با تولد و توسعه FPC و PCB، محصول جدیدی به نام برد سخت-انعطافپذیر (rigid-flex board) پدید آمده است.
برد مدار چاپی انعطافپذیر-سخت (Rigid-Flex PCB) چیست؟
بردهای ریجید-فِلکس ترکیب میکنند بسترهای مدار انعطافپذیر و زیرلایههای مدار سخت را در یک ساختار لمینتشده ترکیب میکنند. PCBهای سخت-انعطافپذیر از مرزهای PCBهای سخت سنتی فراتر میروند. آنها همچنین از مدارهای انعطافپذیری استفاده میکنند که با الگوسازی مس بسیار چکشخوار، رسوبشده الکتروپلاستیک یا نورد-پیران بر روی فیلمهای عایق انعطافپذیر ساخته میشوند. طراحیهای سخت-انعطافپذیر دارای برخی ویژگیهای واضح هستند: چگالی بالا، ردهای ظریف، ویای کوچک، اندازه کوچک، وزن سبک و قابلیت اطمینان بالا. عملکرد آنها تحت شرایط لرزش، ضربه و رطوبت پایدار باقی میماند. آنها قابلیت انعطافپذیری دارند و امکان نصب سهبعدی را فراهم میکنند. آنها از فضای داخل یک مجموعه به طور مؤثرتری استفاده میکنند. به همین دلایل، از آنها به طور گسترده در محصولات دیجیتال قابل حمل مانند تلفنهای همراه، دوربینهای دیجیتال و دوربینهای فیلمبرداری استفاده میشود. از بردهای ریجید-فلکس در مواردی که باید اندازه بسته کاهش یابد، به ویژه در لوازم الکترونیکی مصرفی، بیشتر استفاده خواهد شد.
در ابتدا، ایدههای اصلی طراحی و فرآیندهای ساخت بردهای چندلایه سخت-انعطافپذیر از تجهیزات هوافضا نشأت گرفت. سیستمهای هوافضا به سیمکشی قابلاعتماد در فضای بسیار محدود نیاز دارند. در برخی محصولات پیچیده، از بردهای سخت-انعطافپذیر با بیش از ۳۰ لایه هادی استفاده شده است. از سوی دیگر، لوازم الکترونیکی مصرفی مانند تلفنها و دوربینهای دیجیتال همواره به سیمکشی با چگالی بالا و هزینه پایین نیاز داشتند. این نیاز باعث ظهور ایدههای جدید طراحی و روشهای ساخت نوین شد.
یک برد چندلایهٔ سخت–انعطافپذیر اساساً ترکیبی از بردهای سخت و بردهای انعطافپذیر است. اما برای اینکه سازندگان برد بتوانند آنها را بهخوبی به هم متصل کنند، نیاز به مهارتهای خوبی در هر دو فرایند ساخت PCB سخت و PCB انعطافپذیر دارند. بنابراین، پیش از طراحی این نوع PCB، باید بهوضوح از قابلیتها و محدودیتهای سازنده مطلع باشید.
معایب بردهای سخت-انعطافپذیر
اگر فقط مقایسه کنید “تخته انعطافپذیر ”برد سخت + کانکتور» با یک برد ریجید-فلکس، عیب اصلی بردهای ریجید-فلکس هزینه است. بردهای ریجید-فلکس اغلب گرانتر هستند. در برخی موارد، گزینه ریجید-فلکس ممکن است تقریباً دو برابر قیمت بردهای انعطافپذیر و سخت جداگانه باشد. با این حال، اگر هزینه کانکتور یا هزینه لحیمکاری HotBar را از مقایسه حذف کنید، قیمتها میتوانند نزدیک شوند. برای دیدن تصویر واقعی هزینهها، باید یک تحلیل کامل هزینه انجام دهید که قطعات، مراحل مونتاژ و فرآیندهای ویژه را در نظر بگیرد.
