Điều Gì Khiến Lắp Ráp PCB Linh Hoạt Trở Thành Lý Tưởng Cho Các Thiết Bị Mặc Trên Người?

Tiêu Đề Meta: Lắp Ráp PCB Cho Thiết Bị Mặc — Vật Liệu PCB Linh Hoạt, Kỹ Thuật SMT & DFM Mô tả Meta: Tìm hiểu các phương pháp tốt nhất cho việc lắp ráp PCB dùng trong thiết bị mặc: vật liệu PCB linh hoạt (polyimide, coverlay), hồ sơ hàn SMT/hàn chảy lại, lớp phủ bảo vệ, hiệu chỉnh tần số RF, hướng dẫn DFM và phòng ngừa lỗi thường gặp.

1. Giới Thiệu: Cuộc Cách Mạng Của PCB Linh Hoạt Và PCB Cứng-Linh Hoạt

Một thập kỷ qua đã đánh dấu bước chuyển mình đột phá trong cách thức thiết kế các thiết bị điện tử, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ đeo được và thiết bị Y tế . Người tiêu dùng ngày nay không chỉ mong đợi các tính năng thông minh, mà còn yêu cầu những thiết bị siêu nhỏ gọn, nhẹ như lông vũ và độ bền cao như đồng hồ thông minh , thiết bị theo dõi thể dục , máy Hỗ Trợ Thính Giác , miếng dán cảm biến sinh học , và nhiều hơn nữa. Những yêu cầu này đã thúc đẩy lắp ráp PCB cho thiết bị mặc lên hàng đầu, buộc các nhà thiết kế và sản xuất phải suy nghĩ lại mọi thứ từ vật liệu đến các chiến lược kết nối.

Mạch in linh hoạt (FPC) và bo mạch PCB Cứng-Dẻo các công nghệ đã trở thành nền tảng của làn sóng mới này. Khác với các mạch in truyền thống, mạch in linh hoạt uốn cong, xoắn và phù hợp với các vỏ sản phẩm nhỏ, có hình dạng kỳ lạ. PCB kết hợp cứng và mềm (Rigid-flex PCB) đi xa hơn, tích hợp cả vùng uốn dẻo và vùng cứng trong cùng một bảng mạch, tạo ra các kết nối điện liền mạch ở những góc khó nhất của sản phẩm. Lắp ráp FPC những đổi mới trong không chỉ giảm kích thước và trọng lượng mà còn cải thiện độ bền thiết bị, nâng cao hiệu suất và mở ra những khả năng mới như thiết kế màn hình cong hoặc cảm biến y tế vừa khít thoải mái với cơ thể.

Theo một khảo sát ngành công nghiệp năm 2025 (IPC, FlexTech), hơn 75% thiết kế thiết bị đeo và thiết bị y tế mới hiện nay có tích hợp một dạng nào đó mạch linh hoạt hoặc tích hợp cứng - linh hoạt . Xu hướng này được dự đoán sẽ gia tăng khi các sản phẩm trở nên thông minh hơn, mỏng hơn và bền bỉ hơn. Trên thực tế, kết nối mật độ cao (HDI) , siêu nhỏ linh kiện SMT 0201 , và công nghệ vật liệu PCB linh hoạt polyimide đã trở thành tiêu chuẩn trong Lắp ráp bảng mạch in cho thiết bị đeo .

"Trái tim của đổi mới thiết bị đeo là sự thu nhỏ kích thước. Nhưng việc thu nhỏ chỉ khả thi nhờ những đột phá trong sản xuất và lắp ráp bảng mạch linh hoạt."  — Paul Tome, Quản lý Sản phẩm Flex & Rigid-Flex, Epec Engineered Technologies

Dưới đây là những điều làm nên sự hấp dẫn của kỷ nguyên mới này trong lĩnh vực bảng mạch điện tử mặc trên người đáng phấn khích như vậy:

• Tiết kiệm không gian & trọng lượng: Các thiết bị đeo hiện đại có thể mỏng như một đồng xu nhưng vẫn cung cấp kết nối đầy đủ, nhờ vào cấu trúc bảng mạch linh hoạt và các thành phần thu nhỏ.
• Độ bền & Sự thoải mái: Các FPC bằng polyimide có thể chịu được hàng ngàn chu kỳ uốn cong một cách đáng tin cậy, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các dây đeo cổ tay, miếng dán và băng đô phải di chuyển cùng người dùng.
• Công suất & Hiệu suất: Bố trí hiệu quả, đi dây chính xác và quy trình lắp ráp tiên tiến, bao gồm hàn SMT tối ưu và phủ bảo vệ (conformal coating) cho các bảng mạch, giúp quản lý tổn thất năng lượng và nhiễu điện từ (EMI/RF).
• Tốc độ đổi mới:  DFM cho bảng mạch linh hoạt và các kỹ thuật tạo mẫu nhanh (như mạch linh hoạt in 3D) cho phép các công ty nhanh chóng lặp lại và đưa ý tưởng mới ra thị trường.

Bảng 1: So sánh các Công nghệ PCB trong Thiết bị Đeo

Khi đi sâu vào hướng dẫn này, bạn sẽ không chỉ tìm hiểu về 'cái gì' mà còn về 'cách thức' đằng sau thế hệ tiếp theo lắp ráp PCB cho thiết bị mặc từ việc lựa chọn đúng vật liệu PCB linh hoạt và làm chủ SMT cho PCB linh hoạt đến việc vượt qua các thách thức thực tế về lắp ráp và độ tin cậy. Dù bạn là kỹ sư, nhà thiết kế hay quản lý chuỗi cung ứng trong các lĩnh vực IOT , công nghệ y tế , hoặc điện tử tiêu dùng , những hiểu biết này sẽ giúp bạn phát triển các thiết bị tốt hơn và thông minh hơn.

2. PCB Linh hoạt và PCB Lai Cứng-Linh hoạt Là Gì?

Trong lĩnh vực thiết kế mạch in điện tử mặc được , không phải tất cả các bảng mạch in đều được tạo ra như nhau. Mạch in linh hoạt (FPCs) và pCB kết hợp cứng và mềm (Rigid-flex PCB) đã nổi lên như tiêu chuẩn vàng cho các thiết bị đeo thông minh hiện đại, mô-đun IoT và thiết bị y tế, nơi độ bền, hiệu quả về không gian và kiểu dáng độc đáo là yếu tố hàng đầu. Hãy cùng tìm hiểu điều gì làm nên sự khác biệt của các công nghệ mạch in tiên tiến này — và cách chúng thúc đẩy đổi mới trong các sản phẩm như đồng hồ thông minh, thiết bị theo dõi thể dục và miếng dán cảm biến sinh học.

Bảng mạch in linh hoạt (FPCs)

A bảng mạch in linh hoạt được chế tạo bằng chất nền mỏng, uốn dẻo — thường là màng Polyimide (PI) — có thể uốn cong, gập và xoắn mà không bị gãy. Không giống như các bảng mạch cứng truyền thống dựa trên FR-4, FPCs được thiết kế đặc biệt để phù hợp với môi trường động và nhỏ gọn của các thiết bị đeo.

Cấu trúc điển hình của mạch in linh hoạt:

Các thông tin chính:

• Bán kính uốn: Đối với các thiết kế bền vững, bán kính uốn tối thiểu nên ít nhất là 10× độ dày tổng của bảng mạch .
• Chiều rộng vạch / khoảng cách: Thường mảnh tới mức khoảng cách 0,05–0,1 mm trên các bảng mạch tiên tiến.
• Độ dày lá đồng: Thường thấy ở dải 12–70 µm với các lá mỏng hơn cho phép uốn cong chặt hơn.
• Màng phủ bảo vệ: Cung cấp cả bảo vệ cơ học và cách điện.

Lắp ráp FPC hỗ trợ cả cấu trúc đơn lớp và đa lớp phức tạp, cho phép các nhà thiết kế tạo vỏ thiết bị mỏng tới mức 0,2 mm —lý tưởng cho các thiết bị theo dõi thể dục thế hệ tiếp theo hoặc miếng dán thông minh.

PCB kết hợp cứng và mềm (Rigid-flex PCB)

A bo mạch PCB Cứng-Dẻo kết hợp những ưu điểm tốt nhất của cả hai loại: các phần của bảng mạch được chế tạo dưới dạng bảng cứng chắc để gắn các linh kiện SMT tinh vi, trong khi các khu vực khác được giữ linh hoạt để thuận tiện cho việc uốn cong hoặc gập. Các vùng cứng và linh hoạt này được tích hợp liền mạch thông qua các quy trình sản xuất chính xác, giảm độ phức tạp trong lắp ráp và nhu cầu sử dụng các đầu nối cồng kềnh.

Cấu trúc điển hình của một bảng mạch rigid-flex:

• Các phần cứng: FR-4 tiêu chuẩn (hoặc tương tự) với các lớp đồng, dùng để gắn linh kiện.
• Các phần linh hoạt: Các lớp FPC dựa trên polyimide nối các phần cứng, cho phép chuyển động linh hoạt và xếp chồng gọn gàng.
• Kết nối giữa các lớp: Microvias hoặc through vias, thường được thực hiện cho HDI (Kết nối mật độ cao) thiết kế, hỗ trợ các đường dẫn tín hiệu nhiều lớp và cung cấp nguồn.
• Các vùng chuyển tiếp: Được thiết kế cẩn thận để tránh ứng suất và sự lan truyền vết nứt.

Lợi thế trong thiết bị đeo:

• Tối đa hóa độ linh hoạt trong thiết kế: Cho phép thiết kế thiết bị mà không thể thực hiện được bằng mạch in chỉ có tính cứng.
• Ít kết nối/liên kết hơn: Giảm tổng trọng lượng, độ dày và các điểm dễ hỏng.
• Độ tin cậy vượt trội: Thiết yếu cho các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao (ví dụ: thiết bị cấy ghép y tế, thiết bị đeo đạt tiêu chuẩn quân sự).
• Tăng cường khả năng chắn nhiễu EMI và RF: Thông qua các mặt nối đất nhiều lớp và kiểm soát trở kháng sát hơn.

Ứng dụng thực tế trong thiết bị đeo và thiết bị y tế

Đồng hồ Thông minh:

• Sử dụng nhiều lớp cấu trúc PCB linh hoạt để dẫn tín hiệu, màn hình cảm ứng, bộ điều khiển hiển thị và các mô-đun không dây xung quanh vỏ đồng hồ cong.
• Ăng-ten linh hoạt và kết nối pin được hưởng lợi từ Lắp ráp FPC để duy trì độ toàn vẹn của thiết bị trong quá trình uốn cổ tay.

Máy theo dõi thể thao và miếng dán cảm biến sinh học:

• Mạch in linh hoạt polyimide với các linh kiện SMT bước nhỏ cho phép các dạng sản phẩm dùng một lần hoặc bán dùng một lần, có độ mỏng cực thấp (<0,5 mm).
• Các cảm biến tích hợp (như gia tốc kế, nhịp tim hoặc đèn LED SpO₂) được đặt trực tiếp trên FPC giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và sự thoải mái của sản phẩm.

Thiết bị y tế:

• PCB kết hợp cứng và mềm (Rigid-flex PCB) cung cấp năng lượng cho các thiết bị giám sát cấy ghép và thiết bị đeo theo bệnh nhân bằng cách kết hợp độ tin cậy cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chịu uốn lặp nhiều lần—thường vượt quá 10.000 chu kỳ trong thử nghiệm uốn cong.

Nghiên cứu trường hợp:  Một nhà sản xuất thiết bị theo dõi thể dục hàng đầu đã tận dụng các FPCB 6 lớp với đường mạch 0,05 mm và linh kiện 0201, đạt được độ dày cụm bo mạch cuối cùng là 0,23 mm. Điều này cho phép tạo ra thiết bị dưới 5 gram tích hợp theo dõi ECG liên tục và theo dõi chuyển động – điều mà các bo mạch cứng truyền thống không thể thực hiện được.

