PCB แบบ Rigid-Flex: 'กระดูกและเอ็น' ของอุปกรณ์พับได้​

ภาพที่ได้รับอนุญาตจากลูกค้า

สารบัญ

• ประเด็นสำคัญ
• PCB แบบ Rigid-Flex คืออะไร
• PCB แบบ Rigid-Flex ผสมผสานความแข็งแรงและความยืดหยุ่นได้อย่างไร
• การใช้งานที่สำคัญ: ตั้งแต่โทรศัพท์พับได้ไปจนถึงยานอวกาศ
• Rigid-Flex vs. PCB แบบดั้งเดิม: การวิเคราะห์เปรียบเทียบ
• ความท้าทายของอายุการใช้งานการงอ: การทดสอบการพับ 100,000 ครั้ง​
• วัสดุและการผลิต: การสร้างโครงสร้าง Rigid-Flex ที่ทนทาน​
• นวัตกรรมในอนาคตของเทคโนโลยี Rigid-Flex​
• คำถามที่พบบ่อย​

ประเด็นสำคัญ
    1. PCB แบบ Rigid-Flex ผสานรวมพื้นผิวแข็ง (เพื่อรองรับโครงสร้าง) และชั้นยืดหยุ่น (เพื่อความสามารถในการงอ) เข้าไปในบอร์ดเดียวที่ไร้รอยต่อ—ทำหน้าที่เป็นทั้ง "กระดูก" และ "เอ็น" ในอุปกรณ์พับได้​
    2. ช่วยประหยัดพื้นที่ได้ 30-50% เมื่อเทียบกับ PCB แบบแข็งที่มีสายเคเบิล ลดน้ำหนักและปรับปรุงความน่าเชื่อถือในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดกะทัดรัด​
    3. มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับโทรศัพท์พับได้ (เช่น Samsung Galaxy Z Fold) ยานอวกาศ และเครื่องมือทางการแพทย์ PCB แบบ Rigid-flex    ต้องทนต่อการพับมากกว่า 100,000 ครั้งโดยไม่เกิดความเสียหาย​
    4. ความท้าทาย ได้แก่ ความล้าของวัสดุและความทนทานของข้อต่อบัดกรี แก้ไขได้ด้วยวัสดุขั้นสูง เช่น โพลีอิไมด์และการผลิตที่มีความแม่นยำ​

PCB แบบ Rigid-Flex คืออะไร
   PCB แบบ Rigid-Flex คือแผงวงจรแบบไฮบริดที่รวมส่วนแข็ง (ให้ความเสถียรของโครงสร้าง) และส่วนที่ยืดหยุ่น (ทำให้สามารถงอซ้ำได้) ในการออกแบบเดียวที่ผสานรวมกัน ซึ่งแตกต่างจากการตั้งค่าแบบดั้งเดิม—ที่ PCB แบบแข็งเชื่อมต่อผ่านสายเคเบิลหรือขั้วต่อ—บอร์ดแบบ Rigid-flex จะกำจัดลิงก์ภายนอก ทำให้เกิดโซลูชันที่แข็งแกร่งและกะทัดรัดยิ่งขึ้น​
   การรวมเข้าด้วยกันนี้ทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการทั้งความเสถียร (เพื่อใส่ชิป แบตเตอรี่) และความยืดหยุ่น (ในการพับ บิด หรือปรับให้เข้ากับพื้นที่แคบ) ลองนึกภาพว่าเป็น "โครงกระดูก" ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์: ส่วนแข็งทำหน้าที่เหมือนกระดูก รองรับส่วนประกอบที่หนัก ในขณะที่ชั้นที่ยืดหยุ่นทำหน้าที่เหมือนเอ็น ทำให้เคลื่อนไหวได้โดยไม่แตกหัก​

PCB แบบ Rigid-Flex ผสมผสานความแข็งแรงและความยืดหยุ่นได้อย่างไร
ความมหัศจรรย์ของ PCB แบบ Rigid-flex อยู่ที่โครงสร้างแบบหลายชั้น:​
    ส่วนแข็ง: ทำจาก FR-4 หรือวัสดุอุณหภูมิสูง บริเวณเหล่านี้รองรับส่วนประกอบต่างๆ เช่น โปรเซสเซอร์ จอแสดงผล และแบตเตอรี่ ให้ความเสถียรทางกล ป้องกันการบิดงอภายใต้ความเครียด​
    ส่วนที่ยืดหยุ่น: ประกอบด้วยพื้นผิวโพลีอิไมด์ (PI) บางๆ พร้อมร่องรอยทองแดง ชั้นเหล่านี้ทำให้สามารถงอได้ โพลีอิไมด์ทนความร้อน สารเคมี และความล้า—ซึ่งมีความสำคัญต่อการเคลื่อนไหวซ้ำๆ​
    การเคลือบแบบบูรณาการ: ชั้นแข็งและยืดหยุ่นถูกยึดติดเข้าด้วยกันโดยใช้กาวอุณหภูมิสูงในระหว่างการผลิต ทำให้เกิดบอร์ดเดียวที่เป็นหนึ่งเดียวโดยไม่มีจุดอ่อน​

