유연 다층 PCB: 현대 전자 제품의 응용, 과제 및 혁신

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유연한 다층 PCB는 엔지니어가 전자 제품을 설계하는 방식을 변형시켜 불가능하다고 생각 한 공간에 구부러지고 접고, 공간에 맞는 장치를 가능하게했습니다. 유연한 기판의 적응성을 다층 아키텍처의 복잡성과 결합 함으로써이 보드는 더 많은 기능을 웨어러블, 의료 기기 및 자동차 시스템에 비판적이고 가벼운 형태 요인으로 더 많이 포장합니다. 그러나 그들의 고유 한 이점은 제조 정밀도에서 재료 제한에 이르기까지 고유 한 과제가 있습니다. 다음은 유연한 다층 PCB가 어떻게 작동하는지, 어디에서, 가장 일반적인 장애물을 극복하는지에 대한 깊은 다이빙입니다.

주요 테이크 아웃
1. 유연성 다층 PCB는 구부릴 수있는 기판 (예 : 폴리이 미드)에 2-12 개의 구리 트레이스 층을 통합하여 단일 층 플렉스 PCB보다 40% 더 많은 성분 밀도를 제공합니다.
2. 접이식 전화에서 이식 가능한 의료 기기에 이르기까지 3D 적합성, 진동 저항 및 공간 효율이 필요한 응용 분야에서 번성합니다.
3. 제조 문제에는 층 정렬 (± 5μm 공차), 재료 호환성, 반복적 인 굽힘에서 안정적인 상호 연결을 보장합니다.
4. 강성 PCB와 비교하여 배선 하네스 및 커넥터를 제거하여 복잡한 시스템에서 어셈블리 오류를 35% 줄입니다.

유연한 다층 PCB는 무엇입니까?

유연한 다층 PCB는 여러 층의 전기 성능을 유지하면서 구부리거나 비틀거나 접을 수 있도록 설계됩니다. 그들의 구조에는 다음이 포함됩니다.
1.베이스 기판 : 반복 굽힘 (10,000+ 사이클)을 견딜 수있는 얇은 폴리이 미드 (PI) 또는 폴리 에스테르 (PET) 필름 (25–125μm 두께).
2. 코퍼 층 : 유전체 층으로 분리 된 회로로 패턴 화 된 1/3-2oz 구리 트레이스 (25–70μm 두께) 패턴.
3. 접착제 : 유연성을 손상시키지 않고 층을 라미네이트하는 얇은 결합제 (종종 아크릴 또는 에폭시).
4. 커버 층 : 수분, 마모 및 화학 물질에서 흔적을 보호하는 보호 필름 (폴리이 미드 또는 솔더 마스크).

간단한 회로를 처리하는 단일 계층 플렉스 PCB와 달리 다층 설계는 복잡한 기능 (전력 분포, 고속 신호 및 혼합 신호 통합)을 지원합니다. 전반적으로 스마트 워치 내부에 맞거나 로봇 암 주위를 감싸는 폼 팩터.

유연한 다층 PCB가 다른 PCB 유형과 비교하는 방법

중요한 응용 프로그램 : 유연한 다층 PCB가 빛나는 곳
유연성과 복잡성의 고유 한 조화는 이러한 PCB가 4 가지 주요 산업에서 필수 불가능합니다.

1. 소비자 전자 장치 : 접이식 혁신 가능
접이식 스마트 폰과 태블릿은 4-6 개의 레이어 유연한 PCB에 의존하여 힌지, 디스플레이 및 배터리를 연결합니다. 예를 들어, 삼성의 갤럭시 Z 폴드 시리즈는 25μm 트레이스의 6 층 플렉스 PCB를 사용하여 5G 신호와 전력을 폴드 전반에 전송하여 200,000 개 이상의 접힘을 견딜 수 있습니다 (사용 5 년에 해당). 이 PCB :
a. 부피가 큰 커넥터를 유출하여 장치 두께를 20%줄입니다.
B. 접힌 섹션 사이의 고속 데이터 (USB 3.2, 10Gbps).
C.

2. 의료 기기 : 단단한 공간의 정밀도
웨어러블 ECG 모니터에서 내시경 도구에 이르기까지 의료 기기는 생체 적합성, 소형화 및 신뢰성을 요구합니다. 유연한 다층 PCB는 다음과 같습니다.
A. Implantable 장치 : 4 층 폴리이 미드 PCB (0.1mm 두께) 전력 맥박 조정기 및 신경 자극기, 조직이 손상되지 않고 신체 움직임으로 구부러집니다. 그들의 생체 적합성 재료 (USP 클래스 VI)는 10 년 이상 유체 흡수에 저항합니다.
B. 진단 장비 : 초음파 프로브의 6 층 플렉스 PCB는 케이블 대량을 50%감소시켜 의사의 기동성을 향상시키면서 고주파 (10-20MHz) 이미징에서 신호 무결성을 유지합니다.

