FR4 เทียบกับ Polyimide เทียบกับ PCB แบบ Rigid-Flex: การเลือกสิ่งที่ดีที่สุดสำหรับการออกแบบอุปกรณ์ทางการแพทย์​

ในการออกแบบอุปกรณ์การแพทย์ ที่ความน่าเชื่อถือสามารถหมายถึงความแตกต่างระหว่างความปลอดภัยของผู้ป่วยและความล้มเหลว การเลือกวัสดุและชนิดของ PCB เป็นสิ่งสําคัญอุปกรณ์ทางการแพทย์ จากเครื่องเฝ้าดูหัวใจที่ใส่ได้ถึงหุ่นยนต์ผ่าตัดที่ซับซ้อน: พวกเขาต้องทนต่อการฆ่าเชื้อซ้ํา ๆ เข้ากับพื้นที่ที่แคบ รักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณเพื่อการวัดที่แม่นยํา และหลีกเลี่ยงการปล่อยสารที่เป็นอันตรายโพลีไมมิดแต่ละตัวดีเด่นในกรณีเฉพาะเจาะจง แต่การเลือกที่ไม่ถูกต้องอาจนําไปสู่การทํางานผิดปกติของอุปกรณ์ ความล้มเหลวของกฎหมาย หรืออายุการใช้งานที่สั้นลงนี่คือการแบ่งแยกรายละเอียด เพื่อนําทางในการตัดสินใจของคุณ.

ความต้องการหลักสําหรับ PCB ของอุปกรณ์การแพทย์
ก่อนที่จะเปรียบเทียบวัสดุ มันเป็นสิ่งสําคัญที่จะเข้าใจความต้องการที่ไม่ต่อรองของการใช้งานทางการแพทย์
1.ความเหมาะสมทางชีวภาพ: วัสดุไม่ควรปล่อยสารพิษ (ตาม ISO 10993) หรือทําให้เกิดปฏิกิริยาภูมิแพ้ โดยเฉพาะสําหรับอุปกรณ์ที่เข้าสัมผัสกับผิวหนังหรือของเหลวของร่างกาย
2ความทนทานต่อการฆ่าเชื้อ: ทนต่อการเผชิญหน้าต่อความร้อนสูง (ออโตคลาฟ), สารเคมี (เอธีเลนออกไซด์, ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์) หรือรังสี (รังสีกามาม่า) โดยไม่ทําลาย
3ความน่าเชื่อถือ: ผลงานที่คงที่ตลอดพันๆ ชั่วโมง (ตัวอย่างเช่น 10,000 + จังหวะสําหรับเครื่องกําหนดหัวใจหรือปั๊มฉีด)
4.การลดขนาด: สามารถใส่ได้ในอุปกรณ์ขนาดเล็ก เช่น เอ็นโดสโกป (กว้าง ≤ 10 มม) หรือพลาสต์ที่ใส่ได้
5.ความสมบูรณ์แบบของสัญญาณ: การส่งสัญญาณความดันต่ําอย่างแม่นยํา (เช่น EEG หรือ ECG) โดยไม่ต้องมีเสียง

FR4 PCBs: การทํางานสําหรับอุปกรณ์ที่มีความเสี่ยงต่ําและมีประสิทธิภาพในราคา

FR4 เป็นวัสดุ PCB ที่พบบ่อยที่สุด ผลิตจาก epoxy ที่เสริมกระจก ความนิยมของมันมาจากการมีราคาถูกและความหลากหลาย แต่มันมีข้อจํากัดในสภาพแวดล้อมทางการแพทย์ที่มีความเครียดสูง

คุณสมบัติสําคัญสําหรับการใช้ทางการแพทย์
1.ความเหมาะสมทางชีวภาพ: ตอบสนองมาตรฐานพื้นฐาน (ISO 10993-1) สําหรับอุปกรณ์ที่ไม่สามารถฝังได้; ปลอดภัยสําหรับการใช้ภายนอก
2.ความทนทานต่อการฆ่าเชื้อ: ทนต่อการฆ่าเชื้อทางเคมีที่จํากัด (เช่นผ้าเช็ดอัลโคฮอล) แต่ลดลงภายใต้ออโตคลาฟ (ควาย 121 °C +) หรือการเผชิญหน้าต่อสารเคมีที่รุนแรงอย่างสารขาว
3ความแข็งแรงทางเครื่องจักรกล: กระชับและทนทานสําหรับอุปกรณ์คงที่ แต่ขาดความยืดหยุ่น
4ราคา: ราคาต่ําที่สุดในหมู่ 3 ตัวเลือก (≈ 5 ‰ 10 ต่อตารางฟุตสําหรับเกรดมาตรฐาน) ทําให้มันเหมาะสมสําหรับอุปกรณ์ขนาดใหญ่และราคาถูก

