لوازم الکترونیکی امروزی بیش از هر زمان دیگری به بردهای مدار چاپی نیاز دارند. دستگاهها باید در فضاهای کوچکتری جای بگیرند، در برابر فشار مکانیکی بیشتری مقاومت کنند و در محیطهای دشوار به طور قابل اعتمادی کار کنند - همه اینها به طور همزمان. اینجاست که مونتاژ برد مدار چاپی انعطافپذیر و صلب یک پاسخ فنی واقعی است و نه یک تصمیم طراحی.
مونتاژ برد مدار چاپی انعطافپذیر و صلب، فرآیندی است که اجزای برد صلب و انعطافپذیر را در یک ساختار یکپارچه به هم متصل میکند. نواحی صلب، سطحی ایمن برای اتصال اجزا فراهم میکنند و نواحی انعطافپذیر به برد اجازه میدهند تا خم شود، تا شود یا دور محدودیتهای مکانیکی پیچیده شود. نتیجه نهایی، بستهای است که کابلها و کانکتورها را حذف میکند، وزن کل را کاهش میدهد و دوام طولانیمدت را در کاربردهایی که لرزش و حرکت مکرر مشکلساز هستند، افزایش میدهد.
این روش به طور جدی در صنعت محبوبیت پیدا کرده است. مونتاژ PCB با انعطافپذیری سفت و سخت توسط تولیدکنندگان تجهیزات پزشکی برای ساخت تجهیزات تشخیصی و ایمپلنتهایی که باید با بدن انسان متناسب باشند، استفاده میشود. این روش به توسعهدهندگان هوافضا و دفاع کمک میکند تا ضمن حفظ استحکام، وزن را کاهش دهند. شرکتهای لوازم الکترونیکی مصرفی آن را به دلیل گنجاندن عملکردهای بیشتر در گجتهای باریکتر دوست دارند. تطبیقپذیری فناوری انعطافپذیری سفت و سخت، آن را بسیار جذاب و از نظر فنی بسیار دشوار میکند.
اما مونتاژ PCB با انعطافپذیری سفت، ادامهی سادهای از تولید PCB معمولی نیست. ترکیب مواد، چیدمان پیچیدهی لایهها و انتقال بین مناطق سفت و انعطافپذیر، مسائلی را در طراحی و تولید ایجاد میکند که نیاز به درک تخصصی در هر مرحله دارد. این راهنما برای ارائه درک این مشکلات - و دانستن اینکه در یک شریک تولیدی به دنبال چه چیزی باشیم - تدوین شده است.
مونتاژ PCB انعطاف پذیر و سخت چیست؟
مونتاژ برد مدار چاپی انعطافپذیر و صلب (Rigid Flex PCB) فرآیند ایجاد، ساخت و جایگذاری یک برد مدار چاپی است که از قطعات صلب FR-4 و بخشهای انعطافپذیر پلیآمید در یک ساختار پیوسته تشکیل شده است. یک برد مدار چاپی انعطافپذیر و صلب واقعی به صورت یک قطعه واحد ساخته میشود، نه به صورت یک برد مدار چاپی معمولی با یک کانکتور انعطافپذیر متصل.
بخشهای جامد این برد مانند بردهای مدار چاپی معمولی ساخته شدهاند و سطحی جامد برای SMT و اجزای سوراخدار فراهم میکنند. بخشهای انعطافپذیر از زیرلایههای نازک پلیآمید ساخته شدهاند و عموماً حاوی مسیرهای مسیریابی هستند و هیچ قطعهای ندارند. این دو ناحیه در طول ساخت به هم لمینت میشوند و بردی را تولید میکنند که ممکن است قبل یا بعد از نصب خم یا تا شود و به شکل سهبعدی درآید.
