딱딱하고 유연한 PCB: 하이브리드 디자인으로 산업 및 의료 응용 분야에 혁명을 일으킨다

강성-연성 인쇄 회로 기판(PCB)은 전자 패키징의 중요한 혁신을 나타내며, 강성 PCB의 구조적 안정성과 연성 회로의 유연성을 결합합니다. 이 하이브리드 설계는 커넥터, 케이블 및 하네스의 필요성을 없애 무게를 줄이고, 신뢰성을 향상시키며, 기존 PCB로는 불가능했던 소형 설계를 가능하게 합니다. 공간 제약, 진동 저항 및 장기적인 신뢰성이 가장 중요한 산업 및 의료 분야에서 강성-연성 PCB는 필수 불가결한 요소가 되었습니다. 이 가이드에서는 강성-연성 기술이 이러한 산업의 고유한 과제를 어떻게 해결하는지, 대체 솔루션과 비교하고, 최적의 성능을 위한 주요 설계 고려 사항을 설명합니다.

강성-연성 PCB란 무엇인가요?
강성-연성 PCB는 구리 트레이스를 통해 연결된 강성 기판(일반적으로 FR-4)과 연성 기판(폴리이미드)의 교대 층으로 구성되며, 모두 단일 통합 구조로 적층됩니다. 모양이 고정된 강성 PCB 또는 구조적 지지대가 없는 연성 PCB와 달리 강성-연성 설계는 다음과 같은 기능을 제공합니다.
  a. 적합성: 연성 섹션은 좁거나 불규칙한 공간(예: 산업 기계의 기계 부품 주변)에 맞게 구부리고 비틀 수 있습니다.
  b. 통합: 강성 섹션은 마이크로칩 및 커넥터와 같은 구성 요소에 안정적인 플랫폼을 제공하는 반면, 연성 섹션은 외부 배선의 필요성을 없앱니다.
  c. 내구성: 솔더 조인트와 커넥터가 적어 고진동 산업 환경 또는 장기 의료 임플란트에서 중요한 고장 지점을 줄입니다.
핵심적인 장점은 형태와 기능을 균형 있게 유지하는 능력에 있습니다. 강성 영역은 구성 요소 장착 및 전력 분배를 처리하는 반면, 연성 영역은 3차원 패키징을 가능하게 합니다.

강성-연성 PCB가 기존 솔루션보다 뛰어난 이유
산업 및 의료 응용 분야에서 강성-연성 PCB는 강성 전용 또는 연성 전용 설계뿐만 아니라 케이블 기반 어셈블리의 주요 제한 사항을 해결합니다.

   무게 감소: 케이블과 커넥터를 제거하여 강성-연성 PCB는 시스템 무게를 30~50% 줄입니다. 이는 휴대용 의료 기기 및 산업용 로봇에 매우 중요합니다.
   신뢰성 증가: 커넥터(전자 고장의 25~30%를 차지)가 없으면 케이블 기반 시스템에 비해 평균 고장 간격(MTBF)이 2~3배 연장됩니다.
   공간 절약: 연성 섹션은 소형 부피로 접혀 기존 강성 PCB 어셈블리에 비해 40~60% 작은 설계를 가능하게 합니다.

산업 응용 분야: 가혹한 환경의 강성-연성 PCB
산업 장비는 극한의 온도, 진동 및 기계적 스트레스와 같이 신뢰성이 협상 불가능한 까다로운 조건에서 작동합니다. 강성-연성 PCB는 이러한 시나리오에서 뛰어납니다.
1. 공장 자동화 및 로봇 공학
  과제: 로봇 팔 및 자동화된 기계는 지속적인 움직임, 진동(최대 20G) 및 온도 변화(-40°C ~ 85°C)를 견딜 수 있는 전자 장치가 필요합니다.
  솔루션: 강성-연성 PCB는 팔 관절에 제어 회로를 통합하여 연성 섹션이 피로 없이 10,000번 이상 구부러지도록 합니다. 강성 섹션은 프로세서와 센서를 수용하는 반면, 연성 섹션은 케이블 마모를 제거합니다.
   예: 강성-연성 PCB를 사용하는 자동차 조립 로봇은 케이블 기반 설계에 비해 계획되지 않은 가동 중단 시간을 40% 줄였습니다. 느슨해지거나 닳을 커넥터가 없기 때문입니다.

2. 석유 및 가스 탐사
   과제: 유정 드릴링 도구는 150°C 이상 및 10,000psi 이상에서 작동하며 전자 장치 공간이 제한적입니다.
   솔루션: 고온 강성-연성 PCB(폴리이미드 기판 및 금도금 트레이스 사용)는 가혹한 조건을 견디면서 슬림한 도구 하우징에 맞습니다.
   장점: 로깅 도구에서 커넥터의 90%를 제거하여 중요한 유정 모니터링 시스템의 고장률을 줄입니다.

