คุณควรพิจารณาอะไรบ้างในระหว่างการออกแบบแผงวงจรพีซีบีแบบริจิด-เฟล็กซ์

บทนำ: เหตุใดจึงเลือกใช้แผงวงจรพิมพ์แบบเรียบ-ยืดหยุ่น (Rigid-Flex PCB)

PCB แข็ง-ยืดหยุ่น เทคโนโลยีนี้รวมจุดแข็งของแผงแบบแข็งดั้งเดิม (ที่โดยทั่วไปผลิตจากวัสดุ FR-4 หรือวัสดุที่คล้ายกัน) และความยืดหยุ่นของ วงจรยืดหยุ่น —ซึ่งมักสร้างบนฐานชั้นคุณภาพสูงจากพอลิไมด์ (polyimide) โซลูชันแบบผสมผสานนี้ช่วยให้นักออกแบบสามารถสร้างการเชื่อมต่อที่ซับซ้อน ลดน้ำหนัก และเพิ่มความน่าเชื่อถือโดยรวม ตลอดจนความสามารถในการผลิตของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีความหนาแน่นสูง การสั่นสะเทือนมาก และจำกัดพื้นที่

เปรียบเทียบ: แผงแบบแข็ง กับ แบบยืดหยุ่น กับ แบบเรียบ-ยืดหยุ่น ความแตกต่างหลัก

แผงวงจรพิมพ์แบบแข็ง-ยืดหยุ่น (Rigid-flex PCBs) มีข้อได้เปรียโดยเฉพาะในแอปพลิเคชันที่ชุดอิเล็กทรอนิกส์ต้องทนต่อการดัดโค้งซ้ำ, การสั่นสะเทือน, การกระแทก หรือการเปลี่ยนอุณหภูมิอย่างต่อรอบ สภาพแวดล้อมทั่วที่พบบ่อยรวม อิเล็กทรอนิกส์การบินและอวกาศ , อุปกรณ์ทางการแพทย์ , อุปกรณ์เกรดทางทหาร , อุปกรณ์สวมใส้แบบทนทาน และโลกที่เติบโตเร็วของ IoT

ประโยชน์และเป้าหมายการออกแบบของเทคโนโลยีแผงวงจรพิมพ์แบบแข็ง-ยืดหยุ่น

• ลดน้ำหนักและพื้นที่: การกำจัดขั้วต่อขนาดใหญ่และสายเคเบิลแบบเป็นชุด ช่วยทำให้การจัดวางระบบอิเล็กทรอนิกส์มีความเรียบร้อยมากขึ้น ทำให้อุปกรณ์มีน้ำหนักเบาและขนาดเล็กลง
• ปรับปรุงความน่าเชื่อถือ: ด้วยข้อต่อแบบบัดกรีและตัวเชื่อมต่อน้อยลง วงจรยืดหยุ่นแต่ละชุดจะช่วยลดจุดที่อาจเกิดข้อผิดพลาด โดยเฉพาะในบริเวณที่เปลี่ยนผ่านจากส่วนยืดหยุ่นไปยังส่วนแข็ง
• การรวมตัวกันอย่างหนาแน่น สามารถติดตั้งชิ้นส่วนระยะห่างแคบและการเชื่อมต่อความหนาแน่นสูง (HDI) ได้อย่างง่ายดาย ซึ่งช่วยให้การย่อขนาดขั้นสูงเป็นไปได้
• ความทนทานที่เพิ่มขึ้น: โครงสร้างแผงวงจรพิมพ์แบบผสมแข็ง-ยืดหยุ่น (Rigid-flex PCB) ทนต่อสภาพแวดล้อมและแรงทางกลที่รุนแรง รวมถึงการสั่นสะเทือนสูง การโค้งงอซ้ำๆ และอุณหภูมิที่รุนแรง
• ประสิทธิภาพในการผลิต: การผลิตแบบครบวงจรพร้อมแนวทาง DFM (การออกแบบเพื่อความสะดวกในการผลิต) ที่มีประสิทธิภาพ ช่วยให้การประกอบเป็นไปอย่างราบรื่นและลดต้นทุนรวมของระบบ

ปัญหาที่แก้ไขได้ด้วยการออกแบบวงจรแบบแข็ง-ยืดหยุ่น

อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ — โดยเฉพาะอุปกรณ์ที่มีความสำคัญต่อภารกิจ — ต้องเผชิญกับความต้องการที่หลากหลายและท้าทาย: การทำให้มีขนาดเล็กลง ลดน้ำหนัก เพิ่มความทนทานต่อแรงกระแทกและแรงสั่นสะเทือนทางกล และความเชื่อถือได้ที่ไม่ยอมประนีประนอม แผงวงจรพิมพ์แบบแข็ง (PCB) แบบดั้งเดิมเพียงอย่างเดียวมักไม่สามารถตอบสนองมาตรฐานเหล่านี้ได้ โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ อุปกรณ์ทางการแพทย์ ทหาร หรือผลิตภัณฑ์ผู้บริโภคที่ใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง pCB แข็ง-ยืดหยุ่น มาเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ชาญฉลาดสำหรับประเด็นปัญหาหลายประการดังกล่าว ด้วยวัสดุขั้นสูง การออกแบบลำดับชั้นที่รอบคอบ และโครงสร้างแบบไฮบริดที่มีความพิเศษเฉพาะตัว

ความทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การป้องกันประเทศ อุตสาหกรรม และอุปกรณ์ทางการแพทย์ มักต้องทำงานภายใต้แรงเครียดทางกลที่รุนแรง เช่น การกระแทกซ้ำ ๆ การสั่นสะเทือน การโค้งงอ อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว และแม้แต่การสัมผัสกับสารเคมีหรือความชื้นที่รุนแรง ในสภาพแวดล้อมเหล่านี้ ชุดประกอบแบบแข็งหรือแบบสายเคเบิลแบบเดิมอาจประสบปัญหาบัดกรีแตก ข้อต่อเสียหาย หรือวงจรเปิดแบบชั่วคราวเนื่องจากความล้าของแรงสั่นสะเทือน

วงจรริจิด-เฟล็กซ์ ลดความเสี่ยงเหล่านี้โดย:

• การกำจัดขั้วต่อและจัมเปอร์แบบฮาร์ดไวร์ ระหว่างบอร์ด ลดการเชื่อมต่อที่เสี่ยงต่อความล้มเหลว
• การใช้งาน ส่วนโพลีอิไมด์แบบยืดหยุ่น ที่ดูดซับแรงทางกล เผยแพร่แรงเครียด และยังคงความน่าเชื่อถือได้ตลอดวงจรการโค้งงอมากกว่าแสนครั้ง—เหนือกว่าสายไฟหรือขั้วต่อที่บัดกรีอย่างชัดเจน
• ทำให้เกิดการเปลี่ยนผ่านอย่างราบรื่น จากส่วนยืดหยุ่นไปยังส่วนแข็ง ที่ช่วยรักษาเส้นทางสัญญาณและวายอาที่ละเอียดอ่อนให้อยู่ห่างจากโซนที่มีแรงเครียดสูง ตามแนวทางที่กำหนดโดย IPC-2223

ข้อได้เปรียบด้านน้ำหนัก พื้นที่ และความน่าเชื่อถือ

การลดน้ำหนักและพื้นที่ เป็นหนึ่งในประโยชน์หลักของการใช้การออกแบบบอร์ดริกิด-เฟล็กซ์ ในแอปพลิเคชันที่ต้องคำนึงถึงน้ำหนัก เช่น ดาวเทียม อุปกรณ์การแพทย์ที่ฝังเข้าร่างกาย หรืออุปกรณ์สวมใส่ ทุกกรัมมีความสำคัญ การลบความจำเป็นในการใช้สายเคเบิลแบบดั้งเดิม ขั้วต่อหนักๆ และฮาร์ดแวร์สนับสนุน ชุดบอร์ดแบบแข็ง-ยืดหยุ่น ส่งมอบแพลตฟอร์มอิเล็กทรอนิกส์ที่กะทัดรัด สะอาด และทนทาน

รายการ: ข้อได้เปรียบด้านความน่าเชื่อและการประหยัด

• จำนวนขั้นตอนการประกอบที่น้อยกว่า: กระบวนการผลิตที่ราบรื่น เนื่องจากบอร์ดแข็งหลายชิ้น สายยืดหยุ่น และตัวเชื่อมต่อที่ถูกรวมเข้าเป็นการประกอบบอร์ดวงจรเดียว
• ต้นทุนการประกอบที่ต่ำกว่า: การต่อสายหรือเดินสายที่น้อยกว่า การตรวจสอบที่ลดลง และแรงงานที่ต้องใช้น้อยกว่า ทำให้ต้นทุนระบบโดยรวมต่ำกว่า
• อายายการใช้งานที่ยืนยาวกว่า: ไม่มีจุดสัมผะที่เคลื่อนที่หรือเสียดสี ส่งผลให้วงจรยังคงความสมบูรณ์ตลอดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ทั้งหมด

