الـ Flex PCB مقابل الـ Rigid PCB: دليل كامل لاختيار لوحة الدوائر المناسبة

في عالم الإلكترونيات ، يشكّل الاختيار بين أقراص PCB المرنة (المرنة) والأقراص PCB الصلبة كل شيء من تصميم الجهاز إلى الأداء والتكلفة. في حين أن أقراص PCB الصلبة كانت منذ فترة طويلة معيار الصناعة,لقد أحدثت أقراص PCB المرنة ثورة في كيفية تعامل المهندسين مع الإلكترونيات المدمجة والمتينة وغير التقليدية من أجهزة تتبع اللياقة البدنية القابلة للارتداء إلى أجهزة استشعار الطيران.المزايا، والتطبيقات المثالية لكل منهما أمر بالغ الأهمية لاختيار اللوحة المناسبة لمشروعك.وتوفر رؤى قابلة للتنفيذ لمساعدتك على اتخاذ قرار بين PCBs مرنة وصلبة.

ما هي الـ PCB المرنة و الـ PCB الصلبة؟
في جوهرها ، كل من PCBs المرنة والصلبة تخدم نفس الغرض: ربط المكونات الإلكترونية لتمكين الوظائف. الفرق الحاسم يكمن في بنيتها ومرونتها.

الـ PCB المرنة
يتم تصنيع أقراص PCB المرنة (أقراص PCB المرنة) من أسطوانات رقيقة قابلة للثني ، عادةً ما تكون البوليميد (PI) ، وهو بوليمر عالي الأداء المعروف بمتانته ومقاومته للحرارة. غالبًا ما تشمل:

a. طبقة أساسية من البوليميد (25 ‰ 125μm سميكة) للاضطراب.
ب. آثار نحيفة من النحاس (1235μm) للحفاظ على التوصيل أثناء الانحناء.
c. غطاء وقائي (بولي أميد أو أكريليك) لعزل الآثار ومقاومة الإحراق.

يمكن أن ينحني ويتواءم ويتطوي مراراً وتكراراً دون إضرار الدوائر، مما يجعله مثاليًا للمساحات الضيقة أو الأجزاء المتحركة.

PCBات صلبة
يتم بناء PCBs الصلبة من الركائز الصلبة مثل الايبوكسي المقوى بالألياف الزجاجية (FR-4) ، وهي المادة الأكثر شيوعًا. تتضمن بنيتها:

a.قلب FR-4 سميك (0.4 ∼3.2 ملم) من أجل الصلابة.
ب. طبقات النحاس (18 ‰ 105μm) متصلة بالقلب.
c.قناع لحام والشاشة الحريرية للحماية والتسمية.

تحافظ أقراص PCB الصلبة على شكل ثابت ، مما يوفر الاستقرار للمكونات الثقيلة والتطبيقات ذات الطاقة العالية.

الاختلافات الرئيسية: الـ Flex PCB مقابل الـ Rigid PCB
يُقارن الجدول أدناه بين المقاييس الحاسمة لتسليط الضوء على كيفية اختلاف PCB المرنة والصلبة في الأداء والتكلفة والوظائف:

مزايا PCBs المرنة
تتفوق أقراص PCB المرنة في التطبيقات التي يكون فيها المساحة والوزن والمتانة أمرًا حاسمًا:

1توفير المساحة والوزن
تتخلص أقراص PCB المرنة من الحاجة إلى موصلات وأسلاك وأغلفة ضخمة ، مما يقلل من حجم الجهاز بنسبة 30 ٪ إلى 50 ٪ والوزن بنسبة 40 ٪ إلى 60 ٪. على سبيل المثال:

a.المنظار الطبي الذي يستخدم PCB مرن يتناسب مع عمود قطره 10 ملم ، في حين أن PCB جامد يحتاج إلى عمود 20 ملم.
b. تتبعات اللياقة البدنية القابلة للارتداء تستخدم PCBs مرنة لتخطيط معصم دون إضافة حجم.

2- الصمود في البيئات الديناميكية
الـ (بي سي بي) المرنة تزدهر حيث يكون الحركة أو الاهتزاز شائعاً:

دورات مرنة: تحتوي مواد البوليميد على 100000 + 180 درجة من الانحناءات، مما يجعلها مثالية للدوائر (على سبيل المثال، شاشات الهواتف القابلة للطي).
مقاومة الاهتزاز: تستخدم في ألواح أبواب السيارات والروبوتات الصناعية ، تتحمل أقراص PCB المرنة الأضرار الناجمة عن الحركة المستمرة على عكس أقراص PCB الصلبة ، والتي تتصدع تحت الضغط.

3المقاومة الحرارية والكيميائية
تعمل أقراص PCB المرنة من البوليميد بشكل موثوق في الظروف القاسية:

a. نطاق درجة الحرارة: من التبريد (-269 درجة مئوية) في مجال الطيران إلى الحرارة العالية (300 درجة مئوية) بالقرب من مكونات المحرك.
مقاومة الكيماويات: مقاومة الزيوت والمذيبات وسوائل الجسم، والتي تعتبر حاسمة للزرع الطبي وأجزاء السيارات تحت الغطاء.