3. 전력 분배 장비
   과제: 회로 차단기 및 스마트 그리드 장치는 전력 흐름을 모니터링하고 제어하기 위해 소형, 진동 방지 전자 장치가 필요합니다.
   솔루션: 두꺼운 구리(2~4oz)가 있는 강성-연성 PCB는 강성 섹션에서 높은 전류를 처리하는 반면, 연성 브리지는 움직이는 부품(예: 차단기 접점)을 가로질러 구성 요소를 연결합니다.
   결과: 진동 저항 개선으로 인해 30% 더 작은 인클로저와 50% 더 적은 현장 고장.

의료 응용 분야: 중요한 치료의 정밀도 및 신뢰성
의료 기기는 소형화, 생체 적합성 및 장기적인 신뢰성을 요구합니다. 강성-연성 PCB는 이러한 분야에서 상당한 이점을 제공합니다.
1. 이식형 의료 기기
  과제: 심박 조율기, 신경 자극기 및 인슐린 펌프는 신체 내부에 맞고, 5~10년 동안 작동하며, 체액을 견뎌야 합니다.
  솔루션: 생체 적합성 강성-연성 PCB(폴리이미드 기판 및 백금 코팅 트레이스 사용)는 해부학적 모양에 적합합니다. 강성 섹션은 배터리 및 마이크로 컨트롤러를 수용하고, 연성 섹션은 전극으로 신호를 라우팅합니다.
  장점: 강성 PCB에 비해 장치 부피를 30~40% 줄여 덜 침습적인 수술과 더 긴 배터리 수명을 가능하게 합니다.

2. 진단 장비
  과제: MRI 기기, 초음파 프로브 및 휴대용 분석기는 높은 신호 무결성을 갖춘 소형 전자 장치가 필요합니다.
  솔루션: 낮은 손실 유전체(Dk <3.0)가 있는 강성-연성 PCB는 고주파 진단 도구에서 신호 왜곡을 최소화합니다. 연성 섹션은 이미징 센서 주위로 구부러지는 반면, 강성 섹션은 처리 칩을 지원합니다.
  예: 강성-연성 PCB를 사용하는 휴대용 초음파 장치는 무게를 25% 줄여 임상의가 원격 위치에서 더 쉽게 사용할 수 있도록 했습니다.

3. 수술 도구
  과제: 복강경 도구 및 로봇 수술 시스템은 5~10mm 직경 샤프트에 맞는 소형 전자 장치가 필요합니다.
  솔루션: 마이크로비아가 있는 초박형 강성-연성 PCB(총 두께 <0.5mm)는 엔드 이펙터에서 제어 장치로 신호를 라우팅합니다.
  영향: 더 작은 절개로 더 정밀한 수술을 가능하게 하여 환자 회복 시간을 단축합니다.

강성-연성 PCB의 주요 설계 고려 사항
산업 및 의료용 강성-연성 PCB를 설계하려면 재료, 형상 및 제조 제약 조건에 주의를 기울여야 합니다.

1. 재료 선택
  연성 기판: 폴리이미드는 표준(Tg >250°C, 내화학성)이며 두께는 25~125μm입니다. 생체 적합성 응용 분야의 경우 USP Class VI 인증 폴리이미드를 사용하십시오.
  강성 기판: 산업용 고Tg FR-4(Tg 170~200°C); 전력 장치의 열 전도성을 개선하기 위한 세라믹 충전 FR-4.
  구리: 연성 섹션용 압연 어닐링(RA) 구리(피로 저항성 향상); 강성 섹션용 전기 증착(ED) 구리(저렴한 비용).
  커버레이: 폴리이미드 커버레이는 연성 트레이스를 보호하며, 접착제 없는 옵션은 소형화된 설계에서 두께를 줄입니다.

2. 굽힘 반경 및 피로 수명
  최소 굽힘 반경: 일반적으로 연성 섹션의 두께의 10~20배(예: 50μm 폴리이미드의 경우 1mm 반경). 더 좁은 반경은 구리 파손 위험이 있습니다.
  피로 테스트: 연성 섹션이 저항 변화 없이 10,000번 이상의 굽힘 사이클을 견딜 수 있는지 확인합니다(10% 이상 증가하면 고장 표시).

3. 구성 요소 배치
  강성 섹션: 무거운 구성 요소(변압기, 커넥터) 및 열 발생 부품(전력 IC)을 강성 영역에 장착하여 연성 섹션에 스트레스를 가하지 않도록 합니다.
  금지 구역: 굴곡 시 손상을 방지하기 위해 구성 요소와 굽힘 선 사이에 1~2mm의 여유 공간을 유지합니다.

