Почему гибкая сборка печатных плат идеально подходит для носимых устройств?

Мета-заголовок: Сборка печатных плат для носимых устройств — гибкие материалы плат, технологии SMT и DFM Мета-описание: Узнайте о лучших практиках сборки печатных плат для носимых устройств: гибкие материалы (полиимид, покрытие), режимы SMT/пайки оплавлением, защитные покрытия, настройка ВЧ, рекомендации DFM и предотвращение типичных неисправностей.

1. Введение: Революция гибких и жестко-гибких печатных плат

Последнее десятилетие ознаменовалось кардинальным изменением подходов к проектированию электронных устройств, особенно в сфере носимая технология и медицинские устройства носимой электроники. Сегодня потребители ожидают не просто наличие умных функций, но и сверхкомпактные, легкие и надежные устройства, такие как смарт-часы , фитнес-трекеры , слуховые аппараты , сенсорные патчи , и другие. Эти требования стимулировали развитие сборки печатных плат для носимых устройств на свет, заставляя дизайнеров и производителей переосмыслить все — от материалов до стратегий соединений.

Гибкая печатная плата (ГПП) и жестко-гибкая ПЛС технологии стали основой этой новой волны. В отличие от традиционных печатных плат, гибкие печатные платы могут изгибаться, скручиваться и принимать форму крошечных корпусов необычной конфигурации. Жёстко-гибкие печатные платы идут дальше, интегрируя как гибкие, так и жесткие участки на одной плате, обеспечивая бесшовные электрические соединения в самых сложных местах устройств. Эти инновации в Сборка ГПК не только уменьшают размер и вес, но и повышают долговечность устройств, улучшают их производительность и открывают новые возможности, такие как изогнутые экраны или медицинские датчики, удобно прилегающие к телу.

Согласно отраслевому опросу 2025 года (IPC, FlexTech), более 75% новых разработок носимой электроники и медицинских устройств сейчас включают ту или иную форму гибкая цепь или интеграция жестких и гибких плат . Этот тренд будет набирать обороты по мере того, как устройства становятся умнее, тоньше и более надежными. На самом деле, высокоплотные соединения (HDI) , сверхмалые компоненты SMT 0201 , а также продвинутые материалы гибких печатных плат из полиимида стали стандартом в Сборке печатных плат для носимых устройств .

«Сердцем инноваций в носимой электронике является миниатюризация. Но миниатюризация возможна только благодаря прорывам в производстве и сборке гибких печатных плат.»  — Пол Томе, менеджер по продукту Flex и Rigid-Flex, Epec Engineered Technologies

Вот что делает эту новую эпоху печатная плата носимой электроники такой захватывающей:

• Экономия места и веса: Современные устройства могут быть тоньше монеты и при этом обеспечивать полную связь благодаря гибким многослойным конструкциям печатных плат и миниатюрным компонентам.
• Долговечность и комфорт: Гибкие печатные платы из полиимида способны выдерживать тысячи циклов изгиба, что делает их идеальными для браслетов, пластырей и повязок на голову, которые должны двигаться вместе с пользователем.
• Мощность и производительность: Эффективная разводка, точная трассировка и передовые методы сборки, включая оптимизированную пайку SMT и нанесение защитных покрытий на печатные платы, помогают управлять потерями мощности и электромагнитными помехами (EMI/RF).
• Скорость внедрения инноваций:  DFM для гибких печатных плат и методы быстрого прототипирования (например, гибкие схемы, изготовленные на 3D-принтере) позволяют компаниям быстро проводить итерации и выводить новые идеи на рынок.

Таблица 1: Сравнение технологий печатных плат в носимых устройствах

Погружаясь в это руководство, вы узнаете не только «что», но и «как» создавать передовые технологии сборки печатных плат для носимых устройств — от выбора подходящих гибких материалов для печатных плат и освоения SMT для гибких печатных плат до преодоления реальных проблем сборки и надежности. Независимо от того, являетесь ли вы инженером, конструктором или менеджером по цепочкам поставок в секторах IOT , медицинских технологий , или потребительская электроника эти знания помогут вам создавать лучшие и более умные устройства.

2. Что такое гибкие и жестко-гибкие печатные платы?

В области проектирование печатных плат для носимой электроники , не все печатные платы одинаковы. Гибкие печатные платы (FPC) и жёстко-гибкие печатные платы стали эталоном современных носимых устройств, модулей интернета вещей и медицинских приборов, где важнейшее значение имеют надежность, компактность и уникальная форма. Давайте разберемся, что отличает эти передовые технологии печатных плат — и как они способствуют инновациям в таких продуктах, как умные часы, фитнес-трекеры и патчи с биосенсорами.

Гибкие печатные платы (FPC)

A гибкий печатный circuit board изготавливаются с использованием тонкой гибкой подложки — обычно это пленка полиимида (PI) — которая может изгибаться, складываться и закручиваться без повреждений. В отличие от традиционных жестких плат на основе FR-4, гибкие платы специально разработаны для работы в динамичных и компактных условиях носимых устройств.

Типичная структура слоев гибкой печатной платы:

Ключевые факты:

• Радиус изгиба: Для надежных конструкций минимальный радиус изгиба должен быть не менее общая толщина платы в 10 раз .
• Ширина трассы/расстояние между ними: Часто настолько малые, как расстояние 0,05–0,1 мм на передовых платах.
• Толщина медной фольги: Обычно встречается в диапазоне 12–70 мкм более тонкая фольга обеспечивает более плотные изгибы.
• Пленка покрытия: Обеспечивает как механическую защиту, так и электрическую изоляцию.

Сборка ГПК поддерживает как однослойные, так и сложные многослойные конструкции и позволяет разработчикам создавать корпуса устройств толщиной всего 0,2 мм —идеально подходит для трекеров нового поколения или умных пластырей.

Жёстко-гибкие печатные платы

A жестко-гибкая ПЛС сочетает в себе лучшие качества обоих решений: участки печатной платы выполняются в виде жестких прочных основ для монтажа чувствительных SMT-компонентов, в то время как другие области остаются гибкими, чтобы обеспечить изгибание или складывание. Гибкие и жесткие участки бесшовно соединяются с помощью точных производственных процессов, что снижает сложность сборки и необходимость в громоздких соединителях.

Типичная структура гибко-жесткой печатной платы:

• Жесткие участки: Стандартный материал FR-4 (или аналогичный) со слоями меди, используется для монтажа компонентов.
• Гибкие участки: Слои гибкой печатной платы на основе полиимида, соединяющие жесткие участки, обеспечивающие динамическое движение и компактную укладку.
• Межслойное соединение: Микропереходные отверстия или сквозные отверстия, часто используемые для HDI (High-Density Interconnect) конструкции, поддерживают многослойные сигнальные пути и подачу питания.
• Зоны перехода: Тщательно разработаны, чтобы избежать напряжения и распространения трещин.

Преимущества в носимых устройствах:

• Максимальная свобода проектирования: Позволяет создавать конструкции устройств, которые были бы невозможны с использованием только жестких печатных плат.
• Меньше соединителей/межсоединений: Снижает общий вес, толщину и количество точек отказа.
• Повышенная надежность: Критически важно для применений с высокой надежностью (например, медицинские имплантаты, носимые устройства военного класса).
• Улучшенная экранировка от ЭМИ и РЧ-помех: Благодаря многослойным заземляющим плоскостям и более точному контролю импеданса.

Применение в реальных условиях — носимые устройства и медицинские приборы

Умные часы:

• Используйте многослойную гибкую компоновку печатной платы для трассировки сигналов, сенсорных экранов, драйверов дисплеев и беспроводных модулей в корпусах часов со скруглёнными формами.
• Гибкие антенны и соединения аккумуляторов выигрывают от Сборка ГПК поддержания целостности устройства при сгибании запястья.

Фитнес-трекеры и патчи с биосенсорами:

• Гибких печатных плат из полимида с компонентами с мелким шагом SMT позволяют создавать одноразовые или полуодноразовые устройства ультратонкой формы (<0,5 мм).
• Встроенные датчики (например, акселерометры, измерители пульса или светодиоды SpO₂) непосредственно на гибких печатных платах улучшают качество сигнала и комфорт продукта.

Медицинские устройства:

• Жёстко-гибкие печатные платы питают имплантируемые мониторы и медицинские носимые устройства, сочетая надежность, малый вес и устойчивость к многократному изгибу — зачастую превосходя 10 000 циклов в тестах на гибкость.

Качественный случай:  Крупный производитель фитнес-трекеров использовал 6-слойные гибкие печатные платы с дорожками 0,05 мм и компонентами типоразмера 0201, добившись толщины готовой платы всего 0,23 мм. Это позволило создать устройство весом менее 5 граммов с функциями непрерывного ЭКГ-мониторинга и отслеживания движения — что невозможно реализовать с помощью традиционных жестких печатных плат.

Краткий справочник терминов

Вкратце:  Гибкие и жестко-гибкие ПП это не просто альтернатива жестким платам — это настоящие двигатели следующего поколения более умных и компактных носимых и медицинских устройств. Понимание материалов, структур и основополагающих концепций, лежащих в основе таких плат, лежит в основе всех остальных решений по проектированию и сборке носимых электронных устройств.

