PCB หลายชั้นแบบยืดหยุ่น: การประยุกต์ใช้งาน ความท้าทาย และนวัตกรรมในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

ภาพที่ลูกค้าอนุญาต

พีซีบีแบบยืดหยุ่นหลายชั้น ได้เปลี่ยนวิธีการที่วิศวกรออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ ทําให้อุปกรณ์สามารถบิด พับ และเข้ากับพื้นที่ที่เคยคิดว่าเป็นไปไม่ได้โดยรวมความสามารถในการปรับปรุงของพื้นฐานยืดหยุ่นกับความซับซ้อนของสถาปัตยกรรมหลายชั้น, บอร์ดเหล่านี้บรรจุฟังก์ชันมากขึ้นในตัวประกอบรูปแบบที่เล็กและเบากว่า หลักสําคัญสําหรับเครื่องใช้สวม, อุปกรณ์การแพทย์และระบบรถยนต์จากความแม่นยําในการผลิต ถึงข้อจํากัดของวัสดุนี่คือการดําน้ําลึกในวิธีการทํางานของ PCBs หลายชั้นยืดหยุ่น ที่พวกเขาโดดเด่นและวิธีการเอาชนะอุปสรรคที่ทั่วไป

ประเด็นสําคัญ
1.PCB หลายชั้นยืดหยุ่นรวม 2 หน่วย 12 หน่วยของทองแดงบนพื้นฐานที่โค้งได้ (เช่น โพลีไมด์) ให้ความหนาแน่นส่วนประกอบ 40% กว่า PCB flex ชั้นเดียว
2มันเจริญเติบโตในการใช้งานที่ต้องการความสอดคล้อง 3 มิติ ความต้านทานต่อการสั่นสะเทือน และประสิทธิภาพของพื้นที่ จากโทรศัพท์ที่พับได้ถึงอุปกรณ์การแพทย์ที่ปลูกได้
3ปัญหาในการผลิตประกอบด้วยการจัดสรรชั้น (ความอดทน ± 5μm), ความเหมาะสมของวัสดุ, และการรับประกันการเชื่อมต่อที่น่าเชื่อถือในการบิดซ้ํา.
4เมื่อเปรียบเทียบกับ PCB ที่แข็งแรง พวกมันลดความผิดพลาดในการประกอบด้วย 35% ในระบบที่ซับซ้อนโดยการกําจัดสายไฟและสายเชื่อม

PCB หลายชั้นยืดหยุ่น คืออะไร?

PCB หลายชั้นยืดหยุ่นถูกออกแบบให้บิด, หัน หรือพับในขณะที่ยังคงการทํางานไฟฟ้าผ่านหลายชั้น
1สับสราทเบส: ผนังพอลิไมด์ (PI) หรือพอลิเอสเตอร์ (PET) หนาบาง (25 หนา 125μm) ที่ทนต่อการบิดซ้ํา (10,000 + วงจร)
2.ชั้นทองแดง: ร่องรอยทองแดง 1/3 2oz (25 หนา 70 μm) เป็นแบบในวงจร, แยกด้วยชั้น dielectric
3สารผสม: สารผสมบาง (มักเป็นอะคริลิคหรืออีโป็กซี่) ที่ผสมชั้นโดยไม่เสียความยืดหยุ่น
4.เคลือบ: หนังป้องกัน (โพลีไมด์หรือหน้ากากผสม) ที่ป้องกันรอยจากความชื้น, การบดและสารเคมี

ไม่เหมือนกับ PCB แบบยืดหยุ่นชั้นเดียว ที่ทํางานกับวงจรเรียบง่ายและการบูรณาการสัญญาณผสมผสาน ทั้งหมดในรูปแบบที่เข้ากับในนาฬิกาสมาร์ทออท หรือล้อมรอบแขนหุ่นยนต์.