PCB سفت و سخت در مقابل PCB انعطاف پذیر در مقابل PCB سفت و سخت-انعطاف پذیر
جدول زیر تفاوتهای کلیدی بین سه نوع تخته را خلاصه میکند:
|
ویژگی
|
PCB سفت و سخت
|
انعطاف پذیر PCB
|
مدار چاپی سخت انعطاف پذیر
|
|
مواد بستر
|
FR-4
|
پلی آمید
|
FR-4 + پلیآمید
|
|
خم شدن
|
هیچ
|
زیاد
|
انتخابی (فقط مناطق انعطافپذیر)
|
|
پشتیبانی از کامپوننت
|
نرخ
|
محدود شده
|
عالی (مناطق سفت و سخت)
|
|
وزن
|
استاندارد
|
خیلی سبک
|
نور
|
|
وابستگی به کانکتور
|
زیاد
|
متوسط
|
کم
|
|
هزینه ساخت
|
کم
|
متوسط
|
زیاد
|
|
بهترین برای
|
الکترونیک عمومی
|
پوشیدنیها، کابلهای انعطافپذیر
|
پزشکی، هوافضا، دستگاههای فشرده
|
یک برد مدار چاپی سفت و سخت، یک زیرلایه FR-4 است. در تمام طول مسیر جامد است. این برد پایداری مکانیکی بسیار خوبی دارد و رایجترین و ارزانترین انتخاب برای اکثر کاربردها است. اما انعطافپذیر نیست، بنابراین اتصال چندین برد سخت به کابل یا کانکتور نیاز دارد.
بردهای مدار چاپی انعطافپذیر از یک ورق نازک پلیآمید یا مادهای مشابه ساخته میشوند که میتواند بدون آسیب بارها و بارها خم شود. این بردها سبک و از نظر فضا کارآمد هستند، اما پشتیبانی مکانیکی کمتری برای اجزای بزرگ یا بلند فراهم میکنند.
برد مدار چاپی انعطافپذیر-صلب ترکیبی از مزایای هر دو است. قطعات صلب، پایداری ساختاری و سهولت مونتاژ قطعات را فراهم میکنند. بخشهای انعطافپذیر، مسیریابی سهبعدی را ارائه میدهند و نیاز به اتصال بین بردها را از بین میبرند. در عوض، هزینههای طراحی و تولید بیشتر است.
کاربردهای رایج PCBA های انعطاف پذیر و سخت
فناوری Rigid-flex در طیف گستردهای از کاربردهای مورد نیاز یافت میشود:
|
صنعت
|
دستگاه های معمولی
|
مزیت کلیدی
|
|
پزشکی
|
ضربانسازها، آندوسکوپها، پوشیدنیها
|
فرم جمع و جور، حذف کانکتور
|
|
هوافضا و دفاع
|
الکترونیک هوانوردی، ماهوارهها، ارتباطات نظامی
|
صرفهجویی در وزن، مقاومت در برابر لرزش
|
|
فروش الکترونیک
|
گوشیهای هوشمند، تبلتها، ساعتهای هوشمند
|
پروفیلهای باریک، سیمکشی کمتر
|
|
اتوماسیون صنعتی
|
رباتیک، سیستمهای حرکتی
|
دوام در برابر حرکات مکرر
|
|
خودرو
|
سنسورهای ADAS، ماژولهای داشبورد
|
بهرهوری فضا، تحمل حرارتی
|
چرا مونتاژ PCB انعطاف پذیر و سخت پیچیده تر از مونتاژ PCB استاندارد است؟
چالشهای انباشت مواد، خمش و لایهها
دستورالعملهای مونتاژ برد مدار چاپی انعطافپذیر و صلب با استفاده از مواد بسیار متفاوتی نسبت به بردهای استاندارد ساخته میشوند. قطعات انعطافپذیر معمولاً روی زیرلایههای پلیآمید ساخته میشوند که تحت تأثیر دما و تنش مکانیکی، واکنش متفاوتی نسبت به FR-4 نشان میدهند. تطابق ضریب انبساط حرارتی (CTE) بین بخشهای سفت و انعطافپذیر بسیار مهم است. لایهلایه شدن میتواند به دلیل عدم تطابق لحیمکاری رخ دهد.