การใช้งานที่เพิ่มขึ้น: สินค้าผู้บริโภลขนาดย่อที่มีความน่าเชื่อ

The อินเทอร์เน็ตแห่งสิ่งสรรพ (IoT) , อุปกรณ์ฟิตเนสที่สวมใส่ได้, สมาร์ตวอทช์รุ่นถัดไป, และเครื่องตรวจวัดทางการแพทย์แบบพกพา ล้วนต้องการอิเล็กทรอนิกส์ที่ น้ำหนักเบ , มีขนาดเล็กลง และสามารถทนต่อการดัดโค้งซ้ำๆ ได้ ในสถานการณ์เหล่านี้ เทคโนโลยีวงจรยืดหยุ่น (flex) และวงจรวงใน (rigid-flex) กำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

ตารางสรุป: ประโยชน์หลักและอุตสาหกรรมเป้าหมาย

การก่อสร้างที่เป็นเอกลักษ์และการเลือกวัสดูของบอร์ดริกิด-เฟล็ก ร่วมกับการออกแบบลำชั้นและเลยเอาต์อย่างรอบคอบ ทำให้ชุดอิเล็กทรอนิกส์สามารถทนต่อสภาวะที่รุนแรงทั้งหมดและมีอายายการใช้งานยาวนาน—มักจะมาพร้อมการลดขนาดและลดความซับซ้อนอย่างมีนัยสำคัญ

เมื่อใดควรพิจารณาใช้การออกแบบแผงวงจรพีซีบีแบบยืดหยุ่นและแข็ง (Rigid Flex Circuit PCB)

การตัดสินใจเลือกใช้ pCB แข็ง-ยืดหยุ่น เทคโนโลยีนี้มักขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะด้านกลไก อิเล็กทรอนิกส์ หรือความน่าเชื่อถือ ที่เกินกว่าขีดจำกัดของแผงพีซีบีแบบยืดหยุ่นล้วนๆ หรือแบบแข็งดั้งเดิมจะสามารถรองรับได้ การรู้ว่าเมื่อใดควรนำ แนวทางการออกแบบแผงแบบแข็ง-ยืดหยุ่น (rigid-flex board design guidelines) มาใช้ สามารถสร้างความแตกต่างอย่างมากในการบรรลุเป้าหมายด้านประสิทธิภาพ การผลิตได้จริง และต้นทุน

สถานการณ์การใช้งานที่เหมาะสมที่สุด

เรามาดูสถานการณ์บางประการที่ แผงวงจรแบบแข็ง-ยืดหยุ่น (rigid-flex circuit boards) ให้ข้อได้เปรียบที่ชัดเจน:

• ลดการใช้ขั้วต่อและสายเคเบิล: เมื่อผลิตภัณฑ์จำเป็นต้องส่งสัญญาณระหว่างแผงพีซีบีแบบแข็งหลายแผง การมีขั้วต่อและสายเคเบิลแต่ละตัวจะเพิ่มจุดที่อาจเกิดข้อผิดพลาดและเพิ่มแรงงานในการประกอบ วงจรริจิด-เฟล็กซ์ รวมการเชื่อมต่อเหล่านั้นโดยใช้ส่วนประกอบโพลีอิไมด์แบบยืดหยุ่น ลดทั้งจุดอ่อนทางกายภาพและทางไฟฟ้า
• การออกแบบที่มีข้อจำกัดด้านพื้นที่: ในอุปกรณ์สวมใส่ เซ็นเซอร์ขนาดเล็ก อุปกรณ์การแพทย์ที่ฝังเข้าร่างกาย หรืออิเล็กทรอนิกส์อากาศยานขนาดกะทัดรัด ไม่มีพื้นที่เพียงพอสำหรับสายเคเบิลแบบเดิมหรือระยะห่างระหว่างบอร์ดที่มากเกินไป โครงสร้างแบบริกิด-เฟลกซ์ (rigid-flex) ช่วยให้สามารถบรรจุภัณฑ์ในรูปแบบสามมิติอย่างสร้างสรรค์—บอร์ดสามารถประกอบพับหรือเรียงซ้อนกันเพื่อให้พอดีกับเปลือกหุ้มที่มีรูปร่างซับซ้อน
• สภาพแวดล้อมที่มีแรงสั่นสะเทือนหรือแรงกระแทกสูง: ระบบทางทหาร โดรนบินไร้คนขับ (UAV) ยานยนต์ และระบบควบคุมอุตสาหกรรม ได้รับประโยชน์จากการกำจัดขั้วต่อที่อาจคลายตัวจากการสั่นสะเทือน เสื่อมสภาพ หรือเกิดรอยแตกร้าวที่บัดกรี
• การพิสูจน์เหตุผลด้านต้นทุน: หากการออกแบบของคุณจำเป็นต้องใช้แผ่นวงจรพิมพ์แบบแข็งหลายแผ่นที่ต่อกันด้วยสายเคเบิลแบบยืดหยุ่นและขั้วต่อ ต้นทุนของชิ้นส่วนเพิ่มเติมเหล่านี้ ค่าแรงงาน และปัญหาความน่าเชื่อถือที่ตามมา มักจะสูงกว่าต้นทุนเพิ่มเติมสำหรับ วิธีแก้ปัญหาริกิด-เฟลกซ์ —โดยเฉพาะเมื่อพิจารณาจากต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน

ตัวอย่างการใช้งาน:

• โดรนและโมดูลกล้องสำหรับระบบนำวิถี
• เครื่องกระตุ้นหัวใจ ระบบส่งยา การถ่ายภาพทางการแพทย์
• สมาร์ทวอทช์ สายรัดฟิตเนส โทรศัพท์พับได้ อุปกรณ์เสริมความจริงเสมือน (AR)
• อุปกรณ์ทดสอบอุตสาหกรรมประสิทธิภาพสูง

เทคโนโลยีวงจรอิเล็กทรอนิกส์แบบเรียบยืดหยุ่นช่วยขับเคลื่อนนวัตกรรมได้อย่างไร

เทคโนโลยีวงจรอิเล็กทรอนิกส์แบบเรียบยืดหยุ่นไม่ใช่เพียงแค่การใส่ในพื้นที่จำกัดหรือทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเท่านั้น แต่ยังช่วยให้วิศวกรสามารถ:

• ส่งสัญญาณความเร็วสูงข้ามหลายระนาบโดยไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้า
• แยกส่วนสัญญาณอนาล็อกหรือสัญญาณ RF ที่ไวต่อสิ่งรบกวนภายในบริเวณที่เป็นส่วนยืดหยุ่น เพื่อลดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)
• ประกอบอุปกรณ์ที่มีหลายบอร์ดให้กลายเป็นโมดูลเดียว ทำให้การติดตั้งและการทดสอบผลิตภัณฑ์สุดท้ายง่ายขึ้นอย่างมาก

ข้อพิจารณาด้านต้นทุนและการผลิต

จำเป็นต้องพิจารณาอย่างรอบคอบ pCB แข็ง-ยืดหยุ่น ข้อได้เปรียบเมื่อเทียบกับต้นทุนเริ่มต้นและต้นทุนต่อเนื่อง:

• บอร์ดแบบแข็ง-ยืดหยุ่นโดยทั่วมีต้นทุน 2–3 เท่ามากกว่าต่อหน่วย เมื่เทียบกับวงจรยืดหยุ่นธรรมดา หรือบอร์ดพีซีบีแบบแข็งที่มีตัวเสริมความแข็งแรง เนื่องส่วนใหญ่จากโครงสร้างชั้นที่ซับซ้อนและการผลิตหลายขั้นตอน
• อย่างไรก็ตาม ต้นทุนเหล่านี้ถูกชดเชยโดย ขั้นตอนการประกอบที่น้อยกว่า อัตราความล้มเหลวที่ต่ำกว่า และการคืนสินค์ในสนามที่ลดลง —โดยเฉพาะสำออุปกรณ์ที่มีมูลค่าสูงหรืออุปกรณ์ที่มีความสำคัญต่อภารกิจ