การออกแบบนี้ช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้ขั้วต่อ สายเคเบิล หรือบานพับ—จุดที่เกิดความล้มเหลวทั่วไปในอุปกรณ์แบบดั้งเดิม​

การใช้งานที่สำคัญ: ตั้งแต่โทรศัพท์พับได้ไปจนถึงยานอวกาศ

สมาร์ทโฟนแบบพับได้
อุปกรณ์ต่างๆ เช่น Samsung Galaxy Z Fold และ Motorola Razr อาศัย PCB แบบ rigid-flex เพื่อเปิดใช้งานการพับที่เป็นเอกลักษณ์ของอุปกรณ์ ส่วนแข็งมีโปรเซสเซอร์หลัก โมดูลกล้อง และแบตเตอรี่ ในขณะที่ชั้นที่ยืดหยุ่นเชื่อมต่อส่วนต่างๆ ของจอแสดงผล การออกแบบนี้ช่วยให้โทรศัพท์พับได้แบนราบ (ลดขนาดลง 50%) ในขณะที่ยังคงรักษาการไหลของสัญญาณที่ไม่ขาดตอนระหว่างส่วนประกอบต่างๆ​

ยานอวกาศและดาวเทียม
ในด้านการบินและอวกาศ น้ำหนักและความน่าเชื่อถือมีความสำคัญสูงสุด PCB แบบ Rigid-flex แทนที่ชุดสายเคเบิลที่หนักในดาวเทียมและรถสำรวจ ลดมวลได้ถึง 40% การออกแบบที่ไร้รอยต่อทนทานต่อการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงในระหว่างการเปิดตัวและรังสีในอวกาศ ทำให้มั่นใจได้ว่าระบบที่สำคัญ (เช่น โมดูลการสื่อสาร) ทำงานโดยไม่หยุดชะงัก​

กล้องเอนโดสโคปทางการแพทย์
กล้องเอนโดสโคปต้องใช้อุปกรณ์ขนาดเล็กและยืดหยุ่นเพื่อนำทางร่างกาย PCB แบบ Rigid-flex รวมตัวเรือนเซ็นเซอร์แข็ง (สำหรับกล้อง/LED) เข้ากับส่วนที่ยืดหยุ่นซึ่งโค้งงอไปรอบๆ อวัยวะต่างๆ ทนต่อสารเคมีฆ่าเชื้อและรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ ทำให้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับขั้นตอนการผ่าตัดแบบบุกรุกน้อยที่สุด​

Rigid-Flex vs. PCB แบบดั้งเดิม: การวิเคราะห์เปรียบเทียบ

ความท้าทายของอายุการใช้งานการงอ: การทดสอบการพับ 100,000 ครั้ง​

ข้อกำหนดที่สำคัญที่สุดสำหรับ PCB แบบ rigid-flex คือความทนทานต่อการงอ—โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภค ตัวอย่างเช่น โทรศัพท์พับได้ต้องใช้งานได้นานกว่า 100,000 ครั้ง (ประมาณ 5 ปีของการใช้งาน) โดยไม่มี:​
    การแตกร้าวของร่องรอยทองแดง: ชั้นที่ยืดหยุ่นใช้ทองแดงบาง (12-18μm) เพื่อต้านทานความล้า ทองแดงที่หนากว่ามีแนวโน้มที่จะแตกหัก​
    ความล้มเหลวของข้อต่อบัดกรี: ส่วนประกอบใกล้กับโซนโค้งใช้หน้ากากบัดกรีแบบยืดหยุ่นเพื่อดูดซับความเครียด​
    การฉีกขาดของพื้นผิว: ชั้นโพลีอิไมด์เสริมด้วยใยแก้วเพื่อป้องกันการแยก​
ผู้ผลิตทดสอบ PCB แบบ rigid-flex โดยใช้เครื่องจักรอัตโนมัติที่พับ/กางบอร์ดที่ 60 รอบต่อนาที จำลองการใช้งานหลายปีในไม่กี่สัปดาห์ เฉพาะบอร์ดที่ผ่านการทดสอบนี้เท่านั้นจึงจะเข้าสู่การผลิต​