Tham khảo nhanh thuật ngữ

Tóm lại:  PCB linh hoạt và bán cứng không chỉ đơn thuần là sự thay thế cho các bảng mạch cứng—chúng chính là động lực thúc đẩy thế hệ thiết bị đeo và thiết bị y tế nhỏ gọn, thông minh hơn tiếp theo. Việc hiểu rõ các vật liệu, cấu trúc và các khái niệm cốt lõi đằng sau chúng làm nền tảng cho mọi quyết định thiết kế và lắp ráp khác trong quy trình sản xuất PCB dùng cho thiết bị đeo

Sẵn sàng cho Mục 3 chưa? Gõ 'Tiếp theo' và tôi sẽ tiếp tục với phần “Lợi thế của Mạch in Linh hoạt cho Thiết bị Đeo và Thiết bị Y tế”—bao gồm các danh sách, giải thích chi tiết và kiến thức chuyên sâu có thể ứng dụng trong ngành.

3. Lợi thế của Mạch in Linh hoạt cho Thiết bị Đeo và Thiết bị Y tế

Khi thiết kế các giải pháp tiên tiến bảng mạch điện tử mặc trên người hoặc tạo ra các thiết bị y tế nhỏ gọn, pCB linh hoạt (FPCs) là nền tảng cho cả đổi mới và chức năng. Các đặc tính độc đáo của chúng thúc đẩy việc thu nhỏ kích thước, cải thiện độ tin cậy và cho phép các tính năng định hình lại những điều khả thi trong công nghệ tiêu dùng và chăm sóc sức khỏe.

Thu nhỏ kích thước và tiết kiệm không gian: Mở ra các thiết kế mới

Một trong những lợi ích nổi bật nhất của một bảng mạch in linh hoạt là độ mỏng và khả năng uốn cong vượt trội. Khác với các bảng mạch cứng truyền thống, FPCs có thể mỏng tới 0.1–0.2 mm , với cấu trúc xếp lớp được thiết kế cho cả cấu hình đơn lớp và nhiều lớp. Điều này cho phép các kỹ sư thiết kế đường dẫn tín hiệu và nguồn quan trọng trong các không gian chật hẹp, cong hoặc xếp lớp bên trong các thiết bị đeo nhỏ nhất.

Bảng ví dụ: Độ dày PCB linh hoạt theo ứng dụng

Sự thật quan trọng: Một mạch in linh hoạt (PCB) thường có thể thay thế nhiều bảng mạch cứng và các kết nối giữa chúng, giảm trọng lượng lên đến 80%và thể tích tới mức 70%so với các mạch in truyền thống dùng trong thiết bị đeo.

Độ bền và độ tin cậy khi uốn cong lặp lại

Mạch in linh hoạt (FPC) dựa trên polyimide được thiết kế để chịu được hàng ngàn, thậm chí hàng chục ngàn lần uốn, xoắn và chu kỳ uốn cong. Điều này rất quan trọng đối với các thiết bị đeo, vốn thường xuyên chịu chuyển động ở cổ tay, mắt cá chân hoặc cơ thể và phải hoạt động hoàn hảo trong nhiều năm.

• Kiểm tra chu kỳ uốn cong: Các nhà sản xuất hàng đầu kiểm tra các bộ mạch in cho thiết bị đeo vượt quá các tiêu chuẩn 10.000 chu kỳ uốn cong mà không bị hỏng hóc về cấu trúc hoặc điện.
• Khả năng chống bong tróc: Sự kết hợp của tấm đồng và keo dính mạnh trong cấu trúc FPC làm giảm thiểu sự tách lớp, ngay cả khi chịu ứng suất cơ học.
• Ngăn ngừa nứt mối hàn: Bố trí chiến lược các linh kiện SMT và sử dụng underfill ở các vùng chịu ứng suất ngăn chặn hiện tượng hư hỏng do mỏi, vốn phổ biến ở các bảng mạch cứng.

Trích dẫn:

“Nếu không có độ bền của mạch in linh hoạt (flex PCB), hầu hết các thiết bị đeo thông minh theo dõi sức khỏe và thể hình sẽ ngừng hoạt động chỉ sau vài ngày hoặc vài tuần sử dụng thực tế. Các bộ phận FPC bền vững hiện đã trở thành tiêu chuẩn cơ bản của ngành.” — Kỹ sư trưởng, Thương hiệu Thiết bị Thể hình Toàn cầu

Ít kết nối hơn, độ tin cậy hệ thống cao hơn

Các mạch in truyền thống—đặc biệt trong các bố trí thiết bị 3D, gập nếp—cần có các đầu nối, cầu nối và cáp hàn. Mỗi kết nối đều là một điểm tiềm năng gây lỗi. Lắp ráp pcb linh hoạt cho phép tích hợp nhiều đoạn mạch vào một cấu trúc duy nhất, làm giảm số lượng:

• Mối hàn
• Dây nịt
• Đầu nối cơ khí

Điều này dẫn đến:

• Khả năng chịu va chạm/rung động tốt hơn (quan trọng đối với các thiết bị đeo phục vụ lối sống năng động)
• Quy trình lắp ráp đơn giản hơn
• Ít vấn đề bảo hành hơn do lỗi đầu nối/cáp

Thông tin: Một thiết bị theo dõi thể dục điển hình sử dụng một mạch in linh hoạt đơn (FPC) có thể giảm số lượng kết nối từ hơn 10 xuống còn 2 hoặc 3, đồng thời cắt giảm thời gian lắp ráp hơn 30%.

Tự do thiết kế: Hình dạng phức tạp và xếp lớp

Khả năng "gập và giữ nguyên hình dạng" của các mạch in linh hoạt hiện đại mạch in linh hoạt polyimide cho phép đạt đến những cấp độ mới về tự do thiết kế:

• Bố trí mạch xung quanh các pin cong hoặc mô-đun hiển thị.
• Xếp chồng nhiều lớp điện tử để tạo thành mạch in mật độ cao (HDI) .
• Tạo ra các cụm lắp ráp kiểu “origami” có thể gập lại vừa khít với vỏ ngoài bắt chước sinh học hoặc không theo hình chữ nhật.

Danh sách: Các tính năng thiết kế được kích hoạt bởi mạch in linh hoạt

• Miếng dán đeo được (điện cực y tế, theo dõi glucose liên tục): Siêu mỏng, ôm sát làn da
• Dải đầu hoặc kính mắt AR/VR : Phù hợp với hình dạng khuôn mặt, tăng độ thoải mái
• Vòng thông minh / vòng đeo tay thông minh : Bao quanh các bán kính nhỏ mà không bị nứt hoặc hỏng
• Điện tử tích hợp sinh học : Gấp lại hoặc uốn cong theo mô mềm của cơ thể người

Giảm chi phí trong sản xuất hàng loạt

Mặc dù chi phí ban đầu cho mạch linh hoạt có thể cao hơn, nhưng điều này được bù lại bởi:

• Số lượng linh kiện ít hơn (loại bỏ kết nối cáp)
• Các dây chuyền lắp ráp SMT ngắn hơn (ít lao động thủ công hơn)
• Tăng tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn với số lượng lỗi liên quan đến kết nối thấp hơn

Trên khối lượng lớn như trong các thiết bị đeo tay tiêu dùng và miếng dán y tế, xu hướng tổng chi phí sở hữu thấp hơn so với các mạch cứng, đặc biệt khi tính đến các trường hợp bảo hành hoặc lỗi sau bán hàng.

4. Ưu điểm của PCB Rigid-Flex

Trong quá trình phát triển lắp ráp PCB cho thiết bị mặc và điện tử tiên tiến cho các thiết bị di động, cộng đồng kỹ sư đã khám phá ra sức mạnh của việc kết hợp cả hai thế giới— mạch in cứng và mềm —để tạo ra các sản phẩm vượt trội. PCB kết hợp cứng và mềm (Rigid-flex PCB) đã khẳng định vai trò thiết yếu trong công nghệ y tế, thiết bị quân sự, thiết bị thực tế tăng cường/thực tế ảo (AR/VR) và các thiết bị đeo cao cấp nhờ mang lại sự kết hợp hoàn hảo giữa độ bền, tính linh hoạt và hiệu suất.

Bảng mạch Rigid-Flex là gì?

A bo mạch PCB Cứng-Dẻo là cấu trúc lai tích hợp các lớp bảng mạch in cứng (FR-4 hoặc tương tự) với các lớp mạch linh hoạt (FPC), thường được làm từ polyimide. Các phần linh hoạt kết nối các vùng cứng, cho phép gập 3D, sử dụng trong các vỏ thiết bị có hình dạng đặc biệt và tích hợp trực tiếp vào các bộ phận chuyển động như vòng đeo tay hoặc mũ đội đầu.

Lợi ích chính của công nghệ PCB Rigid-Flex

1. Độ tin cậy cấu trúc vượt trội

PCB kết hợp cứng và mềm (Rigid-flex PCB) giảm đáng kể nhu cầu về các đầu nối, dây nhảy, đầu bịt và mối hàn. Điều này rất quan trọng trong các cụm bảng mạch điện tử mặc trên người , vốn thường xuyên chịu uốn cong, rơi rớt và rung động.

• Giảm điểm kết nối trung gian : Mỗi đầu nối bị loại bỏ sẽ giảm đi một điểm dễ hỏng tiềm tàng, làm giảm nguy cơ thiết bị bị lỗi tổng thể.
• Khả năng chống sốc/chống rung tốt hơn : Các cấu trúc tích hợp chịu được tác động cơ học tốt hơn các cụm lắp ráp có đầu nối và hệ thống dây điện.
• Phù hợp hơn cho các thiết bị đeo yêu cầu độ tin cậy cao và quan trọng về nhiệm vụ , chẳng hạn như thiết bị y tế cấy ghép hoặc thiết bị viễn thông quân sự, nơi mà một điểm lỗi duy nhất là không thể chấp nhận được.

2. Đóng gói nhỏ gọn và nhẹ

Vì các phần cứng và linh hoạt được tích hợp liền mạch với nhau, pCB kết hợp cứng và mềm (Rigid-flex PCB) giảm đáng kể độ dày và trọng lượng tổng thể của thiết bị. Điều này rất cần thiết đối với đồng hồ thông minh, tai nghe không dây và các thiết bị giám sát y tế nhỏ gọn.

• Các mạch tích hợp và ít cáp hơn cho phép đóng gói sáng tạo, thu nhỏ kích thước, có thể phù hợp với các hình dạng hữu cơ.
• Giảm trọng lượng: Các khu vực linh hoạt thường chỉ thêm 10–15%kích thước và trọng lượng kết hợp so với các bảng mạch PCB cứng riêng biệt có cụm cáp.
• Tiết kiệm không gian: Các giải pháp linh hoạt-cứng thường giảm thể tích mạch bằng 30–60%, và cho phép kiến trúc đóng gói 3D thực sự (các cụm gập, xếp chồng hoặc cong).

3. Hiệu suất điện được cải thiện

Tín hiệu tốc độ cao và Vết nối RF được hưởng lợi từ các tính chất điện môi được kiểm soát và chắn tiếp đất của khu vực cứng, trong khi các vùng linh hoạt quản lý các kết nối giữa các không gian chật hẹp.

• Trở kháng điều khiển: Rất phù hợp cho các mạch tần số cao (Bluetooth, Wi-Fi, truyền dữ liệu y tế từ xa).
• Chắn EMI/RF được cải thiện: Cấu trúc xếp lớp và cách ly tiếp đất giúp tuân thủ tốt hơn các tiêu chuẩn EMC.
• Độ Nguyên Vẹn Của Tín Hiệu: Microvia và định tuyến HDI đảm bảo các đường dẫn tín hiệu ngắn, trực tiếp và tối ưu hóa để giảm nhiễu.

Bảng: Các Khả Năng Chính Được Mở Rộng Nhờ PCB Linh Hoạt Cứng

4. Lắp ráp PCB được tối ưu hóa và giảm chi phí (dài hạn)

Mặc dù chi phí ban đầu của PCB cứng-mềm cao hơn so với FPC đơn giản hoặc chỉ dùng PCB cứng, nhưng lợi ích tiết kiệm trong dài hạn là đáng kể:

• Lắp ráp đơn giản: Bảng mạch tích hợp duy nhất đồng nghĩa với việc ít linh kiện, ít bước thực hiện và giảm khả năng xảy ra lỗi.
• Lắp ráp tự động nhanh hơn: Các dây chuyền SMT và THT vận hành trơn tru hơn nhờ số lượng bảng mạch và đầu nối riêng lẻ cần căn chỉnh ít đi.
• Hiệu quả về chi phí khi sản xuất số lượng lớn: Việc giảm chi phí sửa chữa sau bán hàng, trả lại hàng hoặc khắc phục lỗi lắp ráp sẽ mang lại lợi ích lâu dài cho các thiết bị có tuổi thọ vài năm.

