Zrozumienie struktury PCB sztywnych i elastycznych: warstwy, składniki i sposób, w jaki umożliwiają one wszechstronność elektroniki

Twardo-prężne płytki PCB zrewolucjonizowały projekt kompaktowych,wytrzymała elektronika ‒ od składanych smartfonów po moduły czujników samochodowych ‒ poprzez połączenie stabilności strukturalnej sztywnych płyt PCB z elastycznością układów elastycznychW przeciwieństwie do tradycyjnych sztywnych płyt PCB (formy stałej) lub płyt PCB wyłącznie z elastycznością (ograniczona liczba warstw), konstrukcje sztywnych płyt PCB z elastycznością integrują oba formaty w jedną, bezproblemową strukturę.Ale ich wszechstronność zależy od precyzyjnego, architekturę warstwową: każdy element ‒ od elastycznych podłożeń po wiązania klejące ‒ odgrywa kluczową rolę w równoważeniu elastyczności, wytrzymałości i wydajności elektrycznej.

Niniejszy poradnik demystifikuje strukturę sztywnych i elastycznych płyt PCB, analizując przeznaczenie każdej warstwy, wybór materiału i sposób ich współpracy.Porównamy struktury sztywne i elastyczne z alternatywami sztywne i elastyczne, zbadać kluczowe aspekty projektowania i wyjaśnić, w jaki sposób wybory konstrukcyjne wpływają na rzeczywiste zastosowania.Zrozumienie struktury sztywnych i elastycznych PCB pomoże stworzyć produkty mniejsze, lżejsze i bardziej niezawodne.

Kluczowe wnioski
1.Struktura hybrydowa: PCB sztywne i elastyczne łączą sztywne segmenty (do montażu komponentów) i elastyczne segmenty (do gięcia) w jedną zintegrowaną płytę, eliminując potrzebę łączników między oddzielnymi PCB.
2. Architektura w warstwach: Główne komponenty obejmują elastyczne podłoża (poliamid), sztywne podłoża (FR-4), ślady miedzi, kleje i wykończenia ochronne, z których każde zostało wybrane ze względu na trwałość i wydajność.
3.Fleksybilność: struktura elastycznego segmentu (cienkie podłoże, miedź elastyczna) umożliwia 10 000+ cykli gięcia bez śladów pęknięć, co jest kluczowe dla zastosowań dynamicznych.
4Czynniki napędowe: sztywne segmenty wykorzystują grubsze podłoże i warstwy wzmocnienia do podtrzymania ciężkich komponentów (np. BGA, złącza) i odporności na obciążenia mechaniczne.
5Koszty i korzyści: chociaż konstrukcje sztywne i elastyczne są bardziej skomplikowane w produkcji, obniżają koszty montażu o 30-50% (mniej złączy, mniej okablowania) i zwiększają niezawodność poprzez wyeliminowanie punktów awarii.

Podstawowa struktura sztywnych i elastycznych płyt PCB
Struktura sztywnych i elastycznych płyt PCB jest zdefiniowana przez dwa odrębne, ale zintegrowane segmenty: sztywne segmenty (dla stabilności) i elastyczne segmenty (dla elastyczności).w postaci metalu, w którym znajdują się ślady miedzi) ale różnią się materiałami podłoża i grubością, aby spełniać swoje unikalne role.
Poniżej znajduje się podział podstawowych elementów, począwszy od wewnętrznej warstwy do zewnętrznej warstwy ochronnej.

1Podstawy podstawowe: podstawa sztywności i elastyczności
Substraty to nieprzewodzące warstwy bazowe, które podtrzymują ślady miedzi.