การเข้าใจความสามารถในการดัดโค้งของบอร์ดพีซีบีแบบยืดหยุ่นและแบบแข็ง-ยืดหยุ่น

หนึ่งในคุณลักษณะที่เด่นของ flex PCB หรือ วงจรริกิด-เฟล็กซ์ คือความสามารถในการโค้งงอและปรับตัวให้เข้ากับรูปร่าง 3 มิติ และการเคลื่อนไหวที่ต้องการในงานออกแบบอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ อย่างไรก็ตาม การบรรลุสมรรถนะการโค้งงอที่เชื่อถือได้นั้น จำเป็นต้องใส่ใจรายละเอียดทางกลไก วัสดุ และการวางผังอย่างรอบคอบ ความแตกต่างระหว่างการออกแบบที่สามารถทนต่อการโค้งงอมากกว่าหลายล้านรอบ กับการออกแบบที่ล้มเหลวหลังจากเพียงไม่กี่ร้อยรอบ มักขึ้นอยู่กับการเข้าใจและประยุกต์ใช้กฎพื้นฐานของ ความสามารถในการโค้งงอของแผ่นวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น (flex PCB) อย่างถูกต้อง

การออกแบบแผ่นวงจรยืดหยุ่นแบบสถิตเทียบกับแบบไดนามิก

แผ่นวงจรยืดหยุ่นอาจถูกใช้งานภายใต้สภาวะ สถิต หรือ การโค้งงอแบบไดนามิก :

• แบบคงที่ (Static Flex): บอร์ดจะถูกดัดโค้งเพียงครั้งเดียวหรือไม่กี่ครั้งในช่วงการประกอบหรือติดตั้ง และจะคงสภาพนั้นตลอดอายุการใช้งาน (ตัวอย่างเช่น โมดูลเซ็นเซอร์กล้องที่พับเข้าตำแหน่งแล้ว)
• แบบไดนามิก (Dynamic Flex): วงจรจะถูกดัดโค้งซ้ำๆ ในการใช้งานปกติ (เช่น ส่วนบานพับในโทรศัพท์พับได้ สายรัดฟิตเนสแบบสวมใส่ หรือหุ่นยนต์)

ความเข้าใจสำคัญ: ต้องออกแบบแผงวงจรยืดหยุ่นแบบไดนามิกอย่างระมัดระวังมากขึ้น โดยใช้รัศมีการโค้งที่ใหญ่ขึ้น และวัสดุรวมถึงแนวทางจัดเส้นทางที่ทนทานมากขึ้น เพื่อป้องกันการเกิดความล้าของทองแดงและการแตกร้าวของเส้นทางไฟฟ้า

รัศมีการโค้งและการเปรียบเทียบรัศมีการโค้ง

พารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดสำหรับความน่าเชื่อถือของแผงยืดหยุ่นคือ รัศมีการงอ —รัศมีขั้นต่ำที่ส่วนยืดหยุ่นสามารถโค้งงอได้โดยไม่เสี่ยงต่อความล้มเหลวทางกลหรือทางไฟฟ้า

หลักเกณฑ์ทั่วไปสำหรับรัศมีการโค้งขั้นต่ำ:

คำแนะนำการออกแบบสำหรับพื้นที่โค้งงอ

1. หลีกเลี่ยงการดัดโค้งอย่างรุนแรง

• ใช้เส้นโค้งที่กว้างและต่อเนื่อง—อย่าใช้มุม 90° เส้นโค้งจะช่วยกระจายแรงเครียดทางกลและป้องกันการเสียหายในจุดเฉพาะ

2. จัดวางตัวนำให้ตามแนวแกนของการโค้งงอ

• ตัวนำ (เส้นลาย) ขนานไปกับทิศทางของการโค้งงอ —ห้ามตั้งฉาก เนื่องจากการจัดวางแบบนี้จะทำให้แรงเครียดทางกลและทิศทางของผลึกทองแดงสอดคล้องกัน ช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นได้ดีที่สุด

3. ระบุตำแหน่งรอยที่แนวแกนเป็นกลาง

• คำศัพท์สำคัญ: แกนโค้งเป็นกลาง —จุดศูนย์กลางทางเรขาคณิตของส่วนที่ยืดหยุ่น ซึ่งแรงอัดและแรงดึงต่ำสุด ควรจัดเส้นตัวนำที่ไวต่อการหักพับให้ใกล้แกนนี้มากที่สุด

4. ความหนาของทองแดงและการทำลวดลายข้าม

• ใช้ ทองแดงบางสุด (มักไม่เกิน 0.5 ออนซ์) ที่เพียงพอสำหรับความต้องการการนำกระแส; ทองแดงบางสามารถทนต่อจำนวนรอบการพับมากกว่า
• เททองแดงแบบลวดลายข้าม ในพื้นที่ที่ต้องพับเพื่อเพิ่มความยืดหยุ่นและลดความเครียด (แทนการเททองแดงแบบทึบ ซึ่งอาจแตกร้า)
• สำหรับการป้องกันรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ใช้ พื้นดินแบบข้ามกันเป็นรูปเครื่องหมายถูก เพื่อให้สามารถงอได้ในขณะที่ยังคงรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ

5. ช่องตัด ร่องคลายแรง และช่องเปิด

• เมื่อทำได้ ควรเพิ่ม ช่องตัดหรือรูคลายแรง ในส่วนที่ยืดหยุ่นเพื่อลบวัสดุที่ไม่จำเป็นออก และช่วยให้งอได้ง่ายขึ้นและควบคุมการงอได้ดีขึ้น
• สิ่งนี้มีความสำคัญในบริเวณที่ต้องงอกว้าง เพื่อลดปรากฏการณ์ "ไอ-บีม" (การแข็งตัวมากเกินไป) และกระจายแรงยืดหยุ่นให้ทั่วถึง

ความหนา ทองแดง และข้อพิจารณาด้านสิ่งแวดล้อม

• เลือก ทองแดงรีดแล้วอบอ่อน เหนือกว่าทองแดงเคลือบด้วยไฟฟ้า (ED) สำหรับความเหนียวและความต้านทานต่อการแตกหักสูงสุด—ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้งานสายยืดหยุ่นแบบเคลื่อนไหว
• ลดลง ความหนาโดยรวมของแผ่นฟเล็กซ์ โดยการออกแบบชั้นอย่างระมัดระวัง: หลีกเลี่ยงการใช้กาวส่วนเกินหรือวัสดุคลุมหนา เว้นแต่จำเป็นสำหรับฉนวน
• คาดการณ์แรงเครียดจากสิ่งแวดล้อม: สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ความชื้นสูง หรือสารเคมีรุนแรง ต้องใช้วัสดุที่ทนทานและต้านทานสารเคมีได้ดี

ตัวอย่าง: ตารางความสามารถในการโค้งของวงจรฟเล็กซ์

ตัวเลือกวัสดุสำหรับแผ่นวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นและแบบแข็ง-ยืดหยุ่น

วัสดุที่เลือกใช้สำหรับ flex PCB หรือ บอร์ดแข็ง-ยืดหยุ่น มีผลโดยตรงต่อความยืดหยุ่น ความน่าเชื่อถือ ความทนทาน ต้นทุน และแม้แต่ความสามารถในการผลิต การเข้าใจคุณสมบัติของวัสดุพื้นฐาน กาว ตัวเสริมความแข็งแรง และชั้นผิวเคลือบ จึงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้สามารถนำแนวทางการออกแบบ แผ่นวงจรพิมพ์แบบแข็ง-ยืดหยุ่น ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดไปใช้ได้ และเพื่อให้สอดคล้องกับมาตรฐานอุตสาหกรรม เช่น IPC-4202, IPC-4203 และ IPC-4204

วัสดุที่นิยมใช้ในแผ่นวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นและบทบาทของแต่ละชนิด

1. ฉนวนไฟฟ้าและชั้นปิดผิว (Coverlay)

• ฟิล์มโพลีอิไมด์: วัสดุหลักในอุตสาหกรรมแผ่นวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น ซึ่งมีความยืดหยุ่นสูง เสถียรภาพทางความร้อนดีเยี่ยม และทนต่อสารเคมีได้ดี โพลีอิไมด์เกรดสูงที่ใช้ในวงจรแบบยืดหยุ่นมี ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (Dk) อยู่ในช่วงประมาณ 2.5 ถึง 3.2 ที่ความถี่ 10 GHz ทำให้ออกแบบความต้านทานเชิงควบคุมที่เชื่อถือได้สำหรับสัญญาณความเร็วสูง
• ชั้นคลุมป้องกัน (Coverlay): ชั้นวัสดุพอลิไมด์ที่เคลือบประกบอยู่ด้านบนและด้านล่างของวงจรยืดหยุ่น เพื่อให้ฉนวน กันแรงทางกล และลดแรงเครียดบริเวณจุดโค้งงอ
  • หมายเหตุ : ความหนาของชั้นคลุมป้องกันและความสม่ำเสมอของกาวเป็นสิ่งสำคัญทั้งในการทนต่อการงอซ้ำๆ และการให้ฉนวนระหว่างทองแดงกับสภาพแวดล้อม