5. Chịu Được Môi Trường Khắc Nghiệt

PCB kết hợp cứng và mềm (Rigid-flex PCB) rất lý tưởng để sử dụng trong các môi trường y tế hoặc ngoài trời khắc nghiệt:

• Chịu nhiệt độ cao: Phần linh hoạt bằng polyimide và phần cứng chịu nhiệt độ cao (high-Tg) chịu được lên đến 200°C (thời gian ngắn), hỗ trợ tiệt trùng hoặc triển khai ngoài trời.
• Kháng ăn mòn, hóa chất và tia UV: Cần thiết cho các thiết bị tiếp xúc với mồ hôi, dung dịch làm sạch hoặc ánh nắng mặt trời.
• Bảo vệ khỏi độ ẩm: Tăng cường với lớp phủ bảo vệ cho mạch in (PCB) và bao bọc parylene/silicone ở các vùng linh hoạt.

6. Tự Do Thiết Kế Cho Các Ứng Dụng Sáng Tạo

Mạch cứng-linh cho phép hình học mới:

• Máy ảnh đeo được —Bảng mạch có thể cuộn quanh pin và cảm biến
• Dải theo dõi thần kinh —Bảng mạch bám theo đường viền đầu mà không để lộ dây dẫn
• Miếng dán y tế cho trẻ sơ sinh —Mỏng, có thể gập lại, nhưng vẫn chắc chắn—cho phép theo dõi liên tục mà không gây tổn thương da

Tại sao Rigid-Flex nổi bật cho tương lai

Sự kết hợp giữa độ cứng và độ linh hoạt trên một mạch in đơn mở ra một thế giới mới về các khả năng mặc được, mang đến cho các nhà thiết kế một bề mặt vững chắc để công nghệ y tế thông minh, kết nối, máy theo dõi thể dục thế hệ tiếp theo, thiết bị đeo AR/VR , và hơn thế nữa.

5. Những thách thức thiết kế chính trong lắp ráp mạch in thiết bị đeo

Lợi ích đổi mới và thu nhỏ kích thước của lắp ráp PCB cho thiết bị mặc rất lớn, nhưng chúng cũng đi kèm với những thách thức thiết kế độc đáo và phức tạp mà các kỹ sư phải giải quyết để đảm bảo độ tin cậy, độ bền và trải nghiệm người dùng tối ưu. Những thách thức này bắt nguồn trực tiếp từ nhu cầu của công nghệ bo mạch PCB Linh hoạt và bo mạch PCB Cứng-Dẻo , cũng như kích thước ngày càng nhỏ và kỳ vọng ngày càng cao của các thiết bị điện tử đeo tay hiện đại.

Thu nhỏ kích thước và Kết nối mật độ cao (HDI)

Thu nhỏ nằm ở trung tâm của việc thiết kế mạch cho các thiết bị đeo. Các thiết bị như đồng hồ thông minh và miếng dán sức khỏe yêu cầu các mạch in mỏng chỉ bằng vài phần mười milimét, với số lượng chức năng ngày càng tăng được tích hợp trong từng milimét vuông.

• Công nghệ HDI: Sử dụng các vias siêu nhỏ (nhỏ tới 0,1 mm), các rãnh dẫn cực mảnh (≤0,05 mm) và cấu trúc lớp xếp chồng để cho phép định tuyến mật độ cao.
• Kích thước Linh kiện:  linh kiện SMT 0201 thường được sử dụng trong lắp ráp flex pcb đối với thiết bị đeo, gây áp lực rất lớn lên độ chính xác của việc đặt linh kiện (<0,01 mm) và độ chính xác hàn.
• Ràng buộc khoảng cách: Tính toàn vẹn tín hiệu, định tuyến nguồn và quản lý nhiệt phải được duy trì trong một diện tích có thể chỉ 15×15 mm hoặc nhỏ hơn.

Bảng: HDI và thu nhỏ kích thước trong lắp ráp PCB thiết bị đeo

Tính linh hoạt: Ứng suất vật liệu, Bán kính uốn và Các ràng buộc bố trí

Các thiết bị đeo được yêu cầu những vùng mạch có thể uốn cong theo chuyển động—có thể lên tới hàng ngàn lần mỗi ngày. Việc thiết kế để đạt tính linh hoạt đồng nghĩa với việc hiểu rõ về sự tập trung ứng suất, đảm bảo bán kính uốn tối thiểu (≥10× tổng độ dày), và tối ưu hóa các lớp mạch để chịu được biến dạng lặp lại mà không làm giảm hiệu suất.

• Mạch in linh hoạt Polyimide các lớp được chọn vì khả năng chống mỏi, nhưng bố trí hoặc cấu trúc lớp không phù hợp vẫn có thể gây nứt hoặc bong tróc.
• Hướng dẫn đặt linh kiện:  
  • Các linh kiện nặng hoặc cao phải được đặt ở vùng cứng hoặc vùng chịu ứng suất thấp.
  • Các đường mạch nên được đi dọc theo trục trung tính của các điểm uốn và tránh cụm lỗ thông hay các góc nhọn.
• Thực hành tốt nhất khi đi dây:  
  • Sử dụng các đường dây cong, không dùng các góc nhọn.
  • Duy trì khoảng cách dây rộng hơn nếu có thể.
  • Tránh các lỗ thông ở những khu vực thường xuyên bị uốn cong.

Hiệu suất năng lượng và giới hạn pin

Hầu hết các thiết bị đeo được đều dùng pin và phải hoạt động trong nhiều ngày—thậm chí cả tuần—chỉ với một lần sạc. Quản lý năng lượng trên mạch in linh hoạt là sự cân bằng giữa không gian, điện trở dây dẫn, hiệu ứng nhiệt và hiệu suất tổng thể của hệ thống.

• Các bộ điều khiển vi mô tiết kiệm điện, mô-đun Bluetooth và IC quản lý nguồn là tiêu chuẩn.
• Cung cấp năng lượng:  
  • Sử dụng dây dẫn điện công suất lớn và mặt đất liền khối để đạt điện trở thấp nhất có thể.
  • Đặt tụ lọc gần nguồn cẩn thận để hạn chế sụt áp và ngăn ngừa dao động.
  • Cấu trúc lớp và bố trí dây dẫn nên giảm thiểu tổn thất IR và nhiễu xuyên âm ở mật độ cao.

Khả năng Chống Ẩm và Độ Bền Môi Trường

Các thiết bị đeo tiếp xúc với mồ hôi, dầu da và các yếu tố môi trường, đặt ra yêu cầu cao hơn về lớp phủ bảo vệ cho mạch in (PCB) , bao bọc và độ sạch trong quá trình lắp ráp.

• Các loại lớp phủ bảo vệ:  
  • Parylene: Mỏng, không lỗ kim; tuyệt vời cho các ứng dụng y tế và độ tin cậy cao.
  • Acrylic, Silicone: Tiết kiệm chi phí hơn, có khả năng chống ẩm và hóa chất tốt.
• Phủ chọn lọc: Chỉ được áp dụng ở những vị trí cần thiết để tiết kiệm trọng lượng, chi phí và thời gian sản xuất.
• Kiểm tra độ bền vững:  
  • Thiết bị phải vượt qua các bài kiểm tra độ ẩm cao, ăn mòn và 'bắn nước' mô phỏng hàng tháng sử dụng liên tục.

Độ ổn định RF/EMI

Nâng cao Lắp ráp bảng mạch in cho thiết bị đeo thường tích hợp các bộ phát vô tuyến không dây (Bluetooth, NFC, Wi-Fi, Zigbee). Đảm bảo truyền tín hiệu sạch đòi hỏi sự chú ý đến thiết kế RF và che chắn EMI trong không gian cực kỳ nhỏ gọn:

• Kiểm soát trở kháng:  
  • các vạch 50 Ω, hàng rào qua lỗ thông, cân bằng đồng nhất.
  • Sử dụng máy tính trở kháng điều khiển cho các ăng-ten và vạch RF quan trọng.
• Cách ly RF/kỹ thuật số: Đặt các mô-đun RF và mạch logic kỹ thuật số vào các khu vực riêng biệt trên bảng mạch, thêm lớp chắn nối đất cục bộ và sử dụng khe cách ly.

So sánh giữa FR-4 cứng và Polyimide linh hoạt (FPC)

Danh sách kiểm tra tóm tắt để thành công trong lắp ráp PCB mặc được

• Thiết kế HDI với microvia và các đường mạch mảnh
• Duy trì bán kính uốn ≥10× độ dày lớp
• Để các linh kiện nhạy cảm/cỡ lớn ra khỏi vùng linh hoạt
• Đi các đường mạch dọc theo trục trung tính và tránh các điểm tập trung ứng suất
• Kế hoạch bảo vệ chống ẩm/môi trường
• Thiết kế để đảm bảo độ tin cậy về RF và EMI/ESD ngay từ đầu

Việc vượt qua thành công những thách thức này là yếu tố thiết yếu để mang đến các sản phẩm bền bỉ, nhỏ gọn và đáng tin cậy bảng mạch điện tử mặc trên người mỗi lựa chọn, từ cấu trúc lớp và vật liệu đến kỹ thuật lắp ráp SMT và bảo vệ môi trường, đều ảnh hưởng đến độ vững chắc thực tế và sự hài lòng của người tiêu dùng.

6. Thiết kế vật liệu và cấu trúc lớp cho mạch in linh hoạt và bán cứng (PCB linh hoạt và bán cứng)

Hiện đại lắp ráp PCB cho thiết bị mặc phụ thuộc rất nhiều vào khoa học vật liệu và kỹ thuật thiết kế cấu trúc lớp chính xác. Việc lựa chọn vật liệu mạch in linh hoạt , trọng lượng đồng, keo dán, lớp phủ bảo vệ và các yếu tố khác ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, độ tin cậy và khả năng sản xuất của cả mạch in linh hoạt (FPC) và pCB kết hợp cứng và mềm (Rigid-flex PCB) . Việc lựa chọn đúng vật liệu và bố trí cấu trúc lớp sẽ đảm bảo thiết bị đeo của bạn đáp ứng được yêu cầu về kích thước, trọng lượng, tính linh hoạt và tuổi thọ—ngay cả trong điều kiện chịu căng thẳng vật lý liên tục.

Vật liệu lõi cho PCB linh hoạt và PCB kết hợp cứng-linh hoạt

Màng Polyimide (PI)

• Chất nền tiêu chuẩn vàng dành cho PCB linh hoạt và PCB kết hợp cứng-linh hoạt.
• Có độ linh hoạt cơ học tuyệt vời, khả năng chịu nhiệt cao (lên đến 250°C) và độ ổn định hóa học vượt trội.
• Độ dày mỏng, thông thường 12–50 µm , phù hợp cả với các miếng dán mặc siêu mỏng và các khu vực linh hoạt chắc chắn hơn.

Tấm đồng

• Lớp tín hiệu & nguồn: Thường có sẵn ở 12–70 µm độ dày.
  • 12–18 µm: Cho phép uốn cong cực kỳ chặt, được sử dụng trong các vùng linh hoạt mật độ cao.
  • 35–70 µm: Hỗ trợ dòng điện cao hơn cho các mặt phẳng nguồn hoặc nối đất.
• Đồng cán nguội đã ủ được ưu tiên sử dụng cho ứng dụng uốn dẻo động do có khả năng chống mỏi vượt trội, trong khi đồng điện phân đôi khi được sử dụng cho các ứng dụng ít yêu cầu hơn, chủ yếu là tĩnh.

