Понимание структуры жестко-гибких печатных плат: слои, компоненты и как они обеспечивают универсальность электроники

Жёстко-гибкие печатные платы произвели революцию в дизайне компактных,прочная электроника ‒ от складываемых смартфонов до автомобильных сенсорных модулей ‒ путем сочетания структурной устойчивости жестких печатных плат с гибкостью гибких схемВ отличие от традиционных жестких печатных плат (фиксированной формы) или гибких печатных плат (ограниченного количества слоев), жестко-гибкие конструкции объединяют оба формата в единую бесшовную структуру.Но их универсальность зависит от точного, многослойная архитектура: каждый компонент ‒ от гибких субстратов до клеевых связей ‒ играет решающую роль в балансировании гибкости, прочности и электрической производительности.

В этом руководстве расшифровывается структура жестко-гибких ПХБ, подробно описывается назначение каждого слоя, выбор материала и их взаимодействие.Мы сравним жестко-гибкие конструкции с жесткими и гибкими альтернативами, изучить ключевые соображения проектирования и объяснить, как структурный выбор влияет на реальные приложения.Понимание жестко-гибкой структуры ПКБ поможет вам создать продукты, которые меньше, легче, и более надежно.

Ключевые выводы
1Гибридная структура: жестко-гибрые печатные платы объединяют жесткие сегменты (для монтажа компонентов) и гибкие сегменты (для изгиба) в одну интегрированную плату, исключая необходимость в соединителях между отдельными печатными платами.
2.Складная архитектура: основные компоненты включают гибкие субстраты (полимид), жесткие субстраты (FR-4), следы меди, клеи и защитные отделки, каждый из которых выбран для долговечности и производительности.
3Драйверы гибкости: структура гибкого сегмента (тонкие подложки, пластильная медь) позволяет проходить более 10 000 циклов изгиба без следов трещин, что имеет решающее значение для динамических приложений.
4Сильные компоненты: жесткие сегменты используют более толстые подложки и арматурные слои для поддержки тяжелых компонентов (например, BGA, соединители) и устойчивости к механическим нагрузкам.
5Стоимость и польза: хотя и более сложная в производстве, жестко-гибкие конструкции снижают затраты на сборку на 30-50% (меньше соединителей, меньше проводки) и повышают надежность, устраняя точки отказа.

Основная структура жестко-гибких ПКБ
Структура жестко-гибких печатных плат определяется двумя различными, но интегрированными сегментами: жесткими сегментами (для стабильности) и гибкими сегментами (для гибкости).медь) но различаются по материалам субстрата и толщине, чтобы выполнять свои уникальные функции.
Ниже приведены основные компоненты, начиная с самого внутреннего слоя и заканчивая внешней защитной отделкой.

1Основные субстраты: основа жесткости и гибкости
Субстраты представляют собой непроводящие базовые слои, которые поддерживают следы меди.

Субстраты из гибких сегментов
Гибкие сегменты основаны на тонких, прочных полимерах, которые выдерживают повторное изгибание:
Первичный материал: Полимид (PI): отраслевой стандарт для гибких субстратов, полимид предлагает:
Устойчивость к температуре: от -269°C до 300°C (выживает при обратном запоровке и суровых условиях).
Гибкость: может изгибаться до радиусов, равных 5 раз его толщине (например, слой PI 50 мкм изгибается до радиуса 250 мкм).
Устойчивость к химическим веществам: инертный к маслам, растворителям и влажности, идеально подходит для автомобильных и промышленных применений.
Толщина: как правило, 25 ‰ 125 мкм; тоньшие субстраты (25 ‰ 50 мкм) обеспечивают более жесткие изгибы, в то время как более толстые (100 ‰ 125 мкм) обеспечивают большую стабильность для более длинных флекс-сегментов.
Альтернативы: для применения при сверхвысоких температурах (200°C+) используется полимер жидких кристаллов (LCP), хотя он дороже полимида.