یکی دیگر از پیچیدگیهای کلیدی، پیکربندی لایهها روی هم است. یک برد مدار چاپی چهار لایه معمولی از جنس صلب-انعطافپذیر از دو یا چند لایه صلب و یک یا چند لایه انعطافپذیر تشکیل شده است. این لایهها از داخل به بیرون با مواد شیمیایی چسبناک مخصوصی به نام prepreg به هم چسبانده میشوند. با یک برد مدار چاپی 6 لایه از جنس صلب-انعطافپذیر، اوضاع به طور قابل توجهی پیچیدهتر میشود و معمولاً برای مدیریت مسیریابی بین مناطق به مسیریابهای کور و مخفی نیاز است. با اضافه شدن هر لایه، کنترل فرآیند باید دقیقتر شود و مواد باید با دقت بیشتری انتخاب شوند تا امپدانس ثابت بماند و از تاب برداشتن جلوگیری شود.
جدول زیر نشان میدهد که چگونه پیچیدگی stack-up و کاربردهای معمول با تعداد لایهها افزایش مییابد:
|
تعداد لایه ها
|
ضخامت معمولی
|
برنامه های رایج
|
انواع Via مورد نیاز
|
|
2 لایه
|
0.3 - 0.6 میلیمتر
|
پوشیدنیهای ساده، حسگرها
|
از طریق سوراخ
|
|
4 لایه
|
0.6 - 1.2 میلیمتر
|
لوازم الکترونیکی مصرفی، اینترنت اشیا
|
سوراخ دار، کور
|
|
6 لایه
|
1.0 - 1.6 میلیمتر
|
تجهیزات پزشکی، صنعتی
|
کور، مدفون
|
|
8 لایه
|
1.4 - 2.0 میلیمتر
|
هوافضا، دفاع، سرعت بالا
|
کور، مدفون، میکرو
|
ناحیه اصلی تنش، ناحیه گذار بین بخش سفت و بخش انعطافپذیر است. گذارهای تیز تمایل به تمرکز تنشهای مکانیکی دارند و میتوانند منجر به شکستگی یا لایه لایه شدن جزئی در طول زمان شوند. طراحی و روش تولید خوب شامل گذارهای نرم و کاهش کرنش کافی برای کاهش این خطرات است.
خطرات جایگذاری قطعات و لحیم کاری
قطعات را روی یا نزدیک قسمتهای انعطافپذیر برد قرار ندهید. خم کردن آن باعث ایجاد فشارهای مکانیکی میشود که به زودی اتصالات لحیمکاری موجود در آن قسمت را از بین میبرد. تمام قطعات نصب سطحی و قطعات سوراخدار باید در نواحی سفت و سخت قرار گیرند. اگر قطعات باید روی یک بخش انعطافپذیر نصب شوند، آن ناحیه باید با یک سفتکننده سفت شده و خارج از ناحیه خمیدگی نگه داشته شود.
پروفیلهای لحیمکاری جریان برگشتی باید برای بردهای انعطافپذیر-صلب تطبیق داده شوند. اختلاف جرم حرارتی موجود بین قطعات صلب و انعطافپذیر، علت اصلی توزیع ناهموار گرما در طول فرآیند جریان برگشتی است. این امکان وجود دارد که کالیبراسیون نادرست پروفیل منجر به گرم شدن بیش از حد نواحی انعطافپذیر، لایه لایه شدن آن بخشها یا آسیب به زیرلایه پلیآمید شود. هنگامی که بخشهای صلب گرم میشوند، این امکان وجود دارد که به درستی جریان برگشتی پیدا نکنند.
مراحل اصلی در فرآیند مونتاژ PCB انعطاف پذیر و سخت
بررسی فایل طراحی و بررسی DFM
روش صحیح مونتاژ یک برد مدار چاپی (PCB) انعطافپذیر و سفت با اولین مراحل تجزیه و تحلیل فایلهای طراحی و اجرای آنالیز طراحی برای ساخت (DFM) آغاز میشود. در این مرحله، فایلهای Gerber، فایلهای مته و نظرات ساخت از نظر کامل بودن و سازگاری بررسی میشوند. بررسی DFM، قوانین شعاع خمش (معمولاً 10 برابر ضخامت لایه انعطافپذیر یا بیشتر)، طرحبندی قطعات نسبت به نواحی انعطافپذیر، مکانهای مسیر در انتقالها و قابلیت انباشت را در نظر میگیرد.
