Какво прави гъвкавата PCB сглобка идеална за носими устройства?

Заглавие за мета: Сглобка на PCB за носими устройства — гъвкави материали за PCB, техники за SMT и DFM Мета Описание: Научете най-добрите практики за сглобка на PCB за носими устройства: гъвкави материали за PCB (полиимид, покритие), профили за SMT/рефлоу, конформно покритие, настройка на RF, насоки за DFM и предпазване от чести повреди.

1. Въведение: Революцията на гъвкавите и комбинираните PCB

Миналия десетилетие отбеляза революционен преход в начина, по който се проектират електронните устройства, особено в сферата на носима технология и медицински изделия днешните потребители очакват не само интелигентни функции, но и ултракомпактни, леки и здрави гаджета като часовници , фитнес проследяващи устройства , коректори за Слух , патерици с биосензори , и други. Тези изисквания задвижиха сглобката на PCB за носими устройства в центъра на вниманието, като задължи дизайнери и производители да премислят всичко – от материали до стратегии за свързване.

Гъвкава печатна платка (FPC) и твърдо-гъвкава ПЛС технологиите са станали основата на тази нова вълна. За разлика от традиционните печатни платки, гъвкави печатни вериги могат да огъват, усукват и да се оформят според малки, неправилно формирани корпуси на продукти. Ригидно-гъвкави PCB (Rigid-flex PCB) отиват още по-далеч, като интегрират както гъвкави, така и стегнати области в рамките на една и съща платка, създавайки непрекъснати електрически връзки в най-труднодостъпните ъгли на продуктите. Тези иновации в FPC Сборка не само намаляват размера и теглото, но и подобряват издръжливостта на устройствата, увеличават производителността и позволяват нови възможности, като дизайни с извити екрани или медицински сензори, които лесно прилягат към тялото.

Според проучване от 2025 г. на индустрията (IPC, FlexTech), над 75% от новите проекти на носими електронни устройства и медицински апарати вече включват някаква форма от гъвкава верига oR интеграция на твърди и гъвкави платки . Тази тенденция ще се ускори, тъй като продуктите стават по-умни, по-тънки и по-издръжливи. Всъщност, високоплътни междусвръзки (HDI) , ултра-малки компоненти SMT 0201 , както и напреднала полиимидни гъвкави материали за PCB са станали стандарт в PCB сглобка за носими устройства .

„Сърцето на иновациите в носимите устройства е миниатюризацията. Но миниатюризацията е възможна единствено благодарение на пробивите в производството и сглобката на гъвкави печатни платки.“  — Пол Томе, мениджър на продукти Флекс и Ригид-Флекс, Epec Engineered Technologies

Ето какво прави тази нова ера на пП за носими електронни устройства толкова вълнуваща:

• Икономия на пространство и тегло: Съвременните носими устройства могат да са толкова тънки, колкото монета, и в същото време предлагат пълна свързаност благодарение на гъвкавите си структури от печатни платки и миниатюрни компоненти.
• Издръжливост и комфорт: Гъвкавите печатни платки от полиимид могат надеждно да издържат хиляди цикли на огъване, което ги прави идеални за гривни, пластири и главобанди, които трябва да се движат заедно с потребителя.
• Енергия и производителност: Ефективни разположения, прецизно трасиране и напреднала сглобка, включително оптимизирано SMT запояване и конформно покритие за печатни платки, помагат за управление на загубите на енергия и електромагнитните смущения (EMI/RF).
• Скорост на иновация:  DFM за гъвкави PCB и бързи методи за прототипиране (като 3D-отпечатани гъвкави вериги) позволяват на компаниите бързо да правят итерации и да внасят нови идеи на пазара.

Таблица 1: Сравнение на технологиите за PCB в носими устройства

Докато навлизаме дълбоко в това ръководство, ще научите не само какво, но и как стои зад следващото поколение сглобката на PCB за носими устройства —от избора на подходящи еластични PCB материали и овладяване на SMT за гъвкави PCB до преодоляване на реални предизвикателства при сглобяването и надеждността. Независимо дали сте инженер, дизайнер или мениджър на веригата за доставки в IOT , здравните технологии , или потребителска електроника сектори, тези прозрения ще ви помогнат да създавате по-добри и по-интелигентни устройства.

2. Какво са гъвкавите и комбинираните гъвкаво-твърди PCB?

В областта на проектиране на печатни платки за носими електронни устройства , не всички печатни платки са създадени еднакво. Гъвкави печатни платки (FPC) и ригидно-гъвкави PCB (Rigid-flex PCB) са се превърнали в златен стандарт за съвременните носими устройства, IoT модули и медицински уреди, където издръжливостта, икономията на пространство и уникалните форм-фактори са от първостепенно значение. Нека разгледаме какво отличава тези напреднали технологии за печатни платки – и как те осигуряват иновации в продукти като смарт часовници, фитнес проследяващи устройства и биосензорни пластинки.

Гъвкави печатни платки (FPC)

A гъвкава принтирана схемна плочка се изграждат с използването на тънка огъваема подложка – обикновено полиимидна (PI) фолиа , която може да огъва, свива и усучва без да се счупи. За разлика от традиционните твърди платки, базирани на FR-4, FPC са специално проектирани да се адаптират към динамичните, компактни среди на носимите устройства.

Типична структура за гъвкави печатни платки:

Основни факти:

• Радиус на огъване: За здрави конструкции, минималният радиус на огъване трябва да бъде поне 10× общата дебелина на платката .
• Ширина/разстояние на проводника: Често толкова фини, колкото 0,05–0,1 мм разстояние на напреднали платки.
• Дебелина на медната фолиа: Често срещана в 12–70 µm обхват, като по-тънките фолиа позволяват по-тясни навивания.
• Филм за покритие: Осигурява както механична защита, така и електрическа изолация.

FPC Сборка поддържа както еднослойни, така и сложни многослойни конструкции и позволява на проектиращите да създават корпуси на устройства с дебелина до 0.2 mM —перфектно за уреди от следващото поколение като фитнес проследяващи устройства или смарт пластири.

Ригидно-гъвкави PCB (Rigid-flex PCB)

A твърдо-гъвкава ПЛС комбинира най-доброто от двата свята: секции от платката са изградени като твърди, здрави твърди платки за монтиране на чувствителни SMT компоненти, докато други области остават гъвкави, за да се осигури огъване или прегъване. Тези гъвкави и твърди зони са безшевно интегрирани чрез прецизни производствени процеси, което намалява сложността при сглобяването и нуждата от обемисти съединители.

Типична структура на гъвкаво-твърда PCB:

• Твърди секции: Стандартен FR-4 (или подобен) с медни слоеве, използван за монтиране на компоненти.
• Гъвкави секции: Слоеве от гъвкава печатна платка на базата на полиимид, свързващи твърдите секции, които позволяват динамично движение и компактно натрупване.
• Междуслоева връзка: Микроотвори или чрез-отвори, често използвани за HDI (High-Density Interconnect) проектиране, поддържат многослоеви сигнали и подаване на енергия.
• Зони на преход: Тщателно проектирани, за да се избегне напрежение и разпространение на пукнатини.

Предимства в носими устройства:

• Максимална свобода при проектирането: Позволява дизайн на устройства, които биха били невъзможни с изцяло твърди PCB.
• По-малко съединители/връзки: Намалява общото тегло, дебелината и точките на повреда.
• Висока надеждност: Критично за високонадеждни приложения (напр. медицински импланти, носими устройства военен стандарт).
• Подобрена ЕМП и РЧ екранировка: Чрез слоести заземяващи площи и по-точен контрол на импеданса.

Реални приложения в носими и медицински устройства

Умни часовници:

• Използвайте многослойна гъвкава PCB структура за маршрутизиране на сигнали, сензорни панели, драйвери на дисплеи и безжични модули около извити часовникови кутии.
• Гъвкавите антени и връзки към батерии имат полза от FPC Сборка за поддържане цялостността на устройството по време на огъване на китката.

Фитнес следящи устройства и биосензорни пластове:

• Гибки полиимидни PCB платки с компоненти за повърхностно монтиране с малка стъпка, които позволяват еднократна употреба или полуразходни, ултра тънки форм-фактори (<0,5 мм).
• Вградени сензори (като акселерометри, пулсов сензор или SpO₂ LED) директно върху гъвкавите платки подобряват качеството на сигнала и удобството на продукта.

Медицински устройства:

• Ригидно-гъвкави PCB (Rigid-flex PCB) захранват имплантируеми монитори и носими устройства за пациенти, като комбинират надеждност, ниско тегло и устойчивост към многократно огъване — често надвишавайки 10,000 цикли при тестове за огъване.

Кейс Студи:  Предводещ производител на фитнес следящи устройства използва 6-слоеви FPCB с дебелина на проводници 0,05 мм и компоненти 0201, постигайки крайна дебелина на платката от 0,23 мм. Това позволява устройство с тегло под 5 грама с непрекъснато ЕКГ и проследяване на движението – нещо, което просто е недостижимо с класически твърди PCB.