Hệ thống dùng keo dán

• Kết nối các lớp với nhau (PI và đồng, lớp phủ và đồng, v.v.).
• Keo dán acrylic và epoxy phổ biến, nhưng đối với các mạch in linh hoạt độ tin cậy cao/y tế, quy trình không dùng keo dán (ép trực tiếp lớp đồng lên PI) giúp giảm nguy cơ hỏng hóc và cải thiện độ bền nhiệt.

Lớp phủ/Màng phủ

• Các màng lớp phủ dựa trên polyimide của 12–25 µm độ dày đóng vai trò như các lớp bảo vệ và cách điện trên mạch, đặc biệt quan trọng trong các thiết bị đeo tiếp xúc với mồ hôi hoặc chịu ứng suất cơ học.
• Bảo vệ mạch khỏi ma sát, độ ẩm và sự xâm nhập của hóa chất trong khi vẫn duy trì tính linh hoạt.

Vật liệu phần cứng (Rigid-Flex)

• FR-4 (sợi thủy tinh/epoxy): Tiêu chuẩn cho các phần cứng, mang lại độ ổn định linh kiện, độ bền và hiệu quả về chi phí.
• Trong các thiết bị đeo y tế hoặc quân sự, các loại FR-4 chuyên dụng có nhiệt độ chuyển thủy tinh cao (high-Tg) hoặc không chứa halogen giúp cải thiện hiệu suất và đáp ứng quy chuẩn.

Ví dụ cấu trúc lớp: Mạch in linh hoạt đeo tay so với PCB Rigid-Flex

Mạch in linh hoạt đeo tay đơn giản (2 lớp)

PCB Rigid-Flex (dành cho Đồng hồ thông minh)

Cấu trúc PCB Linh hoạt cho Thiết bị Đeo: Thông tin Thiết kế

• Cân bằng đồng: Giữ trọng lượng đồng ở mặt trên và mặt dưới gần bằng nhau để giảm thiểu hiện tượng cong vênh và xoắn sau khi ăn mòn.
• Microvia So Le: Phân bố ứng suất cơ học, kéo dài tuổi thọ của các vùng uốn dẻo nhiều chu kỳ trên thiết bị đeo.
• Các kỹ thuật kết dính:  
  • Ép trực tiếp đồng-PI không dùng keo đảm bảo độ tin cậy trong cảm biến sinh học cấy ghép hoặc dùng một lần, giảm nguy cơ bong lớp.
  • Keo Acrylic dành cho thiết bị đeo tiêu dùng phổ thông, cân bằng giữa chi phí và tính linh hoạt.

Các tùy chọn hoàn thiện bề mặt cho thiết bị đeo

Độ bền Nhiệt và Hóa chất

• Mạch linh hoạt Polyimide chống lại. nhiệt độ đỉnh reflow (220–240°C) trong quá trình lắp ráp.
• Thiết bị đeo phải chịu được mồ hôi (muối), dầu da, chất tẩy rửa và tia cực tím—lý do khiến polyimide và parylene là những vật liệu được ưa chuộng trong ngành.
• Các nghiên cứu về lão hóa cho thấy rằng các mạch in linh hoạt được sản xuất đúng cách duy trì tính toàn vẹn điện và cơ học trong suốt 5+ năm thời gian sử dụng chủ động hàng ngày (10.000 chu kỳ uốn trở lên) khi được bảo vệ bằng lớp phủ hoặc lớp che phù hợp.

Những yếu tố cần cân nhắc và thực hành tốt nhất

• Tối ưu hóa cấu trúc lớp để đảm bảo độ linh hoạt: Giữ số lượng lớp và độ dày keo dán ở mức tối thiểu cần thiết để đảm bảo độ tin cậy và khả năng truyền tín hiệu.
• Duy trì bán kính uốn tối thiểu (≥10× độ dày): Quan trọng để ngăn ngừa nứt gãy, mỏi mối hàn hoặc bong lớp trong quá trình sử dụng hàng ngày.
• Sử dụng đồng RA và màng PI chất lượng cao: Đặc biệt đối với các điểm uốn động (dây đeo cổ tay, thiết bị theo dõi thể dục).
• Chỉ định các khoét lỗ trên lớp phủ bảo vệ: Chỉ để lộ các pad, giảm nguy cơ xâm nhập môi trường.

Danh sách kiểm tra vật liệu PCB cho thiết bị đeo:

• Màng polyimide (không keo dán, nếu có thể)
• Đồng cán nguội đã ủ cho các vùng linh hoạt
• FR-4 cho các phần cứng (chỉ dùng cho loại kết hợp cứng–linh hoạt)
• Keo dán acrylic hoặc epoxy (phụ thuộc vào loại thiết bị)
• Lớp hoàn thiện bề mặt ENIG hoặc OSP
• Lớp phủ Parylene/PI để bảo vệ

Việc lựa chọn và cấu hình đúng vật liệu mạch in linh hoạt và cấu trúc lớp không chỉ đơn thuần là chi tiết kỹ thuật—đây là yếu tố quyết định đến sự thoải mái, độ bền và khả năng tuân thủ quy định của sản phẩm bạn. Việc lựa chọn cẩn trọng về vật liệu và cấu trúc lớp là nền tảng cho mọi PCB dành cho thiết bị đeo dự án.

7. Các Nguyên Tắc Tốt Nhất Về Bố Trí Linh Kiện Và Dẫn Tuyến Tín Hiệu

Hiệu quả đặt linh kiện và thông minh tuyến tín hiệu là nền tảng cho sự thành công của bất kỳ lắp ráp PCB cho thiết bị mặc —đặc biệt khi làm việc với thiết kế PCB linh hoạt hoặc PCB kết hợp cứng-mềm. Những sai lầm ở giai đoạn này có thể dẫn đến nứt mối hàn, nhiễu RF, hỏng cơ học sớm, hoặc bố trí quá phức tạp để lắp ráp khiến tỷ lệ sản phẩm đạt và độ tin cậy giảm mạnh. Hãy cùng phân tích các nguyên tắc tốt nhất trong ngành, dựa trên cả thực tế bảng mạch in linh hoạt lý thuyết và hàng ngàn bài học kinh nghiệm trong lĩnh vực điện tử mặc được.

Bố trí Linh kiện: Nguyên tắc cho Độ tin cậy và Độ bền

1. Các vùng cấu trúc: Đặt các linh kiện nặng ra khỏi khu vực uốn dẻo

• Các vùng cứng để đảm bảo ổn định: Đặt các linh kiện nặng, cao hoặc nhạy cảm (như vi điều khiển, cảm biến, mô-đun Bluetooth/Wi-Fi và pin) trên các khu vực bảng mạch in (PCB) cứng. Việc này giúp giảm lực tác động lên các mối hàn và làm giảm nguy cơ nứt vỡ khi uốn cong hoặc trong quá trình sử dụng.
• Các vùng uốn dẻo chỉ dùng để dẫn tín hiệu: Chỉ sử dụng các vùng uốn dẻo chủ yếu để dẫn tín hiệu và nguồn. Nếu phải đặt các linh kiện thụ động nhẹ (điện trở, tụ điện) hoặc đầu nối trong vùng uốn dẻo, hãy đảm bảo chúng được bố trí dọc theo trục trung hòa (đường trung tâm nơi chịu lực uốn là tối thiểu khi bộ phận bị uốn cong).

2. Cân nhắc trục uốn và trục trung hòa

• Bố trí linh kiện trên các vị trí uốn: Tránh lắp đặt bất kỳ thiết bị SMT nào trực tiếp trên trục uốn (đường mà mạch linh hoạt uốn cong). Ngay cả việc đặt lệch trục tưởng chừng nhỏ cũng có thể làm tăng gấp đôi số chu kỳ sử dụng trong các bài kiểm tra uốn lặp lại.
• Bảng: Hướng dẫn bố trí linh kiện

3. Via và Pad

• Giữ các lỗ khoan cách xa vùng uốn cong chịu ứng suất cao: Các lỗ khoan, đặc biệt là vias nhỏ (microvias), có thể trở thành điểm khởi phát nứt khi uốn lặp. Hãy đặt chúng ở những khu vực chịu ít ứng suất và không bao giờ đặt trên trục uốn.
• Sử dụng chân đế dạng giọt nước: Chân đế dạng giọt nước giúp giảm tập trung ứng suất tại các vị trí nối giữa dây dẫn với chân đế hoặc via, từ đó giảm nguy cơ nứt khi uốn cong.

Điều hướng tín hiệu: Đảm bảo tính toàn vẹn, độ linh hoạt và hiệu suất RF

1. Dây dẫn cong và chuyển tiếp mượt mà

• Không sử dụng góc nhọn: Luôn đi dây theo đường cong nhẹ thay vì các góc 45° hoặc 90°. Các góc nhọn tạo ra điểm tăng ứng suất, khiến dây dẫn dễ bị gãy sau nhiều lần uốn cong.
• Chiều rộng và khoảng cách dây dẫn:  
  • ≤0,1 mm chiều rộng dây dẫn đối với các thiết bị đeo mật độ cao, nhưng nên rộng hơn nếu không gian cho phép (giảm điện trở và cải thiện độ tin cậy).
  • Duy trì khoảng cách đồng đều để đảm bảo độ ổn định EMI.

2. Bán kính uốn được kiểm soát

• Thực hành tốt nhất về bán kính uốn: Bộ bán kính uốn tối thiểu ít nhất bằng 10 lần độ dày tổng cộng đối với tất cả các vùng uốn động, giảm nguy cơ nứt đồng hoặc bong lớp (ví dụ: đối với FPC 0,2 mm, giữ bán kính uốn ≥2 mm).
• Nếu cần uốn chặt hơn: Có thể sử dụng đồng mỏng và màng PI mỏng hơn, nhưng bắt buộc phải thử nghiệm chu kỳ để xác nhận thiết kế trong điều kiện thực tế.

3. Sắp xếp lớp trong vùng linh hoạt và vùng cứng

• Dây dẫn so le: Xếp lệch các dây dẫn và lỗ via giữa các lớp trong phần linh hoạt nhiều lớp, ngăn ngừa tích tụ ứng suất tại một điểm.
• Tách biệt tín hiệu/nguồn: Dẫn tuyến tín hiệu kỹ thuật số, tương tự và RF trên các lớp/vùng riêng biệt.
  • Nhóm các đường cấp nguồn và nối đất lại gần nhau để giảm EMI và nhiễu.
  • Sử dụng các vạch hoặc mặt chắn bảo vệ cho ăng-ten và các đường RF.

4. Kết nối cảm biến và dẫn tuyến tốc độ cao

• Kết nối trực tiếp: Đặt các cảm biến (điện cực ECG, gia tốc kế, điốt phát quang) gần các mạch tiền khuếch đại tương tự, nhằm giảm thiểu nhiễu và duy trì độ toàn vẹn tín hiệu—đặc biệt trên các vạch tương tự trở kháng cao.
• Cấu trúc vi dải và đường truyền coplanar: Được sử dụng cho các vạch RF, duy trì trở kháng 50 Ω. Sử dụng các công cụ tính toán trở kháng điều khiển khi dẫn tuyến cho các mô-đun Bluetooth hoặc Wi-Fi.

5. Chắn bảo vệ, RF và nối đất

• Đổ lớp nối đất gần ăng-ten: Đảm bảo ít nhất khoảng cách 5–10 mm xung quanh các ăng-ten, với các đường hồi tiếp đất đầy đủ và hàng rào thông mạch để tăng cường khả năng chắn sóng.
• Tách biệt phần số và phần RF: Sử dụng mặt phẳng nối đất và khoét rỗng bảng mạch để giảm ghép nhiễu EMI.

Những sai lầm phổ biến và cách tránh chúng

• Thiên vị: Đi tuyến tín hiệu xung nhịp quan trọng qua vùng uốn dẻo với nhiều chỗ cong.
  • Giải pháp: Đi các tuyến tốc độ cao/RF theo đường thẳng với trở kháng điều khiển, càng gần bộ dao động gắn cứng càng tốt.
• Thiên vị: Đặt điểm kiểm tra/thông mạch ở các vùng uốn dẻo cao.
  • Giải pháp: Sử dụng đầu nối cạnh hoặc đặt điểm kiểm tra ở các khu vực cứng, dễ tiếp cận.

