경성-연성 PCB 구조 이해: 레이어, 구성 요소 및 다재다능한 전자 제품 구현 방식

Ridid-Flex PCB는 플렉스 회로의 유연성과 강성 PCB의 구조적 안정성을 결합함으로써 접이식 스마트 폰에서 자동차 센서 모듈에 이르기까지 컴팩트하고 내구성있는 전자 제품의 설계에 혁명을 일으켰습니다. 기존의 강성 PCB (고정 모양) 또는 플렉스 전용 PCB (제한된 계층 수)와 달리 Ridid-Flex 설계는 두 형식을 단일의 완벽한 구조로 통합합니다. 그러나 그들의 다목적 성은 정확하고 계층화 된 아키텍처에 달려 있습니다. 유연한 기판에서 접착제 결합에 이르기까지 모든 구성 요소는 유연성, 강도 및 전기 성능의 균형을 맞추는 데 중요한 역할을합니다.

이 안내서는 Rigid-Flex PCB의 구조를 해치고 각 층의 목적, 재료 선택 및 이들이 어떻게 작동하는지를 분해합니다. Rigid-Flex 구조를 강성 및 플렉스 전용 대안과 비교하고 주요 설계 고려 사항을 탐색하며 구조적 선택이 실제 응용 프로그램에 어떤 영향을 미치는지 설명합니다. 웨어러블, 항공 우주 또는 자동차 시스템을 설계하든 Rigid-Flex PCB 구조를 이해하면 더 작고 가볍고 신뢰할 수있는 제품을 만드는 데 도움이됩니다.

주요 테이크 아웃
1. 하이브리드 구조 : Ridid-Flex PCB는 강성 세그먼트 (구성 요소 장착)와 플렉스 세그먼트 (굽힘 용)를 하나의 통합 보드로 결합하여 별도의 PCB 간의 커넥터가 필요하지 않습니다.
2. 레이어 아키텍처 : 핵심 구성 요소에는 유연한 기판 (폴리이 미드), 강성 기판 (FR-4), 구리 트레이스, 접착제 및 보호 마감 처리가 포함되어있어 내구성과 성능을 위해 선정되었습니다.
3. 플렉스 드라이버 : 플렉스 세그먼트의 구조 (얇은 기판, 연성 구리)는 동적 응용 분야에 중요한 추적 균열없이 10,000+ 굽힘 사이클을 가능하게합니다.
4.Strength 드라이버 : 강성 세그먼트는 두꺼운 기판과 보강 층을 사용하여 무거운 부품 (예 : BGA, 커넥터)을 지원하고 기계적 응력을 저항합니다.
5. 대비-이익 : 제조에 더 복잡하지만 Ridid-Flex 구조는 조립 비용을 30-50% (커넥터 수, 배선이 적음) 감소시키고 실패 지점을 제거하여 신뢰성을 향상시킵니다.

RID-FLEX PCB의 기본 구조
Ridid-Flex PCB의 구조는 두 가지 별개이지만 통합 된 세그먼트의 강성 세그먼트 (안정성) 및 플렉스 세그먼트 (유연성)로 정의됩니다. 이 세그먼트는 공통 층 (예 : 구리 흔적)을 공유하지만 기질 재료와 두께는 고유 한 역할을 수행합니다.
아래는 가장 안쪽 층에서 가장 바깥 보호 마감까지 시작하여 코어 구성 요소의 분해입니다.

1. 핵심 기판 : 강성과 유연성의 기초
기판은 구리 트레이스를지지하는 비전 도성베이스 층입니다. 강성 및 플렉스 세그먼트는 다른 기판을 사용하여 강도와 유연성의 균형을 유지합니다.