Бърз справочник с терминология

Обобщение:  Гъвкави и гъвкаво-твърди PCBs не са просто алтернатива на твърдите платки — те са истинските двигатели на следващото поколение по-умни и по-малки носими и медицински устройства. Разбирането на материалите, структурите и основните концепции зад тях е основа за всички други проекти и решения при монтажа на PCB за носими устройства.

Готови ли сте за раздел 3? Напишете 'Next' и ще продължа с „Предимства на гъвкавите PCB за носими и медицински устройства“ — включително списъци, задълбочени обяснения и приложими познания от индустрията.

3. Предимства на гъвкавите PCB за носими и медицински устройства

Когато се разработват напреднали пП за носими електронни устройства решения или се създават компактни медицински устройства, гъвкави ПЛС (FPC) са основата както за иновациите, така и за функционалността. Техните уникални свойства допринасят за миниатюризация, подобряват надеждността и осигуряват функции, които променят възможното в потребителските и здравните технологии.

Миниатюризация и спестяване на пространство: Отключване на нови дизайни

Едно от най-значимите предимства на гъвкава принтирана схемна плочка е изключително малката му дебелина и гъвкавост. За разлика от обикновените твърди платки, FPC могат да бъдат толкова тънки, колкото 0.1–0.2 мм , със структури, проектирани както за еднослойни, така и за многослойни конфигурации. Това позволява на дизайнерите да насочват критични сигнали и захранване в тесни, извити или слоести пространства в най-малките носими устройства.

Примерна таблица: Дебелина на гъвкави PCB според приложението

Ключов факт: Гъвкава PCB платка често може да замени няколко твърди платки и техните свързващи елементи, намалявайки теглото с до 80%и обема с цели 70%в сравнение с традиционните PCB за носими устройства.

Поносимост и надеждност при многократно огъване

Гъвкави печатни платки на базата на полиимид са проектирани да издържат на хиляди, дори десетки хиляди огъвания, усуквания и цикли на огъване. Това е от съществено значение за носимите устройства, които редовно подлежат на движения на китка, глезен или тяло и трябва да работят безотказно в продължение на години.

• Тест за циклично огъване: Водещи производители тестват своите носими PCB сглобки според стандарти, надвишаващи 10 000 цикъла на огъване без структурни или електрически повреди.
• Устойчивост към изслояване: Кombинацията от медна Фолия и силни адхезиви в слоистата структура на FPC минимизират разделянето на слоевете, дори при физически стрес.
• Избягване на пукане на леярския фаянс: Стратегическото разположение на SMT компонентите и използването на подпълнител в зоните с натоварване предотвратява уморни повреди, които са чести при твърди платки.

Цитат:

„Без издържливостта на гъвкави PCB повечето умни носими устройства за здраве и фитнес биха се повредили след само няколко дни или седмици реална употреба. Здрави FPC сглобки вече са стандарт в индустрията.“ — Главен инженер, Глобален бранд за фитнес устройства

По-малко междусвръзки, по-висока надеждност на системата

Традиционните PCB сглобки – особено при 3D, сгънати конструкции – изискват свързващи елементи, скокове и запоени кабели. Всяка междусвръзка е потенциална точка на повреда. Гъвкава печатна платка позволява интегрирането на множество сегменти от вериги в една единствена структура, намалявайки броя на:

• Запоени възли
• Струни за превръщане
• Механични свързващи елементи

Това води до:

• По-голяма устойчивост към удар/вибрации (от съществено значение за носими устройства при активен начин на живот)
• По-прости процеси за сглобяване
• По-малко гаранционни проблеми поради неизправности в конекторите/кабелите

Факт: Типичен фитнес джъдж, използващ единична гъвкава платка (FPC), може да намали броя на междусвръзките си от над 10 на 2 или 3, като едновременно с това скъсява времето за сглобяване с повече от 30%.

Свобода на проектирането: сложни форми и натрупване на слоеве

Възможността за „сгъване и запазване на форма“ при съвременните гибки полиимидни PCB платки осигурява нови нива на свобода при проектирането:

• Навиване на електронни вериги около извити батерии или дисплейни модули.
• Нагаждане на множество електронни слоеве за високоплътни междусвръзки (HDI) PCB платки .
• Създаване на „оригами“ конструкции, които се сгъват, за да паснат в биомиметични или неправоъгълни кутии.

Списък: Дизайн характеристики, осигурени от гъвкава PCB

• Носими пластири (медицински електроди, непрекъснато наблюдение на глюкозата): Ултратънки, оформят се по формата на кожата
• AR/VR главобанди или очила : Пристоеливат към формата на лицето, подобряват удобството
• Интелигентни пръстени/гривни : Обхващат малки радиуси, без да се напукат или повредят
• Биоинтегрирана електроника : Сгъваеми или гъвкави заедно с меките човешки тъкани

Намалена цена при масово производство

Въпреки че първоначалните инструменти за еластични вериги могат да са по-високи, това се компенсира от:

• По-малък брой компоненти (отстраняване на съединители/кабели)
• По-къси SMT монтажни линии (по-малко ръчен труд)
• Подобрена производителност с по-малко дефекти, свързани с връзките

При големи обеми, характерни за потребителски носими устройства и медицински пластове, обща стойност на притежание тенденциите са по-ниски в сравнение с твърдите сглобки, особено ако се имат предвид гаранционни възврати или повреди след продажба.

4. Предимства на твърдо-еластичните PCB

В хода на сглобката на PCB за носими устройства и напреднали електронни компоненти за преносими устройства, инженерното общество е осъзнало силата на комбинирането на двата свята— твърди и гъвкави PCB-платки —за създаване на уникални продукти. Ригидно-гъвкави PCB (Rigid-flex PCB) са заемнали важно място в медицинската техника, военна апаратура, AR/VR устройства и скъпи потребителски носими устройства, като предлагат идеалното съчетание от издръжливост, универсалност и производителност.

Какво е твърдо-гъвкава PCB платка?

A твърдо-гъвкава ПЛС е хибриден конструктив, който обединява слоеве от твърди (FR-4 или подобни) печатни платки със слоеве от гъвкави платки (FPC), обикновено изработени от полиимид. Гъвкавите участъци свързват твърдите области, което позволява огъване в 3D, използване в необичайно оформени корпуси и директна интеграция в подвижни части като гривни или главобанди.

Основни предимства на твърдо-гъвкавата PCB технология

1. Изключителна структурна надеждност

Ригидно-гъвкави PCB (Rigid-flex PCB) значително намаляват нуждата от свързващи елементи, скокови жици, обжимки и лекални връзки. Това е от решаващо значение в пП за носими електронни устройства сглобки, които са изложени на чести огъвания, падания и вибрации.

• Намален брой съединителни точки : Всяка премахната свързваща точка намалява потенциалното огнище на повреда, като по този начин се понижава общият риск от неизправност на устройството.
• Подобрена устойчивост на удар/вибрации : Интегрираните структури понасят механическото натоварване по-добре в сравнение със сглобките със съединители и кабелни жгутове.
• По-подходящи за носими устройства с висока надеждност и критична важност , като имплантируеми медицински устройства или военни комуникационни системи, където недопустимо е да има единична точка на отказ.

2. Компактно и леко опаковане

Тъй като твърдите и гъвкавите секции са безшевно интегрирани, ригидно-гъвкави PCB (Rigid-flex PCB) значително се намалява общата дебелина и тегло на устройството. Това е от съществено значение за смарт часовници, безжични слушалки и компактни медицински монитори.

• Интегрални схеми и по-малко кабели позволяват иновативно миниатюризирано опаковане, което може да следва органични форми.
• Снижаване на теглото: Гъвкавите области обикновено добавят само 10–15%от общия размер и тегло в сравнение с отделни твърди PCB с кабелни сглобки.
• Икономия на пространство: Решенията с комбинирана твърдо-гъвкава конструкция често намаляват обема на веригата с 30–60%, и позволяват истински 3D архитектури за опаковане (сгънати, струпани или извити сглобки).

3. Подобрена електрическа производителност

Сигнали с висока скорост и RF пътеки извличат полза от контролирани диелектрични свойства и екраниране на маса в твърдите области, докато гъвкавите участъци управляват междусвръзките в тесни пространства.

• Контролирано вълново съпротивление: Отличен за високочестотни вериги (Bluetooth, Wi-Fi, медицинска телеметрия).
• Подобрена EMI/RF екраниране: Слоиста структура и заземяване с изолация осигуряват по-добра съвместимост със стандарти за ЕМС.
• Сигнална цялостност: Микроотвори и HDI маршрутизация гарантират кратки, директни и оптимизирани за нисък шум пътища на сигнала.