การใช้งานทางการแพทย์ที่ดีที่สุดสําหรับ FR4

FR4 ดีในอุปกรณ์ที่มีการเผชิญหน้ากับความร้อน ความชื้นน้อย หรือการฆ่าเชื้อบ่อย
1.เครื่องตรวจสอบผู้ป่วย: หน่วยภายนอกที่ติดตามสัญญาณสําคัญ (อัตราการเต้นของหัวใจ ความดันโลหิต) และใช้เซ็นเซอร์ใช้ครั้งเดียว
2อุปกรณ์วินิจฉัย: อุปกรณ์บนเบนจ์ เช่น เครื่อง PCR หรือเครื่องวิเคราะห์เลือด ที่ทํางานในสภาพแวดล้อมห้องปฏิบัติการที่ควบคุมได้
3กล่องการแพทย์: กล่องสําหรับเครื่องจําหน่ายพลังงานหรือเครื่องบันทึกข้อมูล ที่ความแข็งแรงและราคาสําคัญกว่าความยืดหยุ่น

พอลิไมด์ พีซีบี: มาตรฐานทองสําหรับสภาพแวดล้อมความเครียดสูง

โพลีไมด์ (PI) เป็นพอลิมเลอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงที่รู้จักกันในเรื่องความทนทานและความยืดหยุ่นที่สูงมาก เป็นวัสดุที่เลือกสําหรับอุปกรณ์การแพทย์ที่เผชิญกับสภาพที่ยากลําบากหรือต้องการการลดขนาดเล็ก

คุณสมบัติสําคัญสําหรับการใช้ทางการแพทย์
1.ความเหมาะสมทางชีวภาพ: เกินมาตรฐาน ISO 10993; ใช้ในอุปกรณ์ที่สามารถฝัง (เช่น เครื่องกระตุ้นประสาท) เนื่องจากธรรมชาติที่ไม่เป็นพิษและไม่เป็นพิษ
2.ความทนทานต่อการฆ่าเชื้อ: ทนทาน 1000 + หมุนเวียนออโตคลาฟ (134 ° C, 30 นาที) และการเผชิญหน้าต่อเนื่องกับเอธิลีนออกไซด์หรือรังสีกามาม่าโดยไม่ต้องแตก, การบิด, หรือการระบายเคมี
3ระยะอุณหภูมิ: ใช้งานได้อย่างน่าเชื่อถือจาก -269 °C ถึง 400 °C สําคัญสําหรับอุปกรณ์ที่อยู่ใกล้เลเซอร์ผ่าตัดหรืออุปกรณ์ Cryotherapy
4ความยืดหยุ่น: สามารถบิดได้ในรัศมีขนาดเล็กเพียง 0.5 มิลลิเมตร ทําให้สามารถใช้ได้ในพื้นที่แคบ เช่น ชาft catheter หรือ endoscopes
5ความสมบูรณ์แบบของสัญญาณ: การสูญเสียไฟฟ้าดิบต่ํา (Df ≈ 0.002 ที่ 10 GHz) รับประกันการส่งสัญญาณไฟฟ้าชีวภาพขนาดเล็กอย่างแม่นยํา (เช่น กระตุ้นประสาท)