یکی دیگر از معایب، مونتاژ است. نصب SMT و ریفلو قطعات روی بردهای سخت-انعطافپذیر ممکن است نیاز به حاملها یا fixtures برای حمایت از نواحی انعطافپذیر داشته باشد. استفاده از حاملها هزینه مونتاژ SMT را افزایش میدهد. حاملها کمک میکنند بخشهای انعطافپذیر در حین پیک-اند-پلیس و ریفلو صاف و پشتیبانیشده باقی بمانند.
مزایای بردهای سخت-انعطافپذیر
فراتر از هزینه، بردهای ریجید-فِلکس مزایای زیادی دارند. در اینجا برخی از مزایای اصلی آورده شده است:
-
فضای برد را ذخیره کنید و نیاز به کانکتورها یا فرآیندهای HotBar را از بین ببرید.
از آنجا که بخشهای انعطافپذیر و صلب یکتکه هستند، میتوانید یک کانکتور یا یک اتصال HotBar را حذف کنید. در طراحیهای با چگالی بالا، از دست دادن فضای یک کانکتور بسیار ارزشمند است. حذف کانکتورها همچنین هزینه قطعات و هزینه پردازش HotBar را کاهش میدهد. علاوه بر این، وقتی به کانکتور نیازی ندارید، فاصله بین دو برد میتواند بسیار کمتر باشد. -
مسیرهای سیگنال کوتاهتر، سرعت بالاتر و قابلیت اطمینان بهبود یافته
با بردهای سخت جداگانه که توسط کانکتورها به هم متصل شدهاند، مسیر سیگنال به این صورت است: برد → کانکتور → فلیکس → کانکتور → برد. با یک برد ریجید-فلیکس این مسیر به برد → فلیکس → برد تبدیل میشود. مسیر کوتاهتر است. سیگنالها از مواد کمتری عبور میکنند، بنابراین انرژی کمتری از دست میدهند. در بردهای سخت استاندارد، مسیرها مسی هستند. کانکتورها دارای تماسهای آبکاریشده با طلا هستند. پینهای لحیمشده معمولاً از قلع یا آلیاژ قلع هستند. تغییر سیگنال در هر رابط مادهای باعث مقداری اتلاف میشود. اگر از بردهای سخت-انعطافپذیر استفاده کنید، تعداد رابطها را کاهش میدهید. این امر به یکپارچگی سیگنال کمک میکند. برای محصولاتی که به سیگنالهای دقیق نیاز دارند، بردهای سخت-انعطافپذیر قابلیت اطمینان را بهبود میبخشند. -
مونتاژ محصول را ساده کرده و زمان مونتاژ را کاهش دهید.
استفاده از بردهای ریجید-فِلکس میتواند کاهش دهد SMT و زمان مونتاژ نهایی. شما کانکتورهای کمتری قرار میدهید. همچنین مرحله مونتاژ قرار دادن فِلکس در کانکتور یا مرحله لحیمکاری HotBar را حذف میکنید. قطعات کمتر به معنای لیست مواد (BOM) کوتاهتر است. این امر موجودی و حجم کار مدیریت قطعات را کاهش میدهد.
تولید و مونتاژ بردهای فلیکس و ریجید-فلیکس چگونه با هم تفاوت دارند
فرآیند اصلی SMT برای همه انواع بردها مشابه است. مدارهای انعطافپذیر، بردهای سخت-انعطافپذیر و بردهای سخت همگی مراحل جایگذاری قطعات و لحیمکاری مجدد با خمیر قلع را طی میکنند. اما بردهای انعطافپذیر و سخت-انعطافپذیر نیازهای ویژهای دارند. اگر این نیازهای اضافی در حین تولید با دقت برآورده نشوند، با مشکلات بزرگی مواجه خواهید شد.