Таблица: Основни възможности, осигурени от Rigid-Flex PCBs

4. Опростена сглобка на PCB и намалени разходи (в дългосрочен план)

Въпреки че първоначалната цена на PCB за твърдо-еластични платки е по-висока от тази на просто FPC или само твърди платки, спестяванията в дългосрочен план са значителни:

• Оптимизирана асемблия: Единна, интегрирана платка означава по-малко компоненти, стъпки и възможни грешки.
• По-бърза автоматизирана сглобка: SMT и THT линиите работят по-гладко с по-малко отделни PCB и съединители за подравняване.
• Изгодно при големи обеми: Намаляването на разходите за ремонт след продажба, връщания или преработка при сглобката има дългосрочен ефект за устройства с живот от няколко години.

5. Устойчивост в тежки условия

Ригидно-гъвкави PCB (Rigid-flex PCB) са идеални за употреба в агресивни медицински или външни среди:

• Толерантност към висока температура: Гъвкавият полиимид и частите от висок-Tg твърд материал издържат до 200°C (краткотрайно), което позволява стерилизация или използване навън.
• Устойчивост към корозия, химикали и UV: От съществено значение за устройства, които идват в контакт с пот, почистващи разтвори или слънчева светлина.
• Защита от влага: Усилена с конформно покритие за PCB и парилен/силиконово запечатване в гъвкавите зони.

6. Дизайнерска свобода за иновативни приложения

Твърдо-гъвкави схеми позволява нова геометрия:

• Носими камери —PCB може да се навива около батерии и сензори
• Главни ленти за неврален мониторинг —PCB следва контура на главата без оголени жици
• Медицински пластири за бебета —Тънък, огъваем, но стабилен—позволява непрекъснато наблюдение, без да причинява увреждане на кожата

Защо Rigid-Flex се откроява за бъдещето

Сливането на стабилност и гъвкавост в една единствена печатна платка отваря нов свят от възможности за носими устройства, осигурявайки на дизайнерите здрава основа за умни, свързани медицински технологии, фитнес следящи устройства от следващо поколение, AR/VR носими устройства , и други.

5. Основни предизвикателства при проектирането на PCB за носими устройства

Иновациите и ползите от миниатюризацията на сглобката на PCB за носими устройства са огромни, но те водят и до уникални и сложни предизвикателства, които инженерите трябва да преодолеят, за да гарантират надеждност, издръжливост и оптимално потребителско изживяване. Тези предизвикателства произтичат директно от изискванията на гъвкава печатна платка и твърдо-гъвкава ПЛС технологиите, както и от постоянно намаляващия размер и все по-високите изисквания към днешната електроника за носене.

Миниатюризация и високоплътни междусвръзки (HDI)

Миниатюризация е в самото сърце на проектирането на вериги за носими устройства. Устройства като смарт часовници и здравни пластинки изискват платки с дебелина от само няколко десети от милиметър, като все повече функции се вграждат във всеки квадратен милиметър.

• Технология HDI: Използва микровиите (с диаметър до 0,1 мм), ултрафини проводници (≤0,05 мм) и слоести конструкции, които осигуряват изключително плътно трасиране.
• Размер на компонента:  компоненти SMT 0201 се използват често в сглобяване на гъвкави PCB за носими устройства, което оказва огромно налягане върху точността при поставяне (<0,01 мм) и прецизността на леенето.
• Ограничения за разстояния: Целостта на сигнала, захранването и топлинният отвод трябва да се запазят в пространство, което може да е 15×15 мм или по-малко.

Таблица: HDI и миниатюризация при сглобяване на PCB за носими устройства

Гъвкавост: Материално напрежение, радиус на огъване и ограничения за разположение

Носимите устройства изискват области на платката, които да се огъват при движение — потенциално хиляди пъти на ден. Проектирането за гъвкавост изисква разбиране на концентрацията на напрежението, осигуряване на минимален радиус на огъване (≥10× общата дебелина) и оптимизиране на слоевете, за да издържат многократни деформации без загуба на производителност.

• Полиимидна гъвкава PCB слоеве се избират поради тяхната устойчивост на умора, но неправилен монтаж или подредба на слоевете все пак може да причини пукнатини или отслабване.
• Ръководство за разположение:  
  • Тежки или високи компоненти трябва да бъдат поставени върху твърди или зони с ниско напрежение.
  • Проводниците трябва да се насочват по неутралната ос на огъванията и да се избягват групи виа или остри ъгли.
• Най-добри практики при трасиране:  
  • Използвайте извити проводници, а не остри ъгли.
  • Поддържайте по-голямо разстояние между следите, когато е възможно.
  • Избягвайте преходни отвори (vias) в области, които често се огъват.

Енергийна ефективност и ограничения на батерията

Повечето носими устройства се захранват от батерии и трябва да работят дни или дори седмици с един заряд. Управлението на енергията в гъвкави печатни вериги е балансиране между пространство, съпротивление на следите, топлинни ефекти и обща ефективност на системата.

• Микроконтролери с ниско енергопотребление, Bluetooth модули и интегрални схеми за управление на захранването са стандартни.
• Доставка на енергия:  
  • Използвайте широки захранващи следи и непрекъснати площи за заземяване, за да се осигури възможно най-ниско съпротивление.
  • Пресметливо разположение на деконпенсиращите кондензатори, за да се ограничат спадовете на напрежението и да се предотвратят осцилации.
  • Слоевата структура и трасирането трябва да минимизират IR загубите и взаимните смущения при висока плътност.

Устойчивост на влага и околната среда

Носимите устройства се излагат на пот, мазнини от кожата и външни фактори, което повишава изискванията за конформно покритие за PCB , енкапсулация и чистота при сглобяването.

• Типове конформно покритие:  
  • Парилен: Тънко, без пинхоли; отлично за медицински и високонадеждни приложения.
  • Акрил, силикон: По-икономични, с добра устойчивост към влага и химикали.
• Селективно покритие: Нанася се само където е необходимо, за да се спести тегло, разходи и производствено време.
• Тестване за устойчивост:  
  • Устройствата трябва да издържат на изпитания при висока влажност, корозия и „пръскане с вода“, които симулират месеци непрекъснато използване.

RF/EMI стабилност

Напреднал PCB сглобка за носими устройства често включва безжични радиомодули (Bluetooth, NFC, Wi-Fi, Zigbee). Осигуряването на чиста предаване на сигнала изисква внимание към RF проектирането и EMI екранирането в изключително компактни пространства:

• Контрол на импеданса:  
  • 50 Ω проводници, щитове от чрезни отвори, последователно балансиране на медта.
  • Използване на калкулатор за контролиран импеданс за критични антени и RF проводници.
• Разделяне на RF/цифрови сигнали: Поставяйте RF модулите и цифровата логика в отделни зони на платката, добавете локални заземляващи екрани и използвайте разделителни разстояния.

Сравнение между твърди FR-4 и гъвкави полиимидни (FPC) платки

Обобщен контролен списък за успех при монтажа на PCB за носими устройства

• HDI дизайн с микровиаси и тънки проводници
• Запазете радиуса на огъване ≥10× дебелината на слоистата структура
• Пазете чувствителни/големи компоненти извън гъвкавите зони
• Насочвайте проводниците по неутралната ос и избягвайте концентратори на напрежение
• Предвиждане на защита от влага/околната среда
• Проектиране за RF и надеждност при ЕМП/ESD от самото начало

Успешното преодоляване на тези предизвикателства е от съществено значение за предлагането на устойчиви, миниатюрни и надеждни пП за носими електронни устройства продукти. Всеки избор – от слоистата структура и материали до техниките за SMT монтаж и защита от околната среда – влияе върху реалната издръжливост и удовлетвореността на потребителите.

6. Материали и проектиране на слоисти структури за гъвкави и комбинирани твърдо-гъвкави PCB

Модерен сглобката на PCB за носими устройства зависи в голяма степен от материалознанието и точното инженерство на слоистата структура. Изборът на еластични материали за PCB , тегло на медта, адхезиви, защитни слоеве и други директно влияят на производителността, надеждността и възможността за производство както на гъвкави печатни вериги (FPCs), така и на ригидно-гъвкави PCB (Rigid-flex PCB) . Изборът на подходящи материали и конфигурация гарантира устройството за носене да отговаря на изискванията за размер, тегло, гъвкавост и срок на живот — дори при постоянен физически стрес.

Основни материали за гъвкави и комбинирани гъвкаво-твърди PCB

Полиимидна (PI) фолиа

• Най-висок клас основа за гъвкави и комбинирани гъвкаво-твърди PCB.
• Предлага отлична механична гъвкавост, висока термична устойчивост (до 250°C) и изключителна химическа стабилност.
• Тънки калибри, типично 12–50 µm , обслужват както ултра тънки носими пластири, така и по-масивни гъвкави секции.

