بردهای مدار چاپی انعطاف‌پذیر-سخت: ایجاد تحول در کاربردهای صنعتی و پزشکی با طراحی ترکیبی

تخته های مدار چاپی سخت و انعطاف پذیر (PCB) یک نوآوری مهم در بسته بندی الکترونیک را نشان می دهد، که ثبات ساختاری PCB های سخت را با انعطاف پذیری مدارهای انعطاف پذیر ترکیب می کند.اين طراحي هايبريد نياز به پيوند ها را از بين مي برد، کابل ها و کمربندها، کاهش وزن، بهبود قابلیت اطمینان و امکان طراحی های جمع و جور که قبلاً با PCB های سنتی غیرممکن بود.در بخش های صنعتی و پزشکیمقاومت در برابر ارتعاش و قابلیت اطمینان طولانی مدت بسیار مهم استاین راهنما بررسی می کند که چگونه تکنولوژی سخت انعطاف پذیر به چالش های منحصر به فرد در این صنایع می پردازد.، آن را با راه حل های جایگزین مقایسه می کند و ملاحظات کلیدی طراحی برای عملکرد بهینه را مشخص می کند.

PCB های سخت و انعطاف پذیر چیست؟
PCB های سخت و انعطاف پذیر از لایه های متناوب زیربناهای سخت (معمولا FR-4) و زیربناهای انعطاف پذیر (پولیامید) تشکیل شده اند که از طریق آثار مس متصل شده اند و همه آنها در یک ساختار یکپارچه ای لایه بندی شده اند.بر خلاف PCB های سفت، که در شکل ثابت هستند، یا PCB انعطاف پذیر که فاقد پشتیبانی ساختاری هستند، طرح های سخت و انعطاف پذیر ارائه می دهند:
a.تطابق پذیری: بخش های انعطاف پذیر خم و خم می شوند تا در فضاهای تنگ یا نامنظم قرار گیرند (به عنوان مثال، در اطراف اجزای مکانیکی در ماشین آلات صنعتی).
ب. ادغام: بخش های سخت برای اجزای مانند میکروچیپ ها و کانکتورها پلتفرم های پایدار فراهم می کنند، در حالی که بخش های انعطاف پذیر نیاز به سیم کشی خارجی را از بین می برند.
c. دوام: تعداد کمتری از مفاصل و کانکتورهای جوش دهنده نقاط شکست را کاهش می دهد که در محیط های صنعتی ارتعاش بالا یا ایمپلنت های پزشکی طولانی مدت بسیار مهم است.
مزیت اصلی آنها در توانایی تعادل شکل و عملکرد است: مناطق سفت نصب قطعات و توزیع قدرت را مدیریت می کنند، در حالی که مناطق انعطاف پذیر امکان بسته بندی سه بعدی را فراهم می کنند.

چگونه PCB های سفت و انعطاف پذیر از راه حل های سنتی بهتر هستند
در کاربردهای صنعتی و پزشکی، PCB های سفت و انعطاف پذیر محدودیت های کلیدی طراحی های فقط سفت یا فقط انعطاف پذیر و همچنین مجموعه های مبتنی بر کابل را حل می کنند:

کاهش وزن: با حذف کابل ها و کانکتورها، PCB های سخت انعطاف پذیر وزن سیستم را 30٪ تا 50٪ کاهش می دهند که برای دستگاه های پزشکی قابل حمل و روبات های صنعتی بسیار مهم است.
افزایش قابلیت اطمینان: عدم وجود کانکتورها (که 25-30٪ از خرابی های الکترونیکی را تشکیل می دهند) میانگین زمان بین خرابی ها (MTBF) را در مقایسه با سیستم های مبتنی بر کابل 2-3 برابر افزایش می دهد.
صرفه جویی در فضا: بخش های انعطاف پذیر در حجم های فشرده جمع می شوند، طراحی های 40٪ تا 60٪ کوچکتر از مجمعات PCB سخت معادل را امکان پذیر می کنند.