Готовы к разделу 3? Напишите 'Next', и я продолжу с раздела «Преимущества гибких печатных плат для носимых и медицинских устройств» — включая списки, подробные объяснения и практические отраслевые знания.

3. Преимущества гибких печатных плат для носимых и медицинских устройств

При разработке передовых печатная плата носимой электроники решений или создании компактных медицинских устройств гибкие ПЛИС (гибкие печатные платы) являются основой как инноваций, так и функциональности. Их уникальные свойства способствуют миниатюризации, повышают надежность и позволяют реализовывать функции, которые меняют представление о возможностях потребительских и медицинских технологий.

Миниатюризация и экономия места: открытие новых конструкций

Одним из самых заметных преимуществ гибкий печатный circuit board является их исключительная тонкость и гибкость. В отличие от традиционных жестких плат, гибкие платы могут иметь толщину всего 0,1–0,2 мм , при этом доступны как однослойные, так и многослойные конфигурации. Это позволяет проектировщикам прокладывать критически важные сигналы и линии питания в ограниченных, изогнутых или многоуровневых пространствах внутри самых маленьких носимых устройств.

Пример таблицы: толщина гибкой печатной платы в зависимости от применения

Важный факт: Гибкая печатная плата может часто заменить несколько жестких плат и их соединения, уменьшая вес до 80%и объем до 70%по сравнению с традиционными печатными платами в носимых устройствах.

Прочность и надежность при многократном изгибе

Гибкие печатные платы на основе полиимида спроектированы так, чтобы выдерживать тысячи, а иногда и десятки тысяч изгибов, скручиваний и циклов изгиба. Это особенно важно для носимых устройств, которые регулярно подвергаются движениям запястья, лодыжки или тела и должны безотказно работать в течение многих лет.

• Тестирование на изгиб Ведущие производители тестируют свои сборки печатных плат для носимых устройств по стандартам, превышающим 10 000 циклов изгиба без структурных или электрических повреждений.
• Стойкость к расслоению: Комбинация медная фольга и прочные клеи в пакете гибкой печатной платы минимизируют отделение слоёв, даже при механических нагрузках.
• Избежание растрескивания паяных соединений: Стратегическое размещение компонентов SMT и использование подливки в зонах напряжения предотвращают усталостные повреждения, характерные для жёстких плат.

Цитата:

«Без долговечности гибких печатных плат большинство умных устройств для здоровья и фитнеса выходили бы из строя уже через несколько дней или недель реального использования. Надёжные сборки гибких плат сегодня являются отраслевым стандартом.» — Ведущий инженер, международный бренд фитнес-устройств

Меньше соединений — выше надёжность системы

Традиционные сборки печатных плат, особенно в трёхмерных устройствах со сложенной компоновкой, требуют разъёмов, перемычек и паяных кабелей. Каждое соединение представляет собой потенциальное место отказа. Гибкая сборка ПЗ позволяет объединить несколько сегментов цепи в единую структуру, уменьшая количество:

• Паяные соединения
• Стержневые решетки
• Механических соединителей

Это приводит к:

• Повышенной устойчивости к ударам/вибрациям (что имеет решающее значение для носимых устройств, предназначенных для активного образа жизни)
• Упрощению процессов сборки
• Снижению количества гарантийных случаев, вызванных неисправностями соединителей или кабелей

Факт: Типичный фитнес-трекер, использующий одну гибкую печатную плату, может сократить количество межсоединений с более чем 10 до 2 или 3, одновременно сократив время сборки более чем на 30%.

Свобода проектирования: сложные формы и многослойность

Возможность «сгибать и сохранять форму» современных гибких печатных плат из полимида обеспечивает новый уровень свободы проектирования:

• Прокладка электропроводки вокруг изогнутых аккумуляторов или дисплейных модулей.
• Укладка нескольких электронных слоев друг на друга для печатные платы с высокой плотностью соединений (HDI) .
• Создания сборок в виде «оригами», складывающихся для размещения внутри биомиметических или не прямоугольных корпусов.

Список: Особенности конструкции, обеспечиваемые гибкими печатными платами

• Носимые патчи (медицинские электроды, непрерывный контроль уровня глюкозы): Сверхтонкие, повторяют рельеф кожи
• Головные ремни или очки AR/VR : Повторяют форму лица, повышают комфорт
• Умные кольца/браслеты : Обеспечивает охват малых радиусов без растрескивания или выхода из строя
• Биоинтегрированная электроника : Складывается или гнётся вместе с мягкими тканями человеческого тела

Снижение стоимости при массовом производстве

Хотя первоначальные затраты на оснастку для гибких плат могут быть выше, это компенсируется:

• Меньшим количеством компонентов (исключение разъединителей/кабелей)
• Более короткими линиями поверхностного монтажа SMT (меньше ручного труда)
• Повышенным выходом годной продукции за счёт меньшего количества дефектов, связанных с соединениями

При высоких объемах, наблюдаемых в потребительских носимых устройствах и медицинских пластырях, общая стоимость владения тенденции ниже, чем у жестких сборок, особенно с учетом гарантийных возвратов или отказов после продажи.

4. Преимущества гибко-жестких печатных плат

В процессе развития сборки печатных плат для носимых устройств и передовой электроники для портативных устройств инженерное сообщество осознало преимущества объединения двух подходов — жестких и гибких печатных плат — для создания уникальных по своим характеристикам продуктов. Жёстко-гибкие печатные платы заняли важное место в медицинской технике, военном оборудовании, устройствах дополненной и виртуальной реальности (AR/VR) и высококлассных потребительских носимых устройствах, обеспечивая идеальное сочетание надежности, универсальности и производительности.

Что такое гибко-жесткая печатная плата?

A жестко-гибкая ПЛС это гибридная структура, объединяющая слои жестких (FR-4 или аналогичных) печатных плат со слоями гибких гибкие печатные платы (гибкие печатные платы), как правило, изготавливаемые из полиимида. Гибкие участки соединяют жесткие области, обеспечивая возможность 3D-сгиба, использование в корпусах необычной формы и прямую интеграцию в подвижные части, такие как браслеты или головные устройства.

Ключевые преимущества технологии гибко-жестких печатных плат

1. Повышенная структурная надежность

Жёстко-гибкие печатные платы значительно снижают необходимость в разъемах, перемычках, обжимах и паяных соединениях. Это особенно важно для печатная плата носимой электроники сборок, которые подвергаются частому изгибу, ударам и вибрации.

• Снижение количества точек межсоединений : Каждый исключенный разъем уменьшает потенциальную зону отказа, снижая общий риск выхода устройства из строя.
• Повышенная устойчивость к ударам/вибрации : Интегрированные конструкции лучше выдерживают механические нагрузки по сравнению со сборками с разъемами и проводными жгутами.
• Лучше подходят для высоконадежных и критически важных носимых устройств , такие как имплантируемые медицинские устройства или военные средства связи, где недопустима единичная точка отказа.

2. Компактная и лёгкая упаковка

Поскольку жёсткие и гибкие участки бесшовно интегрированы, жёстко-гибкие печатные платы кардинально снижается общая толщина и вес устройства. Это особенно важно для умных часов, беспроводных наушников и компактных медицинских мониторов.

• Интегрированные схемы и меньшее количество кабелей позволяют создавать инновационную миниатюрную упаковку, которая может повторять органические формы.
• Снижение веса: Гибкие участки, как правило, увеличивают размер и вес всего на 10–15%по сравнению с отдельными жёсткими печатными платами с кабельными соединениями.
• Экономия пространства: Решения на основе жёстко-гибких плат зачастую уменьшают объём схемы на 30–60%, а также позволяют реализовать истинные трёхмерные архитектуры упаковки (сгибающиеся, многослойные или изогнутые сборки).

3. Повышенные электрические характеристики

Сигналы высокой скорости и RF-следы выигрывают от контролируемых диэлектрических свойств жесткой области и экранирования заземлением, в то время как гибкие участки управляют соединениями в ограниченных пространствах.

• Контролируемое волновое сопротивление: Отлично подходит для высокочастотных схем (Bluetooth, Wi-Fi, медицинская телеметрия).
• Улучшенное экранирование ЭМП/РЧ: Многослойная структура и изоляция заземления обеспечивают лучшее соответствие стандартам ЭМС.
• Целостность Сигнала: Микропереходные отверстия и трассировка HDI обеспечивают короткие, прямые пути сигналов и оптимизацию для низкого уровня шумов.

Таблица: Ключевые возможности, предоставляемые гибко-жесткими печатными платами

4. Оптимизированная сборка печатных плат и снижение затрат (долгосрочный эффект)

Хотя первоначальная стоимость печатной платы для жестко-гибких решений выше, чем у простых гибких или только жестких плат, долгосрочная экономия является значительной:

• Упрощенная сборка: Единая интегрированная плата означает меньшее количество компонентов, операций и потенциальных ошибок.
• Более быстрая автоматизированная сборка: Линии SMT и THT работают стабильнее при меньшем количестве отдельных печатных плат и соединителей, требующих выравнивания.
• Экономически эффективно при больших объемах: Снижение затрат на постпродажный ремонт, возвраты или переделку сборки дает выгоду для устройств с длительным сроком службы — несколько лет.