วิธีที่ PCBs หลายชั้นยืดหยุ่นเปรียบเทียบกับ PCBs ประเภทอื่น ๆ

การประยุกต์ใช้ที่สําคัญ
การผสมผสานความยืดหยุ่นและความซับซ้อนที่พิเศษของพวกเขา ทําให้ PCBs นี้เป็นสิ่งจําเป็นในสี่อุตสาหกรรมหลัก:

1อิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภค: การเปิดโอกาสให้เกิดนวัตกรรมแบบพับ
สมาร์ทโฟนและแท็บเล็ตที่พับได้พึ่งพากับ PCB ที่ยืดหยุ่นชั้น 4 6 เพื่อเชื่อมต่อหมุน, จอและแบตเตอรี่ใช้ PCB แบบยืดหยุ่น 6 ชั้นที่มีรอย 25μm เพื่อส่งสัญญาณและพลังงาน 5G ผ่านพับ, ทนต่อการพับ 200,000+ ครั้ง (เทียบเท่าการใช้งาน 5 ปี) PCB เหล่านี้:
a.กําจัดเครื่องเชื่อมขนาดใหญ่ ลดความหนาของอุปกรณ์ 20%
b.รองรับข้อมูลความเร็วสูง (USB 3.2, 10Gbps) ระหว่างส่วนที่พับ
c. ทนกับอุณหภูมิ -20 °C ถึง 60 °C (ปกติสําหรับสภาพแวดล้อมกระเป๋าหรือกระเป๋า)

2อุปกรณ์การแพทย์: ความแม่นยําในพื้นที่แคบ
จาก เครื่อง ติดตาม อีเคจี ที่ใส่ได้ จนถึง เครื่องมือ เอ็นโดสโกปิค เครื่องมือทางการแพทย์ ต้องการความเข้ากันได้ทางชีวภาพ การลดขนาด และความน่าเชื่อถือ
a.อุปกรณ์ที่สามารถฝังได้: พีซีบีโพลีไมด์ 4 ชั้น (0.1 มิลลิเมตรหนา) เครื่องกําหนดจังหวะหัวใจและเครื่องกระตุ้นประสาท ที่สามารถบิดกับการเคลื่อนไหวของร่างกายโดยไม่ทําลายเนื้อเยื่อวัสดุที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ (USP Class VI) ของพวกมันทนทานกับการดูดซึมของเหลวนานกว่า 10 ปี.
อุปกรณ์การวินิจฉัย: PCB แบบยืดหยุ่น 6 ชั้นในเครื่องตรวจฉลากเสียง ลดขนาดเคเบิล 50% ปรับปรุงความสามารถในการเคลื่อนไหวให้กับแพทย์ในขณะที่รักษาความสมบูรณ์แบบของสัญญาณในการถ่ายภาพความถี่สูง (1020MHz)

3ระบบรถยนต์: ความทนทานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
รถยนต์ที่ทันสมัยใช้ PCB หลายชั้นยืดหยุ่น ในพื้นที่ที่แน่นและคล่องตัวต่อการสั่น
a.เซ็นเซอร์ ADAS: PCB แบบยืดหยุ่น 4 ชั้นในโมดูล LiDAR ทนต่อการสั่นสะเทือน 20G (ถนนที่หยาบ) และอุณหภูมิ -40 °C ถึง 125 °C เพื่อรับประกันผลงานที่คงที่ในทุกสภาพอากาศ
b. อิเล็กทรอนิกส์ภายใน: การออกแบบ 2 ละ 4 ชั้นในแผ่นประตูและเซนเซอร์ที่นั่งแทนการใช้สายไฟลัดลมลดน้ําหนัก 3 กิโลกรัมต่อรถยนต์และลดความผิดพลาดการประกอบด้วย 35%.