Медна Фолия

• Сигнал и захранващ слой: Обикновено достъпно в 12–70 µm дебелина.
  • 12–18 µm: Осигурява ултра плътни огъвания, използва се в гъвкави области с висока плътност.
  • 35–70 µm: Поддържа по-високи токове за захранване или заземяване.
• Валцовано отжиган мед се предпочита за динамично огъване поради по-добрата си устойчивост на умора, докато електроотложен мед понякога се използва за по-малко изискващи приложения, предимно статични.

Системи с лепило

• Съединяване на слоевете (PI и мед, покривен филм и мед и др.).
• Акрилни и епоксидни лепила са популярни, но за високонадеждни/медицинските ППП, процеси без лепило (непосредствено ламиниране на мед върху PI) намаляват риска от повреди и подобряват топлоустойчивостта.

Покривен филм

• Филми от полиимидна основа от 12–25 µm дебелината действа като защитен и изолиращ слой върху веригата, особено важно при носими устройства, изложени на пот или механично напрежение.
• Защитава електронните компоненти от абразия, влага и проникване на химикали, като запазва гъвкавостта.

Материали за твърди секции (твърдо-гъвкави)

• FR-4 (стъклотекстопласт/епоксид): Стандарт за твърдите части, осигуряващ стабилност на компонентите, здравина и икономическа ефективност.
• В медицински или военни носими устройства, специализирани високотемпературни или безхалогенни FR-4 подобрят производителността и съответствието.

Примерна структура: Носима FPC спрямо гъвкава твърда PCB

Едноставна носима FPC (2-слойна)

Ригидно-флекс PCB (за смарт часовник)

Гъвкава PCB структура за носими устройства: Дизайн съображения

• Баланс на медта: Поддържането на приблизително еднакво тегло на горната и долната медна фолия минимизира изкривяване и усукване след траверенето.
• Стъпаловидни микровии: Разпределя механичното напрежение, удължава живота на гъвкавите зони при многократно използвани носими устройства.
• Техники за свързване:  
  • Директно ламиниране без лепило между PI и мед за повишена надеждност при имплантируеми или еднократни биосензори, намаляващо риска от отделяне на слоевете.
  • Акрилни лепила за масовите потребителски носими устройства, осигуряващо баланс между цена и гъвкавост.

Опции за повърхностна обработка на носими устройства

Топлинна и химическа устойчивост

• Гъвкави вериги от полиимид издържай. максимални температури на преизлъчване (220–240°C) по време на сглобяване.
• Носимите устройства трябва да са устойчиви на пот (соли), мазнини от кожата, сапуни и UV — причина полиимидът и парафинът да са предпочитани в индустрията.
• Проучвания за стареене показват, че правилно произведени гъвкави печатни платки поддържат електрическа и механична цялостност за 5+ години ежедневна активна употреба (над 10 000 цикъла огъване), когато са защитени с подходяща покривна пленка или покритие.

Основни съображения и най-добри практики

• Оптимизирайте структурата за гъвкавост: Сведете броя на слоевете и дебелината на лепилото до минимума, необходим за надеждност и пропускателна способност на сигнала.
• Спазвайте минимален радиус на огъване (≥10× дебелина): От съществено значение за предотвратяване на пукнатини, умора на спойките или разслояване при ежедневна употреба.
• Използвайте висококачествена RA мед и PI фолио: Особено при динамични огъвания (гривни, фитнес проследяващи устройства).
• Посочете изрязвания в покривната пленка: Само оголени плочи, намаляващо риска от навлизане на външни замърсители.

Контролен списък за материали за носими PCB:

• Полиимидна фолия (без лепило, когато е възможно)
• Валцовано отжиган мед за гъвкави зони
• FR-4 за твърди секции (само при комбинирани твърдо-гъвкави платки)
• Акрилови или епоксидни лепила (зависи от класа на устройството)
• ENIG или OSP повърхностна обработка
• Парилен/PI покритие за защита

Изборът и конфигурирането на подходящите еластични материали за PCB и структура не е просто инженерна подробност — това е решаващ фактор за удобството, издръжливостта и съответствието с регулаторните изисквания на продукта. Продумваните изборове на материали и структура са основата на всеки успешен ПП за носими устройства проект.

7. Препоръки за поставяне на компоненти и трасиране на сигнали

Ефективен поставяне на компоненти и умни маршрутизация на сигнала са от съществено значение за успеха на всяко сглобката на PCB за носими устройства —особено при работа с гъвкави ПП или комбинирани гъвкаво-твърди ПП. Грешки на този етап могат да доведат до пукване на лецирането, ВЧ интерференции, ранни механични повреди или толкова сложна за сглобяване компоновка, че добивът и надеждността рязко да спаднат. Нека разгледаме най-добрите практики в индустрията, базирани както на гъвкава принтирана схемна плочка теория, така и на хиляди „извлечени уроци” от електрониката за носими устройства.

Поставяне на компоненти: принципи за надеждност и издръжливост

1. Структурни зони: Тежки компоненти не на гъвкави участъци

• Твърди зони за стабилност: Поставяйте тежки, високи или чувствителни компоненти (като микроконтролери, сензори, Bluetooth/Wi-Fi модули и батерии) в твърдите участъци на ПП. Това намалява натоварването върху лецираните връзки и намалява риска от пукване по време на огъване и носене.
• Гъвкави зони само за трасиране: Използвайте гъвкавите области основно за сигнали и захранване. Ако трябва да поставите леки пасивни компоненти (резистори, кондензатори) или свързващи елементи в гъвкавите зони, уверете се, че те са подредени по оста на огъване неутралната ос (централната ос, при която напрежението в огънатия участък е минимално).

2. Помислете за оста на огъване и неутралната ос

• Поставяне на компоненти в огъваеми участъци: Избягвайте монтаж на SMT устройства директно върху оста на огъване (линията, около която се огъва веригата). Дори и видимо малко отклонение от оста може да удвои броя на циклите на издръжливост при тестове с повтарящо се огъване.
• Таблица: Ръководство за поставяне на компоненти

3. Виаси и площи

• Дръжте виасите на разстояние от зоните с високо натоварване при огъване: Виасите, особено микровиасите, могат да предизвикат пукнатини при многократно огъване. Поставяйте ги в зони с ниско натоварване и никога не ги поставяйте по оста на огъване.
• Използвайте площи с форма на сълза: Сълзовидните форми намаляват концентрацията на напрежение там, където проводниците се свързват към площи или виаси, като по този начин се намалява риска от пукнатини при огъване.

Маршрутизация на сигнали: Осигуряване на цялост, гъвкавост и RF производителност

1. Изкривени проводници и плавни преходи

• Без остри ъгли: Винаги прокарвайте проводници с леко извиване, а не с ъгли от 45° или 90°. Остри ъгли създават концентрация на напрежение, което прави проводниците склонни към разрушаване след многократно огъване.
• Ширина и разстояние на проводниците:  
  • ≤0,1 мм широчина на проводник за високоплътни носими устройства, но по-широки, ако позволява пространството (намалява съпротивлението и подобрява надеждността).
  • Поддържайте еднородно разполагане за стабилност при ЕМИ.

2. Контролиран радиус на огъване

• Най-добри практики за радиус на огъване: Набор минимален радиус на огъване най-малко 10× общата дебелина за всички динамични гъвкави зони, намаляващо вероятността от пукане на медта или разслояване (напр. за 0,2 мм FPC запазвайте извивки с радиус ≥2 мм).
• Ако са необходими по-тясни извивки: Може да се използва по-тънка мед и по-тънка PI фолиа, но задължително е провеждане на циклични тестове за валидиране на конструкцията при реални условия.

3. Подредба на слоевете в гъвкавите и твърдите зони

• Стъпаловидно подредени трасета: Разпределяйте проводниците и преходните отвори между слоевете при многослойни гъвкави платки, за да се предотврати натрупването на напрежение в една точка.
• Разделяне на сигнал/захранване: Провеждайте цифрови, аналогови и RF сигнали на отделни слоеве/зони.
  • Групирайте захранващи и заземяващи вериги заедно, за по-нисък ЕМИ и шум.
  • Използвайте екраниращи проводници или площи за антени и RF линии.

4. Сензорни връзки и трасиране на високоскоростни сигнали

• Директна връзка: Поставете сензори (ЕКГ електроди, акселерометри, фотодиоди) близо до аналоговите предни каскади, за да се минимизира шумът и да се запази цялостността на сигнала — особено при аналогови вериги с високо омно съпротивление.
• Микролентови и съпланарни вълноводни геометрии: Използват се за ВЧ вериги, като поддържат импеданс от 50 Ω. Използвайте калкулатори за контролиран импеданс при трасиране за Bluetooth или Wi-Fi модули.

5. Екраниране, ВЧ и заземяване

• Заземяване около антените: Осигурете поне 5–10 mm разстояние около антените, с достатъчни пътища за връщане към земя и решетки от виа за подобрено екраниране.
• Разделете цифровите и ВЧ секции: Използвайте заземени площини и изрязвания на платката, за да намалите връзката с електромагнитните смущения (EMI).