5. Устойчивость к агрессивным условиям

Жёстко-гибкие печатные платы идеально подходят для использования в тяжелых медицинских или внешних условиях:

• Высокая термостойкость: Гибкие полиимидные и жесткие участки с высоким значением Tg выдерживают до 200°C (кратковременно), что позволяет проводить стерилизацию или использовать устройства на открытом воздухе.
• Стойкость к коррозии, химическим веществам и ультрафиолету: Необходима для устройств, контактирующих с потом, чистящими средствами или солнечным светом.
• Защита от влаги: Улучшено с помощью конформное покрытие для печатных плат и парилен/силиконовая герметизация в гибких зонах.

6. Свобода проектирования для инновационных применений

Гибко-жёсткие платы позволяет новую геометрию:

• Носимые камеры —Печатная плата может обвивать батареи и датчики
• Головные повязки для нейромониторинга —Печатная плата повторяет контуры головы без оголённых проводов
• Медицинские пластины для младенцев —Тонкие, гибкие, но прочные — позволяют осуществлять непрерывный мониторинг, не повреждая кожу

Почему Rigid-Flex выделяется как решение будущего

Сочетание жёсткости и гибкости в одной печатной плате открывает новые возможности для носимых устройств, предоставляя дизайнерам надёжную основу для умных подключённых медицинских технологий, фитнес-трекеров нового поколения, AR/VR-гаджетов и другими.

5. Ключевые проблемы проектирования при сборке печатных плат для носимых устройств

Инновации и преимущества миниатюризации сборки печатных плат для носимых устройств огромны, однако они создают уникальные и сложные задачи проектирования, которые инженеры обязаны решить для обеспечения надежности, долговечности и оптимального пользовательского опыта. Эти трудности напрямую обусловлены требованиями технологий гибкая ПЛС и жестко-гибкая ПЛС , а также постоянно уменьшающимися размерами и растущими ожиданиями современной электроники для носимых устройств.

Миниатюризация и высокоплотные межсоединения (HDI)

Миниатюризация лежит в основе проектирования схем для носимой электроники. Устройства, такие как умные часы и медицинские патчи, требуют печатных плат толщиной всего в несколько десятых миллиметра, при этом количество функций, размещаемых на каждом квадратном миллиметре, постоянно растет.

• Технология HDI: Использует микросквозные отверстия (до 0,1 мм), сверхтонкие проводники (≤0,05 мм) и многослойные конструкции, что позволяет реализовать трассировку высокой плотности.
• Размер компонентов:  компоненты SMT 0201 обычно используются в сборка гибкой печатной платы для носимых устройств, создавая огромные требования к точности установки компонентов (<0,01 мм) и точности пайки.
• Ограничения по зазорам: Целостность сигнала, трассировка питания и управление тепловыми режимами должны поддерживаться в конструкции с габаритами 15×15 мм или меньше.

Таблица: HDI и миниатюризация в сборке печатных плат для носимых устройств

Гибкость: механические напряжения материала, радиус изгиба и ограничения размещения

Носимые устройства требуют наличия на плате областей, которые гнутся при движении — возможно, тысячи раз в день. При проектировании гибкости необходимо учитывать концентрацию напряжений и обеспечивать минимальный радиус изгиба (≥10× общей толщины), а также оптимизировать слоистую структуру для выдерживания многократных деформаций без потери производительности.

• Гибкая печатная плата из полиимида слои выбираются за их сопротивление усталости, однако неправильная разводка или структура слоев могут всё ещё привести к трещинам или расслоению.
• Рекомендации по размещению:  
  • Тяжелые или высокие компоненты должны располагаться в жестких зонах или зонах с низким уровнем напряжения.
  • Трассы должны прокладываться вдоль нейтральной оси изгибов и избегать скоплений переходных отверстий или острых углов.
• Рекомендации по трассировке:  
  • Используйте изогнутые трассы, а не острые углы.
  • По возможности соблюдайте больший зазор между трассами.
  • Избегайте переходных отверстий в областях, подверженных частому изгибу.

Энергоэффективность и ограничения аккумулятора

Большинство носимых устройств питаются от батареи и должны работать в течение нескольких дней — а иногда и недель — на одном заряде. Управление энергопотреблением на гибкие печатные платы представляет собой баланс между занимаемым местом, сопротивлением трасс, тепловыми эффектами и общей эффективностью системы.

• Маломощные микроконтроллеры, модули Bluetooth и интегральные схемы управления питанием являются стандартом.
• Подача энергии:  
  • Используйте широкие силовые проводники и сплошные заземляющие плоскости для минимально возможного сопротивления.
  • Тщательное размещение разделительных конденсаторов для ограничения падения напряжения и предотвращения колебаний.
  • Структура слоёв и трассировка должны минимизировать потери на IR и перекрёстные помехи при высокой плотности.

Влагостойкость и устойчивость к внешним воздействиям

Носимые устройства подвергаются воздействию пота, кожных масел и окружающей среды, что повышает требования к конформное покрытие для печатных плат герметизации и чистоте сборки.

• Типы конформных покрытий:  
  • Parylene: Тонкие, без пор; отлично подходят для медицинских и высоконадёжных применений.
  • Акрил, Силикон: Более экономичные, обладают хорошей влаго- и химической стойкостью.
• Избирательное покрытие: Наносится только там, где это необходимо, чтобы сэкономить вес, стоимость и время производства.
• Тестирование на надежность:  
  • Устройства должны выдерживать испытания при высокой влажности, коррозии и попадании брызг воды, моделирующие месяцы непрерывной эксплуатации.

Стабильность РЧ/ЭМП

Продвинутый Сборке печатных плат для носимых устройств часто включает беспроводные радиомодули (Bluetooth, NFC, Wi-Fi, Zigbee). Обеспечение чистой передачи сигнала требует внимания к конструкции РЧ-цепей и экранированию от ЭМП в крайне компактных пространствах:

• Контроль импеданса:  
  • следы с импедансом 50 Ом, экранирующие перемычки, сбалансированная толщина меди.
  • Использование калькулятора контроля импеданса для критически важных антенн и РЧ-следов.
• Разделение РЧ и цифровых сигналов: Размещайте ВЧ-модули и цифровую логику в выделенных зонах платы, добавляйте локальные экранирующие заземления и используйте изолирующие промежутки.

Сравнение жестких плат FR-4 и гибких полимида (FPC)

Контрольный список для успешной сборки печатных плат носимых устройств

• HDI-дизайн с микросквозными отверстиями и тонкими проводниками
• Соблюдайте радиус изгиба ≥10× толщины пакета
• Не размещайте чувствительные или крупные компоненты в гибких зонах
• Прокладывайте проводники вдоль нейтральной оси и избегайте концентраторов напряжения
• Планируйте защиту от влаги и внешних воздействий
• Обеспечьте надежность по ВЧ и ЭМС/ЭСД с самого начала проектирования

Успешное преодоление этих проблем имеет решающее значение для создания долговечных, миниатюрных и надежных устройств печатная плата носимой электроники продукты. Каждый выбор — от стека и материалов до методов монтажа SMT и защиты окружающей среды — влияет на реальную надежность и удовлетворенность потребителей.

6. Материалы и конструкция многослойной структуры для гибких и жестко-гибких печатных плат

Современный сборки печатных плат для носимых устройств в значительной степени зависит от материаловедения и точной инженерии слоистой структуры. Выбор материалов для гибких печатных плат , веса меди, клеев, защитных пленок и других компонентов напрямую влияет на производительность, надежность и технологичность как гибкие печатные платы (гибких печатных плат), так и жёстко-гибкие печатные платы . Правильный выбор материалов и конфигурации слоистой структуры обеспечивает соответствие носимого устройства требованиям по размеру, весу, гибкости и сроку службы — даже при постоянных механических нагрузках.

Основные материалы для гибких и жестко-гибких печатных плат

Пленка полиимида (PI)

• Субстрат высшего качества для гибких и жестко-гибких печатных плат.
• Обеспечивает отличную механическую гибкость, высокую термостойкость (до 250 °C) и превосходную химическую стабильность.
• Тонкие сечения, как правило 12–50 мкм , подходят как для ультратонких носимых пластырей, так и для более прочных гибких участков.

Медная фольга

• Сигнальный и силовой слой: Обычно доступны в вариантах 12–70 мкм толщину.
  • 12–18 мкм: Позволяет выполнять ультраплотные изгибы, используется в гибких областях с высокой плотностью.
  • 35–70 мкм: Поддерживает более высокие токи для силовых цепей или заземления.
• Катанная отожженная медь предпочтителен для динамического изгиба благодаря превосходной устойчивости к усталости, в то время как электролитически осажденный медь иногда используется для менее ответственных, в основном статических применений.