4อุตสาหกรรมและอากาศ: ความยืดหยุ่นที่แข็งแรง
ในด้านหุ่นยนต์และเครื่องบิน พีซีบีเหล่านี้สามารถอยู่รอดได้ในสภาพที่รุนแรง
a.แขนหุ่นยนต์: พีซีบีความยืดหยุ่น 6 ชั้นที่มีทองแดงเสริม (2 oz) เชื่อมต่อกริปเปอร์กับตัวควบคุม, บิด 100,000+ ครั้งโดยไม่ต้องเหนื่อยล้า.
b.ระบบดาวเทียม: PCB 8 ชั้นที่มีพอลิไมด์สับสราต (ความอดทน 200 °C ถึง 260 °C) จัดการรังสีและการหมุนเวียนความร้อนในอวกาศ, รองรับการสื่อสารดาวเทียม 5G

ความท้าทายในการผลิต: วิศวกรรมเพื่อความยืดหยุ่น
การผลิต PCB หลายชั้นยืดหยุ่นต้องมีความแม่นยํามากกว่าบอร์ดแข็งแบบดั้งเดิม ปัญหาหลักประกอบด้วย:

1. การสอดคล้องชั้น
การออกแบบหลายชั้นต้องการการจดทะเบียนที่แน่น (การสอดคล้อง) ระหว่างชั้น แม้กระทั่งการสอดคล้องที่ผิดพลาด 10μm ก็สามารถตัดวงจรสั้นหรือทําลายรอยได้ ผู้ผลิตใช้:
a. การสอดคล้องเลเซอร์: เครื่องหมายอินฟราเรดบนแต่ละชั้นให้ความแม่นยํา ± 5μm ระหว่างการเลเมน
b.การผสมผสาน: การสร้างชั้นละ 1 ชั้น (เทียบกับการผสมผสานชุด) ลดการบิดเบือน, ที่สําคัญสําหรับการออกแบบชั้น 8 +.
จากการศึกษาของ IPC พบว่าการปรับสภาพไม่ดีทําให้ PCB ที่ยืดหยุ่นผิดปกติถึง 28% ทําให้มันเป็นโจทย์ที่สําคัญที่สุดในการผลิต

2. ความเข้ากันของวัตถุ
ไม่ใช่วัสดุทั้งหมดที่ทํางานด้วยกันได้ดีใน PCBs นุ่ม:
a.สับคล้องกับความยืดหยุ่น: สับคล้องหนาช่วยเพิ่มการผูกพัน แต่ทําให้แผ่นแข็ง; สับคล้องบาง (25μm) รักษาความยืดหยุ่น แต่เสี่ยงการปลดแผ่น
ความหนาของทองแดง: ทองแดงหนา (2 oz) ปรับปรุงการรับมือกับกระแสไฟฟ้า แต่ลดความยืดหยุ่น. การออกแบบส่วนใหญ่ใช้ทองแดง 1⁄2 1 oz เพื่อสมดุลความแข็งแรงและความยืดหยุ่น
c. ความทนทานต่ออุณหภูมิ: พอลิไมด์สับสราตทนต่อการผสมต่อ 260 °C แต่เครื่องผสมผสมสามารถลดลงเหนือ 180 °C ซึ่งจํากัดทางเลือกการทํางานใหม่

3ผ่านความน่าเชื่อถือ
การเชื่อมต่อชั้นใน PCB ที่ยืดหยุ่นต้องการช่องทางพิเศษ:
a.Microvias: หลุมขนาดเล็ก (50-150μm) ที่เจาะผ่านชั้นด้วยเลเซอร์ และเคลือบด้วยทองแดงเพื่อรักษาความสามารถในการนําไฟระหว่างการบิด
b. Vias สต็อป: การเชื่อมต่อ 2 + ชั้นที่มี microvias ที่ซ้อนกัน แต่ต้องการการเจาะแม่นยําเพื่อหลีกเลี่ยงรอยแตก
Vias เป็นจุดที่อ่อนแอที่สุดใน PCBs โฟล็กซ์000 จังหวะที่รัศมีความหนา 10x) เพื่อให้มั่นใจ.