การใช้งานทางการแพทย์ที่ดีที่สุดสําหรับ Polyimide
Polyimide เป็นสิ่งที่จําเป็นสําหรับอุปกรณ์ที่ต้องการความทนทาน ความยืดหยุ่น หรือความเข้ากันได้ทางชีวภาพ
1.อุปกรณ์ที่สามารถปลูก: เครื่องกําจัดหัวใจ, เครื่องลดกระแทกหัวใจ และเครื่องกระตุ้นสมองสันหลัง ซึ่งความน่าเชื่อถือในร่างกายในระยะยาว (มากกว่า 10 ปี) เป็นสิ่งจําเป็น
2เครื่องมือที่บุกรุกอย่างน้อย: เอ็นโดสโคป, แลปาโรสโคป, และแขนผ่าตัดหุ่นยนต์ ซึ่งต้องการ PCBs ที่ยืดหยุ่นในการเดินผ่านภายในร่างกาย
3.เครื่องตรวจจับที่ใส่ได้: แพทช์บนผิวหนังสําหรับการตรวจสอบกลูโคซหรือ ECG อย่างต่อเนื่อง โดยที่ความยืดหยุ่นและความทนทานต่อเหงื่อ / น้ํามันร่างกายเป็นสิ่งสําคัญ

PCBs กระชับและยืดหยุ่น: การแก้ไขแบบไฮบริดสําหรับการออกแบบที่ซับซ้อน

PCB แบบแข็ง-ยืดหยุ่นรวมส่วน FR4 หรือพอลิไมด์ที่แข็งแกร่งกับหมุนพอลิไมด์ที่ยืดหยุ่นรวมสิ่งที่ดีที่สุดของทั้งโลก: ความมั่นคงทางโครงสร้างสําหรับองค์ประกอบและความยืดหยุ่นในการเคลื่อนไหว

คุณสมบัติสําคัญสําหรับการใช้ทางการแพทย์
1.การออกแบบหลากหลาย: ส่วนที่แข็งแรงมีส่วนประกอบขนาดใหญ่ (ไมโครคอนโทรลเลอร์, แบตเตอรี่) ในขณะที่หมุนยืดหยุ่นสามารถบิด, ลดความต้องการของเชื่อมต่อ (ซึ่งเป็นจุดความล้มเหลว)
2.ความประหยัดในพื้นที่: กําจัดการใช้สายไฟ, ลดขนาดของอุปกรณ์ 30% ~ 50% เมื่อเทียบกับการออกแบบที่แข็งแรงเท่านั้น
3ความซื่อสัตย์: เครื่องเชื่อมที่น้อยกว่าหมายถึงจุดที่ล้มเหลวน้อยกว่า; เหมาะสําหรับอุปกรณ์ที่มีการเคลื่อนไหวบ่อย (เช่น เครื่องมือการผ่าตัดหุ่นยนต์ที่มีแขนที่สับสน)
4.ความเข้ากันในการฆ่าเชื้อ: เมื่อใช้ส่วนยืดหยุ่นพอลิยมิด พวกมันทนต่อวิธีการฆ่าเชื้อแบบเดียวกับพอลิยมิด PCB สะอาด

การใช้งานทางการแพทย์ที่ดีที่สุดสําหรับ PCBs ที่แข็งแรงและยืดหยุ่น

การออกแบบแบบแข็ง-ยืดหยุ่นสะท้อนในอุปกรณ์ที่ต้องการทั้งโครงสร้างและการเคลื่อนไหว
1ระบบศัลยกรรมหุ่นยนต์: อุปกรณ์ที่มีแขนเคลื่อนไหว (เช่นหุ่นยนต์ศัลยกรรม Da Vinci) โดยส่วนที่เหนียวแน่นถือมอเตอร์และหมุนยืดหยุ่นทําให้การเคลื่อนไหวข้อมีความแม่นยํา
2อุปกรณ์วินิจฉัยพกพา: อุปกรณ์ฉายเสียง ultrasound หรือ ECG มือถือ ที่มีส่วนที่แข็งแรงปกป้องอิเล็กทรอนิกส์ที่ nhạy cảm และหมุนยืดหยุ่นทําให้การใช้งานเป็น ergonomic
3.เครื่องสวมหลายฟังก์ชัน: แพทช์สมาร์ทที่รวมโมดูลเซ็นเซอร์ที่แข็งแกร่งกับสายยืดหยุ่นที่ห่อรอบขาขา เพื่อรับประกันความแม่นยําของข้อมูลและความสะดวกสบายของผู้ใช้

การเปรียบเทียบหัวต่อหัว: เมตรสําคัญสําหรับอุปกรณ์การแพทย์

ตารางด้านล่างสรุปให้เห็นว่าตัวเลือกแต่ละตัวคืบหน้ากับความต้องการทางการแพทย์ที่สําคัญอย่างไร:

การ เลือก ที่ ถูก ต้อง มี ความ สําคัญ อย่าง ไร?