کاربردهای صنعتی: PCB های سفت و انعطاف پذیر در محیط های خشن
تجهیزات صنعتی در شرایط سخت کار می کنند: دمای شدید، لرزش و استرس مکانیکی که در آن قابلیت اطمینان قابل مذاکره نیست. PCB های سخت و انعطاف پذیر در این سناریوها برجسته هستند:
1اتوماسیون کارخانه و رباتیک
چالش: بازوهای رباتیک و ماشین آلات خودکار نیاز به دستگاه های الکترونیکی دارند که در برابر حرکت مداوم، لرزش (تا 20G) و نوسانات دمایی (-40 درجه سانتیگراد تا 85 درجه سانتیگراد) مقاومت کنند.
راه حل: PCB های سخت و انعطاف پذیر مدارهای کنترل را در مفاصل بازو ادغام می کنند، با بخش های انعطاف پذیر که بیش از 10،000 بار بدون خستگی خم می شوند. بخش های سخت پردازنده ها و سنسورها را در خود جای می دهند،در حالی که بخش های انعطاف پذیر از سایش کابل جلوگیری می کنند.
مثال: یک ربات مونتاژ خودرو با استفاده از PCB های سخت و انعطاف پذیر زمان توقف برنامه ریزی نشده را در مقایسه با طرح های مبتنی بر کابل 40٪ کاهش می دهد ، زیرا هیچ اتصال دهنده ای برای شل شدن یا کابل برای فرسایش وجود ندارد.

2اکتشاف نفت و گاز
چالش: ابزار حفاری در پایین سوراخ در 150 ° C + و 10,000 + psi کار می کند، با فضای محدود برای الکترونیک.
راه حل: PCB های سخت و انعطاف پذیر با دمای بالا (با استفاده از زیربناهای پلی آمید و ردیابی های طلا شده) در شرایط سخت در حالی که در محفظه های ابزار باریک قرار می گیرند، مقاومت می کنند.
مزیت: 90٪ از اتصال دهنده ها را در ابزار های چوبی حذف می کند و نرخ شکست در سیستم های نظارت بر چاه نفتی حیاتی را کاهش می دهد.

3تجهیزات توزیع برق
چالش: قطع کننده های مداری و دستگاه های شبکه هوشمند برای نظارت و کنترل جریان برق به قطعات الکترونیکی فشرده و مقاوم در برابر لرزش نیاز دارند.
راه حل: پی سی بی های سفت و انعطاف پذیر با مس ضخیم (2 ′′ 4 اونس) جریان های بالایی را در بخش های سفت و انعطاف پذیر کنترل می کنند ، در حالی که پل های انعطاف پذیر اجزای مختلف را در قسمت های متحرک متصل می کنند (به عنوان مثال تماس های قطع کننده).
نتیجه: 30 درصد محفظه های کوچکتر و 50 درصد شکست های زمینه ای کمتر به دلیل بهبود مقاومت لرزش.

کاربرد های پزشکی: دقت و اطمینان در مراقبت های بحرانی
دستگاه های پزشکی نیاز به کوچک سازی، سازگاری زیستی و قابلیت اطمینان طولانی مدت دارند
1دستگاه های پزشکی قابل کاشت
چالش: دستگاه های تنظیم ضربان قلب، محرک های عصبی و پمپ های انسولین باید در داخل بدن قرار بگیرند، برای ۵ تا ۱۰ سال کار کنند و به مایعات بدن مقاومت کنند.
راه حل: PCB های سخت و انعطاف پذیر بیولوژیکی (با زیربناهای پلی آمید و آثار پوشش پلاتین) مطابق با اشکال آناتومیک هستند. بخش های سخت باتری ها و میکروکنترلرها را در خود جای می دهند.قطعات انعطاف پذیر مسیر سیگنال به الکترود.
مزیت: حجم دستگاه را در مقایسه با PCB های سفت 30٪ تا 40٪ کاهش می دهد و جراحی های کمتر تهاجمی و عمر باتری را افزایش می دهد.

2تجهیزات تشخیصی
چالش: دستگاه های ام آر آی، سُند های سونوگرافی و تحلیلگرهای قابل حمل، نیاز به وسایل الکترونیکی فشرده با یکپارچگی سیگنال بالا دارند.
راه حل: PCB های سفت و انعطاف پذیر با دی الکتریک های کم تلفات (Dk < 3.0) تحریف سیگنال را در ابزارهای تشخیصی فرکانس بالا به حداقل می رسانند. بخش های انعطاف پذیر در اطراف سنسورهای تصویربرداری خم می شوند.در حالی که بخش های سخت از تراشه های پردازش پشتیبانی می کنند.
مثال: یک دستگاه سونوگرافی قابل حمل با استفاده از PCB های سخت و انعطاف پذیر وزن را 25٪ کاهش می دهد و استفاده از آن در مکان های دور افتاده را برای پزشکان آسان تر می کند.