4ค่าใช้จ่ายและความสามารถในการปรับขนาด
PCB หลายชั้นที่ยืดหยุ่นมีราคาสูงกว่า PCB แข็งแรงถึง 3 5 เท่า
a.วัสดุพิเศษ (พอลิไมด์แพงกว่า FR-4 2 เท่า)
b.การแปรรูปและตรวจสอบที่ใช้แรงงานมาก
c.ผลผลิตที่ต่ํากว่า (85% เทียบกับ 95% สําหรับ PCB ที่แข็งแรง) เนื่องจากมาตรฐานคุณภาพที่เข้มงวดกว่า
สําหรับโครงการขนาดใหญ่ (เช่น 1M + หน่วย) ประหยัดขนาดลดต้นทุน 20% ~ 30% แต่โครงการขนาดเล็กรับค่าธรรมเนียมเต็ม

การออกแบบแนวปฏิบัติที่ดีที่สุดสําหรับ PCB หลายชั้นยืดหยุ่นที่น่าเชื่อถือ
วิศวกรสามารถลดความท้าทายได้ด้วยกลยุทธ์การออกแบบดังนี้:

1. ปรับปรุงเขตบิด
Radius Bend: ไม่ควรบิดที่หนากว่า 1x สําหรับการใช้งานแบบสแตตติก (ตัวอย่างเช่น กระดาน 1 มิลลิเมตรต้องการรัศมี ≥ 1 มิลลิเมตร) หรือหนากว่า 5x สําหรับการบิดแบบไดนามิก (ตัวอย่างเช่นแขนหุ่นยนต์)
การตั้งทิศทางรอย: ใช้รอยขนานกับแกนโค้งเพื่อลดความเครียด รอยตั้งตรงจะแตกเร็วขึ้น 5 เท่า
เครื่องแข็ง: เพิ่มส่วนแข็ง (FR-4 หรือโลหะ) ในพื้นที่ที่ไม่บิด (เช่นจุดติดตั้งเครื่องเชื่อม) เพื่อป้องกันความเสียหายที่เกี่ยวข้องกับการบิด

2การเลือกวัสดุ
สับสราต: โพลีไมด์ (PI) เป็นมาตรฐานสําหรับการใช้งานส่วนใหญ่ (ช่วงอุณหภูมิ: -200 ° C ถึง 260 ° C) สําหรับค่าใช้จ่ายต่ํากว่า โพลีเอสเตอร์ (PET) ใช้งานสําหรับ -40 ° C ถึง 120 ° C (เช่นอุปกรณ์ผู้บริโภค)
ผสมผสม: ใช้ผสมผสมแอคริลิคเพื่อความยืดหยุ่น หรือเอพอกซี่เพื่อความทนทานต่ออุณหภูมิสูง (สูงถึง 180 °C)
แผ่นปกปิด: แผ่นปกปิดหน้ากากผสม (หนังเหลวหรือแห้ง) ป้องกันรอยโดยไม่เพิ่มขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นสิ่งสําคัญสําหรับเครื่องปลูกทางการแพทย์

3ความสมบูรณ์แบบของสัญญาณ
สัญญาณความเร็วสูง (10GHz+) ใน PCBs แบบยืดหยุ่นเผชิญกับโจทย์ที่แตกต่างกัน
การควบคุมความคับคาย: รักษา 50Ω (ปลายเดียว) หรือ 100Ω (ความแตกต่าง) โดยการปรับความกว้างของรอย (35 มิล) และความหนาของ dielectric (24 มิล)
การลดความสูญเสีย: ใช้ไฟฟ้าดียิเลคทริกที่มีความสูญเสียต่ํา (เช่น Rogers RO3003) สําหรับ 5G หรือการใช้งานเรดาร์, ลดความอ่อนแอของสัญญาณถึง 40% เมื่อเทียบกับพอลิไมด์มาตรฐาน