กรณีที่ 1: เครื่องปรับหัวใจที่สามารถปลูกได้ ผ ผลิตเครื่องเปลี่ยนจาก FR4 ไปใช้ PCB โพลีไมด์ หลังจากเกิดความล้มเหลวในช่วงต้นความเหมาะสมทางชีวภาพและความทนทานต่อของเหลวในร่างกายของพอลิไมด์ ระยะเวลาการใช้งานของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นจาก 5 ถึง 10 ปีลดอัตราการผ่าตัดอีกครั้งของผู้ป่วยถึง 60%

กรณีที่ 2: การออกแบบเลปาโรสโกป ผังการออกแบบใหม่ที่แข็งแรงและยืดหยุ่นแทน PCB FR4 ที่แข็งแกร่งที่มีสายเชื่อมต่อ, ลดวงกว้างของเลปาโรสโกปจาก 12 มม เป็น 8 มมทําให้การผ่าตัดที่รุนแรงน้อยลง และการฟื้นฟูผู้ป่วยเร็วขึ้น.

กรณีที่ 3: เครื่องตรวจ ECG แบบพกพา ครับ การใช้ FR4 แทนพอลิไมด์ ทําให้เกิดความล้มเหลวหลังจากการล้างน้ํามันแอลกอฮอล์ 20 ครั้ง เนื่องจากพื้นผิวของ FR4 ลงตัว ทําให้สัญญาณมีเสียงดัง การเปลี่ยนไปใช้พอลิไมด์แก้ปัญหาทนทาน 500+ นิ้วผ้าโดยไม่เสียผลงาน.

การเลือก PCB ที่เหมาะสม: กรอบการตัดสินใจ
เพื่อเลือกทางเลือกที่ดีที่สุด ถามคําถามเหล่านี้
1.อุปกรณ์จะถูกปลูกหรือใช้ภายนอก? ∙ อุปกรณ์ที่ปลูกต้องการพอลิไมด์; อุปกรณ์ภายนอกที่มีความเครียดต่ําอาจใช้ FR4
2.จะ sterilize บ่อยแค่ไหน? ∙ การซับซ้อนอัตโนมัติบ่อย (≥ 100 วงจร) ต้องการพอลิไมด์หรือพอลิไมด์
3ต้องการความยืดหยุ่นชี้ไปยังพอลิไมด์หรือรัดแน่น
4งบประมาณเท่าไร? FR4 ราคาถูกที่สุด ราคาแพงที่สุด แต่ประหยัดค่าใช้จ่ายในระยะยาวด้วยการลดความล้มเหลว

สรุป
FR4 โพลีไมด์ และ PCB หนาแน่นมีบทบาทที่แตกต่างกันในการออกแบบอุปกรณ์การแพทย์ FR4 เป็นทางเลือกที่ประหยัดสําหรับอุปกรณ์ภายนอกความดันต่ําโพลีไมดโด่งดังในเครื่องมือที่สามารถปลูกและยืดหยุ่นผนัง PCB ที่แข็งแรงและยืดหยุ่นแก้ไขการออกแบบที่ซับซ้อนและมีพื้นที่จํากัด

ที่สําคัญคือการสอดคล้องคุณสมบัติของ PCB กับสภาพแวดล้อมของอุปกรณ์: ความเข้ากันได้ทางชีวภาพสําหรับเครื่องปลูกและความยืดหยุ่นสําหรับอุปกรณ์ที่พกพาได้ หรืออุปกรณ์ที่รุนแรงน้อยโดยให้ความสําคัญกับปัจจัยเหล่านี้มากกว่าค่าใช้จ่ายเท่านั้น คุณจะมั่นใจว่าอุปกรณ์การแพทย์ของคุณจะตอบสนองมาตรฐานการกํากับ การทํางานได้อย่างน่าเชื่อถือ และที่สําคัญที่สุด ก็จะทําให้ผู้ป่วยปลอดภัย