3ابزار جراحی
چالش: ابزارهای لاپاروسکوپی و سیستم های جراحی رباتیک نیاز به الکترونیک کوچک دارند که در شیفت های قطر 5 × 10 میلی متر قرار می گیرند.
راه حل: PCB های بسیار نازک سخت و انعطاف پذیر (بسیار ضخامت <0.5mm) با سیگنال های مسیر میکروویاس از افکتورهای نهایی به واحدهای کنترل.
تاثیر: امکان جراحی دقیق تر با برش های کوچکتر را فراهم می کند و زمان بهبود بیمار را کاهش می دهد.

ملاحظات کلیدی طراحی برای PCB های جامد و انعطاف پذیر
طراحی PCB های سخت و انعطاف پذیر برای استفاده صنعتی و پزشکی نیاز به توجه دقیق به مواد، هندسه و محدودیت های تولید دارد:

1انتخاب مواد
سبسترات های انعطاف پذیر: پلی میید استاندارد است (Tg > 250 °C، مقاومت شیمیایی) ، با ضخامت از 25-125μm. برای کاربردهای سازگار با زیست محیطی، از پلی میید دارای گواهینامه کلاس VI USP استفاده کنید.
سبسترات های سفت: FR-4 Tg بالا (Tg 170~200°C) برای استفاده صنعتی؛ FR-4 سرامیکی برای بهبود رسانایی حرارتی در دستگاه های قدرت.
مس: مس گداخته شده (RA) برای بخش های انعطاف پذیر (مقاومت بهتر به خستگی) ؛ مس الکترودوز (ED) برای بخش های سخت (هزینه پایین تر).
پوشش: پوشش پلی آمید از رد های انعطاف پذیر محافظت می کند، با گزینه های بدون چسب که ضخامت را در طرح های کوچک کاهش می دهد.

2شعاع خم و خستگی زندگی
کمترین شعاع خم: به طور معمول 10 × 20 برابر ضخامت بخش انعطاف پذیر (به عنوان مثال شعاع 1 میلی متر برای پلی آمید 50μm). شعاع های تنگ تر خطر شکستگی مس را دارند.
آزمایش خستگی: اطمینان حاصل کنید که بخش های انعطاف پذیر در برابر 10،000 چرخه خم شدن بدون تغییرات مقاومت (> 10٪ افزایش نشان دهنده شکست) مقاومت می کنند.

3. قرار دادن قطعات
بخش های سفت: اجزای سنگین (ترانسفارمرها، کانکتورها) و قطعات تولید کننده گرما (IC های قدرت) را بر روی مناطق سفت نصب کنید تا از استرس بخش های انعطاف پذیر جلوگیری شود.
مناطق نگهدارنده: فاصله ۱/۲ میلی متر بین اجزای موجود و خطوط خم را حفظ کنید تا از آسیب در هنگام خم شدن جلوگیری شود.

4صداقت سیگنال
مقاومت کنترل شده: برای دستگاه های پزشکی با فرکانس بالا (به عنوان مثال سونوگرافی) ، رد های انعطاف پذیر را با مقاومت 50Ω با استفاده از حل کننده های میدان 3D طراحی کنید.
سطوح زمینی: شامل سطوح زمینی مستمر در بخش های انعطاف پذیر برای کاهش EMI، که برای تجهیزات تشخیصی حساس حیاتی است.

چالش های تولید و کنترل کیفیت
PCB های سفت و انعطاف پذیر نیاز به فرآیندهای تولید تخصصی برای اطمینان از قابلیت اطمینان دارند:
لایه بندی: لایه های سفت و انعطاف پذیر با استفاده از چسب های دمای بالا (180 ~ 200 درجه سانتیگراد) در مطبوعات خلاء برای جلوگیری از لایه بندی متصل می شوند.
حفاری: میکروویاس (0.1 ∼ 0.2 میلی متر) لایه ها را به هم متصل می کنند، با لیزر حفاری می شوند تا از آسیب رساندن به زیربناهای انعطاف پذیر جلوگیری شود.
پوشش: طلا غوطه ور شدن نیکل بدون برق (ENIG) برای مقاومت در برابر خوردگی در محیط های پزشکی و صنعتی ترجیح داده می شود.

کنترل کیفیت:
بازرسی اشعه ایکس: از طریق تراز و کیفیت جوانه های جوش در لایه های پنهان تأیید می شود.
چرخه حرارتی: عملکرد را از -40 درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد برای 1000 چرخه آزمایش می کند.
آزمایش انعطاف پذیری: ماشین آلات خودکار بخش های انعطاف پذیر را خم می کنند تا مقاومت در برابر خستگی را تأیید کنند.