Системы на основе клея

• Соединение слоев вместе (полиимид и медь, защитная пленка и медь и т.д.).
• Акриловые и эпоксидные клеи широко применяются, но для гибких печатных плат с высокой надежностью/медицинского назначения процессы без использования клея (непосредственное ламинирование меди на полиимид) снижают риск отказа и улучшают термостойкость.

Защитная пленка / Покрытие

• Пленки защитного покрытия на основе полиимида из 12–25 мкм толщиной служат защитными и изолирующими слоями над схемой, что особенно важно для носимых устройств, подвергающихся воздействию пота или механическим нагрузкам.
• Защищает электронные компоненты от истирания, влаги и проникновения химических веществ, сохраняя при этом гибкость.

Материалы жёстких участков (гибко-жёсткие платы)

• FR-4 (стеклоткань/эпоксидная смола): Стандартный материал для жёстких участков, обеспечивающий устойчивость компонентов, прочность и экономическую эффективность.
• В медицинских или военных носимых устройствах специализированные FR-4 с высокой температурой стеклования (высокий Tg) или безгалогеновые FR-4 повышают производительность и соответствие требованиям.

Пример структуры: гибкая печатная плата для носимого устройства против гибко-жёсткой печатной платы

Простая гибкая печатная плата для носимого устройства (2-слойная)

Жестко-гибкая печатная плата (для умных часов)

Структура гибкой печатной платы для носимых устройств: рекомендации по проектированию

• Баланс меди: Сохранение близкого веса меди на верхней и нижней сторонах минимизирует коробление и скручивание после травления.
• Ступенчатые микропереходные отверстия: Распределяет механические напряжения, увеличивает срок службы гибких зон носимых устройств с многократным циклом использования.
• Техники соединения:  
  • Прямая ламинация без клея: полиимид-медь для надежности в имплантируемых или одноразовых биосенсорах, снижая риск расслоения.
  • Акриловые клеи для массовых потребительских устройств носимой электроники, обеспечивая баланс между стоимостью и гибкостью.

Варианты отделки поверхности для носимых устройств

Термостойкость и химическая стойкость

• Гибкие цепи из полиимида выдержи. температуры пиковой залуживания (220–240°C) во время сборки.
• Носимые устройства должны быть устойчивы к поту (солям), кожному жиру, моющим средствам и УФ-излучению — поэтому полиимид и парафин являются отраслевыми фаворитами.
• Исследования старения показывают, что правильно изготовленные гибкие печатные платы сохраняют электрическую и механическую целостность в течение 5+ лет ежедневного активного использования (более 10 000 циклов изгиба), если они защищены подходящим покрытием или слоем.

Ключевые аспекты и лучшие практики

• Оптимизируйте структуру для гибкости: Сведите количество слоёв и толщину клеевого слоя к минимуму, необходимому для надёжности и пропускной способности сигнала.
• Соблюдайте минимальный радиус изгиба (≥10× толщины): Критически важно для предотвращения разрушения, усталости паяных соединений или расслоения при ежедневном использовании.
• Используйте высококачественную катанную медь и плёнку ПИ: Особенно для динамических изгибов (браслеты, фитнес-трекеры).
• Укажите вырезы в защитной пленке: Открывайте только контактные площадки, снижая риски проникновения внешних воздействий.

Контрольный список материалов для печатных плат носимых устройств:

• Пленка полиимида (без клея, по возможности)
• Прокатанная отожженная медь для гибких зон
• FR-4 для жестких секций (только rigid-flex)
• Акриловый или эпоксидный клей (в зависимости от класса устройства)
• Покрытие ENIG или OSP
• Защитное покрытие Parylene/PI

Выбор и настройка правильных материалов для гибких печатных плат и стекапа — это не просто инженерная деталь, а решающий фактор комфорта, надежности и соответствия нормативным требованиям вашего продукта. Продуманный выбор материалов и стекапа лежит в основе каждого успешного PCB for wearables проект.

7. Лучшие практики размещения компонентов и трассировки сигналов

Эффективный размещение компонентов и умных маршрутизация сигнала лежат в основе успеха любого сборки печатных плат для носимых устройств — особенно при работе с гибкими печатными платами или конструкциями rigid-flex. Ошибки на этом этапе могут привести к образованию трещин в паяных соединениях, ВЧ-помехам, преждевременным механическим повреждениям или такой сложной компоновке, что выход годных изделий и надежность резко снижаются. Рассмотрим лучшие отраслевые практики, основанные как на гибкий печатный circuit board теории, так и на тысячах «извлеченных уроков» в электронике носимых устройств.

Размещение компонентов: принципы обеспечения надежности и долговечности

1. Конструктивные зоны: размещайте тяжелые компоненты вне гибких участков

• Жесткие зоны для устойчивости: Размещайте тяжелые, высокие или чувствительные компоненты (такие как микроконтроллеры, датчики, модули Bluetooth/Wi-Fi и аккумуляторы) на жестких участках печатной платы. Это снижает нагрузку на паяные соединения и уменьшает риск растрескивания при изгибе и эксплуатации.
• Гибкие зоны только для трассировки: Используйте гибкие области в первую очередь для передачи сигналов и питания. Если вы должны разместить легкие пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы) или разъемы в гибких зонах, убедитесь, что они выровнены вдоль нейтральная ось (центральной линии, в которой напряжение при изгибе детали минимально).

2. Учитывайте ось изгиба и нейтральную ось

• Размещение компонентов на изгибах: Избегайте установки любых SMT-устройств непосредственно на оси изгиба (линии, вокруг которой сгибается схема). Даже незначительное смещение от оси может удвоить количество циклов наработки до отказа при испытаниях на многократный изгиб.
• Таблица: Рекомендации по размещению компонентов

3. Переходные отверстия и площадки

• Размещайте переходные отверстия подальше от зон с высокой нагрузкой на изгиб: Переходные отверстия, особенно микроотверстия, могут служить точками зарождения трещин при многократном изгибе. Размещайте их в зонах с низкой нагрузкой и никогда — на оси изгиба.
• Используйте контактные площадки каплевидной формы: Каплевидные переходы уменьшают концентрацию напряжений в местах соединения проводников с контактными площадками или переходными отверстиями, минимизируя риск образования трещин при изгибе.

Маршрутизация сигналов: обеспечение целостности, гибкости и качества работы в ВЧ-диапазоне

1. Изогнутые проводники и плавные переходы

• Без острых углов: Всегда прокладывайте проводники плавными изгибами, а не под углами 45° или 90°. Острые углы создают зоны концентрации напряжений, из-за чего проводники могут ломаться после многократного изгиба.
• Ширина и расстояние между проводниками:  
  • ≤0,1 мм ширина проводника для высокоплотных носимых устройств, но более широкие, если позволяет место (минимизация сопротивления и повышение надёжности).
  • Поддерживать однородное Расположение для стабильности ЭМС.

2. Контролируемый радиус изгиба

• Рекомендуемый радиус изгиба: Набор минимальный радиус изгиба должен составлять как минимум 10× от общей толщины для всех динамических зон изгиба, снижая вероятность растрескивания меди или расслоения (например, для гибкой печатной платы толщиной 0,2 мм радиус изгиба должен быть не менее 2 мм).
• Если требуются более резкие изгибы: Можно использовать медь меньшей толщины и более тонкую пленку из полиимида, однако обязательным является циклическое тестирование для подтверждения работоспособности конструкции в реальных условиях.

3. Слоистая структура в гибких и жестких зонах

• Ступенчатое размещение трасс: Располагайте проводники и переходные отверстия по разным слоям в многослойных гибких платах, чтобы предотвратить накопление напряжений в одной точке.
• Разделение сигнальных и силовых линий: Прокладывайте цифровые, аналоговые и ВЧ-сигналы на отдельных слоях или в отдельных зонах.
  • Группируйте силовые линии и линии заземления вместе для уменьшения ЭМИ и шумов.
  • Используйте экранирующие проводники или сплошные экраны для антенн и ВЧ-линий.

4. Взаимосвязь датчиков и высокоскоростная трассировка

• Прямое соединение: Размещайте датчики (электроды ЭКГ, акселерометры, фотодиоды) в непосредственной близости от аналоговых входных каскадов, минимизируя шумы и сохраняя целостность сигнала — особенно на аналоговых линиях с высоким импедансом.
• Микрополосковые и щелевые линии передачи: Используются для ВЧ-трасс, поддерживая импеданс 50 Ом. Применяйте калькуляторы контроля импеданса при трассировке модулей Bluetooth или Wi-Fi.

5. Экранирование, ВЧ и заземление

• Заливка земли возле антенн: Обеспечьте как минимум 5–10 мм зазора вокруг антенн, с достаточными путями возврата по земле и перегородками из переходных отверстий для улучшения экранирования.
• Разделите цифровые и ВЧ секции: Используйте заземляющие плоскости и вырезы на плате для уменьшения наводок ЭМП.

Распространенные ошибки и способы их избежать

• Питфолл: Прокладка критической линии тактового сигнала через гибкую зону с несколькими изгибами.
  • Решение: Прокладывайте высокоскоростные/ВЧ трассы по прямым участкам с контролируемым импедансом, максимально близко к жестко установленному кварцевому резонатору.
• Питфолл: Размещение контрольных точек/переходных отверстий в областях с высокой гибкостью.
  • Решение: Используйте краевые разъемы или размещайте контрольные точки в жестких, легко доступных областях.