۱. چاپ خمیر قلع
مانند PCBهای صلب، برای اعمال خمیر لحیم روی بردهای انعطافپذیر و نیمهانعطافپذیر از شابلون و چاپگر خمیر لحیم استفاده میشود. بسیاری از اپراتورهای SMT نگران کنترل ابعاد و شکنندگی بردهای انعطافپذیر هستند. برخلاف بردهای صلب، سطوح بردهای انعطافپذیر صاف نیستند. بنابراین برای ثابت نگهداشتن آنها به جکها و سوراخهای همترازی نیاز است. همچنین، مواد مدارهای انعطافپذیر با دما و رطوبت تغییر اندازه میدهند. آنها تحت برخی شرایط میتوانند حدود 0.001 اینچ در هر اینچ کشیده یا چروکیده شوند. این کششها و چروکها باعث جابجایی در موقعیت برد در محورهای X و Y میشوند. به همین دلیل، قراردهی قطعات روی بردهای انعطافپذیر اغلب به حاملهای کوچکتر یا ابزارهای ویژهای نسبت به SMT بردهای سخت نیاز دارد.
۲. جایگذاری قطعات SMT
امروزه قطعات در حال کوچکتر شدن هستند. قطعات کوچک میتوانند در فرایند ریفلو مشکلساز شوند اگر سطح برد صاف نباشد. اگر مدار انعطافپذیر کوچک باشد، تغییرات ابعادی ممکن است کمتر مشکلساز باشد، اما ممکن است همچنان به حاملهای SMT کوچکتر یا نشانههای مرجع اضافی نیاز داشته باشید. اگر حامل صاف نباشد، جابهجاییهای جایگذاری را مشاهده خواهید کرد. یک فیکسچر مناسب SMT به حفظ سطح جایگذاری صاف و پایدار کمک میکند.
۳. لحیمکاری مجدد
قبل از ریفلو، مدارهای انعطافپذیر باید خشک شوند. این یک تفاوت کلیدی بین مونتاژ بردهای انعطافپذیر و بردهای سخت است. مواد انعطافپذیر مانند اسفنج رطوبت را جذب میکنند. آنها میتوانند تا حدود ۳۱ درصد از وزن خود را از رطوبت دریافت کنند. وقتی یک برد انعطافپذیر رطوبت را جذب کند، نمیتوان آن را بدون خشک کردن اولیه ریفلو کرد. بردهای سخت نیز با این مشکل مواجه هستند، اما بردهای سخت تا حدی رطوبت بیشتری را تحمل میکنند.
مدارهای انعطافپذیر نیاز به پیشپخت در دمای تقریبی ۲۲۵ تا ۲۵۰ درجه فارنهایت (حدود ۱۰۷ تا ۱۲۱ درجه سانتیگراد) برای مدت کوتاهی دارند که ایدهآل آن تکمیل شدن در عرض یک ساعت است. اگر بردهای انعطافپذیر را بهموقع خشک نکنید، باید آنها را تا زمان پخت در یک جعبه خشک یا در فضای ذخیرهسازی نیتروژن نگهداری کنید. خشککردن مناسب از آسیبهای ناشی از تشکیل بخار در حین ریفلو، مانند جداشدگی لایهها یا تاولزدن جلوگیری میکند.
کاربردهای بردهای سخت-انعطافپذیر
بردهای PCB سخت–انعطافپذیر دوام بردهای سخت را با انعطافپذیری بردهای انعطافپذیر ترکیب میکنند. در میان همه انواع PCB، سخت–انعطافپذیر مقاومترین نوع برای محیطهای سخت است. به دلیل این استحکام، بردهای سخت–انعطافپذیر در کنترل صنعتی، دستگاههای پزشکی و تجهیزات نظامی محبوب هستند. تولیدکنندگان قارهای نیز در حال افزایش سهم بردهای سخت–انعطافپذیر در کل تولید خود هستند.
موارد کاربرد معمول عبارتند از:
-
استفادهٔ صنعتی — این شامل ماشینآلات صنعتی، تجهیزات نظامی و دستگاههای پزشکی. این قطعات به دقت، ایمنی و دوام نیاز دارند. بردهای ریجید-فِلکس برای این حوزهها باید قابلیت اطمینان بالا، دقت بالا، تلفات امپدانس کم، کیفیت کامل سیگنال و عمر طولانی را ارائه دهند. اما این فرآیند پیچیده است، بازده پایین است و هزینه هر واحد بالا است.