플렉스 세그먼트 기판
플렉스 세그먼트는 반복적 인 굽힘을 견딜 수있는 얇고 내구성있는 폴리머에 의존합니다.
1 차 물질 : 폴리이 미드 (PI) : 플렉스 기판, 폴리 이미드 제공의 산업 표준 :
온도 저항 : -269 ° C ~ 300 ° C (리플 로우 납땜 및 가혹한 환경에서 살아 남았습니다).
유연성 : 두께는 5 배의 작은 반경으로 구부릴 수 있습니다 (예 : 50μm Pi 층은 250μm 반경으로 구부러집니다).
화학 저항성 : 오일, 용매 및 습도에 불활성 - 자동차 및 산업용 사용을위한 비유.
두께 : 일반적으로 25–125μm (1–5mil); 더 얇은 기판 (25–50μm)은 더 단단한 굽힘을 가능하게하는 반면, 더 두꺼운 (100–125μm)는 더 긴 플렉스 세그먼트에 더 많은 안정성을 제공합니다.
대안 : 초 고온 응용 (200 ° C+)의 경우, 액정 중합체 (LCP)가 사용됩니다.

강성 세그먼트 기판
강성 세그먼트는 강성 강화 된 재료를 사용하여 구성 요소를 지원하고 응력을 저항합니다.
1 차 재료 : FR-4 : 유리 강화 에폭시 라미네이트를 제공합니다.
기계적 강도 : 무거운 구성 요소 (예 : 10G BGA)를 지원하고 조립 중에 warpage를 저항합니다.
비용 효율성 : 소비자 및 산업 응용 분야에 적합한 가장 저렴한 강성 기판.
전기 단열재 : 부피 저항> 10Ω ω · cm, 흔적 사이의 단락을 방지합니다.
두께 : 0.8–3.2mm (31–125mil); 두꺼운 기판 (1.6–3.2mm)이 더 큰 구성 요소를 지원하는 반면, 얇은 (0.8mm)는 소형 설계 (예 : 웨어러블)에 사용됩니다.
대안 : 고주파 응용 분야 (5G, 레이더)의 경우 Rogers 4350 (저소산 라미네이트)은 FR-4를 대체하여 신호 감쇠를 최소화합니다.

2. 구리 추적 : 세그먼트를 가로 지르는 전도성 경로
구리 흔적은 강성 및 플렉스 세그먼트에 걸친 구성 요소 사이에 전기 신호와 전력을 전달합니다. 그들의 구조는 플렉스 세그먼트의 유연성을 수용하기 위해 약간 다릅니다.

플렉스 세그먼트 구리
플렉스 세그먼트는 굽힘 중에 균열에 저항하는 연성 구리가 필요합니다.
유형 : 롤링 된 (RA) 구리 : 어닐링 (열처리)은 RA 구리 연성을 만들어 10,000+ 굽힘주기 (180 ° 굽힘)를 실패하지 않고 가능하게합니다.
두께 : 12–35μm (0.5–1.4oz); 더 얇은 구리 (12–18μm)는 더 쉽게 구부러지고 두껍게 (35μm) 더 높은 전류 (0.2mm 트레이스의 경우 최대 3A)를 운반합니다.
패턴 디자인 : 플렉스 세그먼트의 흔적은 곡선 또는 45 ° 각도 (90 °가 아님)를 사용하여 응력을 분배합니다. 90 ° 각도는 응력 지점으로 작용하고 반복 된 굽힘 후 균열입니다.

강성 세그먼트 구리
견고한 세그먼트는 현재 용량 및 제조 용이성의 우선 순위를 정합니다.
유형 : Electodeposited (ed) 구리 : ED 구리는 RA 구리보다 연성이 적지 만 밀집된 회로를 위해 패턴이 더 저렴하고 쉽습니다.
두께 : 18–70μm (0.7–2.8oz); 두꺼운 구리 (35–70μm)는 전력 추적 (예 : 자동차 ECU의 5A+)에 사용됩니다.
패턴 설계 : 강성 세그먼트가 구부리지 않기 때문에 90 ° 각도가 허용됩니다.

3. 접착제 : 본딩 강성 및 플렉스 세그먼트
접착제는 강성 및 플렉스 세그먼트를 단일 보드에 통합하는 데 중요합니다. 플렉스 세그먼트에서 유연성을 유지하면서 비 유사 물질 (폴리이 미드 및 FR-4)을 결합해야합니다.