Чести грешки и как да ги избягвате

• Уловка: Провеждане на критична тактова линия през гъвкава зона с множество навивки.
  • Решение: Провеждайте високочестотни/RF вериги по прави пътища с контролиран импеданс, възможно най-близо до осцилатора, монтиран на твърда част.
• Уловка: Поставяне на тестови точки/преходи в области с висока гъвкавост.
  • Решение: Използвайте ръбови конектори или поставете тестови точки в твърди, леснодостъпни области.

Бърз списък със съвети

• Поставяйте всички ИС и тежки компоненти върху твърдите секции.
• Подреждайте пасивните компоненти по неутралната ос, на разстояние от огъвките.
• Използвайте извити проводници и овални контактни площадки.
• Поддържайте възможно най-голяма ширина на проводника и разделяне, където е възможно.
• Екраниране и разделяне на RF, цифрови и аналогови домейни.
• Избягвайте виите и тестовите точки върху всяка част от FPC, която ще се огъва редовно.
• Потвърдете лаута с DFM инструменти, за да предвидите производствени проблеми.

Внимателно обмислени поставяне на компоненти и маршрутизация на сигнала са от съществено значение за постигане както на функционална дълговечност, така и на спазване на регулаторните изисквания във всяко ПП за носими устройства . При съмнение, проверете с тестови стендове за огъване и пробни сглобявания преди производството — вашата статистика за гаранции ще ви благодари!

8. Техники за сглобяване на PCB: SMT, запояване и инспекция

Растежът на сглобката на PCB за носими устройства и ултратънките устройства разшириха границите не само в дизайна, но и в производството. Независимо дали се изграждат гъвкави PCB, FPC или комбинирани твърдо-гъвкави PCB проекти, методи за сглобяване трябва да гарантират надеждност, точност и минимално напрежение върху компонентите по време и след процеса. Нека разгледаме съвременните стратегии, които осигуряват висока ефективност при производството на модерни пП за носими електронни устройства решения.

SMT сглобяване за гъвкави PCB и носими устройства

Технологията за повърхностно монтиране (SMT) е стандартният избор за FPC Сборка в носими устройства, но процесът трябва да се адаптира към уникалните свойства на гъвкави печатни вериги .

Основни адаптации за гъвкави и комбинирани твърди-гъвкави PCBs:

• Използване на твърди носители или фиксатори:  
  • FPC, поради тънката и огъваема структура, изискват поддръжка по време на позициониране и рефлоу. Твърдите носители предотвратяват деформация и изкривяване.
• Вакуумни фиксатори или временни усилватели:  
  • Временно закрепени към гъвкавата верига, за да се създаде равна и стабилна основа за SMT, след което се премахват след монтажа.
• Точни фидуциални маркери и инструментални отвори:  
  • От съществено значение за прецизна регистрация по време на автоматично позициониране (<0,01 мм допускане за компоненти 0201).

Поставяне на SMT компоненти:

• 0201 & Micro-BGAs: Носимите устройства често използват някои от най-малките SMD компоненти в света, за да спестят пространство и тегло.
• Калибриране на машини за поставяне: Изискват се високоточни машини; задължително е използването на визуално или лазерно насочване за правилната ориентация и позициониране.
• Скорост срещу гъвкавост: Скоростта на поставяне може да бъде по-бавна в сравнение с тази при твърди платки, поради необходимостта от внимателно обращение и избягване на огъване на платката по време на поставяне.

Техники за лепене и профили за рефлуксно лепене за гъвкави PCB

Комбинацията от тънки слоеве полиимид, валцован мед и адхезиви прави FPC Сборка уникално чувствителни към температурата и механичното напрежение.

Препоръчителен профил за рефлуксно лепене за гъвкави PCB от полиимид

• Нискотемпературен припой (напр. Sn42Bi58): Използва се за защита на адхезивни слоеве и предотвратяване на отслабване в чувствителни конструкции или където присъстват температурочувствителни компоненти.
• Рефлоу с азот: Инертната среда с азот предотвратява окисляването по време на запояване, което е от решаващо значение за ултрафини площи и подобряване качеството на връзките.

Напреднали процеси и инструменти

Подпълване и усилване

• Подпълване: Нанася се под големи или чувствителни компоненти в гъвкави зони, за да абсорбира механични напрежения.
• Ребро на усилване: Локални усилватели или уплътнен покривен слой осигуряват устойчивост към пробиване или поддържане на зоните за свързващи елементи.

Проводими адхезиви

• Използват се при температурно чувствителни или органични субстрати, където традиционното леене може да повреди платката.
• Осигуряват по-ниски връзки, които запазват гъвкавостта.

Проверка и тестване

Засичането на дефекти е по-предизвикателно при гъвкави PCB, затова напредналите методи за инспекция са от съществено значение.

Автоматичен оптичен инспекционен (AOI)

• AOI с високо увеличение: Открива спойки между проводници, ефекта 'гробница', несъответствие в подравняването на микро-компоненти.
• Рентгенова инспекция: Задължително за BGAs, микро-BGAs и скрити възли с малък тракт — незаменимо за HDI вграждаеми PCB сглобки.
• Тестване с летящи проби: Използва се за откриване на отворени/къси съединения, когато ICT щифтовете са непрактични при смесени серии с нисък обем.

Тестване при огъване и в различна среда

• Динамични огъвачни устройства: Подлагат сглобените платки на хиляди цикли на огъване, за да гарантират издръжливостта на възлите и проводниците.
• Изпитване при влажност и солена мъгла: Потвърждава качеството на конформното покритие за PCB, осигурявайки устойчивост в среди с повишена потливост или влажност.

Пример от практиката: SMT сглобка на фитнес следящо устройство

Голям производител на носими устройства прие следните стъпки за своя ултратънък фитнес трекер:

• Монтирани FPC върху персонализирани неръждаеми стоманени носители, за да се запази равнинността.
• Използвани AOI и рентгенови инспекции след всяка SMT фаза.
• Използвана максимална температура на преход 225°C и време над ликвидус от 60 сек , оптимизирано, за да се избегне изгаряне на лепилото.
• Проведени 10 000 цикъла на огъване, за да се симулират 2 години ежедневно огъване; не са наблюдавани пукнатини във фасовете при серийното производство, когато е приложен underfill.

Бърз контролен списък за SMT и леене за гъвкави/полугъвкави PCB платки за носими устройства

• Винаги използвайте твърд или вакумен носител.
• Калибрирайте машината за поставяне спрямо спецификата на гъвкавите платки.
• Следвайте препоръчаните от производителя профили за наклон, издръжване и температурен пик.
• Изберете припой с ниска температура за чувствителни структури.
• Проверете всички връзки с AOI и рентген, особено за микро-BGA.
• Предвидете подплънка или усилващи елементи в зоните на свързващи устройства с високо напрежение.
• Симулирайте циклично огъване/тестване преди серийното производство.

9. Защита срещу влага, удар и корозия

В изискващата среда на носими устройства, надеждните стратегии за защита са толкова важни, колкото и умното проектиране и прецизната сглобка. Пот, дъжд, влажност, мазнини от кожата и ежедневни движения подлагат всяко ПП за носими устройства на корозивни, огъващи и ударни натоварвания. Без подходяща защита дори най-напредналите гъвкава печатна платка или гъвкаво-стегнатата сглобка може да пострада от намалена производителност, къси съединения или дори катастрофален отказ в рамките на месеци. Нека разгледаме начина, доказан от индустрията, за защита сглобяване на гъвкави PCB за дълъг и надежден срок на живот при реална употреба.

Защо е важно предпазването от влага и корозия

ПП за носими електронни устройства сборките редовно са изложени на пот (съдържаща соли, киселини и органични молекули), влажност в околната среда и контакт с кожата. Основните режими на повреда включват:

• Влагоабсорбция: Намалява електрическото съпротивление на изолацията, причинява течове и електрически къси съединения.
• Корозия: Разяжда медните проводници и лекалните връзки, особено при наличие на пот, богата на хлориди.
• Деламинация: Надуване или хидролиза на лепилните слоеве, довеждащи до отделяне и механични повреди.
• Механично напрежение: Повтарящото се огъване може да доведе до микротръщини в откритите проводници и лекални връзки, което се ускорява допълнително от проникването на влага.

Конформно покритие за PCB: видове и избор

Конформни покрития са тънки защитни филми, нанасяни върху сглобени печатни платки. Основните им функции са предпазване от влага и корозивни агенти, изолация срещу дъги или къси съединения и понякога осигуряване на бариера срещу абразия или механично въздействие.

Чести видове покрития:

Селективно покритие и капсулиране

• Селективно нанасяне: Покриват се само зоните, изложени на пот или околната среда, като се оставят топлоустойчиви или тестови точки без покритие за по-лесно производство и диагностика.
• Потиране/инкапсулация: При някои здрави устройства критични зони от платката или компоненти се потират директно със силиконови или епоксидни субстанции, осигурявайки защита срещу механични удари и влага.