2. ตัวนำ: ประเภทฟอยล์ทองแดง

• ทองแดงรีดแล้วอบอ่อน (Rolled Annealed Copper): มาตรฐานทองคำสำหรับวงจรยืดหยุ่นแบบไดนามิก ทองแดงชนิดนี้มีความเหนียวทางกลดี ทนต่อการแตกร้าว และเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความยืดหยุ่นสูงหรือแบบไดนามิก
• ทองแดงแบบสะสมด้วยไฟฟ้า (Electro-Deposited (ED) Copper): เหมาะสำหรับการใช้งานแบบยืดหยุ่นนิ่งหรือบริเวณที่งอน้อย—มีต้นทุนต่ำกว่า แต่ทนต่อการงอซ้ำๆ ได้น้อยกว่า
• น้ำหนักทองแดง: การออกแบบฟเล็กส่วนใหญ่ใช้ทองแดงหนา 0.5 ออนซ์ หรือ 1 ออนซ์ ทองแดงบางขึ้นจะเพิ่มความยืดหยุ่น แต้ต้องสมดุลกับความต้องการในการนำกระแสไฟฟ้า

3. บอนด์พลายและกาว

• กาวอะคริลิก: กาวที่มีความอเนกประสง์และมีต้นทุนต่ำ เหมาะสำหรับการใช้งานทั่วทั่ว ใช้งานได้ดีกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภ่หรืออุปกรณ์มาตรฐานส่วนใหญ่
• กาวอีพ็อกซี่: ให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่าในด้านอุณหภูมิและความต้านทานต่อความชื้น เหมาะสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมการบินอวกาศหรือการประกอบที่ต้องการความน่าเชื่ออยสูง
• กาวไวต่อแรงดัน (PSA): มีประโยชน์สำหรับยึดวงจรฟเล็กไปยังตัวเครื่องโลหะ พลาสติก หรือคอมโพสิต ที่อาจต้องการการแก้ไขหรือการปรับตำแหน่ง
• ฟิล์มกาวชนิดแข็งเมื่อได้รับความร้อน: ให้การยึดติดถาวรที่ผ่านการอบด้วยความร้อนในชั้นประกอบที่สำคัญ

4. FCCL (แผ่นลามิเนตทองแดงเคลือบแบบยืดหยุ่น)

• แผ่นลามิเนตนี้ประกอบด้วยฟิล์มโพลีอิไมด์ที่เคลือบด้วยฟอยล์ทองแดง ซึ่งทำหน้าที่เป็นชั้นพื้นฐานของแผงวงจรยืดหยุ่นทุกชนิด FCCL ผลิตได้ทั้งในรูปแบบที่ใช้กาวและไม่ใช้กาว โดยรูปแบบที่ไม่ใช้กาวจะมีคุณสมบัติด้านไฟฟ้าและสิ่งแวดล้อมที่ดีกว่า ดูดซับความชื้นน้อยกว่า และทนต่ออุณหภูมิสูงกว่า

การเปรียบเทียบโครงสร้างแบบยืดหยุ่นที่ใช้กาวและไม่ใช้กาว

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด:

สำหรับการออกแบบฟเล็กซ์ที่ต้องการความน่าเชื่อสูงและไดนามิก โครงสร้างแบบไม่ใช้กาว ตอนนี้ถือว่าเป็นมาตรฐานทองคำ

ตัวเสริมความแข็งแรงและผิวเคลือบ

• วัสดุตัวเสริมความแข็งแรง:  
  • ตัวเสริมความแข็งแรงแบบคาปตอน (Kapton Stiffener): ใช้สำหรับขั้อต่อ ZIF (zero insertion force) หรือในบริเวณที่ต้องการความยืดหยุ่นแต่ต้องการการเสริมความแข็งแรงในจุดนั้น
  • ตัวเสริมความแข็งแรงแบบ FR-4: ติดตั้งใต้บริเวณที่ติดตั้งแบบแข็งหรือขั้วต่อเพื่อป้องกันการงอหรือความเครียด
  • ตัวเสริมความแข็งแรงแบบโลหะ (เช่น สแตนเลส สตีล อะลูมิเนียม): ใช้ในพื้นที่ที่ต้องรับแรงกระแทกสูงหรือต้องการความแข็งแรงสูงในการยึดติด
• การตกแต่งพื้นผิว  
  • ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) ใช้ทั่วไปสำหรับขั้วต่ออิมพีแดนซ์ควบคุมหรือขั้วต่อความน่าเชื่อถือสูง
  • OSP, HASL, เงิน, ดีบุก: เลือกตามกระบวนการประกอบและความต้องการด้านประสิทธิภาพ

คู่มืออ้างอิงวัสดุอย่างรวดเร็ว (พร้อมมาตรฐาน IPC)

การเลือกชั้นวัสดูที่เหมาะสม: สิ่งที่ควรจำ

• การใช้งาน โพลิอิมายด์ และทองแดงที่ผ่านกระบวนการรีดขึ้นและอบอ่อน สำหรับวงจรฟเล็กซ์ที่คาดว่าจะมีการโค้งงอ หลายหมื่นรอบ (ตัวอย่างเช่น ฟเล็กซ์ไดนามิกในอุปกรณ์ที่สวมใส หรือการบินและอวกาศ)
• สำหรับสัญญาณความถี่สูง ควรตรวจสอบยืนยันวัสดุ ค่าคงที่ของไดอิเล็กทริก ของชั้นปกคลุมและวัสดุฐาน—สิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานที่ต่ำกว่า 10 กิกะเฮิรตซ์
• ควรปรึกษาผู้ผลิต แผ่นวงจรพิมพ์ยืดหยุ่น (flex PCB) ตั้งแต่เนิ่นๆ—ตัวเลือกวัสดุอาจเพิ่มต้นทุน ทำให้เกิดความล่าช้า หรือจำกัดอิสระในการออกแบบ ขึ้นอยู่กับการจัดหาในท้องถิ่นและใบรับรองกระบวนการของผู้ผลิต

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการวางผังและเส้นทางสายไฟบนแผ่นวงจรพิมพ์ยืดหยุ่นและแบบผสมแข็ง-ยืดหยุ่น

การวางผังและการเดินสายบน flex PCB หรือ วงจรริกิด-เฟล็กซ์ นั้นมากกว่าการเชื่อมต่อจุดต่างๆ เพียงอย่างเดียว—เป็นจุดรวมของวิศวกรรมกลศาสตร์และวิศวกรรมไฟฟ้าอย่างแท้จริง การเลือกการวางผังที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มอายุการใช้งานขณะงอ ลดความล้มเหลวในสนามจริง (เช่น การแตกของวายาหรือปรากฏการณ์ “ไอ-บีม”) และรับประกันความสามารถในการผลิตและอัตราผลผลิตที่ดี ด้านล่างนี้คือกฎพื้นฐานและเคล็ดลับจากผู้เชี่ยวชาญที่จะช่วยแนะนำคุณในการนำแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด แผ่นวงจรพิมพ์แบบแข็ง-ยืดหยุ่น ไปใช้กับโครงการถัดไปของคุณ

กฎทั่วไปสำหรับการวางผัง

• ใช้รัศมีการโค้งที่เพียงพอ: ตั้งค่า รัศมีโค้งขนาดใหญ่ ในทุกบริเวณที่ต้องการความยืดหยุ่น ช่วยลดการเหนื่อยล้าของตัวนำและลดความเสี่ยงในการแตกร้าวของเส้นทางเดินไฟอย่างมาก ควรปฏิบัติตามรัศมีโค้ง/อัตราส่วนการโค้งที่แนะนำจาก IPC-2223 สำหรับโครงสร้างชั้นของคุณ (ดูในส่วนก่อนหน้า)
• ให้ใช้เส้นทางเดินไฟโค้งแทนเส้นตรงมุมแหลม: วางเส้นทางเดินไฟอย่างราบรื่นและตั้งฉากกับแนวการโค้ง หลีกเลี่ยงมุมแหลม (90° และ 45°) ซึ่งจะทำให้เกิดแรงเครียดเชิงกลรวมตัวกันและอาจนำไปสู่การหักได้
• ทิศทางของเส้นทางเดินไฟ: จัดวางเส้นทางเดินไฟทั้งหมดตามแนวความยาวของการโค้ง (ขนานกับทิศทางการพับงอ) เส้นทางเดินไฟที่ตั้งฉากมีโอกาสสูงมากที่จะแตกร้าวเมื่อมีการพับซ้ำๆ
• ลดการไขว้กันของเส้นทางเดินไฟในบริเวณที่ต้องโค้ง: อย่าจัดเรียงเส้นทางเดินไฟหลายเส้นให้อยู่ตรงข้ามกันบนชั้นที่อยู่ติดกัน เพื่อป้องกัน I-beaming —กลไกการล้มเหลวที่เกิดขึ้นเมื่อตัวนำที่อยู่ตรงข้ามกันสร้างโซนที่แข็งและเปราะจนเกิดรอยร้าวได้ง่าย