Субстраты жестких сегментов
Жесткие сегменты используют жесткие, усиленные материалы для поддержки компонентов и устойчивости к напряжению:
Первичный материал: FR-4: стеклоукрепленный эпоксидный ламинат, обеспечивающий:
Механическая прочность: поддерживает тяжелые компоненты (например, 10 г BGA) и сопротивляется изгибу во время сборки.
Экономическая эффективность: самый доступный жесткий субстрат, подходящий для потребительских и промышленных применений.
Электрическая изоляция: сопротивляемость объема > 1014 Ω·cm, предотвращающая короткое замыкание между следами.
Толщина: 0,8 ≈ 3,2 мм (31 ≈ 125 мм); более толстые подложки (1,6 ≈ 3,2 мм) поддерживают более крупные компоненты, в то время как более тонкие (0,8 мм) используются для компактных конструкций (например, носимых устройств).
Альтернативы: для высокочастотных приложений (5G, радар), Rogers 4350 (ламинат с низкими потерями) заменяет FR-4, чтобы минимизировать ослабление сигнала.

2Следы меди: проводящие пути через сегменты
Медные следы переносят электрические сигналы и мощность между компонентами, охватывая как жесткие, так и гибкие сегменты.

Медь из гибкого сегмента
Для гибких сегментов требуется пластичная медь, которая устойчива к трещинам во время изгиба:
Тип: Роллированная (RA) медь: Отжигание (теплевая обработка) делает медь RA пластичной, позволяя без сбоев проходить более 10 000 циклов изгиба (180° изгибов).
Толщина: 12 ‰ 35 мкм (0,5 ‰ 1,4 унции); тоньшая медь (12 ‰ 18 мкм) более легко изгибается, в то время как более толстая (35 мкм) несет более высокие токи (до 3 А для следа 0,2 мм).
Дизайн узора: следы в гибких сегментах используют изогнутые или 45° углы (не 90°) для распределения напряжения. 90° углы действуют как точки напряжения и трещины после повторного изгиба.

Медь жесткого сегмента
Строгие сегменты отдают предпочтение текущей мощности и простоте производства:
Тип: Электродепозитная (ЭД) медь: медь ЭД менее пластична, чем медь РА, но дешевле и проще обрабатываться для плотных схем.
Толщина: 18 ‰ 70 μm (0,7 ‰ 2,8 унции); для следов мощности используется более толстая медь (35 ‰ 70 ‰).
Дизайн шаблона: угол 90° приемлем, поскольку жесткие сегменты не изгибаются, что позволяет более плотное маршрутизация следов для компонентов, таких как QFP и BGA.

3. Клей: Сцепление жестких и гибких сегментов
Клей имеет решающее значение для интеграции жестких и гибких сегментов в одну доску.

Ключевые требования к клейким материалам
Гибкость: клеи в гибких сегментах должны удлиняться (≥ 100% удлиняемости) без трещин, иначе они будут шелушиться при изгибе.
Устойчивость к температуре: выдерживает повторное запор (240-260°C) и рабочую температуру (от -40°C до 125°C для большинства приложений).
Прочность сцепления: прочность сцепления ≥1,5 Н/мм (на IPC-TM-650) для предотвращения деламинации между слоями.

Общие типы клеев

Примечания к заявке
Клей применяется в виде тонких пленок (2550μm), чтобы избежать добавления объема к гибким сегментам.
В конструкциях с жесткой гибкостью (используемых для высокочастотных приложений) мед напрямую связывается с полимидом без клея, что снижает потерю сигнала, но увеличивает стоимость.

4Маска для сварки: защита следов и возможность сварки
Сплавная маска представляет собой защитное полимерное покрытие, наносимое как на жесткие, так и на гибкие сегменты для:
Избегайте короткого замыкания между соседними дорожками.
Защищает медь от окисления и коррозии.
Определить зоны, где при сборке прилипает пайка (подкладки).

Маска для сварки из гибкого сегмента
На гибких сегментах требуется сварная маска, которая изгибается без трещин:
Материал: Маска для сварки на основе полимида: удлиняется ≥100% и поддерживает адгезию при изгибе.
Толщина: 25 ‰ 38 мкм (1 ‰ 1,5 миллиметра); более тонкая маска (25 мкм) более легко изгибается, но обеспечивает меньшую защиту.
Цвет: Прозрачная или зеленая маска используется для носимых устройств, где имеет значение эстетика.