Стратегии за устойчиви на влага и корозия структури

• Запечатани ръбове: Филмите за покритие трябва плътно да обхващат веригата, с минимално изложена мед по ръбовете. Когато е необходимо, прилага се запечатване на ръбовете със смола или конформно покритие.
• Без изложени виаси: Всички виаси в гъвкавите области трябва да бъдат затворени или запълнени, за да се предотврати директното проникване на пот.
• Избор на повърхностна обработка: ENIG и OSP покритията подобряват устойчивостта на корозия; избягвайте HASL в носимите устройства поради неравномерното нанасяне и по-голямата склонност към подкопаване.

Подобрения за устойчивост на удар, вибрации и механична издръжливост

• Усилващи елементи: Прилагат се около областите на конекторите, за да абсорбират силата при включване, или там където FPC достига до твърди пластмаси.
• Подпълване: Инжектират се под големи компоненти, за да се компенсира разликата в механичната гъвкавост и да се намали риска от пукане на спойките при многократно огъване.
• Усилена покривна лента: Увеличава локалната устойчивост срещу пробиване и абразия, особено важно за тънки устройства, които докосват кожата.

Протоколи за изпитване на здравина

• Гъвкавите платки за носими устройства преминават през:  
  • Тест за циклично огъване: Хиляди до десетки хиляди огъвания.
  • Изпитване при влажност и солена мъгла: Воздействие на ~85% относителна влажност, над 40°C в продължение на дни до седмици.
  • Тестване при падане/удар: Симулации на падания или внезапни удари.

10. Управление на захранването и оптимизация на RF

Ефективността на захранването и надеждната безжична връзка са основни стълбове на успешния сглобката на PCB за носими устройства . Кратък живот на батерията или ненадеждна връзка често са причини за оплаквания от потребителите и провалени пускания на продукти, което прави управлението на захранването и оптимизацията на RF (радиочестотно) централни за вашата дизайн стратегия. Нека разгледаме как правилното гъвкава печатна платка и твърдо-гъвкава ПЛС поставяне, структура и избор на компоненти гарантират икономично, високоефективно и устойчиво на смущения пП за носими електронни устройства .

Съвети за управление на захранването при носими устройства

1. Широки токови проводници и плътни заземляващи площи

• Важност на съпротивлението на проводника: Минимизирайте пада на напрежение и резистивни загуби, като използвате възможно най-широките допустими проводници за захранване и заземяване — предпочтително ≥0,2 mm широко възможно при FPC структура. Тънка мед или тесни проводници бързо намаляват ефективността на системи с ниско напрежение от литиеви батерии.
• Цели равнини: При многослойни гъвкави и комбинирани гъвкаво-твърди конструкции прокарвайте заземяване и захранване като непрекъснати равнини. Този подход намалява чувствителността към ЕМС/ЕSD и понижава IR загубите, което е от решаващо значение за устройства, които често излизат от спящ режим и осъществяват безжична връзка.

2. Декоплостране и цялостност на захранването

• Внимателно поставяне на декоплиращите кондензатори: Поставяйте кондензаторите възможно най-близо до контактите за захранване/заземяване и LDO/стабилизатори с понижаващ преобразувател.
• Кратки, широки връзки: Използвайте възможно най-кратки проводници между кондензаторите и контактните площи на ИС, за да потискате шума и пулсациите.

3. Стабилизатори с ниско падащо напрежение и превключващи регулатори

• LDO за ултра-тихо захранване: Аналоговите/RF секции обикновено използват LDO за нисък шум, въпреки че това е за сметка на част от ефективността.
• Импулсни стабилизатори за по-висока ефективност: Цифровите и сензорни платформи предпочитат импулсни стабилизатори за висока ефективност, но с по-сложна разводка (по-високочестотен шумен сигнал; изисква прецизно проектиране на PCB и екраниране).

4. Сегментирани захранващи шини

• Превключваеми захранвателни домейни: Използвайте превключватели на товара или MOSFET, за да прекъсвате захранването до определени секции (напр. сензори, Bluetooth, дисплеи), когато те са в режим на покой, предотвратявайки малки токови загуби в спящ режим.
• Индикатори за заряд на батерията: Поставянето на индикаторите за заряд на батерията при основния FPC вход опростява измерването на SOC на системно ниво и позволява използването на интелигентни протоколи за зареждане.

Оптимизация на RF за сглобяване на PCB за носими устройства

Устройствата за носене зависят от възможността им за надеждна комуникация. Независимо дали става въпрос за Bluetooth за слушалки, Wi-Fi за монитори на пациенти или NFC за безконтактно плащане, РЧ проектирането в гъвкава печатна платка сглобките трябва да преодолява множество проблеми при интеграция.

1. Контролирано вълново съпротивление и проектиране на проводници

• Съгласуване на съпротивлението: Поддържайте 50 Ω характеристично съпротивление върху РЧ проводници, използвайки микролентови или равнинни вълноводни структури, както се препоръчва от доставчиците на чипове.
  • Настройте ширината на проводника, разстоянието до земята и структурата на платката според калкулатор за импеданс .
• Кратки и директни РЧ линии: Поддържайте антените колкото се може по-къси и директни, за да се минимизира загубата при вмъкване и деформацията на сигнала.

2. Зона за свободно пространство и разположение на антената

• Ключово е разстоянието: Осигурете поне 5–10 mm разстояние около антените, без месинг, маса и големи компоненти.
  • При малки FPC използвайте печатни антени в гъвкавата област — те се огъват заедно с устройството и изискват надеждно настройване/съгласуване.
• Без метал отгоре/отдолу: Избягвайте батерийни блокове, екрани или дисплеи директно над антените или RF предварителни каскади; те могат да разстроият антената и да намалят излъчваната мощност.

3. Екраниране, заземяване и изолация

• RF екрани за заземяване: Създайте зони за заземяване и огради от препроводници (via fences) около граници между RF и цифрови области.
  • Използвайте огради от препроводници (редове препроводници с разстояние 0,5–1,0 мм) за изолиране на RF зони.
• Цифрова/RF изолация: Поставете цифровия часовник, данни и превключващи захрания далеч от чувствителни RF секции. Използвайте изрязвания или изолационни процепи в заземлени площини, ако е необходимо.

Примерно проучване: Bluetooth модул в фитнес проследяващо устройство

Екип на водещ производител на фитнес проследяващи устройства използва шестслойна FPC структура с отделни горна и долна заземлени равнини. Bluetooth антената е разположена в края на гъвкавата част на каишката, като има 15 мм разстояние без мед и компоненти. Конструкторите използват калкулатор за контролирано импедансно съгласуване, за да осигурят точно съгласуване на фидерния проводник с 50 Ω.

11. Ръководство за проектиране с оглед технологичността (DFM)

Преходът от блестящ сглобката на PCB за носими устройства концепт към реалност при серийно производство изисква проектиране, което отчита повече от само функционалността — производственост е решаващ фактор. Пренебрегването му DFM за гъвкави PCB или структурите с комбинирана гъвкавост могат да доведат до производствени бракувания, загуби в добива, увеличени разходи или дори закъснение в пускането. При носимите устройства с тяхната миниатюрна, неправилна форма и високи изисквания за надеждност, всяка подробност в подхода ви към проектирането за производственост има значение.

Основни насоки за проектиране за производственост при гъвкави и комбинирани PCB

Запазвайте достатъчно голям радиус на огъване

• Правило: Радиус на огъване ≥10× дебелината: За всяка динамична гъвкава зона (област, която ще се огъва по време на употреба), минималният вътрешен радиус на огъване трябва да бъде 10 пъти общата дебелина на гъвкавия слой .
  • Пример : Гъвкава платка с дебелина 0,2 мм никога не бива да се огъва по-рязко от радиус от 2 мм при нормална експлоатация.
• По-малки радиуси на огъване са възможни за статични приложения, но винаги изискват предварително тестване през цикли за квалификация.

Избягвайте компоненти и преходни отвори (vias) в гъвкави/огъваеми области

• Няма компоненти/вии близо до ръбовете или огъваемите участъци:  
  • Поставете всички критични/чувствителни части в жестките зони или на разстояние от оста на огъване.
  • Правило на палеца: Запазете буфер от поне 1 мм между най-близкия компонент/вия и началото на динамично огъване.
• Само покрити или запълнени вии: Предотвратява просмукването на флюс или по-късно проникване на влага/корозия.

Включете фидуциални маркери, технологични отвори и елементи за позициониране

• Фидуциални маркери: Осигуряват ясни точки за подравняване при монтаж на повърхността — важно за прецизната сглобка, особено при компоненти 0201.
• Технологични отвори: Осигурява точна поставеност върху сглобяеми носители, което е важно за високоскоростна автоматизирана гъвкава сглобка.