Substraty z elastycznymi segmentami
Segmenty elastyczne opierają się na cienkich, trwałych polimerach, które wytrzymują wielokrotne gięcie:
Materiał podstawowy: poliamid (PI): Standardy przemysłowe dla substratów elastycznych, poliamid oferuje:
Odporność na temperatury: -269°C do 300°C (przetrwa lutowanie z powrotem i surowe środowiska).
Elastyczność: może się zginać do promieni nawet 5x grubości (np. warstwa PI o grubości 50 μm zgina się do promienia 250 μm).
Odporność na działanie chemiczne: Nie działają na oleje, rozpuszczalniki i wilgotność, idealnie nadaje się do użytku w motoryzacji i przemyśle.
Grubość: zazwyczaj 25 ‰ 125 μm (1 ‰ 5 mil); cieńsze podłoża (25 ‰ 50 μm) umożliwiają ściślejsze zakręty, podczas gdy grubsze (100 ‰ 125 μm) zapewniają większą stabilność dla dłuższych segmentów giętych.
Alternatywy: W zastosowaniach o bardzo wysokiej temperaturze (200°C+) stosuje się polimer ciekłokrystaliczny (LCP), choć jest droższy niż poliamid.

Substraty z sztywnymi segmentami
Segmenty sztywne wykorzystują sztywne, wzmocnione materiały do podtrzymania komponentów i odporności na naprężenie:
Materiał podstawowy: FR-4: laminowany epoksydowy wzmocniony szkłem, który zapewnia:
Wytrzymałość mechaniczna: Wspiera ciężkie elementy (np. 10 g BGA) i jest odporny na wygięcie podczas montażu.
Efektywność kosztowa: najtańszy sztywny podłoże, odpowiednie do zastosowań konsumenckich i przemysłowych.
Izolacja elektryczna: rezystywność objętościowa > 1014 Ω·cm, zapobiegająca zwarciom między śladami.
Grubość: 0,83,2 mm (31,125 mil); grubsze podłoże (1,6,3,2 mm) obsługuje większe komponenty, a cieńsze (0,8 mm) są używane do kompaktowych konstrukcji (np. urządzenia do noszenia).
Alternatywy: W przypadku zastosowań o wysokiej częstotliwości (5G, radar), Rogers 4350 (laminat o niskiej stratze) zastępuje FR-4 w celu zminimalizowania tłumienia sygnału.

2Ślady miedzi: przewodzące drogi przez segmenty
Ślady miedzi przenoszą sygnały elektryczne i moc między komponentami, obejmując zarówno sztywne, jak i elastyczne segmenty.

Miedź z elastycznym segmentem
Segmenty elastyczne wymagają elastycznej miedzi odpornej na pęknięcia podczas gięcia:
Rodzaj: miedź walcowana (RA): grzewanie (obróbka cieplna) sprawia, że miedź RA jest elastyczna, umożliwiając bez uszkodzenia 10 000+ cykli gięcia (180° gięć).
Grubość: 12 ‰ 35 μm (0,5 ‰ 1,4 oz); cieńsza miedź (12 ‰ 18 μm) łatwiej się gięje, podczas gdy grubsza (35 μm) przenosi wyższe prądy (do 3 A dla śladu 0,2 mm).
Projekt wzoru: Ślady w zgiętych odcinkach wykorzystują zakrzywione lub kąty 45° (nie 90°) do rozkładu naprężeń. Kąty 90° działają jako punkty naprężeń i pękają po wielokrotnym gięciu.

Miedź z sztywnym segmentem
Segmenty sztywne priorytetem są obecna wydajność i łatwość produkcji:
Rodzaj: Miedź elektrodepozytowana (ED): miedź ED jest mniej elastyczna niż miedź RA, ale tańsza i łatwiejsza do wzorowania w gęstych obwodach.
Grubość: 18 ‰ 70 μm (0,7 ‰ 2,8 oz); grubsza miedź (35 ‰ 70 μm) jest używana do śladów mocy (np. 5A + w ECU samochodowych).
Projektowanie wzoru: 90° kątów jest dopuszczalne, ponieważ sztywne segmenty nie zginają się, co umożliwia gęstsze śledzenie trasy dla komponentów takich jak QFP i BGA.

3. Klej: Klej na sztywne i elastyczne segmenty
Klej jest kluczowy dla integracji segmentów sztywnych i elastycznych w jednej płytce.