-
تلفنهای همراه — در تلفنها، بردهای ریجید-فِلکس در نواحی لولا گوشیهای تاشو، ماژولهای دوربین، صفحهکلیدها و ماژولهای RF به کار میروند. این بردها تابخوردن مکرر و فضای مونتاژ تنگ را تحمل میکنند.
-
لوازم الکترونیکی مصرفی — دوربینهای دیجیتال ثابت (DSC) و محصولات ویدیوی دیجیتال (DV) از اقلام مصرفی رایجی هستند که از بردهای ریجید-فِلکس استفاده میکنند. میتوان ریجید-فِلکس را از دو زاویه بررسی کرد: عملکرد و ساختار. از نظر عملکرد، ریجید-فِلکس میتواند بردها و ماژولهای سخت مختلف را در سه بعد به هم متصل کند. بنابراین با همان تراکم خطوط، مساحت مدار قابل استفاده را افزایش میدهد. این امر ظرفیت مدار را بالا برده و محدودیتهای مسیر سیگنال و خطاهای مونتاژ را کاهش میدهد. از منظر ساختاری، بردهای ریجید-فِلکس سبک و نازک هستند و امکان مسیریابی انعطافپذیر را فراهم میکنند. آنها به کوچکتر شدن اندازه و کاهش وزن کمک میکنند.
-
خودروسازی — در خودروها از بردهای ریجید-فِلکس برای کلیدهای اصلی روی فرمان، اتصالات بین نمایشگرهای داخل خودرو و بردهای کنترل، کلیدهای کنترل درب، کنترلهای صوتی خودرو، سیستمهای دوربین رادار پارکینگ، سنسورهای متعدد (کیفیت هوا، دما و رطوبت، تشخیص و کنترل گاز)، سیستمهای ارتباطی خودرو، ناوبری ماهوارهای، اتصالات برای کنترلکنندههای صندلی عقب، بردهای کنترل بخش جلویی و حتی سیستمهای تشخیص خارجی استفاده میشود.
مواد برای بردهای چندلایه سخت-انعطافپذیر
در زیر جدولی ساده از مواد رایج مورد استفاده برای ساخت بردهای چندلایه سخت-انعطافپذیر آورده شده است. من مواد مورد نیاز، انتخاب سنتی و گزینههای با عملکرد بالاتر را فهرست کردهام.
| مواد لازم | مادهٔ سنتی | مواد با کارایی بالا |
|---|---|---|
| بستر انعطافپذیر (FCCL) | فیلم پلیآمید سنتی | فیلم پلیآمید جدید |
| لامینت مسی دو رو | هسته پلیایمید با چسب اکریلیک (یا چسب اپوکسی) | لامینت پلیآمید بدون چسب (نوع ریختهشده یا نوع لامینیتشده) |
| پوشش | پلیآمید سنتی با چسب اکریلیک یا اپوکسی پوششدادهشده | پلیآمید جدید با چسب پلیآمید گرمانگداز پوشش داده شده |
| نوار چسبی (نوار اتصال) | لایه چسب رزین اکریلیک، لایه چسب اپوکسی، لایه پلیآمید دوطرفه پوششدادهشده با چسب اکریلیک | فیلم پلیآمید جدید که دو طرف آن با رزین پلیآمید گرمانرم پوشانده شده است. |
| بستر سخت (CCL) | شیشه-اپوکسی (FR4) | برد رزین شیشه-BT، برد رزین شیشه-پلییمید |
جدول بالا چندین مادهٔ لازم برای ساخت بردهای ریجید-فِلکس را فهرست میکند. شایان ذکر است که با پیشرفت فناوری، عملکرد این مواد بهطور قابلتوجهی بهبود یافته است.