Поддържайте симетрия на медта и слоистата структура

• Балансирано разпределение на мед: Осигурява равномерни механични свойства и намалява риска от изкривяване или усукване на платката след рефлоу или огъване.
• Слоиста структура симетрично: При дизайните тип „гибки-твърди“ запазете огледална слоиста структура, когато е възможно, за да не се получава „навиване“ на платката след производството или покритието.

Използвайте подходящи засилващи елементи и укрепления

• Твърдите области изискват укрепване: Добавете засилващи елементи (FR-4 или полиимидни парчета) под зоните за SMT конектори, тестови падове или компоненти, които вероятно ще бъдат подложени на сили при вкарване/изваждане.

Съвети за проектиране за сглобка на носими FPC

• Конструкция на падовете: Използвайте падове с несигнална маска (NSMD) за подобряване на качеството на спойките.
• Разстояние между компонентите: Запазете достатъчно разстояние между SMT устройствата, за да се осигури възможност за инспекция с AOI/рентген, особено за микро-BGA.
• Разстояние до ръба: Поне 0,5 мм от медта до контура на платката, за да се избегнат къси съединения, отслабване на слоевете или лошо обработени ръбове.

Таблица с насоки за трасиране

Използване на инструменти за анализ DFM

Индустриални инструменти от водещи производители на PCB улесняват прехода от дизайн към производство. Използвайте безплатни/онлайн проверки за DFM, за да откривате рискове за производимост преди да изпратите гербер файловете към доставчика на гъвкави платки.

• JLCPCB DFM Инструмент: Уеб базиран, поддържа гъвкави, твърди и комбинирани твърдо-гъвкави конструкции.
• ALLPCB/Epec DFM Анализатори: Включват библиотеки за слоеве при гъвкави конструкции, общи IPC правила и могат да симулират стъпки от производствения процес.
• Вътрешни проверки за DFM: Много EDA инструменти поддържат базирани на правила анализи за DFM при гъвкави и комбинирани твърдо-гъвкави платки — активирайте и персонализирайте възможно най-рано по време на разполагането.

Контролен списък за преглед на технологичността на конструкцията (DFM)

• Потвърдете, че всички предвидени огъвания отговарят на минималния радиус.
• Няма компоненти или тестови площи в извитите/гъвкави области.
• Структурата е балансирана и симетрично слоиста.
• Фидуциални марки и инструментални отвори на всеки панел.
• Усилващи елементи са посочени под конекторите и местата с високо натоварване.
• Всички ДП (Правила за проектиране) са проверени за производствена осъществимост от доставчика преди масово производство.

Пример: Избягване на скъпоструващи грешки

Един водещ стартъп за носими устройства не е взел предвид радиуса на огъване и разположението на преходните отвори в първото поколение фитнес пластир, което доведе до 32% отказ на платките поради напукани проводници и прекъснати преходни отвори при първата производствена серия. След преустройване с правилна проверка за производствена осъществимост, добавяне на буфер от 1 mm между преходен отвор и огъване и увеличаване на минималния радиус на огъване до 8× дебелината, добивът се повиши до 98,4% в следващата партида и заявките по гаранция изчезнаха.

12. Чести повреди при монтаж на ПП и как да се предотвратяват

Въпреки напредъка в материали, сглобяване и автоматизация на дизайна, реалната производителност на сглобката на PCB за носими устройства често се определя от няколко често срещани и предотвратими начина на повреда. Разбирането на основните причини и прилагането на стратегии за предотвратяване по най-добри практики е от съществено значение, за да се избегнат скъпоструващи отзовавания, връщания или недоволни клиенти. В този раздел са описани най-честите механизми на повреда срещани при производството на гъвкава печатна платка и твърдо-гъвкава ПЛС и са изложени доказани, практически решения.

Пукалини и умора в лепенката

Какво може да се обърка: Докато гъвкавите печатни платки преминават през многократно огъване — понякога хиляди цикъла на огъване при ежедневна употреба на носими устройства — напрежението се натрупва върху лепенките на SMB компонентите, особено по осите на огъване или в зони с висока разлика в деформацията. В крайна сметка могат да се образуват малки пукнатини в лепенката, които водят до резистивни свързани съединения или пълно прекъсване.

Поради какво се случва:

• Поставяне на компоненти върху или близо до динамични зони на огъване.
• Използване на крехки сплави за лепенка или неизползване на подплънка там, където е необходимо.
• Прекомерно висока температура по време на монтаж/преработка (което води до растеж на зърнестата структура или концентрация на напрежението).
• Лош дизайн на гъвкавия/твърд връзващ участък, при който напрежението се концентрира в единия ръб.

Как да се предотврати:

• Винаги разполагайте големи или твърди компоненти на разстояние от осите на огъване —идеално е в твърди зони.
• Прилагайте подпълнител под BGA, QFN или големи компоненти в гъвкавите зони, за да се разпределят и абсорбират механичните напрежения.
• Използвайте гъвкави сплави за лепене (например такива с по-високо съдържание на сребро за по-голяма пластичност).
• Симулирайте огъването по време на прототипния етап (тестване в режим на гъвкав цикъл до >10 000 цикъла).
• Проектирайте плавни преходи между слоевете (без рязко стъпване между твърдите/гъвкави зони).

Отслабване на слоевете и отделяне на лепилото

Какво може да се обърка: Слоевете на FPC или твърдо-гъвкавата платка се разделят — или по границата между медта и полиимида, в самия слой лепило или под защитния слой при среди с висока влажност. Отслабването често е катастрофално и води до незабавно прекъсване на веригата.

Основни причини:

• Задържана влага по време на монтаж (липса на предварително изпаряване на влагата от гъвкавите платки).
• Твърде високи температури при рефлукс, които деградират лепилата.
• Лошо залепване на медта към PI поради замърсяване или неправилна последователност на слоевете.
• Монтажно напрежение върху слоевете поради неправилно закрепване на усилващите елементи.

Как да се предотврати:

• Винаги предварително изпичайте гъвкави PCB панели (125°C, 2–4 часа) преди SMT сглобяване, за да се отстрани влагата.
• Използвайте нискотемпературна лека и настройте профилите за рефлоу за избягване на разграждането на лепилото.
• Предвиждайте висококачествен полиимид и проверени системи за лепила.
• Продължителен дизайн/приложение на усилващи елементи —приложени с еластични филми, а не с твърди лепящи нишки.

Таблица: Контролен списък за предотвратяване на слоестост

Корозия и проникване на влага

Какво може да се обърка: Незащитени медни проводници, виаси или падове корозират — особено при устройства, подложени на пот — което води до образуване на зелени медни соли, високо съпротивление, прекъснати вериги или дендритни къси съединения.

Основни причини:

• Непълно или лошо нанесено конформно покритие.
• Намокряне на отворени/незапълнени преходни отвори в гъвкавите зони.
• Незапечатани ръбове или разслоен покривен слой.
• Лош избор на повърхностна обработка за отворени площи (HASL вместо ENIG/OSP).

Как да се предотврати:

• Изберете издръжливо конформно покритие (парилен, акрил, силикон) за защита от околната среда.
• Покриване/запълване на всички преходни отвори в гъвкавите зони; избягвайте ненужни чрезотвори.
• Запечатване на ръбовете и непрекъснато огъване на покривния слой на гъвкави печатни платки.
• Използвайте повърхностни покрития ENIG или OSP доказана устойчивост на корозия при носими устройства.

RF дрейф и безжични повреди

Какво може да се обърка: Устройство, което работи в лабораторията, губи обхват или има прекъсвания в Bluetooth/Wi-Fi производителността „на открито“. Често преработването или покриването на устройството променя резонанса на антената или увеличава загубите при вмъкване.

Честни причини:

• Недостатъчен или неповтаряемо чисто пространство около антената.
• Заземяване или екраниране поставени твърде близо до антената/проводника след преустройство или като поправка.
• Неправилен слоен строеж или неуправляем импеданс върху RF линиите.
• Покритие, което е твърде дебело или с грешна диелектрична константа, нанесено върху антените.

Как да се предотврати:

• Запазвайте разстояние от 5–10 мм около антената както при изработване на платката, така и при монтаж.
• Внимателен контрол на импеданса: Винаги използвайте калкулатори за слоен строеж и тествайте импеданса на сглобените изделия в производството.
• Настройка на антената на място: Окончателната настройка трябва да се извърши след нанасяне на всички покрития и монтиране на корпуса.
• Въведете РЧ тест като контролен елемент при изходящия производствен КК , а не само като точка от списъка по време на проектирането.

Таблица за бърза справка за предпазване

Тестване на огъване и дълготрайност е задължително

За всеки дизайн, предназначен за носими устройства или гъвкаво използване, предварителните серийни проби трябва да бъдат подложени на ускорено тестване на огъване , изследвания за влажност, капки и солен мъг. Резултатите от тези тестове трябва да насочват итеративното подобряване на дизайна — задълго преди масовото производство.