Danh sách kiểm tra mẹo nhanh

• Đặt tất cả các IC và thiết bị nặng lên các phần cứng.
• Sắp xếp các linh kiện thụ động dọc theo trục trung hòa, tránh xa các vị trí uốn cong.
• Sử dụng các đường mạch cong và pad hình giọt nước.
• Duy trì độ rộng đường mạch và khoảng cách phân tách càng lớn càng tốt.
• Che chắn và tách biệt các miền RF, kỹ thuật số và tương tự.
• Tránh sử dụng via và điểm kiểm tra ở bất kỳ phần nào của FPC sẽ bị uốn cong thường xuyên.
• Xác nhận bố trí bằng công cụ DFM để dự đoán các vấn đề sản xuất.

Được suy nghĩ cẩn thận đặt linh kiện và tuyến tín hiệu là yếu tố thiết yếu để đạt được cả độ bền chức năng và sự tuân thủ quy định trong mọi PCB dành cho thiết bị đeo . Khi nghi ngờ, hãy xác thực bằng các thiết bị thử nghiệm uốn lặp và thử nghiệm lắp ráp trước sản xuất — thống kê bảo hành của bạn sẽ cảm ơn bạn!

8. Các kỹ thuật lắp ráp PCB: SMT, Hàn và Kiểm tra

Sự phát triển của lắp ráp PCB cho thiết bị mặc và các thiết bị siêu mỏng đã mở rộng giới hạn không chỉ về thiết kế mà còn trong sản xuất. Dù đang tạo ra PCB linh hoạt, FPC hay thiết kế PCB kết hợp cứng-mềm, kỹ thuật Lắp ráp phải đảm bảo độ tin cậy, độ chính xác và ứng suất tối thiểu lên các linh kiện trong và sau quá trình sản xuất. Hãy cùng tìm hiểu các chiến lược hiện đại nhất giúp đạt được năng suất cao trong sản xuất bảng mạch điện tử mặc trên người giải pháp.

Lắp ráp SMT cho PCB Linh hoạt và Thiết bị Mặc

Công nghệ gắn bề mặt (SMT) là lựa chọn mặc định cho Lắp ráp FPC trong thiết bị đeo, nhưng quy trình này phải được điều chỉnh để phù hợp với đặc tính độc đáo của mạch in linh hoạt .

Các điều chỉnh chính cho PCB Linh hoạt và Kết hợp Cứng-Mềm:

• Sử dụng giá đỡ cứng hoặc đồ gá:  
  • FPC, do mỏng và dễ uốn, cần được hỗ trợ trong quá trình lấy đặt và hàn hồi lưu. Giá đỡ cứng ngăn ngừa biến dạng và cong vênh.
• Đồ gá chân không hoặc thanh gia cố tạm thời:  
  • Gắn tạm thời vào mạch linh hoạt để tạo thành một bề mặt phẳng và ổn định cho SMT, sau đó được tháo ra sau khi lắp ráp.
• Các Dấu chuẩn chính xác và Lỗ gia công:  
  • Cần thiết để căn chỉnh chính xác trong quá trình đặt tự động (<0,01 mm dung sai đối với các linh kiện 0201).

Đặt Linh kiện SMT:

• 0201 & Micro-BGA: Các thiết bị đeo thường sử dụng một số linh kiện dán nhỏ nhất thế giới để tiết kiệm không gian và trọng lượng.
• Hiệu chuẩn Máy lấy và đặt: Yêu cầu sử dụng các máy móc độ chính xác cao; hệ thống dẫn đường bằng hình ảnh hoặc tia laser là bắt buộc để đảm bảo định hướng và vị trí chính xác.
• Tốc độ so với Tính linh hoạt: Tốc độ đặt có thể chậm hơn so với trên các bảng cứng do yêu cầu xử lý cẩn thận và tránh cong bo mạch trong quá trình đặt.

Các Kỹ Thuật Hàn và Hồ Sơ Gia Nhiệt cho Mạch In Linh Hoạt

Sự kết hợp của các lớp polyimide mỏng, đồng cán và chất kết dính khiến mạch Lắp ráp FPC đặc biệt nhạy cảm với nhiệt độ và ứng suất cơ học.

Hồ Sơ Gia Nhiệt Đề Nghị cho Mạch In Linh Hoạt Polyimide

• Hàn nhiệt độ thấp (ví dụ: Sn42Bi58): Được sử dụng để bảo vệ các lớp keo dính và ngăn ngừa hiện tượng tách lớp trong các thiết kế nhạy cảm hoặc nơi có các thành phần nhạy nhiệt.
• Thiết bị hàn hồi lưu bằng khí Nitơ: Môi trường trơ nitơ ngăn ngừa oxy hóa trong quá trình hàn, rất quan trọng đối với các đế nối siêu nhỏ và cải thiện chất lượng mối hàn.

Quy trình và Công cụ Nâng cao

Dán lót và Gia cố

• Dán lót: Được áp dụng bên dưới các thành phần lớn hoặc nhạy cảm trong khu vực mạch linh hoạt để hấp thụ các ứng suất cơ học.
• Gia cố cạnh: Các tấm gia cường cục bộ hoặc lớp phủ dày hơn tạo độ chống đâm thủng hoặc hỗ trợ cho các vùng kết nối.

Keo dẫn điện

• Được sử dụng cho các đế nhạy nhiệt hoặc đế hữu cơ nơi mà phương pháp hàn truyền thống có thể làm hư hại bảng mạch.
• Cung cấp các mối nối thấp hơn nhưng vẫn duy trì tính linh hoạt.

Kiểm tra và thử nghiệm

Việc phát hiện khuyết tật khó khăn hơn trên các mạch in linh hoạt, do đó các kỹ thuật kiểm tra tiên tiến là rất quan trọng.

Kiểm tra quang học tự động (AOI)

• AOI phóng đại cao: Phát hiện cầu hàn, hiện tượng mộ đá (tombstoning), lệch vị trí ở các linh kiện quy mô vi mô.
• Kiểm tra bằng Tia X Thiết yếu cho BGA, micro-BGA và các mối nối ẩn khoảng cách nhỏ—có giá trị lớn đối với các cụm mạch in mặc được mật độ cao (HDI).
• Kiểm tra bằng que di động (Flying Probe Testing): Được sử dụng để phát hiện hở mạch/ngắn mạch trong trường hợp không khả thi khi dùng đồ gá ICT cho các lô sản xuất đa dạng, số lượng thấp.

Kiểm tra độ uốn linh hoạt và môi trường

• Thiết bị uốn động lực: Đưa các bảng mạch đã lắp ráp qua hàng ngàn chu kỳ uốn để đảm bảo độ bền của mối nối và đường dẫn.
• Kiểm tra độ ẩm và sương muối: Xác nhận lớp phủ bảo vệ cho các mạch in (PCB), đảm bảo độ bền trong môi trường nhiều mồ hôi hoặc ẩm ướt.

Nghiên cứu Trường hợp: Lắp ráp SMT cho Thiết bị Theo dõi Thể dục Đeo tay

Một nhà sản xuất thiết bị đeo tay hàng đầu đã áp dụng các bước sau cho thiết bị theo dõi thể dục siêu mỏng của họ:

• Gắn các mạch in linh hoạt (FPC) lên các giá đỡ bằng thép không gỉ được gia công chính xác để duy trì độ phẳng.
• Sử dụng kiểm tra AOI và chụp X-quang sau mỗi giai đoạn lắp ráp SMT.
• Áp dụng nhiệt độ đỉnh trong quá trình hàn reflow là 225°C và thời gian trên điểm nóng chảy là 60 giây , được tối ưu hóa để tránh cháy keo dán.
• Thực hiện 10.000 chu kỳ uốn để mô phỏng việc uốn cong hàng ngày trong 2 năm; không phát hiện nứt mối hàn trong các lô sản xuất có sử dụng vật liệu dưới chân chip (underfill).

Danh sách kiểm tra nhanh SMT và hàn cho các mạch in linh hoạt/linh hoạt kết hợp (Flex/Rigid-Flex) dùng trong thiết bị đeo

• Luôn sử dụng giá đỡ cứng hoặc giá đỡ chân không.
• Hiệu chuẩn máy đặt linh kiện theo chế độ jog dành riêng cho vật liệu linh hoạt.
• Tuân thủ hồ sơ nhiệt độ tăng dần, ủ và đỉnh do nhà sản xuất đề xuất.
• Ưu tiên sử dụng loại hàn nhiệt độ thấp trên các lớp vật liệu nhạy cảm.
• Xác minh tất cả các mối hàn bằng kiểm tra AOI và tia X, đặc biệt đối với các vi mạch dạng BGA cỡ nhỏ (micro-BGAs).
• Cân nhắc sử dụng keo dưới (underfill) hoặc các tấm gia cố tại các khu vực nối chịu ứng suất cao.
• Mô phỏng thử nghiệm uốn và chu kỳ sống trước khi sản xuất hàng loạt.

9. Bảo vệ chống ẩm, va chạm và ăn mòn

Trong môi trường làm việc khắc nghiệt của thiết bị đeo, cần có độ bền chắc chắn chiến lược bảo vệ cũng quan trọng như thiết kế thông minh và lắp ráp chính xác. Mồ hôi, mưa, độ ẩm, dầu da và chuyển động hàng ngày khiến mọi PCB dành cho thiết bị đeo chịu tác động ăn mòn, uốn cong và va chạm. Nếu không được bảo vệ đúng cách, ngay cả những bo mạch PCB Linh hoạt hoặc cụm linh hoạt-cứng vững tiên tiến nhất cũng có thể gặp phải suy giảm hiệu suất, chập mạch hoặc thậm chí hỏng hóc nghiêm trọng trong vòng vài tháng. Hãy cùng tìm hiểu các phương pháp đã được kiểm chứng trong ngành để bảo vệ lắp ráp flex pcb đạt tuổi thọ dài lâu và đáng tin cậy khi sử dụng thực tế.

Tại sao việc bảo vệ khỏi độ ẩm và ăn mòn lại quan trọng

Bảng mạch điện tử mặc trên người thường xuyên tiếp xúc với mồ hôi (chứa muối, axit và các phân tử hữu cơ), độ ẩm môi trường và tiếp xúc với da. Các dạng hư hỏng chính bao gồm:

• Hấp thụ độ ẩm: Làm giảm điện trở cách điện, gây ra các đường rò rỉ và chập điện.
• Ăn mòn: Ăn mòn các dây dẫn đồng và mối hàn, đặc biệt là khi có mặt mồ hôi giàu ion clorua.
• Bong tróc: Phồng rộp hoặc thủy phân các lớp keo dán, dẫn đến tách lớp và hỏng hóc cơ học.
• Ứng suất cơ học: Uốn cong lặp đi lặp lại có thể gây ra các vết nứt vi mô trên các mạch dẫn và mối hàn bị hở, hiện tượng này còn trầm trọng thêm do hơi ẩm xâm nhập.

Lớp phủ bảo vệ cho PCB: Các loại và cách lựa chọn

Lớp phủ bảo vệ là các lớp màng mỏng, bảo vệ được phủ lên các mạch in đã lắp ráp. Vai trò chính là ngăn chặn hơi ẩm và các tác nhân ăn mòn, cách điện để tránh phóng điện hồ quang hoặc đoản mạch, và đôi khi cung cấp lớp bảo vệ chống mài mòn hoặc va chạm cơ học.

Các loại lớp phủ phổ biến:

Phủ chọn lọc và Đóng gói

• Ứng dụng chọn lọc: Chỉ những khu vực tiếp xúc với mồ hôi hoặc các rủi ro từ môi trường mới được phủ, để lại các điểm nhạy cảm với nhiệt hoặc điểm kiểm tra không được phủ nhằm đảm bảo khả năng sản xuất và chẩn đoán.
• Đổ đầy/Đóng gói: Trong một số thiết bị chắc chắn, các vùng bo mạch hoặc linh kiện quan trọng được đổ đầy trực tiếp bằng chất đóng gói silicone hoặc epoxy, tạo thành lớp bảo vệ chống va đập cơ học và ẩm.