4. 신호 무결성
  제어 임피던스: 고주파 의료 기기(예: 초음파)의 경우 3D 필드 솔버를 사용하여 50Ω 임피던스로 연성 트레이스를 설계합니다.
  접지면: 민감한 진단 장비에 중요한 EMI를 줄이기 위해 연성 섹션에 연속 접지면을 포함합니다.

제조 과제 및 품질 관리
강성-연성 PCB는 신뢰성을 보장하기 위해 특수 제조 공정이 필요합니다.
  적층: 강성 및 연성 층은 진공 프레스에서 고온 접착제(180~200°C)를 사용하여 접착하여 박리 현상을 방지합니다.
  드릴링: 마이크로비아(0.1~0.2mm)는 레이저로 드릴링하여 연성 기판을 손상시키지 않도록 층을 연결합니다.
  도금: 의료 및 산업 환경에서 내식성을 위해 무전해 니켈 침지 금(ENIG)을 선호합니다.

품질 검사:
  X선 검사: 숨겨진 층의 비아 정렬 및 솔더 조인트 품질을 확인합니다.
  열 사이클링: -40°C ~ 125°C에서 1,000회 이상의 사이클에 대한 성능을 테스트합니다.
  굴곡 테스트: 자동화된 기계는 연성 섹션을 구부려 피로 저항성을 검증합니다.

강성-연성 기술의 미래 동향
재료 및 설계의 발전은 강성-연성 기능을 확장하고 있습니다.
  a. 3D 프린팅: 연성 기판에 전도성 트레이스를 적층 제조하면 맞춤형 의료 임플란트에 복잡한 형상을 사용할 수 있습니다.
  b. 임베디드 구성 요소: 수동 구성 요소(저항기, 커패시터)는 강성 섹션에 임베디드되어 크기를 20~30% 줄입니다.
  c. 스마트 재료: 연성 섹션의 형상 기억 폴리머를 사용하면 강성-연성 PCB가 의료 임플란트에서 “자가 배치”되어 수술을 단순화할 수 있습니다.

FAQ
Q: 강성-연성 PCB가 기존 PCB보다 더 비쌉니까?
A: 예, 강성-연성 PCB는 특수 재료 및 제조로 인해 동등한 강성 PCB보다 2~3배 더 비쌉니다. 그러나 커넥터와 케이블을 제거하여 시스템 비용을 줄여 총 비용이 더 낮아지는 경우가 많습니다.

Q: 강성-연성 PCB가 견딜 수 있는 최대 온도는 얼마입니까?
A: 폴리이미드 기판과 고Tg FR-4를 사용하는 산업 등급 강성-연성 PCB는 -55°C ~ 150°C를 지속적으로 처리합니다. 특수 버전(세라믹 필러 포함)은 최대 200°C에서 작동합니다.

Q: 강성-연성 PCB를 의료용으로 살균할 수 있습니까?
A: 예, 폴리이미드 기반 강성-연성 PCB는 오토클레이빙(134°C, 30분) 및 에틸렌 옥사이드(EtO) 살균을 견딜 수 있으므로 재사용 가능한 의료 기기에 적합합니다.

Q: 강성-연성 PCB는 이식형 장치에서 얼마나 오래 지속됩니까?
A: 생체 적합성 재료와 적절한 설계를 사용하면 임플란트의 강성-연성 PCB는 5~10년의 수명을 가지며 심박 조율기 및 신경 자극기의 일반적인 배터리 수명과 일치합니다.

Q: 강성-연성 PCB에 가능한 최소 굽힘 반경은 얼마입니까?
A: 최소 실용 굽힘 반경은 연성 층 두께의 10배입니다(예: 50μm 폴리이미드의 경우 0.5mm 반경). 더 좁은 반경은 반복적인 굽힘 후 구리 균열 위험이 있습니다.

결론
강성-연성 PCB는 강성 및 연성 기술의 장점을 결합하여 산업 및 의료 전자 장치를 혁신했습니다. 공장에서는 진동과 극한의 온도를 견디면서 가동 중단 시간을 줄입니다. 병원에서는 환자 치료를 개선하는 더 작고 신뢰할 수 있는 장치를 가능하게 합니다. 커넥터를 제거하고, 무게를 줄이며, 좁은 공간에 맞출 수 있는 능력은 기존 PCB가 부족한 응용 분야에서 대체할 수 없게 만듭니다.
산업 자동화 및 의료 기술이 발전함에 따라 강성-연성 PCB는 더 나은 재료, 더 정밀한 제조 및 혁신적인 설계를 통해 계속 발전하여 전자 패키징에서 가능한 범위를 더욱 넓힐 것입니다.
핵심 내용: 강성-연성 PCB는 단순한 패키징 솔루션이 아니라 신뢰성, 소형화 및 성능이 중요한 차세대 산업 및 의료 기기의 인에이블러입니다. 하이브리드 설계는 전자 장치의 오랜 과제를 해결하여 현대 엔지니어링의 초석이 됩니다.