4حرية التصميم
الأقراص المرنة تسمح بأشكال وتكوينات مستحيلة مع الألواح الصلبة:

a.3D التوافق (على سبيل المثال، لف حول الأسطح المنحنية مثل لوحات أداة السيارات).
ب.الاندماج في المساحات الضيقة (على سبيل المثال، بين خلايا البطارية في السيارات الكهربائية).

قيود PCBs المرنة
على الرغم من مزاياها ، فإن PCBs المرنة لها ميزات:
1تكلفة أعلى
تكلفة الـ PCB المرنة أكثر بـ 2 × 5 أضعاف من الـ PCB الصلبة بسبب:

المواد المتخصصة (البوليميد أغلى من FR-4).
ب. التصنيع المعقد (حفر بالليزر، طبقة دقيقة).
ج. أحجام إنتاج أقل (أبطأ من PCBs الصلبة).

2التوافق المحدود للمكونات
لا يمكن تركيب المكونات الثقيلة أو الكبيرة (مثل المحولات أو المكثفات الكبيرة) على الأقسام المرنة ، مما يتطلب مُصلحات صلبة تضيف التعقيد.

3قيود التصميم
a.عرض المسار / المسافة: الحد الأدنى لعرض المسار هو 3 ‰ 5 ميل (مقارنة بـ 2 ‰ 3 ميل لـ PCBs الصلبة) ، مما يحد من التصاميم عالية الكثافة.
صعوبة الإصلاح: من الصعب إصلاح الآثار التالفة أكثر من الأقراص الصلبة.

مزايا PCBات جامدة
الـ (بي سي بي) الصلبة تبقى حصان العمل في الإلكترونيات لسبب وجيه:
1انخفاض التكلفة والقدرة على التوسع
الفلبينات الصلبة تستفيد من عمليات التصنيع الناضجة:

a.إنتاج الكميات الكبيرة (100،000 وحدة) يؤدي إلى خفض التكاليف إلى 5 دولارات لكل لوحة (مقارنة مع 5 دولارات و 25 دولارا لـ flex PCBs).
b. متوافق مع خطوط التجميع الآلية، والحد من تكاليف العمالة.

2كثافة المكونات العالية
الأقراص الصلبة الالكترونية (PCB) تدعم:

أ. طبقات أكثر (تصل إلى 40+) للدارات المعقدة (مثل لوحات الخادم الأم).
ب. مكونات عالية الوضوح (0.3 ملم BGA) وميكروفيا، أمر بالغ الأهمية لتصميمات عالية السرعة مثل مودمات الجيل الخامس.

3تجميع و إصلاح سهل
a. ثقوب التثبيت الموحدة والأسطح المسطحة تبسط وضع المكونات.
أثر أو مكونات تالفة أسهل في إصلاحها بالأدوات التقليدية.

4إدارة الحرارة
الطبقات النحاسية الأكثر سمكاً (2 ′′ 6 أونصات) والمتغيرات ذات الأساس الألومنيومي تهدر الحرارة بشكل أفضل من أقراص PCB المرنة ، مما يجعل أقراص PCB الصلبة مثالية لأجهزة عالية الطاقة (مثل مصادر الطاقة ومراقبي المحرك).

قيود PCBات صلبة
الـ PCB الصلبة تكافح في التطبيقات التي تتطلب القدرة على التكيف:
1عدم المرونة
يحد الشكل الثابت من خيارات التصميم، وخاصة في الأجهزة المدمجة أو المنحنية. على سبيل المثال، لا يمكن أن يتناسب PCB جامد مع الهيكل المنحني للساعة الذكية.

2الوزن والحجم
تتطلب أقراص PCB الصلبة مساحة إضافية للموصلات وأحزمة الأسلاك ، مما يزيد من حجم الجهاز. سيكون الهاتف الذكي الذي يستخدم فقط أقراص PCB الصلبة 20 ٪ 30 ٪ أكثر سمكاً من أحد المكونات المرنة.

3حساسية الاهتزاز
تعرض PCBs الصلبة لفشل المفاصل في بيئات الاهتزاز العالي (مثل محركات السيارات) ، حيث ستمتص PCBs المرنة الصدمات.

التطبيقات المثالية لـ Flex PCBs
تتألق أقراص PCB المرنة في السيناريوهات التي تتطلب دقة أو متانة أو عوامل شكل غير تقليدية:
1إلكترونيات المستهلك
الهواتف القابلة للطي: تعمل أقراص PCB المرنة على آليات المفصل (على سبيل المثال ، سامسونج غالاكسي زي فولد).
الأجهزة القابلة للارتداء: تستخدم الساعات الذكية وأشرطة اللياقة البدنية PCBs المرنة لتشكيل المخططات للجسم.