مشکلات شناساییشده در این مرحله، قبل از شروع ساخت، مورد توجه قرار میگیرند تا از دوبارهکاریهای پرهزینه در ادامهی خط تولید جلوگیری شود. تولیدکنندهی باتجربه همچنین الزامات امپدانس را تجزیه و تحلیل کرده و تأیید میکند که چیدمان پیشنهادی، استانداردهای عملکرد الکتریکی را برآورده میکند.
مونتاژ، بازرسی، آزمایش و تحویل نهایی SMT
پس از ساخت، قطعات سفت برد با استفاده از فناوری نصب سطحی (SMT) مونتاژ میشوند. خمیر لحیم با استفاده از چاپ شابلون روی نواحی سفت اعمال میشود. از دستگاههای Pick-and-place برای قرار دادن قطعات استفاده میشود و برد از یک کورهی جریان برگشتی کنترلشده عبور داده میشود. در صورت لزوم، قطعات سوراخدار را اضافه کنید، سپس مجموعه را موجدار یا به صورت انتخابی لحیم کنید.
پس از مونتاژ، بردها با بازرسی نوری خودکار (AOI) آزمایش میشوند تا خطاهای لحیمکاری، قطعات از دست رفته و عدم ترازبندی تشخیص داده شوند. مجموعههای پیچیده - به ویژه آنهایی که از بستههای BGA استفاده میکنند و در پروژههای خدمات مونتاژ PCB سفت و سخت و سریع محبوب هستند - نیز تحت بازرسی اشعه ایکس قرار میگیرند تا اتصالات لحیم پنهان بررسی شوند.
آزمایش الکتریکی، عملکرد برد مونتاژ شده را مطابق با مشخصات تأیید میکند. اتصال و مقادیر اجزا با استفاده از پروب پرنده یا آزمایش درون مداری (ICT) بررسی میشوند.
خطرات کلیدی کیفیت در مونتاژ PCB انعطاف پذیر و سخت
تنش اتصال لحیم و آسیب به ناحیه انعطافپذیر
در پروژههای مونتاژ بردهای مدار چاپی خمشونده، رایجترین ریسک کیفی، شکستن محل اتصال لحیم به دلیل فشار مکانیکی است. وقتی یک برد انعطافپذیر سفت و سخت به شکل نهایی خود خم میشود، میتواند به قطعاتی که خیلی نزدیک به مناطق انعطافپذیر هستند، فشار وارد کند که میتواند باعث شکستن اتصالات لحیم شود. این خطر برای چیزهایی که باید بارها و بارها خم شوند، مانند بازوهای رباتیک یا قطعات الکترونیکی که نیاز به تا شدن دارند، حتی بیشتر است.
نکته مهم دیگری که باید در نظر گرفته شود، آسیب به ناحیه انعطافپذیر در حین ساخت است. پایه پلیآمید بسیار محکم است، اما میتواند توسط مواد شیمیایی مورد استفاده در فرآیند ساخت، خمهای تیز و سوراخها شکسته شود. برای جلوگیری از آسیبهایی که ممکن است در ابتدا مشخص نباشند اما میتوانند عمر مفید محصول را کوتاه کنند، باید قوانین جابجایی به درستی در حین تولید رعایت شود.
قابلیت اطمینان خمش، لایه لایه شدن و مسائل مربوط به آزمایش
جدول زیر خلاصهای از رایجترین ریسکهای کیفیت و کنترلهای مورد استفاده برای رسیدگی به آنها را نشان میدهد:
|
ریسک کیفیت
|
علت ریشه
|
روش تشخیص
|
کاهش
|
|
ترک خوردگی اتصالات لحیم کاری
|
قطعات نزدیک ناحیه خمشی
|
AOI، آزمایش چرخه انعطافپذیر
|
اعمال مناطق حفاظتشده برای اجزا
|
|
لایه لایه شدگی
|
عدم تطابق CTE، گرمای بیش از حد
|
آنالیز مقطع، اشعه ایکس
|
پروفیل جریان برگشتی کنترلشده، مواد صحیح
|
|
آسیب ناحیه انعطافپذیر
|
هندلینگ، پیچهای تند
|
بازرسی بصری
|
پروتکلهای سختگیرانهی مدیریت
|
|
شکستگی جزئی
|
شعاع خم ناکافی
|
تست چرخه انعطافپذیر
|
طراحی با شعاع ضخامت خمشی ≥10×
|
|
Warpage
|
مس نامتقارن، لایه بندی ناهموار
|
اندازهگیری صافی
|
طراحی متوازن روی هم انباشته
|
این امر منجر به تنش حرارتی در حین لحیم کاری میشود که از استحکام پیوند بین بخشهای سفت و انعطافپذیر فراتر میرود و منجر به لایه لایه شدن یا جداسازی لایهها در پشته میشود. و به همین دلیل است که کنترل پروفیلهای جریان برگشتی و انتخاب مواد بسیار حیاتی است. لایه لایه شدن ممکن است روی سطح برد قابل مشاهده نباشد و برای کشف آن نیاز به تجزیه و تحلیل مقطع یا بازرسی تخصصی است.