3. 자동차 시스템 : 가혹한 환경에서의 내구성
현대 자동차는 단단하고 진동하기 쉬운 영역에서 유연한 다층 PCB를 사용합니다.
A.ADAS 센서 : LIDAR 모듈의 4 층 플렉스 PCB는 20G 진동 (거친 도로) 및 -40 ° C ~ 125 ° C 온도를 견딜 수있어 모든 날씨에서 일관된 성능을 보장합니다.
B. INterior Electronics : 도어 패널 및 시트 센서의 2-4 층 설계 배선 하네스를 교체하고 차량 당 3kg으로 무게를 줄이고 조립 오류를 35%줄입니다.

4. 산업 및 항공 우주 : 견고한 유연성
로봇 공학과 항공 우주에서는이 PCB가 극한의 조건에서 살아남습니다.
A.ROBOTIC ARMS : 강화 구리 (2oz)가있는 6 층 플렉스 PCB는 그리퍼를 컨트롤러에 연결하여 추적 피로없이 100,000 번 구부러집니다.
B. SATELLITE SYSTEMS : 폴리이 미드 기판 (-200 ° C ~ 260 ° C 공차)을 갖는 8 층 PCB는 우주의 방사선 및 열 사이클링을 처리하여 5G 위성 통신을 지원합니다.

제조 과제 : 유연성을위한 엔지니어링
유연한 다층 PCB를 생산하려면 전통적인 강성 보드를 넘어 정밀도가 필요합니다. 주요 허들에는 다음이 포함됩니다.

1. 층 정렬
다층 설계는 레이어간에 엄격한 등록 (정렬)을 요구합니다. 심지어 10μm의 오정렬은 단락 또는 파손 트레이스가 될 수 있습니다. 제조업체 사용 :
A. Laser 정렬 : 각 층의 적외선 마커는 라미네이션 중에 ± 5μm 정확도를 보장합니다.
B. 순차적 라미네이션 : 건물 레이어 한 번에 하나씩 (배치 라미네이션) 8 개 이상의 레이어 설계에 중요한 warpage를 줄입니다.
IPC의 연구에 따르면 정렬 불량은 유연한 PCB 고장의 28%를 유발하여 최고 제조 문제가되었습니다.

2. 재료 호환성
Flex PCB에서 모든 재료가 잘 작동하는 것은 아닙니다.
A. 어두운 대 유연성 : 두꺼운 접착제는 결합을 개선하지만 보드를 강화합니다. 얇은 접착제 (25μm)는 유연성을 보존하지만 위험 박리를 보존합니다.
B.copper 두께 : 두꺼운 구리 (2oz)는 전류 취급을 향상 시키지만 구부러짐을 줄입니다. 대부분의 설계는 강도와 유연성의 균형을 위해 ½ – 1oz 구리를 사용합니다.
C. 온도 저항성 : 폴리이 미드 기판은 260 ° C 납땜을 견딜 수 있지만 접착제는 180 ° C 이상의 저하되어 재 작업 옵션을 제한 할 수 있습니다.

3. 신뢰성을 통해
Flexible PCB에 레이어를 연결하면 특수 VIA가 필요합니다.
A.microvias : 층을 통해 소규모 직경 구멍 (50–150μm) 레이저가 뚫고 구리로 도금되어 굽힘 동안 전도성을 유지합니다.
B. 스토킹 vias : 2+ 층을 겹치는 미세 혈관과 연결하지만 균열을 피하기 위해 정확한 드릴링이 필요합니다.
VIA는 Flex PCB에서 가장 약한 지점입니다. 반복적 인 굽힘으로 인한 피로를 통해 필드 고장의 35%가 추적됩니다. 제조업체는 신뢰성을 보장하기 위해 "벤드 사이클링"(10x 두께 반경 10,000 사이클)과의 무결성을 통해 테스트합니다.

4. 비용 및 확장 성
유연한 다층 PCB는 다음과 같은 강성 PCB보다 3-5 배 더 비쌉니다.
A. 특정 물질 (폴리이 미드는 FR-4보다 2 배 더 비쌉니다).
B. 성능 집약적 인 라미네이션 및 검사.
C. 율 품질 표준으로 인해 C. 율 수율 (강성 PCB의 경우 85% vs. 95%).
대용량 응용 분야 (예 : 1m+ 단위)의 경우 규모의 경제는 비용을 20-30%줄이지 만 대용량이 적은 프로젝트는 전체 프리미엄을 부여합니다.

신뢰할 수있는 유연한 다층 PCB를위한 모범 사례를 설계하십시오
엔지니어는 이러한 설계 전략으로 도전을 완화 할 수 있습니다.