주요 접착제 요구 사항
유연성 : 플렉스 세그먼트의 접착제는 균열없이 길쭉한 (≥100% 신장)해야합니다.
온도 저항 : 반사 솔더 링 (240–260 ° C) 및 작동 온도 (대부분의 응용 분야의 경우 -40 ° C ~ 125 ° C).
접착력 강도 : 결합 강도 ≥1.5 N/mm (IPC-TM-650 당) 층 간의 박리를 방지합니다.

일반적인 접착제 유형

응용 프로그램 노트
접착제는 플렉스 세그먼트에 벌크를 첨가하지 않도록 박막 (25–50μm)으로 적용됩니다.
"접착력이없는"Ridid-Flex 설계 (고주파 응용 분야에 사용)에서 구리는 접착제없이 폴리이 미드에 직접 결합하여 신호 손실을 감소 시키지만 비용을 증가시킵니다.

4. 솔더 마스크 : 트레이스 보호 및 납땜 가능
솔더 마스크는 강성 및 플렉스 세그먼트 모두에 적용되는 보호 폴리머 코팅입니다.
인접한 흔적 사이의 단락을 방지하십시오.
산화 및 부식으로부터 구리를 보호하십시오.
어셈블리 중에 솔더가 부착 된 영역을 정의하십시오.

플렉스 세그먼트 솔더 마스크
플렉스 세그먼트는 크랙하지 않고 구부리는 솔더 마스크가 필요합니다.
재료 : 폴리이 미드 기반 솔더 마스크 : ≥100% 이상을 길게하고 굽힘 중에 접착력을 유지합니다.
두께 : 25–38μm (1–1.5mil); 더 얇은 마스크 (25μm)는 더 쉽게 구부러 지지만 보호가 적습니다.
색상 : Clear 또는 Green - 클리어 마스크는 미학이 중요한 웨어러블에 사용됩니다.

강성 세그먼트 솔더 마스크
강성 세그먼트는 비용과 내구성을 위해 표준 솔더 마스크를 사용합니다.
재료 : 에폭시 기반 솔더 마스크 : 딱딱하지만 내구성이 뛰어나 화학 저항성이 우수합니다.
두께 : 38–50μm (1.5–2mil); 두꺼운 마스크는 산업 응용 분야에 더 나은 보호 기능을 제공합니다.
색상 : 녹색 (가장 일반적), 파란색 또는 검은 색 - Green은 AOI (자동 광학 검사) 호환성에 선호됩니다.

5. 표면 마감 : 용해성 및 부식 저항 보장
표면 마감은 노출 된 구리 패드 (두 세그먼트)에 적용되어 납땜 가능성을 향상시키고 산화를 방지합니다.
Rigid-Flex PCB의 일반적인 마감재

세그먼트 별 선택
플렉스 세그먼트는 종종 enig를 사용합니다 : 금의 연성은 굽힘을 견딜 수 있으며 니켈은 땜납 조인트로의 구리 확산을 방지합니다.
단단한 세그먼트는 비용 절감에 HASL을 사용할 수 있습니다. ENIG는 미세 피치 구성 요소에 선호됩니다.

6. 강화 층 (선택 사항) : 중요한 영역에 강도를 추가합니다
강화 층은 선택적이지만 강력한 스트레스 영역에 강도를 더하기 위해 Ridid-Flex PCB에서 일반적입니다.
위치 : 단단한 세그먼트의 플렉스 리그 전환 구역 (굽힘 응력이 가장 높은 곳) 또는 무거운 부품 (예 : 커넥터) 하에서 적용됩니다.
재료:
Kevlar 또는 Glass Cloth : 얇고 유연한 직물은 찢어짐을 방지하기 위해 구부러진 세그먼트에 결합되었습니다.
얇은 FR-4 스트립 : 짝짓기/무연 동안 기계적 응력에 저항하기 위해 커넥터 아래의 강성 세그먼트에 추가.
두께 : 25–100μm - 유연성을 줄이지 않고 강도를 더할 정도로 두께.

RIDID-FLEX 대 강성 대 플렉스 전용 PCBS : 구조 비교
특정 응용 분야에서 Rigid-Flex PCB가 탁월한 이유를 이해하려면 구조를 전통적인 대안과 비교하십시오.