Chiến lược cho các cấu trúc chịu ẩm và ăn mòn

• Cạnh kín: Các lớp phủ phải bao kín mạch điện, với lượng đồng lộ ra ở cạnh là tối thiểu. Khi cần thiết, sẽ sử dụng trám kín cạnh bằng nhựa hoặc lớp phủ bảo vệ.
• Không có lỗ via hở: Tất cả các lỗ via trong vùng mạch linh hoạt nên được che hoặc bịt kín để ngăn mồ hôi thấm trực tiếp vào.
• Lựa chọn hoàn thiện bề mặt: Các lớp hoàn thiện ENIG và OSP tăng cường khả năng chống ăn mòn; tránh sử dụng HASL trong các phân khúc thiết bị đeo được do việc phủ không đồng đều và dễ bị ăn mòn dưới lớp phủ hơn.

Tăng cường độ bền với va chạm, rung động và cơ học

• Các tấm gia cố: Được áp dụng xung quanh khu vực kết nối để hấp thụ lực cắm, hoặc nơi FPC tiếp giáp với nhựa cứng.
• Dán lót: Phun vào bên dưới các linh kiện lớn nhằm cầu nối khoảng cách về độ đàn hồi cơ học, giảm nguy cơ nứt mối hàn khi uốn cong lặp lại.
• Lớp phủ gia cố: Tăng khả năng chống thủng và mài mòn cục bộ, đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị mỏng tiếp xúc trực tiếp với da.

Quy trình kiểm tra độ bền

• Các PCB dùng trong thiết bị đeo được trải qua:  
  • Kiểm tra chu kỳ uốn cong: Hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần uốn cong.
  • Kiểm tra độ ẩm và sương muối: Tiếp xúc với ~85% độ ẩm tương đối, >40°C trong vài ngày đến vài tuần.
  • Kiểm tra rơi/rung động: Mô phỏng các tình huống rơi hoặc va chạm đột ngột.

10. Quản lý Nguồn và Tối ưu hóa RF

Hiệu suất năng lượng và khả năng truyền dẫn không dây ổn định là những trụ cột thiết yếu của sản phẩm thành công lắp ráp PCB cho thiết bị mặc . Tuổi thọ pin thấp hoặc kết nối không đáng tin cậy thường là nguyên nhân gây ra các khiếu nại từ người tiêu dùng và thất bại trong ra mắt sản phẩm, do đó việc quản lý nguồn và tối ưu hóa RF (tần số vô tuyến) cần được đặt lên hàng đầu trong chiến lược thiết kế của bạn. Hãy cùng tìm hiểu cách mà bố trí mạch, cấu trúc lớp và lựa chọn linh kiện phù hợp đảm bảo thiết bị tiết kiệm năng lượng, hiệu suất cao và chống nhiễu tốt bo mạch PCB Linh hoạt và bo mạch PCB Cứng-Dẻo bố trí mạch, cấu trúc lớp và lựa chọn linh kiện phù hợp đảm bảo thiết bị tiết kiệm năng lượng, hiệu suất cao và chống nhiễu tốt bảng mạch điện tử mặc trên người .

Mẹo Quản lý Nguồn cho Thiết bị Đeo

1. Đường dẫn nguồn rộng và mặt đất đặc

• Điện Trở Dây Dẫn Là Yếu Tố Quan Trọng: Giảm thiểu sụt áp và tổn thất điện trở bằng cách sử dụng dây dẫn nguồn và dây nối đất rộng nhất có thể — lý tưởng nhất là ≥0,2 mm càng rộng càng tốt trên cấu trúc FPC. Dây dẫn đồng mỏng hoặc quá hẹp sẽ nhanh chóng làm giảm hiệu suất của các hệ thống pin lithium điện áp thấp.
• Mặt Phẳng Liền Mạch: Trong thiết kế linh hoạt nhiều lớp và kết hợp cứng–linh hoạt, hãy đi dây nối đất và nguồn dưới dạng các mặt phẳng liên tục. Cách này giúp giảm khả năng bị ảnh hưởng bởi EMC/ESD và hạ thấp tổn thất IR, điều đặc biệt quan trọng trong các thiết bị thường xuyên thức dậy và truyền thông không dây.

2. Tụ Bypass và Độ Ổn Định Nguồn

• Bố Trí Tụ Bypass Cẩn Thận: Đặt các tụ điện càng gần chân nguồn/nối đất và các bộ ổn áp LDO/buck càng tốt.
• Kết Nối Ngắn và Rộng: Sử dụng các đường dẫn ngắn nhất có thể giữa các tụ điện và chân IC để triệt tiêu nhiễu và gợn sóng.

3. Bộ ổn áp giảm áp thấp và bộ ổn áp chuyển mạch

• Các bộ ổn áp LDO cho nguồn điện cực kỳ yên tĩnh: Các phần tương tự/RF thường sử dụng bộ ổn áp LDO để giảm nhiễu, mặc dù hiệu suất bị ảnh hưởng một phần.
• Bộ ổn áp chuyển mạch nhằm tăng hiệu suất: Các nền tảng kỹ thuật số và cảm biến ưu tiên dùng bộ chuyển mạch để đạt hiệu suất cao, tuy nhiên đi kèm với bố trí phức tạp hơn (nhiễu do tần số chuyển mạch cao; đòi hỏi thiết kế PCB và che chắn cẩn thận).

4. Các đường cấp nguồn phân đoạn

• Các miền nguồn được chuyển mạch: Sử dụng các công tắc tải hoặc MOSFET để ngắt nguồn khỏi các phần (ví dụ: cảm biến, Bluetooth, màn hình) khi ở chế độ chờ, ngăn hiện tượng tiêu thụ dòng rò trong chế độ ngủ.
• Đồng hồ đo pin: Việc đặt đồng hồ đo pin tại đầu vào chính của FPC giúp đơn giản hóa việc đo lường SOC ở cấp độ hệ thống và cho phép các giao thức sạc thông minh.

Tối ưu hóa RF cho Lắp ráp PCB Thiết bị Mặc

Các thiết bị đeo được sống và chết phụ thuộc vào khả năng truyền tải dữ liệu một cách đáng tin cậy. Dù là Bluetooth cho tai nghe, Wi-Fi cho máy theo dõi bệnh nhân, hay NFC cho thanh toán không tiếp xúc, thiết kế RF trong bo mạch PCB Linh hoạt các bộ phận lắp ráp phải đối phó với vô số vấn đề phát sinh do tích hợp.

1. Kiểm soát trở kháng và thiết kế đường mạch

• Phối hợp trở kháng: Duy trì trở kháng đặc trưng 50 Ω trên các đường mạch RF, sử dụng cấu trúc vi dải hoặc sóng dẫn đồng phẳng như được nhà cung cấp chip đề xuất.
  • Điều chỉnh chiều rộng đường mạch, khoảng cách đến mặt đất và cấu trúc lớp PCB theo một máy tính Trở kháng .
• Các đường RF ngắn và trực tiếp: Giữ các đường cấp điện cho ăng-ten càng ngắn và trực tiếp càng tốt để giảm thiểu tổn hao chèn và méo tín hiệu.

2. Khoảng trống và vị trí đặt ăng-ten

• Khoảng trống là yếu tố then chốt: Cung cấp ít nhất khoảng cách 5–10 mm xung quanh ăng-ten, không có lớp đồng, mặt đất hoặc các linh kiện lớn.
  • Đối với các mạch in dẻo nhỏ (FPC), hãy sử dụng ăng-ten in trên vùng linh hoạt—các ăng-ten này uốn cong cùng thiết bị và đòi hỏi điều chỉnh/phối hợp chắc chắn.
• Không có kim loại phía trên/dưới: Tránh đặt các cụm pin, lớp chắn hoặc màn hình trực tiếp phía trên ăng-ten hoặc đầu cuối RF; những vật này có thể làm lệch tần số ăng-ten và làm suy giảm công suất bức xạ.

3. Chắn nhiễu, nối đất và cách ly

• Lớp chắn nối đất RF: Tạo các vùng đổ đất và hàng rào qua lỗ xung quanh ranh giới phân cách RF/kỹ thuật số.
  • Sử dụng hàng rào qua lỗ (các hàng lỗ khoan với bước 0,5–1,0 mm) để cách ly các vùng RF.
• Cách ly kỹ thuật số/RF: Đặt đồng hồ kỹ thuật số, các đường truyền dữ liệu và nguồn chuyển mạch xa các phần RF nhạy cảm. Sử dụng vùng cắt bỏ hoặc khe cách ly trên mặt phẳng nối đất nếu cần thiết.

Nghiên cứu điển hình: Mô-đun Bluetooth trong Thiết bị theo dõi thể thao

Một nhóm thiết kế thiết bị theo dõi thể thao nổi bật đã sử dụng cấu trúc FPC sáu lớp với các mặt phẳng nối đất riêng biệt ở trên cùng và dưới cùng. Anten Bluetooth được đặt ở đầu tận cùng của khu vực linh hoạt trên dây đeo, tạo ra khoảng trống không có đồng và không có linh kiện rộng 15 mm. Các nhà thiết kế đã dùng công cụ tính trở kháng điều khiển để đảm bảo đường truyền tín hiệu được phối hợp chính xác với trở kháng 50 Ω.

11. Hướng dẫn Thiết kế cho Khả năng Sản xuất (DFM)

Chuyển đổi một ý tưởng tuyệt vời lắp ráp PCB cho thiết bị mặc thành hiện thực sản lượng cao nghĩa là thiết kế không chỉ cho chức năng— khả năng sản xuất là yếu tố quyết định. Việc bỏ qua DFM cho bảng mạch linh hoạt hoặc cấu trúc linh hoạt-kết hợp có thể dẫn đến sản phẩm lỗi, hao hụt năng suất, chi phí tăng cao hoặc thậm chí trì hoãn việc ra mắt. Đối với các thiết bị đeo, với hình dạng nhỏ gọn, không đều và yêu cầu độ tin cậy khắt khe, từng chi tiết trong phương pháp DFM của bạn đều tạo nên sự khác biệt.

Hướng dẫn DFM cốt lõi cho mạch in linh hoạt và bán cứng (PCB linh hoạt và bán cứng)

Giữ bán kính uốn đủ lớn

• Quy tắc Bán kính uốn ≥10× Độ dày: Đối với mọi vùng linh hoạt động (khu vực sẽ bị uốn cong trong quá trình sử dụng), bán kính uốn bên trong tối thiểu phải là 10 lần tổng độ dày của cấu trúc lớp linh hoạt .
  • Ví dụ : Một mạch FPC dày 0,2 mm không bao giờ được uốn cong vượt quá bán kính 2 mm trong điều kiện vận hành bình thường.
• Việc uốn cong chặt hơn có thể thực hiện được đối với ứng dụng tĩnh nhưng luôn yêu cầu kiểm tra chu kỳ trước sản xuất để xác nhận đủ điều kiện.

Tránh đặt linh kiện và lỗ via trong khu vực linh hoạt/uốn cong

• Không có linh kiện/via gần các cạnh hoặc đoạn uốn cong:  
  • Đặt tất cả các bộ phận quan trọng/nhạy cảm vào vùng cứng hoặc cách xa trục uốn.
  • Quy tắc cơ bản: Giữ khoảng cách an toàn ít nhất 1 mm giữa linh kiện/via gần nhất và điểm bắt đầu của vùng uốn động.
• Chỉ sử dụng via bịt kín hoặc chèn đầy: Ngăn ngừa hiện tượng thấm chất trợ hàn hoặc sự xâm nhập sau này của độ ẩm/sự ăn mòn.

Bao gồm Fiducials, Lỗ gia công và Các chi tiết định vị

• Dấu hiệu Fiducial: Cung cấp các điểm rõ ràng để căn chỉnh SMT—yếu tố quan trọng cho việc lắp ráp chính xác, đặc biệt với các linh kiện cỡ 0201.
• Lỗ gia công: Hỗ trợ định vị chính xác trên các giá đỡ lắp ráp, cần thiết cho việc lắp ráp linh hoạt tự động tốc độ cao.