Контрольный список быстрых советов

• Размещайте все микросхемы и тяжелые компоненты на жестких участках.
• Ориентируйте пассивные компоненты вдоль нейтральной оси, подальше от изгибов.
• Используйте изогнутые трассы и контактные площадки каплевидной формы.
• Старайтесь сохранять максимально возможную ширину трасс и расстояния между ними.
• Экранируйте и разделяйте ВЧ, цифровые и аналоговые области.
• Избегайте переходных отверстий и контрольных точек на участках гибкой печатной платы, которые будут регулярно изгибаться.
• Проверяйте топологию с помощью инструментов DFM для прогнозирования проблем при производстве.

Тщательно продуманные размещение компонентов и маршрутизация сигнала являются ключевыми для обеспечения функциональной долговечности и соответствия нормативным требованиям в каждом PCB for wearables . При возникновении сомнений проводите проверку с помощью испытательных стендов на изгиб и пробных сборок перед началом производства — ваша статистика по гарантийным случаям скажет вам спасибо!

8. Методы сборки печатных плат: поверхностный монтаж, пайка и контроль

Рост сборки печатных плат для носимых устройств и сверхтонкие устройства расширили границы не только проектирования, но и производства. При создании гибких печатных плат, гибких плат (FPC) или жестко-гибких конструкций технологии сборки необходимо обеспечить надежность, точность и минимальные механические нагрузки на компоненты как во время, так и после процесса печатная плата носимой электроники решения.

SMT-сборка гибких печатных плат и носимых устройств

Поверхностный монтаж (SMT) является предпочтительным выбором для Сборка ГПК в носимых устройствах, но процесс должен адаптироваться к уникальным свойствам гибкие печатные платы .

Ключевые адаптации для гибких и жестко-гибких печатных плат:

• Использование жестких несущих пластин или приспособлений:  
  • ГПП, будучи тонкими и гибкими, требуют поддержки во время установки компонентов и пайки. Жесткие несущие пластины предотвращают деформацию и коробление.
• Вакуумные фиксаторы или временные усилители жесткости:  
  • Временно крепятся к гибкой плате, чтобы создать ровную и устойчивую основу для SMT, и снимаются после сборки.
• Точные опознавательные метки и монтажные отверстия:  
  • Необходимы для точной привязки при автоматической установке (<0,01 мм допуск для компонентов типоразмера 0201).

Размещение компонентов SMT:

• 0201 и микро-BGA: В носимых устройствах часто используются одни из самых маленьких в мире компонентов для поверхностного монтажа, чтобы сэкономить место и уменьшить вес.
• Калибровка установки компонентов: Требуются высокоточные машины; обязательным является использование визуального или лазерного наведения для правильной ориентации и позиционирования.
• Скорость против гибкости: Скорость размещения может быть ниже по сравнению с жёсткими платами из-за необходимости бережного обращения и предотвращения изгиба платы во время установки.

Методы пайки и профили переплавки для гибких печатных плат

Сочетание тонких слоёв полиимида, прокатанной меди и клеев делает Сборка ГПК уникально чувствительными к температуре и механическим нагрузкам.

Рекомендуемый профиль оплавления для гибких печатных плат из полиимида

• Низкотемпературный припой (например, Sn42Bi58): Используется для защиты клеевых слоев и предотвращения расслоения в чувствительных конструкциях или там, где присутствуют компоненты, чувствительные к температуре.
• Рефлоу в азоте: Инертная азотная среда предотвращает окисление во время пайки, что критически важно для сверхмелких контактных площадок и улучшения качества соединений.

Передовые процессы и инструменты

Заполнение и армирование

• Заполнение: Наносится под крупные или чувствительные компоненты в гибких зонах для поглощения механических напряжений.
• Армирование краев: Локальные усилители или утолщённое покрытие обеспечивают устойчивость к проколам или поддержку зон разъёмов.

Токопроводящие клеи

• Используется для термочувствительных или органических оснований, где традиционная пайка может повредить плату.
• Обеспечивают соединения с меньшим профилем, сохраняя гибкость.

Инспекция и тестирование

Обнаружение дефектов на гибких печатных платах является более сложной задачей, поэтому передовые методы контроля имеют решающее значение.

Автоматический оптический контроль (AOI)

• Автоматический оптический контроль с высоким увеличением: Обнаруживает замыкания припоя, эффект «надгробия», несоосность на компонентах микромасштаба.
• Рентгеновская инспекция: Необходимо для BGAs, микро-BGAs и скрытых соединений с мелким шагом — незаменимо для сборки высокоплотных печатных плат носимых устройств.
• Тестирование летающим щупом: Используется для обнаружения обрывов и коротких замыканий в случаях, когда приспособления для автоматического тестирования (ICT) непрактичны для серий с большим разнообразием и малым объемом.

Тестирование гибкости и воздействия окружающей среды

• Установки динамического изгиба: Подвергают собранные платы тысячам циклов изгиба для обеспечения прочности соединений и проводников.
• Испытания на влажность и соляной туман: Проверяет защитное покрытие печатных плат, обеспечивая устойчивость к поту или влажной среде.

Пример из практики: SMT-монтаж трекера фитнеса

Крупный производитель носимых устройств внедрил следующие шаги для своего ультратонкого фитнес-трекера:

• Установка гибких печатных плат на индивидуальные фрезерованные каретки из нержавеющей стали для обеспечения плоскостности.
• Использование автоматической оптической инспекции (AOI) и рентгеновской инспекции после каждого этапа поверхностного монтажа (SMT).
• Применение пиковой температуры оплавления 225°C и времени выше ликвидуса 60 сек , оптимизированных для предотвращения прожигания клея.
• Проведено 10 000 циклов изгиба для имитации двухлетнего ежедневного сгибания; трещины в припое не наблюдались в производственных партиях, где применялся подфил.

Краткий контрольный список SMT и пайки для гибких / жестко-гибких печатных плат носимых устройств

• Всегда используйте жесткие или вакуумные держатели.
• Настройте калибровку установщика компонентов под специфический ход для гибких плат.
• Следуйте рекомендованным производителем профилям нагрева, выдержки и пиковой температуры.
• Выбирайте низкотемпературный припой для чувствительных многослойных конструкций.
• Проверяйте все соединения с помощью автоматической оптической инспекции (AOI) и рентгена, особенно для микросхем типа micro-BGA.
• Рассмотрите использование подлива или усилителей в зонах разъёмов с высокой нагрузкой.
• Моделируйте изгиб и тестирование на весь срок службы перед массовым производством.

9. Защита от влаги, ударов и коррозии

В условиях эксплуатации носимых устройств надёжные стратегии защиты не менее важны, чем продуманный дизайн и точная сборка. Пот, дождь, влажность, кожное сало и ежедневные движения подвергают каждое устройство коррозионному, изгибающему и ударному воздействию. Без надлежащей защиты даже самые передовые PCB for wearables устройства могут выйти из строя гибкая ПЛС или гибко-жесткая сборка могут страдать от снижения производительности, коротких замыканий или даже катастрофического отказа в течение нескольких месяцев. Давайте рассмотрим проверенные методы отрасли по защите сборка гибкой печатной платы для длительного и надежного срока службы в реальных условиях эксплуатации.

Почему важна защита от влаги и коррозии

Печатная плата носимой электроники сборки регулярно подвергаются воздействию пота (содержащего соли, кислоты и органические молекулы), окружающей влажности и контакта с кожей. Основные виды отказов включают:

• Влагопоглощение: Снижение сопротивления изоляции, образование токов утечки и электрические замыкания.
• Коррозия: Разрушение медных проводников и паяных соединений, особенно при наличии хлоридов в поте.
• Расслоение: Набухание или гидролиз клеевых слоев, приводящие к отделению и механическому повреждению.
• Механические нагрузки: Многократное изгибание может привести к образованию микротрещин в открытых проводниках и паяных соединениях, что дополнительно ускоряется проникновением влаги.

Конформное покрытие для печатных плат: типы и выбор

Конформные покрытия представляют собой тонкие защитные пленки, наносимые на собранные печатные платы. Их основные функции — исключение воздействия влаги и агрессивных веществ, изоляция от электрической дуги или короткого замыкания, а иногда и защита от абразивного износа или механических повреждений.

Распространенные типы покрытий:

Селективное нанесение покрытий и герметизация

• Селективное нанесение: Покрытие наносится только на участки, подверженные воздействию пота или внешних факторов, оставляя чувствительные к нагреву или контрольные точки без покрытия для обеспечения технологичности и диагностики.
• Заливка/герметизация: В некоторых прочных устройствах критические зоны платы или компоненты напрямую заливаются силиконовыми или эпоксидными герметиками, обеспечивая защиту от механических ударов и влаги.