Kluczowe wymagania dotyczące klejów
Elastyczność: Klej w zgiętych segmentach musi się wydłużać (≥100% wydłużenia) bez pękania, w przeciwnym razie będzie się łuszczał podczas gięcia.
Odporność na temperatury: Wytrzymałość na powracające lutowanie (240-260°C) i temperatury robocze (-40-125°C w większości zastosowań).
Siła przyczepności: siła wiązania ≥1,5 N/mm (na IPC-TM-650) w celu zapobiegania delaminacji między warstwami.

Powszechne rodzaje klejnotów

Wskazówki do wniosku
Klejów stosuje się w postaci cienkich folii (2550μm), aby uniknąć dodawania masy do zgiętych segmentów.
W konstrukcjach sztywnej elastyczności (używanych w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości) miedź jest bezpośrednio wiązana z poliamidem bez kleju, zmniejszając utratę sygnału, ale zwiększając koszty.

4. Maska lutowa: Ochrona śladów i umożliwienie lutowania
Maska lutowa to ochronna powłoka polimerowa stosowana zarówno na segmentach sztywnych, jak i elastycznych w celu:
Zapobiegaj zwarciom między sąsiednimi torami.
Ochrona miedzi przed utlenianiem i korozją.
Określ obszary, w których lutowanie przylega (płyty) podczas montażu.

Flex Segment Solder Mask
Segmenty elastyczne wymagają maski lutowej, która gięje się bez pęknięć:
Materiał: Maska lutowa na bazie poliamidu: wydłuża się ≥ 100% i utrzymuje przyczepność podczas gięcia.
Grubość: 25 ‰ 38 μm (1 ‰ 1,5 mil); cieńsza maska (25 μm) gięje się łatwiej, ale zapewnia mniejszą ochronę.
Kolor: przezroczysta lub zielona maska przezroczysta jest używana w urządzeniach do noszenia, w których ma znaczenie estetyka.

Maska lutowa z sztywnym segmentem
Segmenty sztywne wykorzystują standardową maskę lutowniczą ze względu na koszty i trwałość:
Materiał: Maska lutowa na bazie epoksy: sztywna, ale trwała, z doskonałą odpornością chemiczną.
Grubość: 38 ‰ 50 μm (1,5 ‰ 2 mil); grubsza maska zapewnia lepszą ochronę w zastosowaniach przemysłowych.
Kolor: Zielony (najczęściej), niebieski lub czarno-zielony jest preferowany dla kompatybilności z AOI (zautomatyzowana inspekcja optyczna).

5Wykończenie powierzchniowe: zapewnienie spawalności i odporności na korozję
Powierzchniowe wykończenia są nakładane na odsłonięte podkładki miedziane (w obu segmentach) w celu poprawy łatwości spawania i zapobiegania utlenianiu.
Powszechne wykończenia PCB sztywnych i elastycznych

Wybory specyficzne dla danego segmentu
Segmenty elastyczne często wykorzystują ENIG: elastyczność złota jest odporna na gięcie, a nikel zapobiega dyfuzji miedzi w złącze lutowe.
Segmenty sztywne mogą korzystać z HASL w celu oszczędności kosztów, chociaż ENIG jest preferowany dla komponentów o cienkiej wyczucie.

6. Warstwa wzmocnienia (opcjonalnie): wzmocnienie obszarów krytycznych
Warstwa wzmocnienia jest opcjonalna, ale powszechna w PCB sztywnych i elastycznych w celu zwiększenia wytrzymałości obszarów o wysokim napięciu:
Lokalizacja: stosowane w strefach przejściowych elastyczno-stwardych (gdzie napięcie gięcia jest najwyższe) lub pod ciężkimi elementami (np. złącza) w sztywnych segmentach.
Materiały:
Kevlar lub szklana tkanina: Cienkie, elastyczne tkaniny połączone z giętymi segmentami, aby zapobiec rozdarciu.
Cienkie paski FR-4: Dodawane do sztywnych segmentów pod złączami w celu przeciwdziałania naprężeniom mechanicznym podczas parzenia/rozparzania.
Gęstość: 25 ‰ 100 μm ≈ wystarczająco gruba, aby dodać wytrzymałość bez zmniejszania elastyczności.