Duy trì sự đối xứng của lớp đồng và cấu trúc lớp

• Phân bố đồng cân bằng: Đảm bảo tính chất cơ học đồng đều và giảm thiểu nguy cơ cong vênh hoặc xoắn tấm mạch sau khi hàn hồi lưu hoặc uốn cong.
• Xếp lớp đối xứng: Đối với thiết kế mạch cứng-mềm, hãy sắp xếp các lớp đối xứng như hình phản chiếu để tấm mạch không bị 'cuộn' sau khi sản xuất hoặc phủ lớp bảo vệ.

Sử dụng các thanh gia cố và vật liệu tăng cường phù hợp

• Các khu vực cứng cần được gia cố: Thêm các thanh gia cố (tấm FR-4 hoặc Polyimide) bên dưới các vùng nối SMT, điểm kiểm tra hoặc các linh kiện có khả năng chịu lực cắm/tháo ra.

Các mẹo thiết kế thuận tiện cho lắp ráp đối với FPC mặc trên người

• Thiết kế pad: Sử dụng các pad không che hàn (NSMD) để cải thiện chất lượng mối hàn.
• Khoảng cách linh kiện: Giữ khoảng cách phù hợp giữa các thiết bị SMT để cho phép kiểm tra bằng AOI/X-quang, đặc biệt đối với các vi mạch dạng BGA nhỏ.
• Khoảng cách cạnh: Ít nhất 0,5 mm từ phần đồng đến đường viền bảng để tránh hiện tượng đoản mạch, bong lớp hoặc bề mặt cạnh kém.

Bảng hướng dẫn đi dây

Sử dụng Công cụ Phân tích DFM

Các công cụ ngành từ các nhà sản xuất PCB hàng đầu giúp tối ưu hóa quá trình chuyển tiếp từ thiết kế sang sản xuất. Sử dụng các công cụ kiểm tra DFM miễn phí/trực tuyến để phát hiện các rủi ro về khả năng sản xuất trước khi gửi gerber đến nhà cung cấp màng linh hoạt của bạn.

• Công cụ DFM JLCPCB: Dựa trên nền tảng web, hỗ trợ thiết kế màng linh hoạt, cứng và bán cứng.
• Bộ phân tích DFM ALLPCB/Epec: Bao gồm thư viện cấu trúc thiết kế màng linh hoạt, các quy tắc IPC phổ biến và có thể mô phỏng các bước quy trình sản xuất.
• Kiểm tra DFM nội bộ: Nhiều công cụ EDA hỗ trợ phân tích DFM cho thiết kế màng linh hoạt và bán cứng theo quy tắc — hãy kích hoạt và tùy chỉnh càng sớm càng tốt trong quá trình bố trí mạch.

Danh sách kiểm tra đánh giá DFM

• Xác nhận tất cả các vị trí uốn đã đáp ứng bán kính tối thiểu.
• Không có thành phần hoặc vùng kiểm tra nào trong các khu vực uốn/gấp.
• Cấu trúc lớp cân bằng và đối xứng.
• Fiducial và lỗ gia công trên mọi tấm mạch.
• Các tấm gia cường được chỉ định ở dưới các đầu nối và các vị trí chịu lực lớn.
• Tất cả các DR (Quy tắc thiết kế) đã được nhà cung cấp kiểm tra DFM trước khi sản xuất hàng loạt.

Ví dụ: Tránh những sai sót tốn kém

Một công ty khởi nghiệp hàng đầu về thiết bị đeo đã không tính đến bán kính uốn và vị trí via trong miếng dán thể thao thế hệ đầu tiên của họ, dẫn đến tỷ lệ loại bỏ mạch đạt 32% do vết nứt trên dây dẫn và các lỗ via hở trong lô sản xuất số 1. Sau khi thiết kế lại với DFM đúng chuẩn, thêm vùng đệm từ via đến khu vực uốn là 1 mm và tăng bán kính uốn tối thiểu lên 8 lần độ dày, tỷ lệ sản phẩm đạt yêu cầu đã tăng lên 98,4% ở lô tiếp theo và các yêu cầu bảo hành biến mất hoàn toàn.

12. Những lỗi thường gặp trong lắp ráp PCB và cách phòng tránh

Mặc dù có những tiến bộ trong vật liệu, lắp ráp và tự động hóa thiết kế, hiệu suất thực tế của lắp ráp PCB cho thiết bị mặc thường bị chi phối bởi một số ít các chế độ lỗi xảy ra lặp đi lặp lại—và có thể ngăn ngừa được. Việc hiểu rõ nguyên nhân gốc rễ và áp dụng các chiến lược phòng ngừa theo thực hành tốt nhất là rất cần thiết để tránh các đợt thu hồi tốn kém, trả hàng hoặc khách hàng không hài lòng. Phần này trình bày chi tiết các cơ chế lỗi phổ biến nhất gặp phải trong sản xuất bo mạch PCB Linh hoạt và bo mạch PCB Cứng-Dẻo và nêu ra các giải pháp đã được kiểm chứng, có thể thực hiện được.

Nứt và mỏi mối hàn

Điều gì xảy ra sai: Khi các bảng mạch in linh hoạt trải qua quá trình uốn lặp đi lặp lại—đôi khi hàng nghìn chu kỳ uốn trong sử dụng hàng ngày của thiết bị đeo—ứng suất sẽ tích tụ tại các mối hàn SMB, đặc biệt là trên các trục uốn hoặc ở những khu vực có chênh lệch biến dạng cao. Cuối cùng, các vết nứt nhỏ có thể hình thành trong mối hàn, dẫn đến kết nối có điện trở hoặc ngắt hoàn toàn.

Nguyên nhân xảy ra:

• Việc bố trí các linh kiện trên hoặc gần các vùng uốn động.
• Sử dụng hợp kim hàn giòn hoặc không sử dụng keo dưới (underfill) khi cần thiết.
• Tiếp xúc với nhiệt độ quá cao trong quá trình lắp ráp/sửa chữa (dẫn đến sự phát triển hạt vi cấu trúc hoặc điểm tập trung ứng suất).
• Thiết kế mối nối linh hoạt/cứng kém, làm tập trung ứng suất tại một cạnh.

Cách phòng tránh:

• Luôn đặt các linh kiện lớn hoặc cứng cách xa trục uốn —lý tưởng nhất là ở các vùng cứng.
• Sử dụng vật liệu chèn đầy dưới dưới BGA, QFN hoặc các linh kiện lớn trong khu vực linh hoạt để phân tán và hấp thụ ứng suất cơ học.
• Sử dụng hợp kim hàn linh hoạt (ví dụ: những hợp kim có hàm lượng bạc cao hơn để tăng độ dẻo dai).
• Mô phỏng quá trình uốn cong trong giai đoạn thiết kế mẫu thử (kiểm tra chu kỳ uốn trên >10.000 chu kỳ).
• Thiết kế chuyển tiếp lớp nhẹ nhàng (không có bước đột ngột giữa các vùng cứng và linh hoạt).

Bong tách lớp và tách keo

Điều gì xảy ra sai: Các lớp của FPC hoặc bảng cứng-linh hoạt bị tách rời — xảy ra dọc theo giao diện đồng-polyimide, trong lớp keo dán hoặc dưới lớp phủ trong môi trường độ ẩm cao. Hiện tượng bong tách thường mang tính thảm khốc, dẫn đến ngắt kết nối mạch ngay lập tức.

Nguyên nhân chính:

• Độ ẩm bị giữ lại trong quá trình lắp ráp (không sấy trước các bảng linh hoạt).
• Nhiệt độ hàn hồi lưu quá cao làm suy giảm chất keo.
• Độ bám dính kém giữa đồng và PI do nhiễm bẩn hoặc thứ tự xếp lớp không đúng.
• Ứng suất lắp ráp lên các lớp do gắn thanh gia cường không đúng cách.

Cách phòng tránh:

• Luôn luôn sấy trước các tấm PCB linh hoạt (125°C, 2–4 giờ) trước khi lắp ráp SMT để loại bỏ độ ẩm hấp thụ.
• Sử dụng thiếc hàn nhiệt độ thấp và điều chỉnh hồ sơ hàn lại để tránh phân hủy keo dính.
• Chỉ định polyimide chất lượng cao và hệ thống keo dính đã được kiểm chứng.
• Thiết kế/ứng dụng tấm gia cường cẩn thận —được áp dụng với màng linh hoạt, không phải các hạt keo cứng.

Bảng: Danh sách kiểm tra phòng ngừa bong lớp

Ăn mòn và thấm ẩm

Điều gì xảy ra sai: Các đường dẫn, lỗ via hoặc pad bằng đồng không được bảo vệ sẽ bị ăn mòn—đặc biệt là trong các thiết bị dễ tiếp xúc với mồ hôi—dẫn đến muối đồng màu xanh, điện trở cao, đứt mạch hoặc hiện tượng nối tắt dạng tinh thể.

Nguyên nhân gốc rễ:

• Lớp phủ bảo vệ được áp dụng không đầy đủ hoặc kém chất lượng.
• Hiện tượng mao dẫn tại các lỗ via hở hoặc chưa điền đầy trong vùng linh hoạt.
• Các cạnh hở hoặc lớp phủ bị bong tróc.
• Lựa chọn sai loại hoàn thiện bề mặt trên các pad để trần (HASL thay vì ENIG/OSP).

Cách phòng tránh:

• Chọn lớp phủ bảo vệ chắc chắn (parylene, acrylic, silicone) để bịt kín môi trường.
• Che kín/lấp đầy tất cả các lỗ via trong vùng linh hoạt; tránh các lỗ xuyên không cần thiết.
• Bịt kín cạnh và bao phủ liên tục toàn bộ viền của mạch in linh hoạt (flex PCBs).
• Sử dụng các loại hoàn thiện bề mặt ENIG hoặc OSP đã được chứng minh về khả năng chống ăn mòn trong thiết bị đeo.

Độ trôi RF và Sự cố không dây

Điều gì xảy ra sai: Một thiết bị hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm lại giảm phạm vi hoặc gặp sự cố kết nối Bluetooth/Wi-Fi gián đoạn 'ngoài thực tế'. Thường thì việc sửa đổi lại hoặc phủ thiết bị có thể làm thay đổi cộng hưởng ăng-ten hoặc làm tăng tổn hao chèn.

Nguyên nhân phổ biến:

• Khoảng cách ăng-ten không đủ hoặc không lặp lại được.
• Lớp tiếp đất hoặc lớp chắn đặt quá gần ăng-ten/mạch in sau khi thiết kế lại hoặc như một bản vá.
• Cấu trúc lớp không đúng hoặc trở kháng không được kiểm soát trên các đường RF.
• Lớp phủ quá dày hoặc có hằng số điện môi không phù hợp được áp dụng lên ăng-ten.

Cách phòng tránh:

• Giữ khoảng cách 5–10 mm xung quanh ăng-ten cả ở bản vẽ bố trí mạch và trong lắp ráp.
• Kiểm soát trở kháng cẩn thận: Luôn sử dụng công cụ tính toán cấu trúc lớp và kiểm tra trở kháng trên sản phẩm hoàn thiện trong sản xuất.
• Hiệu chỉnh ăng-ten tại chỗ: Việc hiệu chỉnh cuối cùng phải được thực hiện sau khi hoàn tất tất cả các lớp phủ và lắp ráp vỏ.
• Thiết lập kiểm tra RF như một mục kiểm soát chất lượng đầu ra trong sản xuất , không chỉ đơn thuần là danh sách kiểm tra trong giai đoạn thiết kế.

Bảng Tham chiếu Nhanh về Biện pháp Phòng ngừa

Kiểm tra Flex-Cycle và Tuổi thọ là bắt buộc

Đối với mọi thiết kế dự định dùng cho thiết bị đeo hoặc ứng dụng uốn dẻo, các mẫu trước sản xuất phải trải qua quá trình kiểm tra tăng tốc vòng uốn dẻo , rơi, độ ẩm và sương muối. Kết quả từ các bài kiểm tra này cần được sử dụng để cải tiến thiết kế theo chu kỳ lặp—lâu trước khi sản xuất hàng loạt.

Tóm lại: Hầu hết các lỗi trong Lắp ráp FPC và bản mạch linh hoạt - cứng (rigid-flex PCB) bắt nguồn từ những nguyên tắc cơ bản bị bỏ qua—bố trí, quản lý độ ẩm, lớp phủ và tính toàn vẹn trong thiết kế điện. Nếu bạn chủ động thiết kế để giải quyết các điểm này, bạn sẽ cung cấp được sản phẩm hàng đầu bảng mạch điện tử mặc trên người vững chắc trong thực tế—chứ không chỉ trong phòng thí nghiệm.