Маска для сварки жестких сегментов
Строгие сегменты используют стандартную сварную маску для стоимости и долговечности:
Материал: эпоксидная сварная маска: жесткая, но прочная, с отличной химической стойкостью.
Толщина: 38μm (1,5μm); более толстая маска обеспечивает лучшую защиту для промышленных применений.
Цвет: зеленый (наиболее распространенный), синий или черно-зеленый предпочтительнее для совместимости с AOI (автоматизированной оптической инспекцией).

5- Окончание поверхности: обеспечение сварной и коррозионной устойчивости
Поверхностные отделки наносятся на открытые медные подкладки (в обоих сегментах) для улучшения сварной способности и предотвращения окисления.
Общие отделки для жестко-гибких ПХБ

Специфический выбор сегмента
На гибких сегментах часто используется ENIG: пластичность золота выдерживает изгиб, а никель предотвращает диффузию меди в сварное соединение.
Строгие сегменты могут использовать HASL для экономии затрат, хотя ENIG предпочтительнее для тонкозвуковых компонентов.

6Укрепление слоев (необязательно): добавление прочности в критических областях
Укрепляющие слои являются необязательными, но распространенными в жестко-гибких ПХБ для добавления прочности в области высокого напряжения:
Местонахождение: применяется в зонах гибко-жесткого перехода (где напряжение на изгибе наиболее высокое) или под тяжелыми компонентами (например, соединителями) в жестких сегментах.
Материалы:
Кевлар или стеклянная ткань: тонкие, гибкие ткани, прикрепленные к гибким сегментам, чтобы предотвратить разрыв.
Тонкие FR-4 полоски: добавляются в жесткие сегменты под соединителями, чтобы противостоять механическому напряжению во время спаривания/разпаривания.
Толщина: 25-100μm, достаточно толстая для добавления прочности без уменьшения гибкости.

Жёстко-гибкие ПКБ против жёстких ПКБ против только гибких ПКБ: структурное сравнение
Чтобы понять, почему жестко-гибкие печатные платы превосходят в некоторых областях применения, сравните их структуры с традиционными альтернативами:

Ключевые структурные преимущества жестко-гибкой
1Отсутствие соединителей: интеграция жестких и гибких сегментов позволяет устранить 2-10 соединителей на доску, сокращая время сборки и точки отказа (соединители являются основной причиной сбоев печатных плат).
2.Эффективность использования пространства: жестко-гибкие печатные платы вмещают на 30~50% меньше объема, чем жесткие системы с несколькими панелями, что имеет решающее значение для носимых устройств и автомобильных сенсорных модулей.
3Сбережение веса: на 20-40% легче, чем жесткие системы с несколькими панелями, благодаря меньшему количеству компонентов и проводки.

Как жестко-гибкая структура влияет на производительность и надежность
Каждый выбор конструкции, от толщины субстрата до типа меди, напрямую влияет на производительность жестко-гибких печатных плат в реальных приложениях.Ниже приведены ключевые показатели эффективности и их структурные факторы:
1Гибкость и долговечность
Драйвер: толщина подложки гибкого сегмента и тип меди. Полимидная подложка 50 мкм с медью 18 мкм RA изгибается до радиуса 250 мкм и выживает более 15 000 циклов.
Риск неисправности: использование меди ED в гибких сегментах вызывает следы трещин после 1000-2000 циклов.

Пример применения: Завеса складного смартфона использует 50 мкм полимидный флекс-сегмент с 18 мкм меди RA, что позволяет складывать более 200 000 раз (типичный срок службы складного устройства).

2Целостность сигнала.
Драйвер: материал субстрата и выбор клея. Полиамид имеет низкую диэлектрическую потерю (Df < 0,002 при 10 ГГц), что делает его идеальным для высокочастотных сигналов.
Снижение риска: конструкции без клея (без клея между меди и полимидом) уменьшают потерю сигнала на 30% по сравнению с конструкциями на основе клея, что является критически важным для 5G и радаров.

Пример применения: на жестко-гибких печатных панелях базовой станции 5G используются полимидные флекс-сегменты без клея для поддержания целостности сигнала для 28 ГГц мм-волновых сигналов.

