجزای تولید کننده گرما (به عنوان مثال، IC های قدرت) را از قسمت های حساس (به عنوان مثال.g. حسگرها)

مزایای PCB های سخت و انعطاف پذیر HDI پیشرفته
این پیشرفت ها منجر به مزایای ملموس برای دستگاه های الکترونیکی می شود:
1کوچک شدن بی سابقه ای
a. تراکم اجزای: 1000+ اجزای در هر اینچ مربع (در مقابل 500 در استاندارد سخت و انعطاف پذیر) دستگاه هایی مانند سمعک ها را با 6+ سنسور در یک بسته 1cm3 فعال می کند.
ب. صرفه جویی در فضا: حذف کانکتورها و کابل ها حجم دستگاه را 30٪ تا 50٪ کاهش می دهد. به عنوان مثال، یک رادیو نظامی با استفاده از PCB های HDI سخت و انعطاف پذیر 40٪ کوچکتر از پیشگام خود است.

2. اعتماد به نفس بالا
مقاومت در برابر لرزش: ساخت یک قطعه با مقاومت در برابر لرزش 20G (MIL-STD-883H) با شکست 60٪ کمتر از PCB های سخت متصل به کابل است.
b. عملکرد حرارتی: مواد با دمای بالا و گسترش گرمای بهبود یافته دمای قطعات را به میزان 20-30 °C کاهش می دهند و طول عمر نورپردازی LED و منابع برق را به 2-3 برابر افزایش می دهند.

3. صداقت سيگنال برتر
a. پشتیبانی از سرعت بالا: دی الکتریک های کم ضایعات و مقاومت کنترل شده باعث می شود نرخ داده 50Gbps +، برای ایستگاه های پایه 5G و شتاب دهنده های هوش مصنوعی حیاتی باشد.
b. کاهش EMI: زمین گیری متراکم و ردپای محافظ شده تداخل الکترومغناطیسی را 30٪ کاهش می دهد و PCB های HDI سخت و انعطاف پذیر را برای تجهیزات تصویربرداری پزشکی ایده آل می کند.

4. کارایی هزینه در تولید حجم بالا
در حالی که PCB های HDI جامد و انعطاف پذیر 2 × 3 برابر بیشتر از PCB های استاندارد جامد و انعطاف پذیر هستند، آنها هزینه های کل سیستم را با:
a. از بین بردن کانکتورها، کابل ها و کار مونتاژ (از طریق صرفه جویی در حجم بالا)
ب.کم کردن نرخ بازکاری از 5٪ به < 1٪ از طریق دقت تولید بهتر.

کاربردها: جایی که PCB های جامد و انعطاف پذیر HDI پیشرفته درخشان هستند
1تکنولوژی پوشیدنی
ساعت های هوشمند و ردیاب های تناسب اندام: PCB های HDI سخت و انعطاف پذیر، مانیتورهای ضربان قلب، GPS و نمایشگرها را در کیس های 40 میلی متری با پیچ های انعطاف پذیر متناسب با مچ دست قرار می دهند.
پوشیدنی های پزشکی: مانیتورهای گلوکز مستمر از میکروویای بسیار کوچک برای اتصال سنسورها، باتری ها و فرستنده ها در یک دستگاه به اندازه پچ استفاده می کنند.

2هوافضا و دفاع
بار مفید ماهواره ای: PCB های سخت و انعطاف پذیر HDI با وزن سبک (20٪ کاهش وزن) و مقاومت در برابر تشعشعات هزینه های پرتاب را به حداقل می رسانند و در محیط های فضایی مقاومت می کنند.
هواپیمایی: سیستم های ناوبری بی وقفه از طرح های HDI 12 لایه ای برای قرار دادن شتاب سنجها، ژایروسکوپ ها و پردازنده ها در فضاهای باریک کابین استفاده می کنند.

3الکترونیک مصرفی
تلفن های تاشو: PCB های HDI سخت و انعطاف پذیر با میکروویای 50μm نمایشگرهای تاشو را به صفحه اصلی متصل می کنند و 100،000+ تاشو بدون از دست دادن سیگنال امکان پذیر می کنند.
هدست های VR: بسته بندی فشرده اجزای و مسیریابی سه بعدی وزن هدست را 30٪ کاهش می دهد و در طول استفاده طولانی تر راحتی را بهبود می بخشد.