قابلیت اطمینان خمش با آزمایش چرخه خمش اثبات میشود که در آن بردها به طور مکرر در محدوده حرکتی مورد نظر خود خم میشوند تا تأیید شود که مسیرها و اتصالات لحیم در طول عمر تخمینی محصول دست نخورده باقی میمانند. لوازم الکترونیکی مصرفی اغلب به اندازه بردهای مورد استفاده در کاربردهای پزشکی یا هوانوردی به آزمایش زیادی نیاز ندارند.
قبل از انتخاب سازنده مونتاژ PCB انعطاف پذیر و سخت، چه مواردی را باید بررسی کرد؟
پشتیبانی مهندسی و تجربه تولید محصولات Rigid-Flex
همه شرکتهایی که PCBها را سرهم میکنند، ابزار مناسب، دانش مواد یا تجربه فرآیندی لازم برای ساخت بردهای انعطافپذیر-صلب را به طور قابل اعتماد ندارند. شما باید مطمئن شوید که شریکی که انتخاب میکنید، چه یک مونتاژ PCB انعطافپذیر-صلب ۴ لایه برای یک دستگاه مصرفی کوچک باشد و چه یک مونتاژ PCB انعطافپذیر-صلب ۶ لایه برای یک کاربرد صنعتی که نیاز به قابلیت اطمینان بالایی دارد، در طراحی مورد نیاز شما تجربه دارد.
بررسی کنید که آیا سازنده، ارزیابی DFM داخلی و کمک مهندسی ارائه میدهد یا خیر. یک شریک خوب میتواند به بررسی نمونه کارهای شما بپردازد، ببیند در کجا ممکن است با شعاع خم یا مناطق انتقال مشکل داشته باشید و قبل از شروع تولید، پیشنهاداتی برای بهبود ارائه دهد. همکاری در حال حاضر میتواند از خرابیهای پرهزینه در آینده جلوگیری کند.
بازرسی، آزمایش، ردیابی و ارتباطات
اطمینان حاصل کنید که سازنده به طور معمول AOI، بازرسی با اشعه ایکس و آزمایش الکتریکی مناسب را به عنوان بخشی از فرآیند معمول خود انجام میدهد، نه یک گزینه اضافی اختیاری. وقتی صحبت از مونتاژ PCB انعطافپذیر و سفت و سخت پزشکی یا کاربردهای هوافضا میشود، استعلام گواهینامههای سیستم مدیریت کیفیت آنها مهم است. این گواهینامهها باید شامل انطباق با الزامات IPC و همچنین گواهینامه ISO 13485 یا AS9100، در صورت لزوم، باشند.
قابلیت ردیابی برای کاربردهایی که نیاز به سطح بالایی از قابلیت اطمینان دارند، ضروری است. انتظار میرود که سازنده شما بتواند قابلیت ردیابی کاملی را ارائه دهد که هر برد را به دسته ساخت، مواد و دادههای آزمایش مربوط به آن مرتبط کند. هنگام کار با مهلتهای محدود و خدمات مونتاژ PCB سفت و سخت و سریع، بسیار مهم است که ارتباطی شفاف و پاسخگو در کل پروژه، از بررسی طراحی تا تحویل، وجود داشته باشد.