Ridid-Flex의 주요 구조적 장점
1. 커넥터 NO 커넥터 : 강성 및 플렉스 세그먼트를 통합하면 보드 당 2-10 커넥터가 제거되어 조립 시간 및 고장 지점이 줄어 듭니다 (커넥터는 PCB 고장의 주요 원인입니다).
2. 스페이스 효율성 : Ridid-Flex PCB는 다중 보드 강성 시스템보다 30-50% 적은 양에 적합합니다.
3. 무게 절약 : 구성 요소와 배선이 적기 때문에 Rigid Multi-Board 시스템보다 20–40% 가벼워집니다.

Rigid-Flex 구조가 성능과 신뢰성에 미치는 영향
기판 두께에서 구리 유형에 이르기까지 모든 구조적 선택은 실제 응용 분야에서 Rigid-Flex PCB가 수행하는 방식에 영향을 미칩니다. 다음은 핵심 성과 지표와 구조 동인입니다.
1. 유연성과 내구성
드라이버 : 플렉스 세그먼트 기판 두께 및 구리 유형. 18μm RA 구리를 갖는 50μm 폴리이 미드 기판은 250μm 반경으로 구부러지고 15,000 개 이상의 사이클에서 살아남습니다.
실패 위험 : 플렉스 세그먼트에서 ED 구리를 사용하면 1,000 ~ 2,000주기 후에 추적 균열이 발생합니다.

적용 예 : 접이식 스마트 폰의 힌지는 18μm RA 구리 기능이있는 50μm 폴리이 미드 플렉스 세그먼트를 사용하여 200,000 개 이상의 접힘 (접이식 장치의 일반적인 수명)을 가능하게합니다.

2. 신호 무결성
드라이버 : 기판 재료 및 접착제 선택. 폴리이 미드는 낮은 유전체 손실 (10GHz에서 DF <0.002)을 가지므로 고주파 신호에 이상적입니다.
위험 완화 : 접착없는 설계 (구리와 폴리이 미드 사이의 접착제 없음)는 신호 손실을 30%로 줄인다.

적용 예 : 5G 기지국의 Rigid-Flex PCB는 접착없는 폴리이 미드 플렉스 세그먼트를 사용하여 28GHz MMWAVE 신호의 신호 무결성을 유지합니다.

3. 열 관리
드라이버 : 구리 두께 및 단단한 세그먼트 설계. 강성 세그먼트의 두꺼운 구리 (35-70μm)는 전력 성분 (예 : 전압 조절기)에서 열을 소산합니다.
향상 : 강성 세그먼트의 열 비아 (0.3mm 직경)는 성분에서 내부 구리 평면으로 열을 전달하여 접합 온도를 15-25 ° C로 감소시킵니다.

응용 예 : 자동차 EV 인버터의 Rigid-Flex PCB는 강성 세그먼트에서 70μm 구리를 사용하여 열 바이아를 사용하여 IGBT에서 100W의 열을 처리합니다.

4. 기계적 강도
드라이버 : 강성 세그먼트 두께 및 보강 층. 1.6mm FR-4 강성 세그먼트는 뒤틀지 않고 20G 커넥터를 지원합니다.
전환 구역 설계 : 플렉스 강성 전이의 강화층 (Kevlar)은 응력을 40%감소시켜 박리를 방지합니다.

적용 예 : 항공 우주 센서의 Rigid-Flex PCB는 3.2mm FR-4 강성 세그먼트와 Kevlar 보강재를 사용하여 50g 진동을 견딜 수 있습니다 (MIL-STD-883 당).

Rigid-Flex PCB 구조에 대한 주요 설계 고려 사항
Rigid-Flex PCB를 설계 할 때 구조적 선택은 응용 프로그램 요구와 일치해야합니다. 다음은 중요한 고려 사항입니다.
1. Flex Rigid Transition Zones를 정의하십시오
위치 : 구성 요소에서 2-5mm 떨어진 전환을 배치합니다. 전환 근처의 전환은 굽힘 중 스트레스를 경험합니다.
반경 : 플렉스 세그먼트의 최소 굽힘 반경은 기판 두께 (예 : 50μm 기판 → 250μm 반경)입니다. 더 단단한 반경은 추적 균열을 유발합니다.
강화 : 스트레스가 많은 응용 분야 (예 : 도어 움직임으로 구부리는 자동차 도어 센서)에서 Kevlar 또는 Thin FR-4를 추가하십시오.