PCB sztywne i elastyczne: porównanie strukturalne
Aby zrozumieć, dlaczego PCB sztywne i elastyczne wyróżniają się w niektórych zastosowaniach, porównaj ich struktury z tradycyjnymi alternatywami:

Główne strukturalne zalety sztywności i elastyczności
1Brak łączników: zintegrowanie segmentów sztywnych i elastycznych eliminuje 2-10 łączników na tablicę, zmniejszając czas montażu i punkty awarii (łączniki są główną przyczyną awarii PCB).
2.Efektywność przestrzenna: PCB sztywne i elastyczne mieści się w 30-50% mniejszej objętości niż systemy sztywne z wieloma płytami, które są kluczowe dla urządzeń noszonych i modułów czujników samochodowych.
3.Oszczędność masy: 20~40% lżejsza niż sztywne systemy wielofunkcyjne, dzięki mniejszej liczbie komponentów i okablowania.

Jak sztywna i elastyczna struktura wpływa na wydajność i niezawodność
Każdy wybór konstrukcyjny, począwszy od grubości podłoża po rodzaj miedzi, bezpośrednio wpływa na działanie sztywnych i elastycznych płyt PCB w rzeczywistych zastosowaniach.Poniżej przedstawiono kluczowe wskaźniki wydajności i ich czynniki strukturalne:
1Elastyczność i trwałość
Kierowca: grubość podłoża z elastycznym segmentem i rodzaj miedzi. 50μm podłoża poliamid z 18μm miedzi RA gięć do promienia 250μm i przetrwa 15000+ cykli.
Ryzyko awarii: stosowanie miedzi ED w segmentach elastycznych powoduje śladowe pęknięcie po 1000-2000 cyklach

Przykład zastosowania: zawias składalnego smartfona wykorzystuje 50μm poliamid flex segment z 18μm miedzi RA, umożliwiając 200 000+ zwojów (typowa długość życia składalnego urządzenia).

2Integralność sygnału
Polimid ma niską utratę dielektryczną (Df < 0,002 przy 10 GHz), co czyni go idealnym dla sygnałów wysokiej częstotliwości.
Zmniejszenie ryzyka: konstrukcje bez kleju (bez kleju między miedzią a poliamidą) zmniejszają utratę sygnału o 30% w porównaniu z konstrukcjami opartymi na kleju, co jest krytyczne dla 5G i radaru.

Przykład zastosowania: stacja bazowa 5G wykorzystuje sztywne płytki PCB bezklejnych poliamidów do utrzymania integralności sygnału dla sygnałów mmWave 28 GHz.

3. Zarządzanie cieplne
Kierowca: grubość miedzi i konstrukcja sztywnych segmentów.
Ulepszenie: przewody termiczne (0,3 mm średnicy) w sztywnych segmentach przenoszą ciepło z komponentów do wewnętrznych płaszczyzn miedzi ̇ zmniejszając temperaturę połączenia o 15-25 °C.

Przykład zastosowania: PCB sztywnej elastyczności inwertera EV samochodowego wykorzystuje 70 μm miedzi w sztywnych segmentach i przewodach termicznych do obsługi 100 W ciepła z IGBT.

4Siła mechaniczna
Kierowca: grubość segmentu sztywnego i warstwy wzmocnienia.
Projektowanie strefy przejściowej: warstwy wzmocnienia (Kevlar) w przejściach elastyczno-twardych zmniejszają naprężenie o 40%, zapobiegając delaminacji.

Przykład zastosowania: PCB sztywne-prężne czujnika lotniczego wykorzystuje sztywne segmenty FR-4 o średnicy 3,2 mm i wzmocnienie Kevlarem, aby wytrzymać wibracje 50G (według MIL-STD-883).

Kluczowe rozważania projektowe dotyczące struktury PCB sztywnych i elastycznych
Przy projektowaniu sztywnych i elastycznych płyt PCB wybory konstrukcyjne muszą być zgodne z potrzebami zastosowania.
1Definicja stref przejściowych elastycznych i sztywnych
Lokalizacja: Umieścić przejścia w odległości 2 mm od elementów ◄ w pobliżu elementów przejścia występują obciążenia podczas gięcia.
Radiusz: Minimalny promień gięcia dla segmentów giętych wynosi 5 razy grubość podłoża (np. 50 μm podłoża → 250 μm promień).
Wzmocnienie: Dodać Kevlar lub cienkie FR-4 do przejścia w zastosowaniach o wysokim obciążeniu (np. czujniki drzwi samochodowych, które gięją się wraz z ruchem drzwi).