3Тепловое управление
Драйвер: толщина меди и конструкция жесткого сегмента.
Улучшение: тепловые провода (0,3 мм в диаметре) в жестких сегментах переносят тепло от компонентов к внутренним медным плоскостям, снижая температуру соединения на 15-25 °C.

Пример применения: твердо-гибкий ПКБ автомобильного инвертора EV использует 70 мкм меди в жестких сегментах и тепловых каналах для обработки 100 Вт тепла от IGBT.

4Механическая прочность
Драйвер: толщина жесткого сегмента и слои арматуры.
Проектирование переходных зон: Укрепление слоев (Kevlar) в гибких жестких переходов уменьшает напряжение на 40%, предотвращая деламинацию.

Пример применения: твердофлексивный печатный лист аэрокосмического датчика использует жесткие сегменты FR-4 длиной 3,2 мм и кевлярную армировку для устойчивости к вибрации 50G (по MIL-STD-883).

Ключевые соображения по проектированию жестко-гибкой структуры ПКБ
При проектировании жестко-гибких печатных плат выбор конструкции должен соответствовать потребностям приложения.
1. Определить гибко-жесткие переходные зоны
Местоположение: поместите переходы на расстоянии 2 ‰ 5 мм от компонентов ≈ компоненты вблизи переходов испытывают напряжение во время изгиба.
Радиус: минимальный радиус изгиба для гибких сегментов составляет 5 раз толщину подложки (например, 50 мкм подложки → 250 мкм радиус).
Укрепление: Добавление кевлара или тонкого FR-4 к переходам в приложениях с высоким напряжением (например, датчики автомобильных дверей, которые изгибаются при движении двери).

2. Количество и гибкость балансовых слоев
Лимит слоя: гибкие сегменты обычно имеют 2 ≈ 4 слоя, добавление большего количества слоев увеличивает толщину и уменьшает гибкость.
Распределение слоев: концентрируйте слои в жестких сегментах (например, 8 слоев в жестком, 2 слоя в гибком) для поддержания гибкости.
Пример: носимый фитнес-трекер использует 4-слойный жестко-гибкий ПКБ (2 слоя в гибком, 2 в жестком) для сбалансирования функциональности и изгибкости.

3. Выберите Материалы для окружающей среды
Температура: используйте полимид (до 300°C) для применения при высоких температурах (автомобильная подкапотка, аэрокосмическая промышленность); LCP (до 200°C) для средних потребностей.
Химические вещества: Полиамид устойчив к маслам и растворителям; идеально подходит для промышленного или морского использования; избегайте OSP в влажной среде (вместо этого используйте ENIG).
Влажность: используйте клеи на основе эпоксида (устойчивые к влаге) в потребительской электронике (например, умные часы, носящиеся во время физических упражнений).

4. Оптимизировать дизайн медной следы
Гибкие сегменты: используйте изогнутые следы, углы 45° и минимальную ширину следа 0,1 мм (4 миллиметра), чтобы избежать концентрации напряжения.
Жесткие сегменты: используйте углы 90° и меньшие ширины следов (0,075 мм / 3 миллиметра) для маршрутизации плотных компонентов (например, BGA с толщиной 0,4 мм).
Пропускная способность тока: размер следов, основанный на токе ≈0,2 мм следа (18 мкм меди RA) несет 1,5 А в гибких сегментах; 0,3 мм следа (35 мкм меди ED) несет 3 А в жестких сегментах.

Реальные приложения: как структура способствует инновациям
Структура жестко-гибких печатных плат разработана для решения уникальных задач в ключевых отраслях промышленности:
1Потребительская электроника: складываемые смартфоны
Структура: 6-слойный жестко-гибкий (4 слоя в жестких сегментах для процессоров/БГА, 2 слоя в гибких сегментах для петлей).
Ключевые характеристики: 50 мкм полиимидные флекс-сегменты с 18 мкм медью RA, ENIG и акриловым клеем для гибкости.
Преимущество: позволяет складывать более 200 000 раз при установке 7-дюймового дисплея в карманное устройство.