2. 균형 레이어 수와 유연성
레이어 한계 : 플렉스 세그먼트는 일반적으로 2-4 개의 층이므로 더 많은 층이 두께를 증가시키고 유연성을 줄입니다.
층 분포 : 유연성을 유지하기 위해 강성 세그먼트 (예 : 단단한 8 개의 층, 단단한 8 개의 층, 2 층)의 농축 레이어.
예 : 웨어러블 피트니스 트래커는 4 층 Rigid-Flex PCB (Flex의 2 층, 2 개, Rigid)를 사용하여 기능과 구부릴 수있는 균형을 맞 춥니 다.

3. 환경을위한 재료를 선택하십시오
온도 : 고온 응용 (자동차 언더 호드, 항공 우주)에는 폴리이 미드 (최대 300 ° C)를 사용합니다. 미드 레인지 요구의 경우 LCP (최대 200 ° C).
화학 물질 : 폴리이 미드는 오일과 용매에 저항합니다. 습한 환경에서 OSP 마감을 피하십시오 (대신 ENIG 사용).
습도 : 소비자 전자 제품 (예 : 운동 중에 마모 된 스마트 워치)에서 에폭시 기반 접착제 (수분 저항)를 사용하십시오.

4. 구리 트레이스 설계 최적화
플렉스 세그먼트 : 스트레스 농도를 피하기 위해 곡선 트레이스, 45 ° 각도 및 최소 트레이스 폭 0.1mm (4mil)를 사용하십시오.
강성 세그먼트 : 조밀 한 구성 요소 라우팅 (예 : 0.4mm 피치의 BGA)에는 90 ° 각도와 작은 트레이스 폭 (0.075mm/3mil)을 사용합니다.
전류 용량 : 현재 - 전류 - 0.2mm 트레이스 (18μm RA 구리)를 기준으로 한 크기 트레이스 플렉스 세그먼트에서 1.5A를 운반합니다. 0.3mm 트레이스 (35μm ED 구리)는 강성 세그먼트에서 3A를 운반합니다.

실제 응용 프로그램 : 구조가 혁신을 가능하게하는 방법
Ridid-Flex PCB 구조는 주요 산업에서 고유 한 과제를 해결하도록 조정되었습니다.
1. 소비자 전자 장치 : 접이식 스마트 폰
구조 : 6 층 RIDID-FLEX (프로세서/BGA에 대한 강성 세그먼트의 4 개의 층, 힌지를위한 플렉스 세그먼트의 2 층).
주요 특징 : 18μm RA 구리, ENIG 마감 및 유연성을위한 아크릴 접착제가있는 50μm 폴리이 미드 플렉스 세그먼트.
이점 : 주머니 크기의 장치에 7 인치 디스플레이를 장착하면서 200,000 개 이상의 접힘을 가능하게합니다.

2. 자동차 : ADAS 센서 모듈
구조 : 8 층 RIDID-FLEX (센서/ECU의 강성 세그먼트의 6 층, 배선을위한 플렉스 세그먼트의 2 개의 층).
주요 특징 : 35μm RA 구리, 에폭시 접착제 (높은 응력 저항) 및 전환시 보강 층을 갖는 100μm 폴리이 미드 플렉스 세그먼트.
혜택 : -40 ° C ~ 125 ° C 온도를 견딜 수 있도록 센서 (Lidar, Radar)를 배치하기 위해 차량 프레임 주위에 구부러집니다.

3. 의료 : 웨어러블 포도당 모니터
구조 : 4 층 RIDID-FLEX (센서의 강성 세그먼트의 2 개의 레이어, 손목 밴드 통합을위한 플렉스 세그먼트의 2 층).
주요 기능 : 25μm 폴리이 미드 플렉스 세그먼트 (편안함을위한 초박형), 투명 솔더 마스크 및 Enig 마감 (생체 적합성).
혜택 : 7-14 일 동안 안정적인 센서 판독 값을 유지하면서 손목을 준수합니다.