2Liczba warstw równowagi i elastyczność
Limit warstwy: Flex segmenty są zazwyczaj 2 ∼4 warstwy – dodanie więcej warstw zwiększa grubość i zmniejsza elastyczność.
Rozkład warstw: koncentruj warstwy w sztywnych segmentach (np. 8 warstw w sztywnych, 2 warstwy w elastycznych), aby zachować elastyczność.
Przykład: Noszalny monitor sprawności fizycznej wykorzystuje 4-warstwowe PCB sztywne-prężne (2 warstwy w elastycznym, 2 w sztywnym) w celu zrównoważenia funkcjonalności i giętości.

3. Wybierz Materiały dla środowiska
Temperatura: stosować poliamid (do 300°C) w zastosowaniach o wysokiej temperaturze (podpułko samochodowe, lotnictwo kosmiczne); LCP (do 200°C) w zastosowaniach o średnim zakresie.
Chemikalia: Polyimid jest odporny na oleje i rozpuszczalniki; idealny do zastosowań przemysłowych lub morskich; unikaj wykończenia OSP w wilgotnych środowiskach (w zamian użyj ENIG).
Wilgotność: stosowanie klejnotów na bazie epoksydu (odpornych na wilgotność) w elektronikach użytkowych (np. smartwatches noszone podczas ćwiczeń).

4Optymalizuj konstrukcję śladów miedzi
Segmenty elastyczne: użyj zakrzywionych śladów, kątów 45° i minimalnej szerokości śladu 0,1 mm (4 mil) w celu uniknięcia koncentracji naprężenia.
Segmenty sztywne: Użyj kątów 90° i mniejszych szerokości śladów (0,075 mm/3 mil) do gęstej trasy komponentów (np. BGA o odległości 0,4 mm).
Pojemność prądu: Ślady rozmiaru oparte na prądzie ≈0,2 mm (18 μm miedzi RA) przewożą 1,5A w segmentach elastycznych; ślady 0,3 mm (35 μm miedzi ED) przewożą 3A w segmentach sztywnych.

Aplikacje w świecie rzeczywistym: Jak struktura umożliwia innowacyjność
Struktura PCB sztywnych i elastycznych jest dostosowana do rozwiązywania wyjątkowych wyzwań w kluczowych branżach:
1Elektronika użytkowa: składane smartfony
Struktura: 6-warstwowe sztywne-prężne (4 warstwy w sztywnych segmentach dla procesorów/BGA, 2 warstwy w elastycznych segmentach dla zawiasów).
Kluczowe cechy: 50 μm poliamid flex segmenty z 18 μm miedzi RA, ENIG wykończenie i kleju akrylowego dla elastyczności.
Korzyść: umożliwia 200 000+ złożenia przy jednoczesnym zamontowaniu 7-calowego wyświetlacza w kieszonkowym urządzeniu.

2. Automotive: Moduły czujników ADAS
Struktura: 8-warstwowe sztywne-prężne (6 warstw w sztywnych segmentach dla czujników/ECU, 2 warstwy w elastycznych segmentach dla okablowania).
Kluczowe cechy: 100 μm poliamid flex segmenty z 35 μm miedzi RA, epoksydowy klej (wysoka odporność na naprężenie) i warstwy wzmocnienia w przejściach.
Korzyść: Zgięcia wokół ramy pojazdu do pozycjonowania czujników (LiDAR, radar) przy jednoczesnym wytrzymaniu temperatur od -40°C do 125°C.

3/ Medyczne: / Noszone monitora glukozy
Struktura: 4-warstwa sztywno-prężna (2 warstwy w sztywnych segmentach dla czujnika, 2 warstwy w elastycznych segmentach do integracji bransoletki).
Główne cechy: segmenty elastyczne poliamid 25 μm (ultracienkie dla komfortu), przezroczysta maska lutowa i wykończenie ENIG (biokompatybilne).
Korzyść: Pasuje do nadgarstka przy zachowaniu niezawodnych odczytów czujników przez 7-14 dni.