مواد باید مقاومت حرارتی بالا و پایداری ابعادی خوبی در هنگام حرارتدهی داشته باشند. برای حوزههای با نیاز به قابلیت اطمینان بالا مانند نظامی و هوافضا، استفاده از فیلم پلیآمید ضخیمتر (بیش از ۵۰ میکرومتر) را توصیه میکنیم. در این حوزهها، ماده پایه باید در طول فرآیند پایداری و دوام بالایی داشته باشد. در مقابل، لوازم الکترونیکی مصرفی اغلب روندی به سمت نازکتر و سبکتر شدن دارند. در این موارد، تولیدکنندگان معمولاً از دیالکتریکهای نازکتر (کمتر از ۵۰ میکرومتر) استفاده میکنند.
در میان لمینتهای روکشدار مسی چسبنده، پوششهای چسبنده و فیلمهای چسبان، چسبهای اکریلیک چسبندگی بهتری دارند اما مقاومت حرارتی کمی کمتر و انقباض بیشتری دارند. چسبهای اپوکسی مقاومت حرارتی بهتری ارائه میدهند اما زمان بیشتری برای پخت نیاز دارند و گاهی چسبندگیشان کمی ضعیفتر است.
استفاده از لامینیت بدون چسب با روکش مسی ریختهگریشده یا تحت فشار معمولاً مقاومت حرارتی بالاتری و ضریب انبساط حرارتی (CTE) کمتری فراهم میکند. این مواد همچنین به کاهش ضخامت نهایی برد کمک کرده و میتوانند رسوب رزین ناشی از سوراخکاری را بهطور قابلتوجهی کاهش دهند. با این حال، این ماده بدون چسب نیازمند پردازش در دمای بالای ۳۰۰ درجه سانتیگراد و نیازمند تجهیزات و کنترل فرآیند ویژه است.
یادداشتها و نکات تکمیلی برای طراحان و خریداران
-
از همان ابتدا با سازنده برد خود صحبت کنید. به آنها بگویید چه تعداد لایهٔ سخت و انعطافپذیر در نظر دارید، نواحی خمش کجا هستند و برد باید چه تعداد چرخهٔ انعطاف را تحمل کند. همچنین impedans هدف و نیازمندیهای سرعت بالا را به آنها اطلاع دهید. سپس سازنده میتواند به شما بگوید آیا طراحی امکانپذیر است و چه محدودیتهایی وجود دارد.
-
منطقههای خمش را از قطعات سفت و اجزای سنگین خالی نگه دارید. از خطوط خمش واضح استفاده کنید و تا حد امکان ردهای مسی را نزدیک محور خنثی نگه دارید. ردهای مسی در نواحی خمش باید به اندازه کافی پهن باشند و از قواعد مناسب انعطافپذیری پیروی کنند. از سوراخهای پرشده با آبکاری در نواحی خمش تکراری خودداری کنید، مگر اینکه از طراحیهای ویژه استفاده کنید.
-
طراحی برای مونتاژ. اگر انتظار دارید در ناحیه انعطافپذیر از SMT استفاده شود، برای حاملها، نشانگرهای مرجع و مراحل پخت برنامهریزی کنید. نواحی نیازمند سختکنندهها و محلهایی را که برای پشتیبانی قطعات از چسب استفاده خواهید کرد، علامتگذاری کنید.
-
مواد را بر اساس نیاز انتخاب کنید. برای مصارف نظامی یا پزشکی از پلیآمید ضخیمتر و مواد پایه قویتر استفاده کنید. اگر به وزن کم و اندازه کوچک نیاز دارید، برای تلفنها و کالاهای مصرفی سبک از دیالکتریکهای نازک استفاده کنید.
-
موازنهٔ هزینهها. راهحل ریجید-فِلکس میتواند قطعات مونتاژ و کانکتورها را کاهش دهد، اما خود برد ممکن است هزینهٔ بیشتری داشته باشد. یک بررسی کامل هزینهٔ سیستم انجام دهید. اغلب با حذف کانکتورها و مراحل مونتاژ مرتبط، هزینهٔ کل سیستم کاهش مییابد. همچنین هزینههای تعمیر و تست را در نظر بگیرید.