4. 항공 우주 : 위성 안테나
구조 : 12 층 RIDID-FLEX (신호 처리를위한 강성 세그먼트의 10 개의 층, 안테나 배치를위한 Flex 세그먼트의 2 개의 층).
주요 특징 : LCP 플렉스 세그먼트 (200 ° C+ 저항), 35μm RA 구리 및 폴리이 미드 접착제 (방사선 저항).
혜택 : 소형 발사 패키지 (강성 대안보다 10 배 작음)로 접어 공간에 배치하여 2m 안테나를 형성합니다.

FAQ
Q : Rigid-Flex PCB에 여러 개의 플렉스 세그먼트가있을 수 있습니까?
A : 그렇습니다 - 매니 디자인에는 2-4 개의 플렉스 세그먼트 (예 : 손목과 손가락을위한 플렉스 세그먼트가있는 웨어러블)가 포함됩니다. 각 플렉스 세그먼트는 굽힘 요구에 따라 자체 두께와 구리 유형을 가질 수 있습니다.

Q : Rigid-Flex PCB의 최대 레이어 수는 얼마입니까?
A : 대부분의 Rigid-Flex PCB에는 4-12 개의 층이 있으며, 강성 세그먼트에는 최대 10 개의 층이 있고 Flex 세그먼트에는 2-4입니다. 고급 디자인 (항공 우주)은 16 개의 층에 도달 할 수 있지만 유연성이 줄어 듭니다.

Q : Rigid-Flex PCBS가 SMT 구성 요소와 호환됩니까?
A : 예 - Rigid 세그먼트는 모든 SMT 구성 요소 (BGA, QFP, 패시브)를 지원하는 반면 Flex 세그먼트는 소형 SMT 구성 요소 (0402 저항, 0603 커패시터)를 지원합니다. 무거운 구성 요소 (> 5g)는 플렉스 세그먼트에 배치해서는 안됩니다.

Q : Rigid-Flex PCB 비용은 Rigid PCB에 비해 얼마입니까?
A : Rigid-Flex PCB는 동등한 Ridid PCB보다 2-3 배 더 많지만 시스템 비용은 30-50% (커넥터 수, 배선이 적고 어셈블리 노동이 적음)를 줄입니다.

Q : Rigid-Flex PCB의 일반적인 리드 타임은 무엇입니까?
A : 프로토 타입은 2 ~ 3 주 (특수 라미네이션 및 테스트로 인해)가 소요되는 반면, 대량 생산 (10K+ 단위)은 4-6 주가 소요됩니다. 리드 타임은 강성 PCB보다 길지만 사용자 정의 플렉스 전용 PCB보다 짧습니다.

결론
Ridid-Flex PCB 구조는 균형을 잡는 마스터 클래스입니다. 강성 기판의 강도를 폴리이 미드의 유연성과 결합하여 전통적인 PCB가 할 수없는 곳에 맞는 보드를 만듭니다. 플렉스 세그먼트의 얇은 폴리이 미드에서 강성 세그먼트의 두꺼운 FR-4에 이르기까지 모든 층은 목적을 제공하며 모든 재료 선택은 성능에 영향을 미칩니다.

기판 두께, 구리 유형 및 접착제 선택이 유연성, 강도 및 신뢰성을 유발하는 방법을 이해함으로써 가장 어려운 애플리케이션의 요구를 충족시키는 Rigid-Flex PCB를 설계 할 수 있습니다. 접이식 전화, ​​자동차 센서 또는 위성 안테나를 구축하든 올바른 Rigid-Flex 구조는 그 어느 때보 다 작고 가볍고 내구성이 뛰어난 제품을 만드는 데 도움이됩니다.

기술이 계속 줄어들고 다목적 전자 제품에 대한 수요가 증가함에 따라 Ridid-Flex PCB는 혁신의 최전선에 남아있을 것입니다.