4- Kosmiczna: anteny satelitarne
Struktura: 12-warstwowa sztywna-prężna (10 warstw w sztywnych segmentach do przetwarzania sygnału, 2 warstwy w elastycznych segmentach do rozmieszczenia anteny).
Kluczowe cechy: segmenty elastyczne LCP (odporność 200 °C +), miedź RA 35μm i klejnot poliamid (odporność na promieniowanie).
Korzyść: Składa się w kompaktowy pakiet startowy (10 razy mniejszy niż sztywne alternatywy) i rozmieszcza się w przestrzeni kosmicznej, tworząc antenę o długości 2 m.

Częste pytania
P: Czy sztywne płytki PCB mogą mieć wiele segmentów elastycznych?
Odpowiedź: Tak, wiele modeli zawiera 2 ⋅ 4 segmenty elastyczne (np. urządzenie do noszenia z segmentami elastycznymi do nadgarstka i palca).

P: Jaka jest maksymalna liczba warstw dla PCB sztywnych i elastycznych?
Odpowiedź: Większość sztywnych płyt PCB ma 4 ′′ 12 warstw, z maksymalnie 10 warstw w sztywnych segmentach i 2 ′′ 4 w elastycznych segmentach.

P: Czy PCB sztywne i elastyczne są kompatybilne z komponentami SMT?
O: Tak, segmenty sztywne obsługują wszystkie komponenty SMT (BGAs, QFP, pasywy), podczas gdy segmenty elastyczne obsługują małe komponenty SMT (0402 rezystory, 0603 kondensatory).Nie należy nigdy umieszczać ciężkich elementów (> 5 g) na segmentach elastycznych.

P: Ile kosztuje sztywny i elastyczny PCB w porównaniu z sztywnym PCB?
Odpowiedź: PCB sztywne i elastyczne kosztują 2×3 razy więcej niż równoważne sztywne PCB, ale obniżają koszty systemu o 30×50% (mniej złączy, mniej okablowania, mniejsza praca montażowa).

P: Jaki jest typowy czas realizacji PCB sztywnych i elastycznych?
Odpowiedź: Prototypy trwają 2-3 tygodnie (ze względu na specjalistyczne laminowanie i testowanie), podczas gdy produkcja dużych ilości (10 tys. + jednostek) trwa 4-6 tygodni.Czas realizacji jest dłuższy niż w przypadku PCB sztywnych, ale krótszy niż w przypadku PCB wyłącznie elastycznych.

Wniosek
Konstrukcja sztywnych i elastycznych płyt PCB jest mistrzowską klasą równowagi: łączy wytrzymałość sztywnych podłożeń z elastycznością poliamidów, aby stworzyć deski, które pasują tam, gdzie tradycyjne płyty PCB nie mogą.Każda warstwa ‒ od cienkiego poliamid w elastycznych segmentach po grube FR-4 w sztywnych segmentach ‒ służy określonemu celowi., a każdy wybór materiału wpływa na wydajność.

Rozumiejąc, jak grubość podłoża, rodzaj miedzi i wybór kleju wpływają na elastyczność, wytrzymałość i niezawodność,Możesz zaprojektować sztywne i elastyczne płytki PCB, które spełniają wymagania nawet najbardziej wymagających zastosowań.Niezależnie od tego, czy budujesz składany telefon, czujnik samochodowy, czy antenę satelitarną, odpowiednia sztywna i elastyczna struktura pomoże ci stworzyć produkty mniejsze, lżejsze,i bardziej trwałe niż kiedykolwiek wcześniej.

Ponieważ technologia nadal kurczy się, a zapotrzebowanie na wszechstronną elektronikę rośnie, PCB sztywne i elastyczne pozostaną w czołówce innowacji, co dowodzi, że czasamiNajlepsze rozwiązania wynikają z połączenia dwóch pozornie przeciwnych sił.