วัสดุและการผลิต: การสร้างโครงสร้าง Rigid-Flex ที่ทนทาน​
    พื้นผิวที่ยืดหยุ่น: โพลีอิไมด์ (PI) เป็นมาตรฐานทองคำ—ทนต่อ -269°C ถึง 400°C ทนต่อสารเคมี และยังคงความยืดหยุ่นหลังจากพับมากกว่า 100,000 ครั้ง​
    พื้นผิวแข็ง: FR-4 (สำหรับอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภค) หรือวัสดุ Rogers (สำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศความถี่สูง) ให้ความแข็งแกร่ง​
    กาว: กาวชนิดอีพ็อกซีเชื่อมชั้นต่างๆ โดยไม่สูญเสียความยืดหยุ่น ทำให้มั่นใจได้ว่าบอร์ดจะงออย่างสม่ำเสมอ​
    การชุบ: การเคลือบทองแบบจุ่มนิกเกิลแบบไร้ไฟฟ้า (ENIG) ปกป้องร่องรอยทองแดงจากการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น (เช่น สมาร์ทโฟน)​

นวัตกรรมในอนาคตของเทคโนโลยี Rigid-Flex​
    วัสดุซ่อมแซมตัวเอง: การวิจัยเกี่ยวกับโพลิเมอร์ที่ซ่อมแซมรอยแตกเล็กๆ น้อยๆ ในระหว่างการงออาจยืดอายุการใช้งานออกไปเป็น 500,000+ ครั้ง​
    การรวม 3 มิติ: ชั้น rigid-flex ที่ซ้อนกันจะช่วยให้มีส่วนประกอบมากขึ้นในพื้นที่ที่เล็กลง ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์พับได้รุ่นต่อไป​
    หมึกนำไฟฟ้า: ร่องรอยที่ยืดหยุ่นที่พิมพ์ออกมาสามารถลดต้นทุนการผลิตในขณะที่ปรับปรุงความสามารถในการงอ​

คำถามที่พบบ่อย​
PCB แบบ rigid-flex มีอายุการใช้งานนานเท่าใดในโทรศัพท์พับได้​
รุ่นยอดนิยม (เช่น Galaxy Z Fold) ได้รับการทดสอบให้พับได้ 200,000 ครั้ง—เทียบเท่ากับการพับ 100 ครั้งต่อวันเป็นเวลา 5+ ปี—โดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพ​
PCB แบบ rigid-flex มีราคาแพงกว่า PCB แบบดั้งเดิมหรือไม่​
ใช่ มีค่าใช้จ่ายมากกว่า 20-50% เนื่องจากการเคลือบและการทดสอบที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตาม การประหยัดจากการลดสายเคเบิล/ขั้วต่อจะชดเชยสิ่งนี้ในการผลิตจำนวนมาก​
PCB แบบ rigid-flex สามารถซ่อมแซมได้หรือไม่​
มีจำกัด—ความเสียหายต่อชั้นที่ยืดหยุ่นมักต้องเปลี่ยนใหม่ทั้งหมด เนื่องจากการออกแบบที่ผสานรวมกันทำให้ไม่มีที่ว่างสำหรับการแก้ไขการบัดกรี​
ทำไมจึงใช้ในยานอวกาศแทนสายเคเบิล​
สายเคเบิลอาจหลวมในสภาวะไร้น้ำหนักหรือสั่นสะเทือนระหว่างการเปิดตัว PCB แบบ Rigid-flex ช่วยขจัดความเสี่ยงนี้ ทำให้มั่นใจได้ถึงการสื่อสารที่ไม่ขาดตอน​

PCB แบบ Rigid-Flex เป็นฮีโร่ที่ไม่ได้รับการยกย่องของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่นสมัยใหม่ ผสมผสานความแข็งแรงและความสามารถในการปรับตัวเพื่อเปิดใช้งานอุปกรณ์ที่ครั้งหนึ่งเคยคิดว่าเป็นไปไม่ได้ เมื่ออุปกรณ์พับได้ อุปกรณ์สวมใส่ และเทคโนโลยีการบินและอวกาศก้าวหน้าขึ้น "กระดูกและเอ็น" ของวงจรเหล่านี้จะยิ่งมีความสำคัญมากขึ้น—พิสูจน์ว่าอนาคตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นั้นทั้งแข็งแกร่งและยืดหยุ่น