Стратегии построения влаго- и коррозионностойких многослойных структур

• Герметичные края: Пленки покрытия должны плотно охватывать контур, с минимальным оголенным медным слоем на краях. При необходимости применяется герметизация краев смолой или защитным покрытием.
• Отсутствие оголенных переходных отверстий: Все переходные отверстия в гибких зонах должны быть закрыты или заполнены, чтобы предотвратить прямое проникновение пота.
• Выбор финишного покрытия: Покрытия ENIG и OSP повышают устойчивость к коррозии; избегайте HASL в носимых устройствах из-за неравномерного нанесения и повышенной склонности к подтравливанию.

Повышение устойчивости к ударам, вибрации и механическим нагрузкам

• Ребра жесткости: Применяются в областях соединителей для поглощения усилия подключения или там, где ГПП встречается с твердыми пластиками.
• Заполнение: Вводится под крупные компоненты, компенсирует разницу в механической податливости, снижая риск растрескивания паяных соединений при многократном изгибе.
• Усиленное защитное покрытие: Повышает локальную стойкость к проколам и истиранию, особенно важно для тонких устройств, контактирующих с кожей.

Методики испытаний на надежность

• Гибкие печатные платы проходят:  
  • Тестирование на изгиб Тысячи до десятков тысяч циклов изгиба.
  • Испытания на влажность и соляной туман: Воздействие ~85 % влажности, >40 °C в течение нескольких дней — недель.
  • Испытание на падение/удар: Моделирование падений или внезапных ударов.

10. Управление питанием и оптимизация РЧ-сигналов

Эффективность энергопотребления и надежная беспроводная связь являются ключевыми основами успешных сборки печатных плат для носимых устройств . Короткое время автономной работы или нестабильное подключение часто становятся причиной жалоб потребителей и провала запуска продукта, поэтому управление питанием и оптимизация РЧ (радиочастотных) характеристик играют центральную роль в вашей стратегии проектирования. Давайте рассмотрим, как правильные гибкая ПЛС и жестко-гибкая ПЛС топология, структура слоёв и выбор компонентов обеспечивают энергоэффективность, высокую производительность и устойчивость к помехам печатная плата носимой электроники .

Советы по управлению питанием для носимых устройств

1. Широкие трассы питания и сплошные плоскости заземления

• Важно сопротивление трасс: Сведите к минимуму падение напряжения и резистивные потери, используя максимально допустимые широкие трассы питания и заземления — желательно ≥0,2 мм по возможности делайте их широкими в многослойной структуре FPC. Тонкая медь или узкие трассы быстро снижают эффективность систем с низковольтными литиевыми батареями.
• Сплошные плоскости: В многослойных гибких и жестко-гибких конструкциях прокладывайте заземление и питание в виде сплошных плоскостей. Такой подход снижает восприимчивость к ЭМС/ESD и уменьшает потери IR, что особенно важно для устройств, которые часто выходят из спящего режима и осуществляют беспроводную связь.

2. Разделительные конденсаторы и целостность питания

• Тщательное размещение разделительных конденсаторов: Размещайте конденсаторы как можно ближе к контактам питания/земли, а также к LDO и понижающим регуляторам.
• Короткие и широкие соединения: Используйте максимально короткие трассы между конденсаторами и контактными площадками ИС для подавления шумов и пульсаций.

3. Линейные стабилизаторы и импульсные преобразователи

• LDO для получения особенно чистого питания: Аналоговые/RF-секции, как правило, используют LDO для обеспечения низкого уровня шума, даже если это происходит за счет некоторой эффективности.
• Импульсные регуляторы для повышения эффективности: Цифровые платформы и сенсоры отдают предпочтение импульсным преобразователям для достижения высокой эффективности, но с учетом более сложной разводки (шум от высокочастотного переключения; требуется тщательное проектирование печатной платы и экранирование).

4. Сегментированные силовые шины

• Коммутируемые силовые домены: Используйте нагрузочные переключатели или MOSFET-транзисторы для отключения подачи питания на отдельные секции (например, сенсоры, Bluetooth, дисплеи) в режиме ожидания, чтобы предотвратить утечку тока в спящем режиме.
• Индикаторы заряда батареи: Размещение индикаторов заряда батареи на основном входе FPC упрощает измерение уровня заряда (SOC) на уровне системы и позволяет использовать интеллектуальные протоколы зарядки.

Оптимизация RF для сборки печатных плат в носимых устройствах

Работоспособность носимых устройств полностью зависит от их способности надежно передавать данные. Будь то Bluetooth для наушников, Wi-Fi для мониторов пациентов или NFC для бесконтактной оплаты — проектирование RF в гибкая ПЛС сборка должна преодолевать множество проблем интеграции.

1. Контролируемое волновое сопротивление и конструкция трасс

• Согласование импеданса: Поддерживать 50 Ом характеристическое сопротивление на ВЧ-трассах, с использованием микрополосковых структур или полосковых волноводов, как рекомендуют производители чипов.
  • Регулируйте ширину трасс, расстояние до заземления и структуру многослойной печатной платы в соответствии с калькулятор импеданса .
• Короткие и прямые ВЧ-линии: Делайте линии питания антенны как можно более короткими и прямыми, чтобы минимизировать вносимые потери и искажения сигнала.

2. Зона вокруг антенны и её размещение

• Зона вокруг — это важно: Укажите как минимум 5–10 мм зазора вокруг антенн, без меди, заземления и крупных компонентов.
  • Для небольших гибких печатных плат используйте печатные антенны в гибкой области — они изгибаются вместе с устройством и требуют надежной настройки/согласования.
• Нет металла сверху/снизу: Избегайте блоков батарей, экранов или дисплеев непосредственно над антеннами или ВЧ-каскадами; это может привести к расстройке антенны и ослаблению излучаемой мощности.

3. Экранирование, заземление и изоляция

• Экраны заземления для ВЧ: Создавайте сплошные участки заземления и перегородки из переходных отверстий (via fences) на границах разделения ВЧ/цифровых цепей.
  • Используйте перегородки из переходных отверстий (ряды отверстий с шагом 0,5–1,0 мм) для изоляции ВЧ-зон.
• Изоляция цифровых и ВЧ-цепей: Размещайте цифровые часы, линии данных и импульсные источники питания подальше от чувствительных ВЧ-участков. При необходимости используйте вырезы или изолирующие прорези в заземляющих плоскостях.

Пример из практики: модуль Bluetooth в трекере фитнеса

Известная команда по разработке фитнес-трекеров использовала шестислойную конструкцию гибкой печатной платы с выделенными верхней и нижней заземляющими плоскостями. Антенна Bluetooth располагалась на самом краю гибкой области ремешка, обеспечивая свободное от меди и компонентов пространство шириной 15 мм. Инженеры использовали калькулятор согласованного волнового сопротивления, чтобы точно выставить волновое сопротивление питающего проводника на 50 Ом.

11. Рекомендации по проектированию с учетом технологичности (DFM)

Переход от блестящей сборки печатных плат для носимых устройств концепции к массовому производству означает, что необходимо учитывать не только функциональность — производимость технологичность является решающим фактором. Пренебрежение DFM для гибких печатных плат требованиями технологичности при проектировании гибких или жестко-гибких плат может привести к браку в производстве, потерям выхода годных изделий, увеличению затрат или даже задержке запуска. Для носимых устройств с их миниатюрными, нестандартными формами и высокими требованиями к надежности каждый аспект подхода к DFM имеет значение.

Основные рекомендации DFM для гибких и жестко-гибких печатных плат

Соблюдайте достаточный радиус изгиба

• Правило: радиус изгиба ≥10× толщины Для любой динамической гибкой зоны (области, которая будет изгибаться в процессе эксплуатации) минимальный внутренний радиус изгиба должен составлять 10 толщин гибкого пакета .
  • Пример печатную плату толщиной 0,2 мм нельзя изгибать с радиусом менее 2 мм при нормальной работе.
• Более резкие изгибы возможны для статических применений, но всегда требуют предварительного циклического тестирования перед производством для подтверждения пригодности.

Не размещайте компоненты и переходные отверстия в гибких/изгибаемых зонах

• Нет компонентов/переходных отверстий вблизи краев или изгибаемых участков:  
  • Размещайте все критические/чувствительные компоненты в жестких зонах или вдали от осей изгиба.
  • Правило: Соблюдайте буфер не менее 1 мм между ближайшим компонентом/переходным отверстием и началом динамического изгиба.
• Только защищённые или заполненные переходные отверстия: Предотвращает капиллярное проникновение флюса или последующее попадание влаги/коррозии.

Включите фидуциальные метки, монтажные отверстия и элементы для регистрации

• Фидуциальные метки: Обеспечивают чёткие точки для выравнивания при поверхностном монтаже — критически важны для точной сборки, особенно с компонентами типоразмера 0201.
• Монтажные отверстия: Обеспечивают точное размещение на сборочных платах-носителях, что необходимо для высокоскоростной автоматизированной сборки гибких плат.

Соблюдение симметрии меди и стека

• Сбалансированное распределение меди: Обеспечивает равномерные механические свойства и снижает риск деформации или скручивания платы после пайки оплавлением или изгиба.
• Симметричный стек: В конструкциях жестко-гибких плат по возможности используйте зеркальные стеки, чтобы плата не «сворачивалась» после изготовления или нанесения покрытия.