เฟล็กซ์หลายชั้น: แนวทางขั้นสูง

เมื่อใช้แผ่นวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นหลายชั้น (multilayer flex PCBs) จะต้องระมัดระวังมากขึ้นในการวางเส้นทางเดินสาย:

• เส้นทางเดินสายแบบเรียงซ้อน: จัดวางตัวนำให้เยื้องกันระหว่างชั้น เพื่อกระจายแรงเครียดออกไปจากจุดเฉพาะ
• โครงสร้างป้องกันการฉีกขาดและการเปลี่ยนผ่านแบบลดขนาด: สำหรับบริเวณที่เปลี่ยนผ่านระหว่างส่วนแข็งและส่วนยืดหยุ่น ควรเพิ่มโครงสร้าง "ป้องกันการฉีกขาด" — เช่น เส้นทางเดินสายหนาหรือรูปร่างของทองแดงที่ยึดติดแน่นที่ขอบบริเวณเปลี่ยนผ่าน ควรค่อยๆ ลดขนาดทองแดงจากกว้างไปแคบ แทนที่จะเปลี่ยนขนาดอย่างฉับพลัน
• พื้นที่ห้ามวางส่วนประกอบ: ห้ามวางวายัส แพด หรือชิ้นส่วนต่างๆ ในบริเวณที่มีการโค้งงออย่างสม่ำเสมอ เพื่อลดความเสี่ยงที่วายัสจะแตกร้าวหรือเส้นทางเดินสายหลุดลอก
• ระยะห่างระหว่างรูเจาะกับทองแดง: ต้องคงระยะห่างไว้อย่างน้อย ระยะห่างจากเจาะรูถึงทองแดง 8 mil (0.2 mm) ตลอดการออกแบบ—โดยเฉพาะจุดที่สำคัญสำหรับนิ้วตัวเชื่อมต่อ ZIF หรือคุณสมบัติการติดตั้งที่ขอบ

ปุ่ม (เฉพาะแพด) เทียบกับการชุบดีบุกทั้งแผง—ข้อเปรียบเทียบ

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด: สำหรับบริเวณที่ต้องการความยืดหยุ่นสูงแบบไดนามิก การชุบเฉพาะแผ่นรอง (แบบปุ่ม) จะให้อายุการใช้งานในการโค้งได้ดีกว่า ส่วนบริเวณที่อยู่นิ่งหรือยึดติดแบบแข็งแรง การชุบแผงอาจให้การเชื่อมต่อที่ทนทานมากกว่า

การออกแบบรูผ่าน: ความน่าเชื่อถือในทุกการเปลี่ยนผ่าน

• ใช้รูปทรงน้ำตาที่แผ่นรองและรูผ่าน: แผ่นรองรูปน้ำตา (ฟิลเล็ต) ที่ฐานของการเชื่อมต่อรูผ่านและแผ่นรองจะช่วยกระจายแรงเครียด ลดความเสี่ยงของการแตกร้าวของทองแดงที่ขอบรูเจาะ
• แหวนรอบรูขั้นต่ำ: รักษาระยะ แหวนรอบต่ำสุด 8 มิล สำหรับวายแอสและแพดทั้งหมด เพื่อป้องกันวงจรเปิดและปรับปรุงอัตราผลผลิตในการผลิต
• วางวายแอสให้ห่างจากขอบสติฟเฟนเนอร์: หลีกเลี่ยงการวางวายแอสในหรือใกล้บริเวณเปลี่ยนผ่านจากแข็งเป็นยืดหยุ่น และใกล้ขอบสติฟเฟนเนอร์ เพื่อลดความเครียดสะสมและการแตกร้าวจาก 'เอฟเฟกต์ขอบ'
• ระยะห่างระหว่างวายแอสกับวายแอส และวายแอสกับทองแดง: ตรวจสอบให้มีระยะห่างเพียงพอเพื่อป้องกันการลัดวงจรและรองรับค่าความคลาดเคลื่อนในการผลิต ตามแนวทางของ IPC

ตารางสรุปการเดินเส้น

คำแนะนำมืออาชีพสำหรับการจัดวางและการเดินสาย

• ความร่วมมือระหว่าง ECAD และ MCAD: ใช้คำนิยามโซนการจัดชั้นและการมีเครื่องมือการแสดงภาพพื้นที่การโค้งในซอฟต์แวร์ CAD ของแผงวงจรพิมพ์ (ตัวอย่างเช่น Cadence OrCAD X หรือ Altium) เพื่อบังคับพื้นที่ห้ามใช้ กฎของ padstack และแนวทางในบริเวณเปลี่ยนผ่าน
• DFM Review: การตรวจสอบการทํางาน ควรขอการตรวจสอบ DFM จากผู้ผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นเสมอ เพื่อจับข้อผิดพลาดในการออกแบบก่อนการผลิตจริง—ผู้ผลิตหลายคนใช้เครื่องมือการวิเคราะห์เป็นกรรมสิทธิ์ของตนเอง และสามารถแจ้งเตือนปัญหา เช่น ระยะห่างไม่เพียงพอ พื้นผาดที่ไม่มีการรองรับ หรือการครอบคลุม stiffener ที่ไม่เหมาะสม
• ระนางแบบตาข่ายข้าม แทนบริเวณทองแดงทึบด้วยการเติมแบบตาข่ายข้ามในบริเวณที่ต้องการความยืดหยุ่น เพื่อรักษาการป้องกันรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) โดยไม่ลดทอนความยืดหยุ่น

การออกแบบการจัดชั้นสำหรับแผงวงจรพิมพ์แบบ rigid-flex ที่เชื่อมต่ออย่างมั่นด้วย

โครงสร้างที่ออกแบบมาอย่างดี ชั้นของแผ่นวงจรยืดหยุ่น (flex PCB stack-up) เป็นพื้นฐานของระบบการทำงานที่เชื่อถือได้ บอร์ดแข็ง-ยืดหยุ่น ซึ่งประสานความยืดหยุ่นทางกลกับประสิทธิภาพทางไฟฟ้าให้สอดคล้องกัน การเลือกจำนวนชั้น ความหนา และวัสดุที่เหมาะสม จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพด้านการดัดโค้ง ความสมบูรณ์ของสัญญาณ การป้องกันรบกวนจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และความสามารถในการผลิต หัวข้อนี้จะอธิบายแนวทางการออกแบบชั้นแผ่นวงจรให้มีประสิทธิภาพ สอดคล้องกับข้อกำหนดด้านกลและไฟฟ้าของผลิตภัณฑ์คุณ

ข้อพิจารณาในการออกแบบ: การใช้งานแบบคงที่ เทียบกับ แบบเคลื่อนไหว

โครงสร้างแผ่นยืดหยุ่นแบบคงที่: เหมาะสำหรับแผ่นวงจรที่ต้องดัดเพียงครั้งเดียวหรือไม่กี่ครั้ง (เช่น การพับคงที่ภายในเปลือกเครื่อง) โครงสร้างประเภทนี้สามารถรองรับจำนวนชั้นที่มากขึ้น (มากกว่า 8 ชั้นขึ้นไป) และรัศมีการดัดที่ปานกลางได้ เนื่องจากแรงทางกลมีจำกัดหลังประกอบเสร็จแล้ว

โครงสร้างแผ่นยืดหยุ่นแบบเคลื่อนไหว: สำหรับวงจรยืดหยุ่นที่ต้องเผชิญกับการดัดซ้ำๆ เป็นรอบ (หลายแสนหรือหลายล้านรอบ) โครงสร้างเหล่านี้จำเป็นต้อง:

• • มีจำนวนชั้นน้อย (โดยทั่วไป 1-2 ชั้น เพื่อลดแรงเครียด)
  • รัศมีโค้งที่ใหญ่ขึ้น (ตัวอย่างเช่น >100 เท่าของความหนาเฟล็กซ์)
  • การใช้ทองแดงที่ผ่านกระบวนการรีดและอบอ่อน
  • ชั้นไดอิเล็กทริกบางๆ ที่ทำจากฟิล์มโพลีอิไมด์ที่มีค่า Tg สูง

จำนวนชั้นคู่และการจัดเรียงแบบสมมาตร

ชั้นจำนวนคู่ที่จัดเรียงแบบสมมาตรจะช่วยลดการบิดงอและความเครียดทางกล การจัดสมดุลชั้นภายในอย่างเหมาะสมจะช่วยรักษา:

• ความมั่นคงทางกล: ป้องกันการหดตัวหรือโค้งงอระหว่างการผลิตหรือเมื่อถูกดัดโค้งในสนามใช้งาน
• ประสิทธิภาพการทำงานทางไฟฟ้า: อิมพีแดนซ์ที่สมดุลและลดการรบกวนสัญญาณระหว่างเส้นทาง