13. Xu hướng tương lai trong sản xuất bản mạch linh hoạt và bán cứng - linh hoạt (Flex và Rigid-Flex PCB)

Thế giới của lắp ráp PCB cho thiết bị mặc và điện tử linh hoạt đang phát triển với tốc độ chóng mặt. Khi các thiết bị tiêu dùng và y tế ngày càng hướng tới kích thước nhỏ hơn, thông minh hơn và bền bỉ hơn, làn sóng đổi mới tiếp theo trong bo mạch PCB Linh hoạt và bo mạch PCB Cứng-Dẻo thiết kế và sản xuất sẽ làm thay đổi không chỉ các thiết bị đeo được mà còn cả ngành công nghiệp điện tử nói chung. Hãy cùng xem xét những xu hướng quan trọng nhất xu hướng mới sẽ định hình tương lai của bảng mạch điện tử mặc trên người công nghệ.

1. Vật liệu tiên tiến: Vượt ra ngoài Polyimide

• Chất nền Graphene và Nanomaterial: Việc đưa ra graphene và các vật liệu 2D khác dự kiến sẽ mở ra những chân trời mới cho các mạch siêu mỏng, dẫn điện cao và cực kỳ linh hoạt. Các nghiên cứu ban đầu cho thấy độ linh hoạt vượt trội, khả năng chịu dòng điện tăng cao và tiềm năng ứng dụng trong cảm biến sinh học tích hợp hoặc màn hình kéo dãn được (ví dụ như miếng dán da điện tử hay robot mềm).
• Hỗn hợp Polyimide kéo dãn được: Các biến thể mới của polyimide với tính chất co giãn và đàn hồi tích hợp sẽ cho phép các mạch in (PCB) không chỉ uốn cong mà còn chịu được sự kéo dãn và xoắn – phù hợp với các thiết bị đeo y tế thế hệ tiếp theo bám sát các khớp chuyển động, hoặc trang phục thể thao thông minh.
• Chất nền tương thích sinh học và có thể phân hủy sinh học: Đối với các thiết bị cấy ghép và sản phẩm dùng một lần thân thiện với môi trường, nghiên cứu đang tiến triển nhằm phát triển các vật liệu có thể phân hủy an toàn sau khi sử dụng hoặc duy trì trạng thái trơ lâu dài trong cơ thể.

2. Mạch in linh hoạt được in 3D và chế tạo mẫu nhanh

• mạch in và kết nối được in 3D: Sự kết hợp giữa sản xuất cộng gộp và mực chức năng hiện nay cho phép in trực tiếp toàn bộ các tầng mạch, ăng-ten và thậm chí cả các linh kiện lai cứng-mềm trong một quy trình duy nhất. Điều này rút ngắn thời gian chế tạo mẫu thử từ hàng tuần xuống chỉ còn vài giờ và khơi mở sự sáng tạo trong việc thiết kế các bố trí hữu cơ hoặc tích hợp chìm.
• Thiết bị y tế cá nhân hóa: Các phòng khám và bệnh viện nghiên cứu sẽ sớm có thể in nhanh các thiết bị giám sát đeo trên người được tùy chỉnh theo đúng giải phẫu hoặc nhu cầu y tế của từng bệnh nhân — giảm mạnh chi phí và cải thiện đáng kể kết quả điều trị.

3. Sự phát triển tích hợp mật độ cao và nhiều lớp

• Tăng số lượng lớp: Khi đồng hồ thông minh và thiết bị y tế đòi hỏi nhiều tính năng hơn trong cùng (hoặc nhỏ hơn) không gian, ngành công nghiệp đang chuyển nhanh sang xu hướng tầng mạch in linh hoạt 6 lớp, 8 lớp hoặc thậm chí 12 lớp sử dụng đồng siêu mỏng (khoảng ~9 µm) và chất cách điện siêu mịn.
• Công nghệ bước cực nhỏ và vi lỗ (Microvia): Các vi lỗ nhỏ tới mức 0.05 mm và bước linh kiện dưới 0,3 mm sẽ trở thành tiêu chuẩn thông thường, cho phép xếp chồng ngày càng nhiều cảm biến, bộ nhớ và IC quản lý nguồn trong diện tích chỉ vài milimét.
• Gói hệ thống (SiP) & Chip trên mạch linh hoạt: Lắp ráp trực tiếp chip trần (chip trên mạch linh hoạt), các mô-đun đa chip và linh kiện thụ động tích hợp trên các nền tảng linh hoạt sẽ giảm kích thước và tăng cường chức năng cho thiết bị đeo.

4. Tích hợp với điện tử co giãn và điện tử dệt

• Tích hợp vào vải: Điện tử đeo được ngày càng được đan xen vào quần áo (áo thông minh, tất thông minh và miếng dán), nơi các mạch linh hoạt hoặc cấu trúc cứng-linh hoạt có thể được bao bọc hoặc khâu trực tiếp vào vải để mang lại trải nghiệm người dùng liền mạch.
• Đổi mới mạch co giãn: Các lưới kim loại, các đường dẫn dạng xoắn ốc và kỹ thuật nền tảng đang giúp hiện thực hóa các mạch điện thực sự co giãn—có khả năng giãn dài 20–50%—phục vụ các thiết bị thể thao và y tế phải uốn cong, xoắn và kéo giãn theo cơ thể mà không làm mất chức năng.

5. Kiểm tra tự động, Kiểm tra và Tăng cường năng suất dựa trên AI

• Tích hợp Nhà máy thông minh: Các dây chuyền sản xuất lắp ráp PCB linh hoạt hiện đang áp dụng kiểm tra dựa trên AI (AOI, tia X và kiểm tra đầu dò bay) để phát hiện các lỗi vi mô, dự đoán sự cố và tối ưu hóa tỷ lệ thành phẩm.
• Kiểm tra chu kỳ trở thành tiêu chuẩn: Các thiết bị thử nghiệm chu kỳ uốn cong và môi trường tự động sẽ sớm trở thành tiêu chuẩn, đảm bảo mọi lô PCB điện tử mặc đạt yêu cầu về tuổi thọ chức năng — không còn là tùy chọn bổ sung mà được tích hợp sẵn trong quy trình.

6. Mở rộng IoT và Không dây

• Kết nối liền mạch: Với 5G, UWB và các giao thức IoT mới nổi, các PCB dùng trong thiết bị đeo sẽ tích hợp thêm nhiều ăng-ten, công tắc RF tiên tiến và thậm chí các đường mạch tự phục hồi hoặc điều chỉnh tần số nhằm tối ưu hiệu suất trong điều kiện thay đổi liên tục (mồ hôi, chuyển động, biến đổi môi trường).
• Thu hoạch năng lượng trên bo mạch: Các bố trí FPC thế hệ tiếp theo đang nghiên cứu tích hợp các yếu tố thu thập năng lượng như năng lượng mặt trời, điện tĩnh (triboelectric) hoặc năng lượng RF, giúp kéo dài thời gian hoạt động của thiết bị hoặc thậm chí cho phép các mảnh dán thông minh hoạt động không cần pin.

Góc nhìn và Nhận định từ Ngành

chúng ta đang tiến xa hơn beyond vi mạch linh hoạt đơn giản; các bo mạch thế hệ tiếp theo sẽ mềm, co giãn được và gần như vô hình đối với người dùng. Ranh giới giữa bo mạch và sản phẩm đang dần biến mất.  — Giám đốc Nghiên cứu và Phát triển, Công nghệ Thiết bị Mặc, Nhà sản xuất thiết bị điện tử hàng đầu (Top-5 Tech OEM)

mỗi bước nhảy vọt trong công nghệ vật liệu nền—graphene, polyimide co giãn—không chỉ thu nhỏ thiết bị. Nó còn khai sinh ra những nhóm sản phẩm hoàn toàn mới: hình xăm thông minh, cảm biến dệt, viên nang cảm biến sinh học, và hơn thế nữa.  — Nhà khoa học Vật liệu Hàng đầu, Doanh nghiệp Đổi mới Thiết bị Y tế

Bảng: Các Tính năng Sẵn sàng cho Tương lai Sắp Có mặt trong Sản xuất PCB Linh hoạt và PCB Kết hợp Cứng-Mềm

14. Kết luận: Vì sao mạch in linh hoạt và bán cứng bán mềm (Flex và Rigid-Flex PCBs) thúc đẩy thế hệ tiếp theo

Hành trình khám phá lắp ráp PCB cho thiết bị mặc —từ vật liệu nền và chiến lược xếp lớp đến lắp ráp tinh vi, bảo vệ và xu hướng tương lai—bộc lộ một chân lý cơ bản duy nhất: bo mạch PCB Linh hoạt và bo mạch PCB Cứng-Dẻo các công nghệ này là nền tảng để xây dựng thập kỷ tới của đổi mới trong thiết bị đeo và y tế.

Chìa khóa của thu nhỏ và chức năng

Dù là một miếng dán sức khỏe kín đáo hay một chiếc đồng hồ thông minh đa tính năng, thu nhỏ định nghĩa thiết bị đeo hiện đại. mạch in linh hoạt mạch in linh hoạt (flex) và loại kết hợp cứng-linh hoạt (rigid-flex) siêu nhẹ sự thoải mái cho người dùng cuối.

Bảng: Tóm tắt—Tại sao mạch linh hoạt và cứng-linh hoạt chiến thắng trong thiết bị đeo

Độ tin cậy và tuổi thọ sản phẩm

Thiết bị đeo được phải chịu hàng ngàn chu kỳ uốn cong, mồ hôi, va đập và hao mòn trong quá trình sử dụng hàng ngày. Chỉ thông qua việc cẩn trọng Lắp ráp FPC , lớp phủ bảo vệ đồng hình, bố trí linh kiện hợp lý và các quy tắc DFM đã được xác minh mới có thể tránh được những rủi ro làm thất bại các thiết kế kém hơn. Những sản phẩm thành công và đáng tin cậy nhất trên thị trường đều tuân thủ các phương pháp thiết yếu này—mang lại thành công thương mại thực sự và sự hài lòng cho người dùng.

Nâng cao hiệu suất và quản lý năng lượng

Từ thời gian sử dụng pin đến hiệu suất RF, PCB dành cho thiết bị đeo đặt ra tiêu chuẩn. Sự tinh vi trong kiểm soát trở kháng, ức chế nhiễu và mạch tích hợp tiết kiệm điện năng nhờ vào các kỹ thuật sản xuất tiên tiến nhất đảm bảo thiết bị đeo hoạt động mạnh mẽ trong khi tiêu thụ rất ít năng lượng từ những viên pin nhỏ gọn.

Cho phép các ứng dụng cách mạng

Bo mạch PCB Cứng-Dẻo và các mạch linh hoạt tiên tiến không chỉ đáp ứng nhu cầu hiện tại—mà còn mở ra cánh cửa cho những đột phá trong tương lai:

• Các miếng dán y tế thông minh theo dõi liên tục sức khỏe bệnh nhân
• Thiết bị thể thao có thể ẩn vào quần áo hoặc cơ thể
• Các mô-đun AR/VR không gây vướng víu, nhẹ và gần như không trọng lượng
• Các thiết bị đeo được được tích hợp IoT và AI với khả năng truyền thông thời gian thực, thu hoạch năng lượng và trí tuệ nhân tạo nhúng sẵn

Tất Cả Về Sự Hợp Tác

Cuối cùng, khai thác tối đa tiềm năng của bảng mạch điện tử mặc trên người giải pháp—đặc biệt đối với các ứng dụng thị trường đại chúng hoặc các ứng dụng nhạy cảm về quy định—có nghĩa là cần hợp tác với các đối tác chuyên môn trong sản xuất bảng mạch in (PCB), lắp ráp và kiểm thử. Hãy sử dụng các công cụ DFM của họ, áp dụng kiểm tra thực tế trước khi ra mắt sản phẩm, và coi những bài học từ thực tiễn như động lực thúc đẩy cải tiến liên tục.