Обобщение: Повечето повреди при FPC Сборка и pCB с гъвкава-твърда конструкция произтичат от пренебрегнати основни принципи — разположение, управление на влагата, покритие и цялостност на електрическия дизайн. Ако проактивно проектирате спрямо тези аспекти, ще осигурите продукти класа първа, които пП за носими електронни устройства се представят отлично в реалния свят — не само в лабораторията.

13. Бъдещи тенденции в производството на гъвкави и твърдо-гъвкави PCB

Светът на сглобката на PCB за носими устройства и гъвкавата електроника се развиват с невероятна скорост. Докато потребителските и медицински устройства настояват за все по-малки, по-умни и по-издръжливи форми, следващата вълна иновации в гъвкава печатна платка и твърдо-гъвкава ПЛС проектирането и производството е подготвена да трансформира не само носимите устройства, но и цялата електронна индустрия. Нека разгледаме най-значимите появяващи се тенденции които ще оформят бъдещето на пП за носими електронни устройства технологията.

1. Напреднали материали: Освен полиимид

• Графен и субстрати от наноматериали: Въвеждането на графен и други 2D материали се очаква да отворят нови граници за ултратънки, високопроводими и изключително гъвкави вериги. Първоначалните проучвания показват превъзходна гъвкавост, увеличена токова мощност и потенциал за приложения като интегрирани биосензори или разтегливи дисплеи (помислете за електронни кожни пластири или мека роботика).
• Разтегливи смеси от полиимид: Нови варианти на полиимид с вградени свойства за разтегливост и еластичност ще позволят на печатните платки да понасят не само огъване, но и разтягане и усукване – подходящи за медицински носими устройства от следващо поколение, които се придружават на движещи се стави, или за умни спортни дрехи.
• Биосъвместими и биоразградими субстрати: За импланти и екологично чисти еднократни продукти, напредъкът в изследванията е насочен към материали, които безопасно се разграждат след употреба или остават инертни в тялото на дълга срока.

2. Гъвкави печатни платки, произведени чрез 3D печат и бързо прототипиране

• печатни платки и съединители, произведени чрез 3D печат: Комбинацията от адитивно производство и функционални мастила вече позволява директно печатане на цели схемни платки, антени и дори твърдо-гъвкави хибриди в един-единствен процес. Това намалява времето за прототипиране от седмици на часове и освобождава творчеството при създаването на органични или вградени разположения.
• Персонализирани медицински устройства: Клиниките и изследователските болници скоро ще могат бързо да отпечатват персонализирани носими монитори за пациенти, точно съобразени с анатомията или медицинските нужди — което рязко ще намали разходите и подобри резултатите за пациентите.

3. Растеж на плътната и многослойна интеграция

• Увеличаване на броя слоеве: Тъй като смарт часовниците и медицинските устройства изискват все повече функции в едно и също (или по-малко) пространство, индустрията бързо се насочва към 6-слоеви, 8-слоеви или дори 12-слоеви гъвкави PCB структури чрез използване на ултратънка мед (до ~9 µm) и свръхфини диелектрици.
• Технология за микрониви и изключително фини стъпки: Микрониви с размери до 0.05 mm и стъпките на компонентите под 0,3 мм ще станат рутинна практика, като се позволи натрупването на все повече сензори, памет и интегрални схеми за управление на енергията в рамките на милиметрови размери.
• Система в пакет (SiP) & Чип върху гъвкава основа: Директното монтиране на голи кристали (чип върху гъвкава основа), многокристални модули и интегрирани пасивни елементи върху гъвкави субстрати ще намали размера и ще повиши функционалността в носимите устройства.

4. Интеграция с разтеглива и текстилна електроника

• Вплитане в текстил: Носимата електроника все по-често се преплита с дрехи (умни тениски, чорапи и пластири), където гъвкави вериги или комбинирани гъвкаво-твърди структури могат да бъдат капсулирани или зашити директно в платовете за безпроблемен потребителски опит.
• Иновации в разтегливите вериги: Метални мрежи, змиеобразни проводници и инженерство на субстрати правят напълно разтегливи вериги – способни на удължение от 20–50 % – реалност за фитнес и медицински устройства, които трябва да огъват, усукват и разтеглят заедно с тялото, без да губят функция.

5. Автоматизирано тестване, инспекция и подобряване на добива чрез изкуствен интелект

• Интеграция в смарт фабрика: Производствените линии за гъвкава сглобка на PCB вече прилагат инспекции, базирани на изкуствен интелект (AOI, рентген и тестове с летящи щифтове), за откриване на микронедостатъци, прогнозиране на повреди и оптимизиране на добива.
• Тестване на цикли като стандарт: Автоматизирани тестови стендове за гъвкави цикли и околната среда скоро ще станат стандарт, осигурявайки, че всяка партида PCB за носими електронни устройства отговаря на изискванията за функционален животен цикъл – не като допълнение, а като вградена част от процеса.

6. Разширяване на IoT и безжичните технологии

• Безпроблемна свързаност: С 5G, UWB и новите IoT протоколи, PCB за носими устройства ще интегрират още антени, напреднали RF превключватели и дори самовъзстановяващи се или с променлива честота пътеки, за оптимизиране на производителността при динамични условия (пот, движение, промени в околната среда).
• Генериране на енергия на борда: Следващото поколение FPC монтажни платки вече проучва вграждането на слънчеви, трибоелектрични или RF елементи за събиране на енергия, удължавайки времето на работа на устройството или дори позволявайки умни пластири без батерии.

Промишлена перспектива и цитати

„Преминаваме напред от простия флекс; PCB платките от следващо поколение ще са меки, разтегливи и почти незабележими за потребителя. Границата между платка и продукт изчезва.“  — Директор по НИОКР, Носими технологии, Топ-5 технологичен OEM производител

„Всеки скок в технологията на субстратите — графен, разтегливи полиимиди — не просто намалява размера на устройството. Той поражда изцяло нови категории продукти: умни татуировки, вплетени сензори, биосензорни хапчета и още много други.“  — Главен учен по материали, Иноватор в областта на медицинските устройства

Таблица: Бъдещо-готови функции, които пристигат в производството на гъвкави и комбинирани гъвкаво-твърди PCB платки

14. Заключение: Защо FLEX и RIGID-FLEX PCB задвижват следващото поколение

Пътуването през сглобката на PCB за носими устройства —от основни материали и стратегии за наслагване до нюансирана сглобка, защита и бъдещи тенденции—разкрива една основна истина: гъвкава печатна платка и твърдо-гъвкава ПЛС технологиите са основата, върху която ще бъде изградена следващата декада от иновации в носимите и медицинските устройства.

Ключът към миниатюризацията и функционалността

Независимо дали става въпрос за дискретен медицински пласт или за умен часовник с богати функции, миниатюризация определя съвременните носими устройства. Само гъвкави печатни вериги и техните гъвкави-сгъстени роднини могат напълно да използват наличното пространство, преминавайки през кривини, поставяйки критични функции в слой с дебелина под милиметър и осигурявайки переста удобност за крайните потребители.

Таблица: Резюме — Защо гъвкавите и гъвкаво-сгъстените платки спечелват за носимите устройства

Надеждност и продължителност на продукта

Носимите устройства подлежат на хиляди цикли огъване, изпотяване, удар и ежедневна употреба. Само чрез внимателно FPC Сборка , конформно покритие, разумно поставяне на компоненти и потвърдени правила за проектиране с оглед на производството може да се избегнат капани, които провалят по-слабите проекти. Най-успешните и надеждни продукти на пазара следват тези основни практики – осигурявайки истински търговски успех и доволни потребители.

Движеща сила за производителност и управление на енергията

От живот на батерията до RF производителност, ПП за носими устройства поставя стандартите. Сложностите около контрола на импеданса, потискане на шума и интегрирана нискомощностна електроника, възможни благодарение на най-новите производствени технологии, гарантират носимите устройства да работят ефективно, докато използват минимална енергия от малки батерии.

Възможности за революционни приложения

Твърдо-гъвкава ПЛС и напредналите гъвкави схеми не само отговарят на днешните нужди – те отварят вратата към утрешните постижения:

• Интелигентни медицински пластири, които непрекъснато следят здравословното състояние на пациентите
• Фитнес устройства, които могат да изчезнат в дрехите или в тялото
• AR/VR модули, които са ненатрапчиви, леки и почти безтегловни
• Носими IoT и AI устройства с възможност за комуникация в реално време, събиране на енергия и вградена интелигентност

Всичко за сътрудничеството

Накрая, за да се използва пълният потенциал на пП за носими електронни устройства решенията – особено за масов пазар или приложения с висока регулаторна чувствителност – е необходимо да се работи с експертни партньори в производството, монтажа и тестването на печатни платки. Използвайте техните DFM инструменти, прилагайте практически тестове преди стартиране на продукта и разглеждайте уроците от полевата практика като стимул за непрекъснато подобрение.