گرایش های آینده در تکنولوژی سخت و انعطاف پذیر
پیشرفت در مواد و طراحی در حال گسترش قابلیت های سخت و انعطاف پذیر است:
a.3D Printing: تولید افزودنی ردیف های رسانا بر روی زیربناهای انعطاف پذیر هندسه های پیچیده را برای ایمپلنت های پزشکی سفارشی امکان پذیر می کند.
b. اجزای جاسازی شده: اجزای منفعل (مقاوم، خازن ها) در بخش های سفت جاسازی شده اند، که اندازه آنها را 20-30٪ کاهش می دهد.
c. مواد هوشمند: پلیمرهای حافظه شکل در بخش های انعطاف پذیر اجازه می دهند که PCB های سفت و انعطاف پذیر در ایمپلنت های پزشکی "خود را گسترش دهند" و جراحی را ساده کنند.

سوالات عمومی
س: آیا PCB های سخت و انعطاف پذیر گران تر از PCB های سنتی هستند؟
A: بله ، PCB های سخت و انعطاف پذیر به دلیل مواد تخصصی و تولید ، 2 ¢ 3 برابر بیشتر از PCB های سخت معادل هزینه دارند. با این حال ، آنها با حذف کانکتورها و کابل ها ، هزینه های سیستم را کاهش می دهند ،که اغلب منجر به کاهش هزینه های کلی می شود.

س: حداکثر دما ای که PCB های سخت و انعطاف پذیر می توانند تحمل کنند چیست؟
A: PCB های سخت و انعطاف پذیر صنعتی با زیربنای پلی آمید و FR-4 Tg بالا به طور مداوم -55 °C تا 150 °C را اداره می کنند. نسخه های تخصصی (با پرکننده های سرامیکی) تا 200 °C کار می کنند.

س: آیا می توان PCB های جامد و انعطاف پذیر را برای استفاده پزشکی استریل کرد؟
A: بله، PCB های جامد و انعطاف پذیر مبتنی بر پلی میید در برابر اتوکلاو (134 درجه سانتیگراد، 30 دقیقه) و استریلیزه ای اتیلن اکسید (EtO) مقاومت می کنند، که آنها را برای دستگاه های پزشکی قابل استفاده مجدد مناسب می کند.

س: PCB های سخت و انعطاف پذیر تا چه مدت در دستگاه های قابل کاشت دوام می آورند؟
A: با استفاده از مواد سازگار با زیست محیطی و طراحی مناسب، PCB های سفت و انعطاف پذیر در ایمپلنت ها طول عمر 5-10 سال را دارند، که با عمر باتری معمول دستگاه های تنظیم ضربان قلب و محرک های عصبی مطابقت دارد.

س: کوچکترین شعاع خم ممکن برای PCB های سخت و انعطاف پذیر چیست؟
A: حداقل شعاع خم عملی 10 برابر ضخامت لایه انعطاف پذیر است (به عنوان مثال شعاع 0.5mm برای 50μm polyimide). شعاع های تنگ تر خطر ترک مس را پس از خم مجدد دارند.

نتیجه گیری
PCB های سفت و انعطاف پذیر با ادغام بهترین تکنولوژی های سفت و انعطاف پذیر، الکترونیک صنعتی و پزشکی را تغییر داده اند.آنها از ارتعاش و دماهای شدید در حالی که زمان توقف را کاهش می دهند زنده می ماننددر بیمارستان ها، آنها دستگاه های کوچکتر و قابل اطمینان تری را که مراقبت از بیماران را بهبود می بخشند، امکان پذیر می کنند. توانایی آنها برای حذف کانکتورها، کاهش وزن،و متناسب با فضاهای تنگ باعث می شود آنها در برنامه های کاربردی غیر قابل جایگزینی باشند که در آن PCB های سنتی کوتاه هستند.
با پیشرفت اتوماسیون صنعتی و فناوری پزشکی، PCB های سخت و انعطاف پذیر به تکامل خود ادامه خواهند دادو طراحی های نوآورانه ◄ که محدودیت های آنچه در بسته بندی الکترونیک ممکن است را بیشتر گسترش می دهد.
نکته کلیدی: PCB های سخت و انعطاف پذیر فقط یک راه حل بسته بندی نیستند؛ آنها امکان سازنده نسل بعدی دستگاه های صنعتی و پزشکی هستند، که در آن قابلیت اطمینان، کوچک سازی و عملکرد بسیار مهم است.طراحی هیبریدی آنها چالش های طولانی مدت در الکترونیک را حل می کند، که آنها را به سنگ بنای مهندسی مدرن تبدیل می کند.