เทคนิคพิเศษในการผลิตการจัดเรียงชั้น

เทคนิคการเข้าเล่ม: ใช้ในแผ่นวงจรพิมพ์ยืดหยุ่น (flex PCBs) ที่มีหลายชั้น เพื่อประกอบแผ่นยืดหยุ่นหลายชั้นเข้าด้วยกัน โดยการประกบแผ่นวงจรยืดหยุ่นสองชั้นขึ้นไปติดกันแบบห่างออกจากกันด้วยวัสดุ bondply วิธีนี้ช่วยเพิ่มความแข็งแรงทางกล โดยไม่ลดทอนความยืดหยุ่น

โครงสร้างช่องว่างอากาศ: มีการจัดวางช่องว่างอากาศที่ควบคุมได้ระหว่างชั้นยืดหยุ่น หรือระหว่างส่วนยืดหยุ่นกับส่วนแข็ง เพื่อลดค่าคงที่ไดอิเล็กทริกและความสูญเสีย ซึ่งช่วยปรับปรุงการส่งสัญญาณความถี่สูงและการควบคุมอิมพีแดนซ์

พิจารณาเรื่องความสมบูรณ์ของสัญญาณและการป้องกันรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า/คลื่นรบกวน

• เพื่อรักษา การควบคุมอิมพีแดนซ์ ในการออกแบบเส้นทางยืดหยุ่น จำเป็นต้องควบคุมความหนาของไดอิเล็กทริก น้ำหนักของแผ่นทองแดง และค่า Dk ของวัสดุอย่างระมัดระวัง
• ควรใช้แผ่นกราวด์และแผ่นจ่ายไฟ การเติมทองแดงแบบตาข่ายไขว้ เพื่อให้สามารถป้องกันรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า/คลื่นรบกวนได้ โดยไม่ทำให้สูญเสียความยืดหยุ่น
• ชั้นป้องกันที่จัดวางไว้ใกล้กับเส้นทางส่งสัญญาณความเร็วสูง จะช่วยลดสัญญาณรบกวน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในงานด้านการบินและอวกาศ การแพทย์ และโทรคมนาคม

เทคนิคการทำต้นแบบและการใช้เครื่องมือออกแบบ

ต้นแบบทางกายภาพ: ต้นแบบกระดาษหรือไมลาร์ช่วยในการนึกภาพโซนการพับและการจัดวางเชิงกลก่อนการผลิต

การรวม ECAD/MCAD: ใช้เครื่องมืออย่าง Cadence OrCAD, Altium หรือ Siemens NX เพื่อจำลองโซนการซ้อนชั้น รัศมีการโค้ง และแรงเครียดเชิงกล

เครื่องมือการซ้อนชั้น: ผู้ผลิต PCB จำนวนมากให้บริการเครื่องมือเลือกการซ้อนชั้นและวัสดุออนไลน์ ซึ่งช่วยในการคำนวณความต้านทานขวางและการตรวจสอบความเข้ากันได้ของวัสดุในช่วงต้นของกระบวนการออกแบบ

ตัวอย่างการซ้อนชั้นสำหรับส่วนฟเล็กซ์ 4 ชั้นแบบคงที่

ความสมดุลระหว่างพื้นที่ยืดหยุ่นและแข็ง

• เลเยอร์แบบยืดหยุ่นโดยทั่วไป แผ่ผ่านบอร์ดแข็ง ในโซนเปลี่ยนผ่าน
• เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือ พื้นที่แข็งควรประกบแกนยืดหยุ่น โดยหลีกเลี่ยงการใช้ส่วนยืดหยุ่นเป็นเลเยอร์ภายนอกเพื่อป้องกันการฉีกขาด
• การใช้งาน มุมโค้งมน (ฟิลเล็ต) บนรูปร่างของบอร์ดริดฟเล็กซ์ เพื่อลดจุดรวมแรงเครียด และเพิ่มอัตราผลผลิตในการผลิต

การปฏิบัติตามมาตรฐานการออกแบบ การผลิต และการทดสอบของ IPC

การยึดถือตามมาตรฐานอุตสาหกรรมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรับประกันว่า pCB แข็ง-ยืดหยุ่น ตรงตามข้อกำหนดด้านคุณภาพ ความน่าเชื่อถือ และความสามารถในการผลิต มาตรฐาน IPC เป็นพื้นฐานสำคัญสำหรับแนวทางการออกแบบ การผลิต การตรวจสอบ และการประกอบที่สม่ำเสมอทั่วทั้งอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ด้านล่างนี้เราขอเน้นมาตรฐาน IPC หลักๆ ที่จะช่วยแนะนำโครงการบอร์ดริดฟเล็กซ์ของคุณตั้งแต่ขั้นแนวคิดจนถึงการผลิต

มาตรฐาน IPC หลักสำหรับการออกแบบบอร์ดริดฟเล็กซ์

มาตรฐานเหล่านี้มีอิทธิพลต่อการออกแบบแบบแข็ง-ยืดหยุ่นอย่างไร

รัศมีการโค้งและการควบคุมแรงเครียดเชิงกล: IPC-2223 กำหนดแนวทางเกี่ยวกับรัศมีการโค้งขั้นต่ำตามจำนวนชั้นยืดหยุ่นและความหนาของชุดชั้น ซึ่งมีความสำคัญต่อการป้องกันการเหนื่อยล้าของตัวนำและการแตกร้าวของ via

กฎการออกแบบโซนเปลี่ยนผ่าน: IPC-2223 และ IPC-6013 เน้นย้ำ พื้นที่ห้ามใช้งาน รอบบริเวณรอยต่อระหว่างส่วนยืดหยุ่นกับส่วนแข็ง—ห้ามมีแผด ไวอา หรือเส้นทางเดินไฟอยู่ใกล้ขอบเกินไป เพื่อลดความเสี่ยงในการแยกชั้นหรือการแตกหัก

ข้อกำหนดวัสดุแลมิเนตและกาว: การเลือกวัสดุที่สอดคล้องกับมาตรฐาน IPC จะช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพภายใต้สภาวะไซเคิลความร้อนต่อเนื่อง แรงเครียดจากการโค้ง และความชื้น โดยมี IPC-FC-234 เป็นแนวทางในการใช้กาว

การตรวจสอบและยอมรับ: การใช้เกณฑ์ IPC-600 และ IPC-610 ช่วยให้ผู้ผลิตและผู้ประกอบสามารถจำแนกข้อบกพร่องได้อย่างเหมาะสม โดยกำหนดระดับความทนทานที่เหมาะสมกับความต้องการของวงจรยืดหยุ่น

คำแนะนำในการประกอบ: ตามมาตรฐาน IPC-A-610 และ J-STD-001 การประกอบแผ่นพีซีบีแบบแข็ง-ยืดหยุ่นต้องใช้เทคนิคการบัดกรีและการควบคุมความชื้นอย่างเข้มงวด (การอบลดความชื้นล่วงหน้า) โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากพอลิอิไมด์มีความไวต่อความชื้น

การควบคุมคุณภาพและการทดสอบ

มาตรฐาน IPC ยังกำหนดไว้อีกด้วย:

• การทดสอบสำหรับ ความสมบูรณ์ของไวด์ และ การยึดเกาะของเส้นทางสัญญาณ การทดสอบไวด์ด้วยกล้องจุลทรรศน์ออปติก เอกซเรย์ และไมโครเซกชัน
• กระบวนการอบลดความชื้นต่ำสำหรับการประกอบวงจรยืดหยุ่น เพื่อป้องกันปัญหา 'การแตกเหมือนข้าวโพดคั่ว' ระหว่างกระบวนการรีฟโลว์
• การทดสอบความเครียดจากสิ่งแวดล้อม: การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ, การสั่นสะเทือน และการตรวจสอบอายุการใช้งานจากการโค้งงอ

สรุป: มาตรฐาน IPC และบทบาทของพวกเขาในโครงการ PCB แบบยืดหยุ่น-แข็ง

ตัวขับเคลื่อนต้นทุนและปัจจัยที่มีผลต่อระยะเวลาการดำเนินงาน

การออกแบบและการผลิต แผงวงจรพิมพ์ยืดหยุ่น (flex PCBs) และ แผงวงจรพิมพ์แบบแข็ง-ยืดหยุ่นรวม (rigid-flex PCBs) เกี่ยวข้องกับตัวแปรที่ซับซ้อน ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อต้นทุนและระยะเวลานำส่ง การเข้าใจตัวขับเคลื่อนเหล่านี้จะช่วยให้วิศวกรและผู้จัดการผลิตภัณฑ์สามารถออกแบบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตให้เร็วขึ้นและประหยัดมากขึ้น โดยไม่ลดทอนคุณภาพหรือความน่าเชื่อถือ