-
آزمایشهای استرس را انجام دهید. اگر محصول شما در معرض لرزش، ضربه، گرما یا رطوبت قرار میگیرد، برد ریجید-فلکس را زود آزمایش کنید. آزمایشهای چرخهای، شوک حرارتی و رطوبتسنجی مشکلات را پیش از تولید انبوه شناسایی میکنند.
-
برای ابزارسازی برنامهریزی کنید. با سازنده برد مدار چاپی (PCB) همکاری کنید تا جیکها، حاملها و برنامههای پخت را برنامهریزی کنید. ابزار مناسب، نقصها و خطاهای جایگذاری را کاهش میدهد.
-
مستندات. نقشههای مکانیکی واضح، چیدمان لایهها (stackup)، قوانین خمش و نقشههای لایه را ارائه دهید. نشان دهید که سختکنندهها کجا قرار میگیرند و دمهای انعطافپذیر از ناحیهٔ صلب کجا خارج میشوند.
سوالات متداول
یک برد مدار چاپی نیمهانعطافپذیر–سخت، لایههای انعطافپذیر و سخت برد مدار را در یک ساختار واحد ترکیب میکند. این برد هم نواحی قابل خم شدن و هم بخشهای جامد را ارائه میدهد که فضا را صرفهجویی کرده، تعداد کانکتورها را کاهش داده و قابلیت اطمینان را بهبود میبخشد.
مزایای اصلی عبارتند از:
صرفهجویی در فضا بدون نیاز به کانکتورها یا هتبارها.
مسیرهای سیگنال کوتاهتر برای کاهش اتلاف و تأخیر.
اعتمادپذیری و دوام بالاتر در طراحیهای پیچیده.
فرآیند مونتاژ سادهشده، کاهش نیروی کار و زمان.
بله. در مقایسه با PCBهای سخت یا انعطافپذیر استاندارد، معمولاً هزینهٔ بیشتری دارند. مونتاژ SMT در نواحی انعطافپذیر نیازمند حاملهای ویژه است. مواد انعطافپذیر همچنین به حرارت و رطوبت حساس هستند که ممکن است باعث انبساط یا انقباض شوند.
آنها به طور گسترده در موارد زیر کاربرد دارند:
الکترونیک مصرفی (تلفنهای همراه، دوربینها، پوشیدنیها).
الکترونیک خودرو (کنترلهای فرمان، نمایشگرها، حسگرها).
تجهیزات صنعتی و دستگاههای پزشکی.
سامانههای دفاعی و هوافضا که به قابلیت اطمینان بالا نیاز دارند.
نکات مهم عبارتند از:
در مراحل اولیه با سازنده برد مدار چاپی درباره تعداد لایهها، نواحی خمش، امپدانس و نیازهای قابلیت اطمینان گفتگو کنید.
از قرار دادن قطعات سنگین در نواحی خمیدگی خودداری کنید و مسیرها را در امتداد محور خنثی قرار دهید.
برای نواحی انعطافپذیر از مهاربندهای پشتیبان برای SMT استفاده کنید.
مواد را بر اساس الزامات عملکردی (اعتمادپذیری بالا در مقابل هزینه) انتخاب کنید.
هزینهٔ کل سیستم را در نظر بگیرید، نه فقط قیمت PCB.
عوامل اصلی شامل تعداد لایهها، تعداد گذارهای از حالت سخت به انعطافپذیر، مواد ویژه، پیچیدگی پانلبندی و آزمایشهای مورد نیاز هستند. لایههای بیشتر، شعاع خمش کم و سختکنندههای سفارشی هزینه و زمان را افزایش میدهند. تولید نمونههای اولیه و دستههای کوچک اغلب نیازمند ابزار یا fixtures هستند که زمان تحویل را افزایش میدهد. برای کاهش هزینه، یکپارچهسازی ویژگیها، استانداردسازی مواد و بحث دربارهٔ مصالحههای زمان تحویل با تأمینکننده خود در مراحل اولیه اقدام کنید.