درباره PCBasic
زمان در پروژههای شما حکم پول را دارد – و PCBasic آن را دریافت می کند. PCBasic هست یک شرکت مونتاژ PCB که هر بار نتایج سریع و بینقصی ارائه میدهد. خدمات جامع ما خدمات مونتاژ PCB شامل پشتیبانی مهندسی متخصص در هر مرحله، تضمین کیفیت برتر در هر تخته. به عنوان یک پیشرو سازنده مونتاژ PCB, ما یک راهکار جامع ارائه میدهیم که زنجیره تأمین شما را ساده میکند. با تیم پیشرفته ما همکاری کنید کارخانه نمونه اولیه PCB برای تحویل سریع و نتایج عالی که میتوانید به آنها اعتماد کنید.
چگونه PCBasic از پروژههای مونتاژ PCB انعطافپذیر و سخت پشتیبانی میکند
PCBasic پشتیبانی جامعی را برای مونتاژ PCB انعطافپذیر و صلب، از اولین ارزیابی DFM تا تحویل نهایی ارائه میدهد. کادر فنی آنها مستقیماً با مشتریان همکاری میکند تا طرحها را برای قابلیت تولید، از جمله انتخاب چیدمان، الزامات ناحیه خمش و مشاوره در مورد قرارگیری قطعات، بهینه کند.
قابلیتهای تولید شامل پیکربندیهای ۴ لایه و ۶ لایه صلب-انعطافپذیر، شامل AOI داخلی، اشعه ایکس و آزمایش عملکردی است. PCBasic مونتاژ سریع PCB صلب-انعطافپذیر را برای پروژههایی با مهلتهای محدود ارائه میدهد که با مستندات فرآیند قوی و تکنیکهای ردیابی پشتیبانی میشود تا نیازهای مشتریان پزشکی و صنعتی را برآورده کند.
سوالات متداول
تعداد لایههای معمول برای مونتاژ PCB انعطافپذیر و صلب چقدر است؟
اکثر پیکربندیهای سفت و سخت-خم شونده ۲ تا ۸ لایه هستند. طرحبندیهای چهار و شش لایه اغلب مورد استفاده قرار میگیرند و تعادل منصفانهای بین انعطافپذیری مسیریابی و هزینه تولید فراهم میکنند.
آیا میتوان قطعات را روی بخشهای انعطافپذیر قرار داد؟
هیچکدام. قطعات منحصراً روی قسمتهای سفت برد نصب میشوند. قطعاتی که روی نواحی انعطافپذیر قرار میگیرند، هنگام خم شدن برد مدار چاپی، فشار مکانیکی غیرقابل قبولی را روی اتصالات لحیم اعمال میکنند.
حداقل شعاع خمش برای تختههای سخت-خمشی چقدر است؟
حداقل شعاع خمش یک قاعده کلی است، اما به تعداد لایههای انعطافپذیر و جنس پلیآمید بستگی دارد. حداقل شعاع خمش ده برابر ضخامت کلی لایه انعطافپذیر است. ارزیابی DFM از سازنده شما، مشخصات صحیح برای طراحی شما را تأیید میکند.
آیا مونتاژ PCB انعطافپذیر سفت و سخت به طور قابل توجهی گرانتر از مونتاژ PCB استاندارد است؟ بله، مونتاژ قطعات صلب-خمشی معمولاً به دلیل نیاز به مواد خاص، کنترلهای فرآیندی دقیقتر و الزامات بازرسی بالاتر، پرهزینهتر است. اما حذف کابلها و کانکتورهایی که قابل اطمینانتر هستند، اغلب منجر به کاهش هزینه کل سیستم در طول عمر محصول میشود.
چه صنایعی معمولاً از مونتاژ PCB فلکس سفت و سخت استفاده میکنند؟
کسبوکارهای اصلی آن شامل تجهیزات پزشکی، هوافضا و دفاع، لوازم الکترونیکی مصرفی، اتوماسیون صنعتی و ارتباطات نظامی است. Rigid-flex یک رقیب مناسب برای هر کاربردی است که به فرم فکتورهای جمعوجور، کاهش وزن یا دوام زیاد در موقعیتهای پویا نیاز دارد.