2Автомобиль: модули датчиков ADAS
Структура: 8-слойный жестко-гибкий (6 слоев в жестких сегментах для датчиков/ЭКУ, 2 слоя в гибких сегментах для проводки).
Ключевые характеристики: флекс-сегменты полиимида 100 мкм с медью RA 35 мкм, эпоксидным клеем (высокая устойчивость к натяжкам) и арматурными слоями при переходах.
Преимущество: позволяет изгибаться вокруг рамы транспортного средства для определения местоположения датчиков (LiDAR, радар) при температуре от -40 до 125 °C.

3Медицинские: носимые мониторы глюкозы
Структура: 4-слойный жестко-гибкий (2 слоя в жестких сегментах для датчика, 2 слоя в гибких сегментах для интеграции браслета).
Ключевые характеристики: 25μm полиамидные флекс-сегменты (ультратонкие для комфорта), прозрачная сварочная маска и ENIG отделка (биосовместимая).
Преимущество: подходит для запястья при сохранении надежных показаний датчиков в течение 7-14 дней.

4Аэрокосмическая промышленность: Спутниковые антенны
Структура: 12-слойный жестко-гибкий (10 слоев в жестких сегментах для обработки сигнала, 2 слоя в гибких сегментах для развертывания антенны).
Ключевые характеристики: флексные сегменты LCP (сопротивление более 200 °C), медь RA 35μm и полимидный клей (сопротивление радиации).
Преимущество: складывается в компактный пусковой пакет (в 10 раз меньше, чем жесткие альтернативы) и развертывается в космосе, чтобы сформировать антенну длиной 2 м.

Частые вопросы
Вопрос: Могут ли жестко-гибкие печатные платы иметь несколько гибких сегментов?
Ответ: Да, многие конструкции включают 2 ′′ 4 флекс-сегменты (например, носимые устройства с флекс-сегментами для запястья и пальца).

Вопрос: Каково максимальное количество слоев для жестко-гибких печатных плат?
Ответ: большинство жестко-гибких печатных плат имеют 412 слоев, с 10 слоями в жестких сегментах и 2 4 в гибких сегментах.

Вопрос: Совместимы ли жестко-гибкие печатные платы с компонентами SMT?
Ответ: Да, жесткие сегменты поддерживают все компоненты SMT (BGAs, QFP, пассивные), в то время как гибкие сегменты поддерживают небольшие компоненты SMT (0402 резисторы, 0603 конденсаторы).Тяжелые компоненты (>5 г) никогда не должны быть помещены на гибкие сегменты.

Вопрос: Сколько стоит жестко-гибкий ПКЖ по сравнению с жестким ПКЖ?
Ответ: жестко-гибкие печатные платформы стоят в 2×3 раза дороже, чем эквивалентные жесткие печатные платформы, но они снижают затраты на систему на 30×50% (менее соединителей, меньше проводки, меньший объем сборочной работы).

Вопрос: Сколько времени требуется для создания жестко-гибких печатных плат?
Ответ: Прототипы занимают 2-3 недели (из-за специализированной ламинирования и тестирования), в то время как большое производство (10 000+ единиц) занимает 4-6 недель.Время производства более длительное, чем у жестких ПКБ, но меньшее, чем у индивидуальных ПКБ с гибким приводом.

Заключение
Структура жестко-гибких печатных плат - это мастер-класс в балансе: сочетание прочности жестких субстратов с гибкостью полимида для создания плат, которые подходят там, где традиционные печатные плат не могут.Каждый слой, от тонкого полимида в гибких сегментах до толстого FR-4 в жестких сегментах, служит своей цели., и каждый выбор материала влияет на производительность.

Понимая, как толщина подложки, тип меди и выбор клея способствуют гибкости, прочности и надежности,Вы можете проектировать жестко-гибкие печатные платы, которые отвечают требованиям даже самых сложных приложенийНезависимо от того, строите ли вы складной телефон, автомобильный датчик или спутниковую антенну, правильная жестко-гибкая структура поможет вам создать продукты, которые меньше, легче,и более прочный, чем когда-либо прежде..

Поскольку технологии продолжают сокращаться, а спрос на универсальную электронику растет, жестко-гибкие печатные платы останутся на переднем крае инноваций, доказывая, что иногдаЛучшие решения приходят от объединения двух, казалось бы, противоположных сил..