4การทดสอบและการรับรอง
การจักรยานทางความร้อน: ทดสอบที่ -40 °C ถึง 125 °C เป็นเวลา 1,000 วงจรเพื่อจําลองการแก่ตัว
การทดสอบบิด: ยืนยันด้วย 10,000 + บิดแบบไดนามิค, ตรวจสอบการเปิด / สั้นกับแต่ละวงจร
การทดสอบสภาพแวดล้อม: ติดต่อ 85 °C/85% RH เป็นเวลา 1,000 ชั่วโมงเพื่อให้แน่ใจว่าความทนทานต่อความชื้น

แนวโน้มในอนาคต: นวัตกรรมใน PCB หลายชั้นยืดหยุ่น
ผู้ผลิตและนักวิจัยกําลังตอบโจทย์กับโจทย์ต่างๆ ด้วยความก้าวหน้า:
a.Lamination ที่ไม่มีสับสน: การเชื่อมต่อชั้นที่ไม่มีสับสน (ใช้อัตราเชื่อมต่อโดยตรงจากทองแดงกับพอลิไมด์) ปรับปรุงความยืดหยุ่นและความทนทานต่ออุณหภูมิ
b.3D Printing: การพิมพ์ร่องรอยที่นําทางบนพื้นฐานโค้ง ทําให้มีรูปทรงที่ซับซ้อนมากขึ้น
c. วัสดุบํารุงตัวเอง: โพลิเมอร์การทดลองที่ซ่อมแซมรอยแตกเล็ก ๆ ใน dielectrics, ขยายอายุการใช้งาน 2 × 3 ครั้ง.

FAQs
คําถาม: จํานวนชั้นสูงสุดของ PCBs ที่ยืดหยุ่นคืออะไร?
ตอบ: PCB หลายชั้นยืดหยุ่นทางการค้ามี 12 ชั้นสูงสุด แม้ว่าต้นแบบด้านอากาศจะใช้ 16 ชั้น ส่วนชั้นมากกว่าจะเพิ่มความแข็งแรง ทําให้การใช้งานในการบิดจํากัด
ถาม: PCB ที่ยืดหยุ่นหลายชั้นสามารถใช้พลังงานสูงได้หรือไม่
ตอบ: ปริมาณปริมาณปริมาณปริมาณปริมาณปริมาณปริมาณปริมาณปริมาณปริมาณปริมาณปริมาณปริมาณPCBs flex หัวโลหะ (MCPCBs) เพิ่มชั้นอะลูมิเนียมเพื่อระบายความร้อน.
คําถาม: PCBs ที่ยืดหยุ่น ใช้ได้นานแค่ไหนในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง?
ตอบ: ด้วยการออกแบบที่เหมาะสม ใช้งานในอุตสาหกรรม 5~10 ปี (การสั่นสะเทือน, อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง) และใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มั่นคง 10+ ปี (เครื่องปลูกแพทย์, อิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภค)

สรุป
พีซีบีแบบยืดหยุ่นหลายชั้นกําลังนิยามใหม่ว่า อิเล็กทรอนิกส์สามารถทําอะไรได้ โดยทําให้อุปกรณ์เล็กๆ น้อย ๆ น้อย ๆ น้อย ๆ และบูรณาการมากกว่าเดิมขณะที่ความท้าทายในการผลิต เช่น การปรับตัวและค่าใช้จ่ายยังคง, นวัตกรรมในวัสดุและกระบวนการทําให้ PCBs สามารถใช้ได้สําหรับการใช้งานมากขึ้น สําหรับวิศวกรการใช้แนวทางที่ดีที่สุดในการออกแบบเพื่อให้มั่นใจขณะที่ความต้องการสําหรับเทคโนโลยีที่สามารถพับได้ อุปกรณ์ที่สามารถฝังได้ และเครื่องจักรที่สมาร์ท เพิ่มขึ้น PCB ที่มีความยืดหยุ่นหลายชั้นจะยังคงเป็นแนวหน้าของนวัตกรรมอิเล็กทรอนิกส์