ตัวขับเคลื่อนต้นทุนหลักในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ยืดหยุ่นและแบบแข็ง-ยืดหยุ่นรวม

สาเหตุทั่วไปที่ทำให้เวลาดำเนินการล่าช้า

ข้อกำหนดเกี่ยวกับรัศมีโค้งไม่เหมาะสม การระบุรัศมีโค้งที่เล็กกว่าขีดความสามารถในการผลิตหรือคำแนะนำตามมาตรฐาน IPC ทำให้เกิดงานแก้ไขเพิ่มเติมและล่าช้าในการผลิต

ข้อมูลการออกแบบไม่ครบถ้วนหรือคลุมเครือ ขาดเอกสารสำคัญ เช่น ข้อกำหนดการเปลี่ยนผ่านจากแผ่นยืดหยุ่นไปยังแผ่นแข็ง รายละเอียดของขั้วต่อ ZIF คำอธิบายโครงสร้างชั้น หรือระยะเว้นระหว่างรูเจาะกับทองแดง ส่งผลให้วิศวกรต้องสอบถามย้อนกลับและเกิดความล่าช้า

ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบ ตัวอย่างเช่น การวางเส้นทางสัญญาณไม่เหมาะสมในบริเวณที่ต้องโค้ง ตำแหน่ง via ผิดพลาด หรือพื้นที่ทองแดงมากเกินไปในบริเวณที่ยืดหยุ่น ซึ่งจะถูกตรวจพบโดยเครื่องมือ DFM หลังส่งแบบ

คำแนะนำการประกอบไม่ชัดเจน การประกอบแผ่นวงจรยืดหยุ่นต้องมีการอบล่วงหน้า/ควบคุมความชื้น การใช้แผ่นเสริมความแข็งแรงอย่างเหมาะสม และแนวทางการใช้อุปกรณ์ยึดจับ การไม่มีรายละเอียดเหล่านี้อาจทำให้ผู้ประกอบสับสนและเสียเวลา

ข้อแนะนํามืออาชีพ การให้ แบบร่างการผลิตที่สมบูรณ์และข้อกำหนดอย่างละเอียด , ร่วมกับการปรึกษาด้านการออกแบบ (DFM) ตั้งแต่เนิ่นๆ การปรึกษาด้านการออกแบบ (DFM) จากผู้ผลิตเฟล็กซ์พีซีบีของคุณ ช่วยลดระยะเวลาในการผลิตอย่างมาก และลดการต้องออกแบบใหม่ที่มีค่าใช้จ่ายสูง

การรักษาสมดุลระหว่างต้นทุนและคุณภาพ

เมื่อทำการปรับต้นทุนให้เหมาะสมพร้อมพิจารณาเวลาดำเนินการ โปรดจำไว้ว่า:

• การสั่งซื้อ ต้นแบบแบบเร่งด่วน อาจเพิ่มต้นทุนต่อหน่วย แต่เร่งวงจรการพัฒนาผลิตภัณฑ์ได้
• การรวมขั้นตอนการออกแบบให้ลดการเปลี่ยนแปลงหลังเริ่มการผลิต จะช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายได้อย่างมาก
• การลงทุนใน การผลิตแบบเทิร์นคีย์ กับผู้ให้บริการรายเดียว ที่ดูแลทั้งการผลิตและการประกอบ ช่วยลดความล่าช้าในการสื่อสารและลดความเสี่ยงด้านคุณภาพ
• การมีส่วนร่วมตั้งแต่ระยะแรกกับผู้ผลิต เช่น ซิแอร์รา เซอร์กิตส์ ผู้ให้บริการเครื่องมือการขอใบเสนอราคาออนไลน์และการสนับสนุน DFM ช่วยปรับปรุงความแม่นยำด้านราคาและระยะเวลาจัดส่ง

ตารางอ้างอิงอย่างรวดเร็ว: ปัจจัยพิจารณาด้านการออกแบบเทียบกับผลกระทบต่อต้นทุนและระยะเวลาดำเนินการ

วิธีการเลือกผู้ผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ยืดหยุ่นและแบบผสมที่เหมาะสม

การร่วมมือกับ flex PCB หรือ ผู้ผลิตแผ่นวงจรพิมพ์แบบแข็ง-ยืดหยุ่น มีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำให้แน่ใจว่าการออกแบบอันซับซ้อนของคุณสามารถเปลี่ยนถ่ายไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพสูง น่าเชื่อถือ และจัดส่งตรงเวลา ต่างจากบอร์ดแข็งทั่วไป วงจรแบบยืดหยุ่นและแบบผสมผสานแข็ง-ยืดหยุ่น (rigid-flex) ต้องอาศัยกระบวนการผลิตเฉพาะทาง การจัดการวัสดุอย่างแม่นยำ และการควบคุมคุณภาพอย่างเข้มงวด เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านไฟฟ้าและกลไกที่เข้มงวด

คุณสมบัติหลักของผู้ผลิตที่ควรพิจารณา

ประสบการณ์และความสามารถในการผลิต

• • ประวัติผลงานที่ผ่านการพิสูจน์แล้วในด้าน การผลิตแผ่นวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นและแบบผสมผสานแข็ง-ยืดหยุ่น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการออกแบบที่ต้องโค้งงอได้แบบไดนามิก และแบบหลายชั้นที่มีความหนาแน่นสูง
  • มีให้บริการ ต้นแบบ PCB ที่สามารถผลิตอย่างรวดด่วน เพื่อเร่งวงจรการพัฒนา
  • ประสบการณ์ในการทำงานกับ โครงสร้างหลายชั้นที่ซับซ้อน การประกอบแบบไม่ใช้กาว และแผ่นยืดหยุ่นที่มีจำนวนชั้นมาก
  • ความสามารถในการผลิต การประกอบแบบครบวงจร , รวมถึงการอบลดความชื้นล่วงหน้า การจัดการอุปกรณ์ยึดตำแหน่ง และการบัดกรีส่วนประกอบตามมาตรฐาน IPC-A-610 และ J-STD-001

วัสดุและเทคโนโลยี

• • การเข้าถึงวัสดุคุณภาพสูง ฟิล์มโพลีอิไมด์ , ฟอยล์ทองแดงรีดแล้วอบอ่อน , และคุณสมบัติขั้นสูง แผ่นลามิเนต FCCL .
  • ความเชี่ยวชาญทั้งใน โครงสร้างฟเล็กซ์ที่ใช้กาวและไม่ใช้กาว การก่อสร้างแบบยืดหยุ่น
  • ตัวเลือกพื้นผิวขั้นสูง (ENIG, OSP, ฯลฯ) และการเลือกวัสดุเสริมความแข็งแรงที่เหมาะสม (Kapton, FR-4, โลหะ)

การสนับสนุนการออกแบบเพื่อการผลิต (DFM)

• • การทำงานร่วมกันอย่างเข้มแข็งด้านวิศวกรรมในระหว่างการทบทวนการออกแบบ เพื่อยืนยันรัศมีการโค้ง, การจัดเส้นทางสายไฟ, การวางตำแหน่งไวด์ (via) และการจัดชั้นของแผ่นวงจร
  • การเข้าถึง เครื่องมือขอใบเสนอราคาและตรวจสอบความสามารถในการผลิตออนไลน์ (online quoting and DFM tools) ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจพบปัญหาการออกแบบได้ตั้งแต่ระยะเริ่มต้น และประมาณการระยะเวลาการผลิตได้อย่างแม่นยำ
  • การจัดทำ แบบแปลนการผลิตและรายการตรวจสอบการประกอบ ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับวงจรยืดหยุ่น (flex circuits)

ใบรับรองและการควบคุมคุณภาพ

• • เป็นไปตามมาตรฐานหลัก: IPC-2221, IPC-2223, IPC-6013, IPC-600, IPC-A-610, J-STD-001 .
  • ใบรับรอง ISO 9001 หรือ AS9100 ที่แสดงถึงระบบคุณภาพที่มีความเข้มแข็ง
  • โปรโตคอลควบคุมความชื้น เช่น การอบแห้งและการจัดการในสภาพแวดล้อมที่ควบคุมความชื้น

การผลิตครบวงจรภายในสถานที่เดียว

• • โรงงานผลิตที่ดำเนินการทั้งสองขั้นตอน การผลิตและประกอบแผ่นวงจรพิมพ์ยืดหยุ่น (flex PCB) ลดความซับซ้อนด้านลอจิสติกส์และช่องว่างในการสื่อสาร
  • ความสามารถในการให้ข้อมูลตอบกลับอย่างรวดเร็วและการแก้ไขปัญหาได้อย่างฉับไว

