คู่มือ Flexible PCB | การออกแบบ Flex & Rigid-Flex วั...

บทนำสู่ Flexible Circuits

Flexible Printed Circuits (FPCs) สามารถงอ พับ และบิดได้ ซึ่งเป็นความสามารถที่แผง FR4 แบบ Rigid ทำไม่ได้ ความยืดหยุ่นนี้ทำให้สามารถออกแบบผลิตภัณฑ์ที่เป็นไปไม่ได้หรือไม่เหมาะสมกับ PCB แบบ Rigid ทั่วไป

มองดูภายในสมาร์ทโฟนของคุณ: วงจรแบบยืดหยุ่นเชื่อมต่อจอแสดงผลกับแผงวงจรหลัก เปิดกล้องดิจิทัล: Flex circuits ช่วยให้ชุดเลนส์เคลื่อนที่ได้ มองเข้าไปในรถยนต์สมัยใหม่: Flex circuits ส่งสัญญาณรอบมุมและผ่านพื้นที่แคบ ตามข้อมูลจาก IPC ตลาด Flex circuit ยังคงเติบโตต่อเนื่องเมื่ออุปกรณ์มีขนาดเล็กลงและซับซ้อนมากขึ้น

ทำไมต้องเลือก Flex?

Flex circuits นำเสนอข้อได้เปรียบที่เป็นเอกลักษณ์เมื่อเทียบกับ PCB แบบ Rigid และ Wire Harness แบบดั้งเดิม:

การบรรจุแบบ 3D - จัดอิเล็กทรอนิกส์ในพื้นที่โค้งหรือรูปทรงไม่สม่ำเสมอ
การงอแบบไดนามิก - รองรับการงอซ้ำๆ (โทรศัพท์พับ บานพับ)
การลดน้ำหนัก - เบากว่าแบบ Rigid ที่เทียบเท่าได้ถึง 75%
ความน่าเชื่อถือ - Connector น้อยกว่า หมายถึงจุดที่อาจเสียน้อยลง
ประหยัดพื้นที่ - กำจัดสายเคเบิลและ Connector

ประเภทของ Flexible Circuits

ตารางเปรียบเทียบประเภท Flex Circuit

ประเภท	จำนวนชั้น	ความยืดหยุ่น	ราคา	เหมาะสำหรับ
Single-Layer	1	ดีเยี่ยม	ต่ำ	การเชื่อมต่อแบบง่าย
Double-Layer	2	ดีมาก	ปานกลาง	การเชื่อมต่อจอแสดงผล
Multilayer	3+	ดี	สูง	การเดินสายที่ซับซ้อน
Rigid-Flex	ผสม	แตกต่างกัน	สูงสุด	ระบบบูรณาการ

Flex แบบชั้นเดียว

โครงสร้างที่เรียบง่ายที่สุด:

ชั้นนำไฟฟ้าชั้นเดียว
ราคาต่ำสุด
ความยืดหยุ่นดีที่สุด
เหมาะสำหรับการเชื่อมต่อแบบง่าย

การใช้งาน: แถบ LED การเชื่อมต่อแบบง่าย เซ็นเซอร์แบบใช้ครั้งเดียว

Flex แบบสองชั้น

ชั้นนำไฟฟ้าสองชั้น:

เชื่อมต่อผ่าน Plated through holes
ความสามารถในการเดินสายมากขึ้น
ยืดหยุ่นน้อยกว่าเล็กน้อย
เป็นทางเลือกที่นิยม

การใช้งาน: การเชื่อมต่อจอแสดงผล โมดูลกล้อง เซ็นเซอร์ทางการแพทย์

Multilayer Flex

สามชั้นขึ้นไป (คล้ายกับ PCB แบบ Multilayer ทั่วไป):

สามารถเดินสายที่ซับซ้อนได้
ความยืดหยุ่นลดลง
ราคาสูงขึ้น
สำหรับการใช้งานที่ต้องการสูง