4دستگاه های پزشکی
قابل کاشت: دستگاه های تقویت قلب و محرک های عصبی از PCB های HDI سخت و انعطاف پذیر با میکروویای 75μm استفاده می کنند که حالت های درمانی بیشتری را در بسته های 10mm3 قرار می دهند.
اندوسکوپ ها: بخش های انعطاف پذیر با ردپای های نازک (25μm) ویدئوی با وضوح بالا را از نوک دوربین به پردازنده ها منتقل می کنند، که امکان انجام روش های غیر تهاجمی را فراهم می کند.

چالش ها و مسیرهای آینده
با وجود پیشرفت های خود، PCB های HDI با چالش هایی روبرو هستند:
هزینه: میکروویا های بسیار کوچک و مواد پیشرفته باعث می شود هزینه های کاربردی با حجم کم بالا باشد.
پیچیدگی طراحی: مهندسان نیاز به آموزش تخصصی برای بهینه سازی مسیرهای سه بعدی و قرار دادن میکروویا دارند.
پیشرفت های آینده بر روی:
طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی: ابزارهای یادگیری ماشین برای اتوماسیون طرح HDI سخت و انعطاف پذیر، کاهش زمان طراحی به میزان 50٪.
مواد زیست فرسایش پذیر: لایه های انعطاف پذیر سازگار با محیط زیست برای دستگاه های پزشکی یکبار مصرف.
سنسورهای یکپارچه: جاسازی سنسورهای فشار یا دمای مستقیم در لایه های انعطاف پذیر برای PCB های هوشمند که سلامت خود را کنترل می کنند.

سوالات عمومی
س: حداکثر تعداد لایه برای PCB های HDI سخت و انعطاف پذیر چیست؟
ج: طرح های تجاری به 16 لایه می رسند، در حالی که نمونه های اولیه هوافضا از 20+ لایه با لایه بندی پیشرفته استفاده می کنند.

س: آیا PCB های HDI می توانند جریان های بالا را تحمل کنند؟
A: بله، مس ضخیم (24 اونس) در بخش های سفت 2030A را پشتیبانی می کند، که آنها را برای مدیریت قدرت در EV مناسب می کند.

سوال: اجزای روی PCB های HDI چقدر می توانند کوچک باشند؟
A: آنها از 01005 غیرفعال (0.4mm × 0.2mm) و BGA 0.3mm pitch پشتیبانی می کنند، با طراحی های آینده با هدف 0.2mm pitch.

س: آیا PCB های HDI با جوش بدون سرب سازگار هستند؟
ج: بله ٪ پلی آمید و چسب های دمای بالا در برابر دمای 260 درجه سانتیگراد که برای جوش بدون سرب مورد نیاز است مقاومت می کنند.

س: زمان تحویل معمولی برای PCB های HDI سخت و انعطاف پذیر چیست؟
ج: 4-6 هفته برای نمونه های اولیه، 6-8 هفته برای تولید انبوه، به دلیل مراحل ساخت پیچیده، کمی طولانی تر از PCB های استاندارد.

نتیجه گیری
پیشرفت های PCB HDI سخت و انعطاف پذیر آنچه را که در طراحی الکترونیک ممکن است تغییر داده است، دستگاه هایی را که کوچکتر، قابل اطمینان تر و توانایی بیشتری نسبت به همیشه دارند.از مایکروویا 50μm تا پشتیبانی سیگنال 50Gbps، این نوآوری ها نیازهای حیاتی الکترونیک مدرن را پاسخ می دهند: کوچک سازی، عملکرد و دوام.
همانطور که مواد، تولید و ابزارهای طراحی همچنان در حال تکامل هستند، PCB های HDI سخت و انعطاف پذیر نقش بیشتری در فن آوری های نوظهور مانند صفحه نمایش های انعطاف پذیر، سنسورهای IoT،و دستگاه های پزشکی نسل بعدیبرای مهندسان و طراحان محصول، پذیرفتن این پیشرفت ها فقط یک انتخاب نیست، بلکه برای حفظ رقابت در یک بازار که نوآوری در میکرومترها و میلی ثانیه ها اندازه گیری می شود، ضروری است.
آینده الکترونیک انعطاف پذیر، متراکم و متصل است و PCB های HDI سخت و انعطاف پذیر در حال پیشروی هستند.