1. 벤드 구역을 최적화하십시오
벤드 반경 : 정적 응용 분야의 1 배 이상 두께를 굽지 마십시오 (예 : 1mm 보드는 1mm 이상 반경이 필요) 또는 동적 굽힘 (예 : 로봇 암)을 위해 5x 두께가 필요합니다.
추적 방향 : 굽힘 축과 평행 한 추적 추적을하여 응력을 줄입니다.
강화제 : 플렉스 관련 손상을 방지하기 위해 비 벤딩 영역 (예 : 커넥터 장착 지점)에 강성 섹션 (FR-4 또는 금속)을 추가하십시오.

2. 재료 선택
기판 : 폴리이 미드 (PI)는 대부분의 응용 분야에서 표준입니다 (온도 범위 : -200 ° C ~ 260 ° C). 저렴한 비용의 경우 폴리 에스테르 (PET)는 -40 ° C ~ 120 ° C (예 : 소비자 가제트)에서 작동합니다.
접착제 : 고온 저항성 (최대 180 ° C)을 위해 유연성 또는 에폭시를 위해 아크릴 접착제를 사용하십시오.
Coverlayers : Solder Mask Coverlayers (액체 또는 건조 필름)는 의료 임플란트에 중요하고 대량을 추가하지 않고 추적을 보호합니다.

3. 신호 무결성
Flexible PCB의 고속 신호 (10GHz+)는 고유 한 과제에 직면합니다.
임피던스 제어 : 트레이스 폭 (3-5mil) 및 유전체 두께 (2-4mil)를 조정하여 50Ω (단일 엔드) 또는 100Ω (차동)를 유지합니다.
손실 감소 : 5G 또는 레이더 응용 분야에는 저 손실 유전체 (예 : Rogers RO3003)를 사용하여 표준 폴리이 미드 대 신호 감쇠를 40% 감소시킵니다.

4. 테스트 및 검증
열 사이클링 : 노화를 시뮬레이션하기 위해 -40 ° C ~ 125 ° C에서 1,000 사이클에 대해 테스트하십시오.
벤드 테스트 : 10,000 개 이상의 동적 굽힘으로 검증되어 각주기마다 오픈/반바지를 확인하십시오.
환경 테스트 : 수분 저항을 보장하기 위해 1,000 시간 동안 85 ° C/85% RH에 노출됩니다.

미래의 트렌드 : 유연한 다층 PCB의 혁신
제조업체와 연구원은 획기적인 문제를 해결하고 있습니다.
A.Adhesiveless Lamination : 접착제가없는 결합 층 (직접 구리-폴리 이미드 결합 사용)은 유연성과 온도 저항을 향상시킵니다.
B.3d 인쇄 : 곡선 기판의 전도성 트레이스 인쇄하여 더욱 복잡한 형상을 가능하게합니다.
C. 자체 치유 재료 : 유전체에서 작은 균열을 복구하는 실험 중합체, 수명을 2-3 배까지 연장합니다.

FAQ
Q : 유연한 PCB의 최대 레이어 수는 얼마입니까?
A : 상용 유연한 다층 PCB는 12 개의 층에서 상단하지만 항공 우주 프로토 타입은 16 개의 레이어를 사용합니다. 더 많은 층이 강성을 증가시켜 굽힘 애플리케이션의 실용성을 제한합니다.
Q : 유연한 다층 PCB가 고전력을 처리 할 수 있습니까?
A : 적당히. 저전력 장치 (웨어러블 : <5W) 및 중간 전원 시스템 (자동차 센서 : 5–20W)에서 작동합니다. 고전력 (> 20W)의 경우 MCPCBS (Metal-Core Flex PCB)는 알루미늄 층을 추가하여 열을 소산합니다.
Q : 가혹한 환경에서 유연한 PCB가 얼마나 오래 지속됩니까?
A : 적절한 설계, 5-10 년 산업 환경 (진동, 온도 스윙) 및 안정적인 환경 (의료 임플란트, 소비자 전자 제품)에서 10 년 이상.

결론
유연한 다층 PCB는 전자 제품이 할 수있는 일을 재정의합니다. 그 어느 때보 다 작고 가벼우 며 통합 된 장치를 활성화시킵니다. 정렬 및 비용과 같은 제조 문제는 지속되지만 재료 및 프로세스의 혁신으로 인해 이러한 PCB가 더 많은 응용 분야에 액세스 할 수 있습니다. 엔지니어의 경우 핵심은 기능과 유연성의 균형을 유지하여 신뢰성을 보장하기 위해 설계 모범 사례를 활용하는 것입니다. 접이식 기술, 이식 가능한 장치 및 스마트 기계에 대한 수요가 증가함에 따라 유연한 다층 PCB는 전자 혁신의 최전선에 남아 있습니다.