การใช้งาน: การบินและอวกาศ ทหาร การเชื่อมต่อความหนาแน่นสูง (ดู คู่มือ HDI)

Rigid-Flex

ผสมผสานส่วน Rigid และ Flex:

พื้นที่ Rigid สำหรับติดตั้งอุปกรณ์
พื้นที่ Flex สำหรับการเชื่อมต่อ
ทดแทนสายเคเบิลและ Connector
ความน่าเชื่อถือสูงขึ้น

การใช้งาน: อุปกรณ์ทางการแพทย์ การบินและอวกาศ กล้อง Wearables

วัสดุ

วัสดุฐาน

การเลือกวัสดุเป็นสิ่งสำคัญต่อประสิทธิภาพ Flex ตามข้อกำหนด IPC-4204:

Polyimide (PI)

วัสดุ Flex มาตรฐาน:

ช่วงอุณหภูมิ: -200°C ถึง +300°C
ความยืดหยุ่นดีเยี่ยม
ทนสารเคมีดี
ราคาสูงกว่า

ยี่ห้อ: Kapton (DuPont), Apical (Kaneka)

Polyester (PET)

ทางเลือกราคาต่ำ:

จำกัดอุณหภูมิ: ~105°C
ความยืดหยุ่นดี
ประสิทธิภาพต่ำกว่า
การใช้งานที่คำนึงถึงต้นทุนสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนบุคคล

วัสดุตัวนำ

Rolled Annealed (RA) Copper

ความทนทานต่อการงอดีกว่า
แนะนำสำหรับ Dynamic flex
ราคาสูงกว่าเล็กน้อย

Electrodeposited (ED) Copper

ทองแดง PCB มาตรฐาน
ดีสำหรับ Static flex
ราคาต่ำกว่า

Coverlay

ชั้นป้องกันภายนอก:

ฟิล์ม Polyimide พร้อมกาว
ทางเลือกแทน Solder mask แบบยืดหยุ่น
เปิดช่องสำหรับแผ่นบัดกรี

กาว

ยึดชั้นเข้าด้วยกัน:

กาว Acrylic (มาตรฐาน)
กาว Epoxy (อุณหภูมิสูงกว่า)
แบบไม่มีกาว (ประสิทธิภาพดีที่สุด)

ข้อพิจารณาในการออกแบบ

รัศมีการงอ (Bend Radius)

สำคัญต่อความน่าเชื่อถือของ Flex:

Static Flex (ติดตั้งและงอค้าง):

ขั้นต่ำ: 6 เท่าของความหนาวัสดุ
แนะนำ: 10 เท่าของความหนาวัสดุ

Dynamic Flex (งอซ้ำๆ):

ขั้นต่ำ: 12 เท่าของความหนาวัสดุ
สำหรับหลายล้านรอบ: 25 เท่าหรือมากกว่า

รัศมีการงอเล็กกว่า = ความเค้นสูงกว่า = อายุการใช้งานสั้นลง

การออกแบบตัวนำเพื่อความยืดหยุ่น

ทิศทางเส้นทาง:

เดินเส้นทางตั้งฉากกับการงอ
หลีกเลี่ยงเส้นทางขนานกับแกนการงอ
เซระเส้นทางบนชั้นตรงข้าม

รูปทรงเส้นทาง:

ใช้เส้นทางโค้ง ไม่ใช่มุมฉาก
หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนทิศทางแบบแหลมคม
Pad entry แบบ Teardrop

ตำแหน่ง Via:

เก็บ Via ออกจากพื้นที่งอ
Via แบบยึดอาจป้องกันการงอ
ใช้ Stiffener ถ้าต้องการ Via

Layer Stackup

แกนการงอที่เป็นกลาง:

วางชั้นสำคัญที่แกนกลาง (ศูนย์กลาง) เพื่อความเค้นน้อยที่สุดระหว่างการงอ

โครงสร้างที่สมดุล:

Stackup แบบสมมาตรป้องกันการบิดและความเค้นที่ไม่สม่ำเสมอ

Stiffeners

เพิ่มความแข็งแรงตามต้องการ:

พื้นที่อุปกรณ์
ตำแหน่ง Connector
พื้นที่จับ

วัสดุ: FR4, Polyimide, สแตนเลส, อลูมิเนียม

การบรรเทาความเค้น

ป้องกันการกระจุกตัวของความเค้น:

การเปลี่ยนผ่านแบบค่อยเป็นค่อยไปจาก Rigid สู่ Flex
หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงความหนาแบบกระทันหัน
รองรับที่จุดเริ่มต้นการงอ

การออกแบบ Rigid-Flex

เมื่อไรควรใช้ Rigid-Flex

พิจารณา Rigid-Flex เมื่อ:

หลายบอร์ดเชื่อมต่อด้วยสายเคเบิล/Connector
ต้องการการบรรจุแบบ 3D
ความน่าเชื่อถือสูงมีความจำเป็น
น้ำหนัก/พื้นที่สำคัญ
แรงงานการประกอบมีนัยสำคัญ

สถาปัตยกรรมการออกแบบ

Bookbinder:

ชั้น Flex ต่อเนื่องผ่านส่วน Rigid
โครงสร้างที่พบบ่อยที่สุด
Flex ทำหน้าที่เป็น "หน้า" ในหนังสือ

Build-up:

ส่วน Rigid สร้างบน Core แบบ Flex
ซับซ้อนกว่า
ดีกว่าสำหรับจำนวนชั้นสูง

Transition Zones

พื้นที่สำคัญที่ Rigid พบ Flex:

การเปลี่ยนแปลงความหนาแบบค่อยเป็นค่อยไป
ยึดเส้นทางเพื่อป้องกันการลอก
ระบุระยะห่างขั้นต่ำจากการงอถึง Rigid
รองรับ Flex ระหว่างการจับ

การวางตำแหน่งอุปกรณ์

ติดตั้งอุปกรณ์บนส่วน Rigid:

การรองรับทางกลที่ดีกว่า
กระบวนการประกอบปกติ
ซ่อมแซมง่ายขึ้นถ้าจำเป็น

อุปกรณ์ขนาดเล็กบน Flex:

ใช้กาวสำหรับรองรับ
พิจารณา Stiffeners
จำกัดให้กับชิ้นส่วนน้ำหนักเบา

กระบวนการผลิต

การผลิต Flex Circuit

การเตรียมวัสดุ

- ทำความสะอาดฐาน Polyimide

- เคลือบทองแดง

การกำหนดวงจร

- Photo-imaging

- กัดรอยทองแดง

การใส่ Coverlay

- จัดตำแหน่งและเคลือบ

- เปิดช่องทางเข้าถึง

Surface Finish

- ENIG, OSP หรืออื่นๆ

- Solder mask ที่เหมาะสม

Profiling

- ตัดด้วยเลเซอร์หรือแม่พิมพ์

- รูปทรงขั้นสุดท้าย

การผลิต Rigid-Flex

กระบวนการที่ซับซ้อนกว่า:

ผลิต Flex cores
เคลือบส่วน Rigid
เจาะและเคลือบ
สร้างรอยชั้นนอก
Finishing ขั้นสุดท้าย

ข้อพิจารณาในการประกอบ

การตรึง:

รองรับ Flex ระหว่างการวาง
ป้องกันความเสียหายจากการจับ
รักษาการจัดแนว

การบัดกรี:

โปรไฟล์อุณหภูมิต่ำกว่า
เวลาสัมผัสสั้นกว่า
รองรับวัสดุบาง

การจับ:

ข้อควรระวัง ESD
หลีกเลี่ยงการทำให้ยับ
การเก็บรักษาที่เหมาะสม

การใช้งาน

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนบุคคล

สมาร์ทโฟนและแท็บเล็ต:

การเชื่อมต่อจอแสดงผล
โมดูลกล้อง
อินเทอร์เฟซปุ่ม
การเชื่อมต่อแบตเตอรี่

เรียนรู้เพิ่มเติม: โซลูชันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนบุคคล

Wearables:

สมาร์ทวอทช์
สายรัดข้อมือติดตามสุขภาพ
เครื่องตรวจวัดทางการแพทย์
เสื้อผ้าอัจฉริยะ

กล้อง:

ชุดเลนส์
การเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ภาพ
ส่วนประกอบที่เคลื่อนไหวได้

อุปกรณ์ทางการแพทย์

อุปกรณ์ฝังใน:

เครื่องควบคุมจังหวะการเต้นของหัวใจ
อุปกรณ์ประสาทหูเทียม
อินเทอร์เฟซประสาท
ระบบส่งยา

อุปกรณ์วินิจฉัย:

หัววัดอัลตร้าซาวนด์
กล้องส่องในร่างกาย
เครื่องติดตามผู้ป่วย

ข้อกำหนด: ความเข้ากันได้ทางชีวภาพตาม ISO 10993 ความน่าเชื่อถือ การทำให้เล็กลง

เรียนรู้เพิ่มเติม: การผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์

ยานยนต์

ระบบภายใน:

อิเล็กทรอนิกส์แผงหน้าปัด
การควบคุมเบาะนั่ง
การเชื่อมต่อจอแสดงผล

ระบบขับเคลื่อน:

เซ็นเซอร์เครื่องยนต์
การควบคุมเกียร์

ADAS:

การเชื่อมต่อกล้อง
การรวมเซ็นเซอร์

ข้อกำหนด: ช่วงอุณหภูมิ การสั่นสะเทือน อายุการใช้งานยาวตาม IATF 16949

เรียนรู้เพิ่มเติม: อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์

การบินและอวกาศและป้องกันประเทศ

ระบบเครื่องบิน:

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์การบิน
ระบบเรดาร์
ระบบควบคุม

การใช้งานในอวกาศ:

ดาวเทียม
ชุดอวกาศ
ยานสำรวจ

ข้อกำหนด: ความน่าเชื่อถือสูงสุดตาม AS9100 อุณหภูมิ รังสี

เรียนรู้เพิ่มเติม: โซลูชันการบินและอวกาศและป้องกันประเทศ

อุตสาหกรรม

หุ่นยนต์:

การเชื่อมต่อข้อต่อ
สายไฟตัวจับปลาย
การรวมเซ็นเซอร์

ระบบอัตโนมัติ:

อุปกรณ์เคลื่อนที่
ข้อต่อหมุน
ตัวเรือนขนาดกะทัดรัด

ข้อพิจารณาด้านต้นทุน

ปัจจัยต้นทุน

วัสดุ:

Polyimide แพงกว่า FR4
วัสดุแบบไม่มีกาวมีค่าพรีเมียม
ข้อกำหนด Coverlay พิเศษ

ความซับซ้อน:

จำนวนชั้น
ฟีเจอร์ละเอียด
ความคลาดเคลื่อนแคบ

ผลผลิต:

ความเสียหายจากการจับ
การประมวลผลที่ซับซ้อน
ข้อกำหนดการตรวจสอบ

กลยุทธ์การลดต้นทุน

ออกแบบเพื่อการผลิต
ลดจำนวนชั้น
ใช้วัสดุมาตรฐาน
เพิ่มประสิทธิภาพการใช้แผง
ประโยชน์จากปริมาณ

Rigid-Flex เทียบกับสายเคเบิล

คำนวณต้นทุนระบบรวม:

Rigid-Flex มีต้นทุนต่อชิ้นสูงกว่า
กำจัด Connector และสายเคเบิล
ลดแรงงานการประกอบ
ปรับปรุงความน่าเชื่อถือ (ต้นทุนความเสียหายต่ำกว่า)

โดยรวมแล้ว Rigid-Flex มักมีต้นทุนรวมต่ำกว่า

การทดสอบ Flexible Circuits

การทดสอบทางไฟฟ้า

ความต่อเนื่อง
การแยก
Impedance (สำหรับการออกแบบ Controlled impedance)