Используйте подходящие усилители и армирующие элементы

• Жесткие участки требуют армирования: Добавляйте усилители (элементы из FR-4 или полиимида) под зонами SMT-разъёмов, контрольными площадками или компонентами, которые могут подвергаться усилиям при установке/извлечении.

Рекомендации по проектированию для сборки гибких печатных плат в носимых устройствах

• Конструкция контактных площадок: Используйте контактные площадки, определенные без маски для пайки (NSMD), для улучшения качества паяных соединений.
• Расположение компонентов: Предусмотрите достаточное расстояние между поверхностными компонентами (SMT) для обеспечения возможности автоматического оптического контроля (AOI) и рентгеновской инспекции, особенно для микросхем в корпусе micro-BGA.
• Зазор от края: Не менее 0,5 мм от медного слоя до контура платы, чтобы избежать коротких замыканий, расслоения или плохой обработки краев.

Таблица рекомендаций по трассировке

Использование инструментов анализа DFM

Промышленные инструменты от ведущих производителей печатных плат упрощают переход от проектирования к производству. Используйте бесплатные/онлайн-инструменты проверки DFM, чтобы выявить риски изготовления до передачи gerber-файлов вашему поставщику гибких плат.

• Инструмент DFM JLCPCB: Веб-инструмент, поддерживает гибкие, жесткие и гибко-жесткие конструкции.
• Анализаторы DFM ALLPCB/Epec: Включают библиотеки слоёв для гибких конструкций, распространённые правила IPC и могут имитировать этапы производственного процесса.
• Внутренние проверки DFM: Многие средства автоматизированного проектирования (EDA) поддерживают анализ DFM для гибких и гибко-жестких плат на основе правил — активируйте и настройте их как можно раньше на этапе разводки.

Контрольный список проверки DFM

• Убедитесь, что все предполагаемые изгибы соответствуют минимальному радиусу.
• Отсутствие компонентов или контрольных площадок в зонах изгиба/гибких областях.
• Многослойная структура сбалансирована и симметрична.
• Маркеры и монтажные отверстия на каждой панели.
• Жесткие вставки предусмотрены под разъемами и участками с высокой нагрузкой.
• Все правила проектирования (DR) проверяются по критериям технологичности (DFM) поставщиком до начала массового производства.

Пример: предотвращение дорогостоящих ошибок

Известная компания-разработчик носимых устройств не учла радиус изгиба и размещение переходных отверстий в первой версии фитнес-пластыря, что привело к 32% брака плат из-за повреждённых проводников и разомкнутых переходных отверстий в первой производственной партии. После перепроектирования с учётом требований технологичности, добавления зазора между переходным отверстием и линией изгиба в 1 мм и увеличения минимального радиуса изгиба до 8-кратной толщины, выход годных изделий вырос до 98,4 % в следующей партии, а рекламации по гарантии исчезли.

12. Типичные неисправности при сборке печатных плат и способы их предотвращения

Несмотря на достижения в области материалов, сборки и автоматизации проектирования, реальные эксплуатационные характеристики сборки печатных плат для носимых устройств часто определяется небольшим количеством повторяющихся — и предотвратимых — режимов отказа. Понимание коренных причин и внедрение стратегий профилактики, соответствующих передовой практике, крайне важно для предотвращения дорогостоящих отзывов, возвратов или недовольных клиентов. В этом разделе подробно описываются наиболее распространенные механизмы отказа встречающиеся при гибкая ПЛС и жестко-гибкая ПЛС производстве, а также изложены проверенные и практически применимые решения.

Трещины и усталость паяных соединений

Что идет не так: По мере того как гибкие печатные платы подвергаются многократному изгибу — иногда тысячи циклов изгиба при ежедневном использовании носимых устройств — напряжение накапливается в паяных соединениях компонентов поверхностного монтажа (SMB), особенно на осях изгиба или в областях с высокой разницей деформаций. Со временем в припое могут образовываться мелкие трещины, приводящие к увеличению сопротивления или полному разрыву цепи.

Причины:

• Размещение компонентов на участках динамического изгиба или в их непосредственной близости.
• Использование хрупких сплавов припоя или отсутствие применения подлива там, где это необходимо.
• Чрезмерное воздействие температуры во время сборки/перепайки (приводящее к росту зерен микроструктуры или возникновению концентраторов напряжений).
• Плохая конструкция гибкого/жесткого соединения, приводящая к концентрации напряжений на одном крае.

Как предотвратить:

• Всегда размещайте крупные или жесткие компоненты вдали от осей изгиба —идеальным вариантом является размещение в жестких зонах.
• Наносите подкладочный состав под BGA, QFN или крупными компонентами в гибких областях для распределения и поглощения механических напряжений.
• Используйте гибкие припои (например, с повышенным содержанием серебра для повышения пластичности).
• Моделируйте изгибание на этапе прототипирования (тестирование на циклический изгиб более чем 10 000 циклов).
• Проектируйте плавные переходы между слоями (без резких переходов между жесткими/гибкими зонами).

Расслоение и отслоение клеевого слоя

Что идет не так: Слои гибкой печатной платы (FPC) или гибко-жесткой платы отделяются — либо по границе раздела медь-полиимид, внутри клеевого слоя, либо под защитным покрытием в условиях высокой влажности. Расслоение часто приводит к катастрофическим последствиям, вызывая немедленное размыкание цепи.

Основные причины:

• Захваченная влага во время сборки (отсутствие предварительной сушки гибких плат).
• Слишком высокая температура пайки оплавлением, приводящая к деградации клеевых материалов.
• Плохая адгезия меди к полиимиду из-за загрязнения или неправильной последовательности слоёв.
• Монтажные напряжения в слоях из-за неправильного крепления жестких вставок.

Как предотвратить:

• Всегда проводите предварительную сушку панелей гибких печатных плат (125°C, 2–4 часа) перед сборкой методом поверхностного монтажа (SMT), чтобы удалить поглощенную влагу.
• Используйте припой с низкой температурой плавления и настройте профили оплавления чтобы избежать разложения клея.
• Указывайте высококачественный полиимид и проверенные клеевые системы.
• Тщательная конструкция/применение жестких вставок — применяется с гибкими пленками, а не твердыми клеевыми шариками.

Таблица: Контрольный список предотвращения расслоения

Коррозия и проникновение влаги

Что идет не так: Незащищенные медные дорожки, переходные отверстия или контактные площадки подвержены коррозии — особенно в устройствах, подверженных потоотделению, — что приводит к образованию зеленых солей меди, повышенному сопротивлению, обрывам цепи или дендритным замыканиям.

Основные причины:

• Неполное или плохо нанесенное защитное покрытие.
• Проникновение влаги через открытые/незаполненные переходные отверстия в гибких участках.
• Незагерметизированные края или расслоившееся покрытие.
• Неудачный выбор покрытия на открытых контактных площадках (HASL вместо ENIG/OSP).

Как предотвратить:

• Выберите надежное защитное покрытие (парилен, акрил, силикон) для герметизации в условиях воздействия окружающей среды.
• Закрывайте или заполняйте все переходные отверстия в гибких зонах; избегайте ненужных сквозных отверстий.
• Герметизация краев и сплошное покрытие гибких печатных плат.
• Используйте покрытия ENIG или OSP с доказанной стойкостью к коррозии в носимых устройствах.

Дрейф РЧ и отказы беспроводной связи

Что идет не так: Устройство, которое работает в лаборатории, теряет дальность действия или страдает от прерывистой работы Bluetooth/Wi-Fi «в полевых условиях». Часто переделка или нанесение покрытия смещает резонансную частоту антенны или увеличивает вносимые потери.

Основные причины:

• Недостаточный или неповторяемый зазор вокруг антенны.
• Плоский проводник земли или экран размещены слишком близко к антенне/печатному проводнику после повторного проектирования или как исправление.
• Неправильная структура многослойной платы или неконтролируемый импеданс на ВЧ-линиях.
• Слишком толстое покрытие или с неправильной диэлектрической проницаемостью, нанесённое поверх антенн.

Как предотвратить:

• Обеспечьте зазор 5–10 мм вокруг антенны как при трассировке, так и при сборке.
• Тщательный контроль импеданса: Всегда используйте калькуляторы структуры платы и проверяйте импеданс собранных изделий в производственных условиях.
• Настройка антенны на месте: Окончательная настройка должна выполняться после нанесения всех покрытий и сборки корпуса.
• Внедрить ВЧ-тест как элемент контроля качества на выходе при производстве , а не только как контрольный список на этапе проектирования.

Таблица быстрого доступа для предотвращения проблем

Тестирование на изгиб и ресурс обязательно

Для любой конструкции, предназначенной для носимых устройств или гибкого использования, перед началом серийного производства образцы должны пройти ускоренное тестирование на изгиб , падение, влажность и соляной туман. Результаты этих испытаний должны использоваться для итерационного совершенствования конструкции задолго до массового производства.