คำถามที่ควรถามผู้ผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ยืดหยุ่นที่อาจเป็นผู้รับจ้างผลิต

ประโยชน์ของการมีส่วนร่วมแต่เนิ่นๆ กับผู้ผลิตของคุณ

• คำแนะนำการจัดเรียงชั้นที่เหมาะสมเฉพาะสำหรับคุณ การใช้ประโยชน์จากห้องสมุดวัสดุและประสบการณ์ด้านกระบวนการของพวกเขา
• ดีกว่า การบรรเทาความเสี่ยง โดยการระบุปัญหาด้านความสามารถในการผลิตก่อนขั้นตอนการทำแม่พิมพ์
• ได้รับการปรับแต่งแล้ว ต้นทุนและระยะเวลาการดำเนินงาน ผ่านการตัดสินใจเลือกทางเลือกอย่างมีข้อมูลประกอบ
• ความเป็นไปได้ที่สูงขึ้นของการผลิตแบบครบวงจร สำเร็จตั้งแต่ต้นแบบจนถึงการผลิตจำนวนมาก ตั้งแต่ต้นแบบจนถึงการผลิตจำนวนมาก

กรณีศึกษา: แนวทางของ Sierra Circuits

Sierra Circuits เป็นตัวอย่างที่โดดเด่นของแนวปฏิบัติชั้นนำในอุตสาหกรรม ซึ่งให้บริการดังต่อไปนี้

• การผลิตและประกอบแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นและแบบผสม (flex และ rigid-flex) ทั้งหมดภายในสถานที่เดียว
• คำปรึกษา DFM ก่อนการผลิตที่มีความแข็งแกร่ง
• เครื่องมือการเสนอราคาออนไลน์ขั้นสูงและการคัดเลือกวัสดุ
• กระบวนการผลิตที่สอดคล้องตามมาตรฐาน IPC และการจัดการความชื้น
• ต้นแบบอย่างรวดเร็วพร้อมเกณฑ์การส่งมอบตรงเวลาที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว

รายการตรวจสอบสุดท้าย: การเลือกผู้ผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ยืดหยุ่น/แบบผสม (Flex/Rigid-Flex PCB)

• ประสบการณ์ที่แสดงให้เห็นในการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ยืดหยุ่นแบบไดนามิกและแบบหลายชั้นชนิดแข็ง-ยืดหยุ่น (multilayer rigid-flex PCB)
• สต็อกวัสดุขั้นสูงรวมถึงตัวเลือกวัสดุโพลีอิไมด์และ FCCL
• บริการให้คำปรึกษาด้านการออกแบบและ DFM อย่างครบวงจร
• การรับรองตามมาตรฐาน ISO และ IPC พร้อมระบบการจัดการคุณภาพที่โปร่งใส
• ความสามารถในการผลิตและประกอบแบบครบวงจรในสถานที่เดียว
• ประวัติการปฏิบัติตามกำหนดเวลาสำหรับงานต้นแบบที่ต้องการความรวดเร็ว
• ราคาที่ชัดเจน แยกตามรายการ และตัวเลือกการปรับสเกลตามปริมาณ

ประเด็นสำคัญและแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด

การออกแบบและการผลิต แผงวงจรพิมพ์แบบแข็ง-ยืดหยุ่นรวม (rigid-flex PCBs) เป็นกระบวนการที่ซับซ้อน ซึ่งต้องใช้แนวทางแบบองค์รวม—ตั้งแต่การเลือกวัสดุอย่างชาญฉลาด การออกแบบชั้นซ้อน (stack-up) การวางผังอย่างแม่นยำ ไปจนถึงความร่วมมือกับผู้ผลิตที่เชื่อถือได้ ด้านล่างนี้คือสรุปประเด็นหลักและแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดโดยย่อ ซึ่งรวบรวมจากมาตรฐานอุตสาหกรรมและประสบการณ์จริง เพื่อช่วยให้คุณประสบความสำเร็จในการออกแบบวงจรยืดหยุ่นประสิทธิภาพสูงครั้งต่อไป

สรุป จุดสําคัญ

• เข้าใจความต้องการของแอปพลิเคชัน: พิจารณาว่าการออกแบบของคุณต้องการ ฟเล็กซ์แบบสถิตหรือแบบไดนามิก ฟเล็กซ์แบบไดนามิกต้องการรัศมีการโค้งที่ใหญ่กว่ามาก และต้องใช้ทองแดงและวัสดุที่ทนทานกว่า
• ยึดถือตามมาตรฐาน IPC: ปฏิบัติตาม IPC-2221, IPC-2223, IPC-6013, IPC-600, IPC-A-610, และ J-STD-001 เพื่อให้มั่นใจว่าการออกแบบ การผลิต และการประกอบ เป็นไปตามข้อกำหนดอุตสาหกรรมที่เข้มงวด
• เพิ่มประสิทธิภาพรัศมีการโค้งและอัตราส่วนการโค้ง: ใช้รัศมีการโค้งขั้นต่ำตามที่แนะนำโดยพิจารณาจากจำนวนชั้นและความหนาของแผ่นยืดหยุ่น เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายล่วงหน้า
• วัสดุมีความสำคัญ: เลือกวัสดุ เช่น ไดอิเล็กทริกโพลีไมด์ ทองแดงรีดแล้วอบอ่อน ฟอยล์ทองแดงแบบไม่มีกาว (FCCL) และตัวเสริมความแข็งแรงที่เหมาะสมสำหรับสภาพแวดล้อมการใช้งานของคุณ
• การออกแบบเลย์เอาต์และการวางเส้นทางเดินสัญญาณ: วางเส้นทางเดินสัญญาณให้ขนานกับแนวโค้งโดยใช้เส้นโค้งเรียบ จัดเรียงเส้นทางหลายชั้นสลับกัน ใช้วงแหวนรอบรูเจาะขนาดเหมาะสม พื้นที่บัดกรีรูปหยดน้ำ และรักษาระยะห่างขั้นต่ำระหว่างรูเจาะกับตัวนำไฟฟ้า
• การออกแบบลำดับชั้นของแผ่นวงจร: ใช้การออกแบบลำดับชั้นสมมาตรและเป็นจำนวนคู่ เทคนิคพิเศษเช่น การผูกแบบหนังสือ (bookbinding) หรือชั้นเว้นช่องว่าง (air-gap layers) และป้องกันชั้นยืดหยุ่นด้วยวัสดุคลุมที่เหมาะสม
• ปรึกษาผู้ผลิตผู้เชี่ยวชาญตั้งแต่ระยะเริ่มต้น: ร่วมมือกับ แผ่นวงจรพิมพ์ยืดหยุ่น (flex PCB) มีประสบการณ์ในการผลิตแบบครบวงจรและรวดเร็ว โดยให้การสนับสนุนด้านการออกแบบและปฏิบัติตามมาตรฐาน IPC
• บริหารต้นทุนและระยะเวลา แบบแปลนการผลิตที่สมบูรณ์และละเอียด พร้อมการตรวจสอบ DFM แต่เนิ่นๆ ช่วยลดปัญหาค่าใช้จ่ายเกินและล่าช้าในการผลิต

รายการตรวจสอบตามแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด

แหล่งข้อมูลและเครื่องมือที่แนะนำ

• ดาวน์โหลด การออกแบบเพื่อการผลิตที่สามารถดาวน์โหลดได้ จากซัพพลายเออร์ที่เชื่อถือได้ เช่น Sierra Circuits
• การใช้งาน เครื่องมือออนไลน์สำหรับเลือกชั้นโครงสร้างและวัสดุ เพื่อปรับแต่งค่าอิมพีแดนซ์และสมรรถนะทางกลอย่างแม่นยำ
• ใช้ซอฟต์แวร์ PCB CAD พร้อม การแสดงภาพการจัดเรียงหลายโซนและการงอ ความสามารถ

ข้อคิดปิดท้าย

การออกแบบแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นผสม ผสานความแม่นยำทางไฟฟ้ากับความจำเป็นทางกลอย่างลงตัว—โดยการถ่วงดุลการจัดเรียงหลายชั้น การเลือกวัสดุอย่างระมัดระวัง และการวางเส้นทางอย่างประณีต เพื่อสร้างโซลูชันที่ทนทานสำหรับอุตสาหกรรมที่เข้มงวดที่สุด การประยุกต์ใช้มาตรฐานอย่างรอบคอบ การทำงานร่วมกับผู้ผลิตที่มีประสบการณ์ และการยึดมั่นในกฎการออกแบบที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว จะทำให้แผ่นวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นหรือแบบแข็ง-ยืดหยุ่นรุ่นต่อไปของคุณโดดเด่นด้านความทนทาน สมรรถนะ และความสามารถในการผลิต