การทดสอบทางกล

ความทนทานต่อการงอ:

การทดสอบพับ MIT
วิธี IPC-TM-650 2.4.3
รอบจนกว่าจะเสีย

ความแข็งแรงการลอก:

การยึดเกาะของตัวนำ
การยึดเกาะของ Coverlay

การทดสอบสิ่งแวดล้อม

การวนรอบอุณหภูมิ
การสัมผัสความชื้น
ความต้านทานสารเคมี

สรุปเคล็ดลับการออกแบบ

ควรทำ:

เดินเส้นทางตั้งฉากกับการงอ
ใช้รัศมีการงอที่กว้างขวาง
วาง Via ห่างจากพื้นที่ Flex
ใช้เส้นทางโค้ง
ระบุ Stiffener สำหรับอุปกรณ์
พิจารณาแบบไม่มีกาวสำหรับ Flex ที่ดีที่สุด

ไม่ควรทำ:

ใส่ Via ในพื้นที่งอ
ใช้มุมเส้นทางแบบมุมฉาก
ทำรัศมีการงอแคบเกินไป
เพิกเฉยต่อ Transition zones
ลืมการบรรเทาความเค้น
ระบุวัสดุไม่เพียงพอ

เริ่มต้นอย่างไร

ข้อมูลการออกแบบที่ต้องการ

ข้อจำกัดทางกล (ข้อกำหนดการงอ)
จำนวนชั้น
ข้อกำหนด Impedance
ตำแหน่งอุปกรณ์
สภาพแวดล้อม
ปริมาณ

กระบวนการพัฒนา

ทบทวนแนวคิดกับผู้ผลิต
การพัฒนาต้นแบบ
การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ
การอนุมัติชิ้นส่วนแรก
การผลิต

สรุป

Flexible PCB และ Rigid-Flex PCB ทำให้สามารถออกแบบผลิตภัณฑ์ที่เป็นไปไม่ได้กับบอร์ด Rigid เพียงอย่างเดียว ความสำเร็จต้องการความเข้าใจคุณสมบัติวัสดุ กฎการออกแบบสำหรับความยืดหยุ่น และความสามารถในการผลิต

หลักการสำคัญ:

จับคู่วัสดุกับความต้องการการใช้งาน
ออกแบบสำหรับข้อกำหนด Flex
พิจารณาต้นทุนระบบรวม
เป็นพันธมิตรกับผู้ผลิตที่มีประสบการณ์

ไม่ว่าคุณจะออกแบบ Wearables อุปกรณ์ทางการแพทย์ หรือระบบการบินและอวกาศ Flex circuits นำเสนอโซลูชันที่เป็นเอกลักษณ์ สิ่งสำคัญคือการเป็นพันธมิตรกับผู้ผลิตที่เข้าใจทั้งข้อกำหนดการออกแบบและกระบวนการผลิต

บริการ Flex และ Rigid-Flex PCB ของเราครอบคลุมตั้งแต่ชั้นเดียวไปจนถึงการออกแบบ Rigid-Flex ที่ซับซ้อน พร้อมวัสดุและกระบวนการที่ปรับให้เหมาะสมกับข้อกำหนดการใช้งานของคุณ เมื่อรวมกับความสามารถ HDI ของเรา เราสามารถตอบสนองข้อกำหนดการทำให้เล็กลงที่ต้องการสูงที่สุด

เอกสารอ้างอิง

IPC - Association Connecting Electronics Industries: www.ipc.org
IPC-4204 Flexible Base Materials: www.ipc.org
DuPont Kapton Polyimide Films: www.dupont.com
IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers: www.ieee.org
ISO 10993 Biocompatibility: www.iso.org
SAE AS9100 Aerospace Quality: www.sae.org

คู่มือ Flex และ Rigid-Flex PCB: การใช้งาน การออกแบบ และการผลิตอย่างครบถ้วน