Вкратце: Большинство отказов в Сборка ГПК и жестко-гибкие печатные платы возникают из-за упущенных базовых аспектов — размещения, управления влажностью, покрытия и целостности электрического дизайна. Если вы заранее спроектируете с учетом этих факторов, вы сможете создавать продукцию высочайшего класса печатная плата носимой электроники которая будет отлично работать в реальных условиях, а не только в лаборатории.

13. Будущие тенденции в производстве гибких и жестко-гибких печатных плат

Мир сборки печатных плат для носимых устройств и гибкая электроника стремительно развиваются. По мере того как потребительские и медицинские устройства требуют всё более компактных, умных и прочных форм, следующая волна инноваций в проектировании и производстве готова изменить не только носимые устройства, но и всю электронную промышленность. Рассмотрим наиболее значимые тенденции гибкая ПЛС и жестко-гибкая ПЛС которые определят будущее появляющиеся тренды гибких и жестко-гибких печатных плат печатная плата носимой электроники технология.

1. Продвинутые материалы: Дальше полиимида

• Графен и субстраты на основе наноматериалов: Введение графеновый и другие 2D-материалы должны открыть новые перспективы для сверхтонких, высокопроводящих и чрезвычайно гибких схем. Первоначальные исследования показывают превосходную гибкость, повышенную токовую нагрузку и потенциал для применения в интегрированных биосенсорах или растяжимых дисплеях (например, электронные пластыри или мягкая робототехника).
• Растягиваемые композиты на основе полиимида: Новые варианты полиимида со встроенными свойствами растяжения и восстановления позволят печатным платам выдерживать не только изгиб, но и растяжение, а также скручивание — что подходит для медицинских носимых устройств нового поколения, повторяющих форму движущихся суставов, или умной спортивной одежды.
• Биосовместимые и биоразлагаемые основы: Для имплантов и экологически чистых одноразовых изделий ведутся исследования материалов, которые безопасно разлагаются после использования или длительное время остаются инертными в организме.

2. Гибкие печатные платы с 3D-печатью и быстрым прототипированием

• печатные платы и межсоединения с 3D-печатью: Сочетание аддитивного производства и функциональных чернил теперь позволяет напрямую печатать целые сборки схем, антенны и даже гибридные жестко-гибкие платы за один процесс. Это сокращает время прототипирования с недель до часов и раскрывает новые возможности для творчества при создании органических или встроенных компоновок.
• Персонализированные медицинские устройства: Клиники и исследовательские больницы вскоре получат возможность быстро печатать индивидуальные носимые пациентом мониторы, точно соответствующие анатомии или медицинским потребностям — что значительно снизит расходы и улучшит результаты лечения.

3. Рост плотной и многослойной интеграции

• Увеличение количества слоев: Поскольку умные часы и медицинские устройства требуют всё большего количества функций при тех же (или меньших) габаритах, отрасль стремительно движется к использованию гибких печатных плат с 6, 8 или даже 12 слоями с применением сверхтонкой меди (до ~9 мкм) и особо тонких диэлектриков.
• Технология микроотверстий с минимальным шагом и микрофрезеровкой: Микроотверстия размером до 0.05 мм и шаг компонентов менее 0,3 мм станет обычным явлением, что позволит размещать все больше датчиков, памяти и интегральных схем управления питанием в корпусах размером в доли миллиметра.
• Система-в-корпусе (SiP) и чип-на-гибкой-подложке: Прямое крепление кристаллов (чип-на-гибкой-подложке), многокристальные модули и интегрированные пассивные компоненты на гибких подложках позволят уменьшить размеры и повысить функциональность носимых устройств.

4. Интеграция с растягиваемой и текстильной электроникой

• Внедрение в текстиль: Электроника для носимых устройств всё чаще интегрируется в одежду (умные рубашки, носки и патчи), где гибкие или комбинированные жестко-гибкие печатные платы могут быть герметизированы или прошиты непосредственно в ткань для обеспечения бесшовного взаимодействия с пользователем.
• Инновации в области растягиваемых цепей: Металлические сетки, зигзагообразные проводники и разработки в области подложек делают реальностью появление действительно растягиваемых цепей, способных к удлинению на 20–50 %, что необходимо для фитнес- и медицинских устройств, которые должны изгибаться, скручиваться и растягиваться вместе с телом, не теряя функциональности.

5. Автоматизированное тестирование, контроль и повышение выхода годных изделий на основе ИИ

• Интеграция «умного завода»: Производственные линии для гибкой сборки печатных плат теперь внедряют инспекцию на основе ИИ (AOI, рентгеновский контроль и прозвонка), чтобы выявлять микродефекты, прогнозировать отказы и оптимизировать выход годных изделий.
• Тестирование циклов как стандарт: Автоматизированные стенды для испытаний на изгиб и воздействие окружающей среды в ближайшее время станут стандартом, обеспечивая соответствие каждой партии печатных плат электроники для носимых устройств требованиям к функциональному сроку службы — не как дополнительная опция, а как неотъемлемая часть процесса.

6. Расширение возможностей IoT и беспроводной связи

• Бесшовное подключение: Благодаря 5G, UWB и новым протоколам IoT, печатные платы для носимых устройств будут интегрировать всё больше антенн, передовые ВЧ-переключатели, а также самоисцеляющиеся или перестраиваемые по частоте проводники для оптимизации производительности в динамических условиях (пот, движение, изменения окружающей среды).
• Энергопреобразование на борту: Конструкции гибких печатных плат нового поколения уже исследуют возможность встраивания солнечных элементов, трибоэлектрических или радиочастотных систем сбора энергии, что позволяет увеличить время автономной работы устройства или даже реализовать умные патчи без использования аккумуляторов.

Отраслевая перспектива и цитаты

«Мы выходим за рамки простой гибкости; печатные платы следующего поколения будут мягкими, растягиваемыми и почти незаметными для пользователя. Граница между платой и продуктом исчезает»  — Директор по НИОКР, носимые технологии, топ-5 технологических OEM-производителей

«Каждый прорыв в технологии подложек — графен, растягиваемый полиимид — не просто уменьшает размер устройства. Он порождает целые новые категории продуктов: умные татуировки, вплетённые датчики, пищевые биосенсоры и многое другое»  — Ведущий учёный-материаловед, разработчик медицинских устройств

Таблица: Перспективные функции, которые скоро появятся в производстве гибких и жёстко-гибких печатных плат

14. Заключение: Почему гибкие и жестко-гибкие печатные платы приводят в действие следующее поколение

Путешествие через сборки печатных плат для носимых устройств —от основных материалов и стратегий многослойной структуры до тонкостей сборки, защиты и будущих тенденций—раскрывает одну фундаментальную истину: гибкая ПЛС и жестко-гибкая ПЛС технологии являются основой, на которой будет построено десятилетие инноваций в области носимых устройств и медицинской техники.

Ключ к миниатюризации и функциональности

Является ли это незаметным медицинским пластырем или функциональными умными часами, миниатюризация определяет современные устройства, которые можно носить на себе. Только гибкие печатные платы гибкие печатные платы и их родственники — жестко-гибкие платы — могут в полной мере использовать доступное пространство, изгибаясь вокруг кривых поверхностей, размещая критически важные компоненты в толщине менее миллиметра и обеспечивая невесомый комфорт для конечных пользователей.

Таблица: Краткое резюме — Почему гибкие и жестко-гибкие платы выигрывают в устройствах, которые можно носить на себе

Надежность и долговечность продукции

Носимые устройства подвергаются тысячам циклов изгиба, воздействию пота, ударам и ежедневному износу. Только тщательное Сборка ГПК , нанесение защитных покрытий, грамотное размещение компонентов и проверенные правила конструирования с учетом технологичности позволяют избежать ошибок, которые приводят к провалу менее продуманных решений. Самые успешные и надежные продукты на рынке следуют этим ключевым принципам — что обеспечивает настоящий коммерческий успех и восторг пользователей.

Обеспечение производительности и управление питанием

От автономности до качества работы РЧ-связи PCB for wearables задает стандарт. Сложности контроля импеданса, подавления шумов и интеграции энергоэффективных схем, реализуемые благодаря новейшим производственным технологиям, гарантируют высокую производительность носимых устройств при минимальном потреблении энергии от маленьких аккумуляторов.

Возможность реализации революционных приложений

Жестко-гибкая ПЛС и передовые гибкие схемы не только отвечают сегодняшним потребностям — они открывают путь к завтрашним прорывам:

• Интеллектуальные медицинские патчи, которые непрерывно контролируют состояние здоровья пациента
• Устройства для фитнеса, которые могут быть скрыты в одежде или интегрированы в тело
• Модули AR/VR, которые ненавязчивы, легки и почти невесомы
• Носимые устройства IoT и с поддержкой ИИ с возможностью связи в реальном времени, сбора энергии и встроенным интеллектом

Всё о сотрудничестве

Наконец, использование всей мощности печатная плата носимой электроники решений — особенно для массового рынка или применений с жестким регулированием — означает работу с экспертными партнёрами в области производства печатных плат, сборки и тестирования. Используйте их инструменты DFM, проводите испытания в реальных условиях до запуска продукта и рассматривайте извлечённые уроки как основу для постоянного совершенствования.