2الأجهزة الطبية
الزرع: تستخدم أجهزة تنظيم ضربات القلب ومحفزات الأعصاب PCBs المرنة المتوافقة بيولوجيا (معتمدة بمعايير ISO 10993).
الأدوات الحد الأدنى من الغزو: تعتمد أجهزة الرؤية الداخلية وأجهزة الرؤية الداخلية على أقراص PCB المرنة للتنقل داخل الجسم.

3السيارات
أنظمة الداخلية: تتناسب أقراص PCB المرنة في لوحات الأداة المنحنية وألواح الأبواب لإضاءة البيئة.
أجهزة استشعار المحرك: تتحمل درجات الحرارة تحت الغطاء والاهتزاز بشكل أفضل من الأقراص الصلبة.

4الطيران
الأقمار الصناعية: الأقراص الصناعية المرنة خفيفة الوزن تقلل من تكاليف الإطلاق وتقاوم الإشعاع.
الطائرات بدون طيار: الأقراص الصناعية المرنة تتناسب في المساحات الضيقة في أجنحة الطائرات بدون طيار وأقواس الكاميرا.

التطبيقات المثالية لـ PCBs الصلبة
يتم تفضيل أقراص PCB الصلبة للأجهزة عالية الأداء أو الثابتة أو عالية الطاقة:
1الحوسبة والشبكات
الخوادم وأجهزة الكمبيوتر الشخصية: تدعم أقراص PCB الصلبة 20 + طبقة وذاكرة DDR5 عالية السرعة.
الموجهات والمفتاحات: التعامل مع معدلات البيانات 100Gbps + مع الحد الأدنى من فقدان الإشارة.

2المعدات الصناعية
أجهزة التحكم في المحركات: أقراص PCB صلبة مع نحاس سميك تتعامل مع التيارات العالية (100A +).
PLCs (المراقبين المنطقيين القابلين للبرمجة): أداء مستقر في بيئات المصنع.

3أجهزة المنزل
الثلاجات والتلفزيونات: تعمل أقراص PCB الصلبة ذات التكلفة المنخفضة على وظائف التحكم ذات الطاقة المنخفضة.

4إلكترونيات الطاقة
شاحنات الكهرباء الكهربائية: شاشات التشغيل الورقية الصلبة ذات النواة الألومنيومية تبعث الحرارة من المكونات عالية الجهد.

عندما تختار PCBs الصلبة المرنة: الحل الهجين
بالنسبة للعديد من التصاميم، توفر أقراص الـ"بي سي بي" الصلبة المرنة، التي تجمع بين الأقسام الصلبة للمكونات والأقسام المرنة للحركة، أفضل ما في العالمين. فهي مثالية ل:

أ.الأجهزة الطبية المحمولة: الأجزاء الصلبة تحتوي على البطاريات / أجهزة الاستشعار؛ الأجزاء المرنة تمكن من التعبئة.
ب.أداس السيارات: ربط الكاميرات والرادار في المساحات الضيقة تحت الغطاء دون أسلاك.
راديوات عسكرية: تتحمل الاهتزازات أثناء دمج الدوائر المعقدة.

تتكلف لوحات PCB الصلبة المرنة أكثر من لوحات PCB الصلبة ولكن أقل من استخدام لوحات متمردة وصلبة منفصلة مع مصابيح.

كيفية الاختيار: إطار قرار
استخدم هذه الأسئلة لتوجيه اختيارك:

1هل يتطلب الجهاز الانحناء أو الوصول إلى مساحة منحنية؟
نعم: PCB المرنة أو الصلبة المرنة.
لا: PCB جامدة.

2ما هو حجم الإنتاج؟
حجم كبير (> 10000 وحدة): PCBs الصلبة (تكلفة أقل لكل وحدة).
حجم منخفض (< 1000 وحدة): PCBs المرنة (مرونة التصميم تبرر التكلفة).

3هل يتضمن التصميم مكونات ثقيلة أو قوة عالية؟
نعم: PCB جامدة (دعم أفضل وإدارة حرارية).
لا: PCB المرن (أخف وزناً وأكثر تكثيفًا).

4هل سيتحمل الجهاز اهتزازات، درجات حرارة شديدة، أو مواد كيميائية؟
نعم: PCB المرن (متانة متفوقة).
لا: PCB جامدة (فعالة من حيث التكلفة).

دراسة حالة: مرنة مقابل صلبة في جهاز قابل للارتداء
كان مصنع ضمادة تتبع الصحة بحاجة إلى PCB الذي:

a. يتناسب مع غطاء منحني سميك 2 ملم.
ب. تحمل أكثر من 1000 ساعة من الاتصال بالجلد.
ج. أجهزة استشعار معتمدة لمعدل ضربات القلب ودرجة الحرارة.
نموذج البروتوكولات الصلبة الصلبة: سميك جدا (3 ملم) وثقيل؛ فشل بعد 500 ساعة بسبب تعب مفصل اللحام من حركة الجسم.
c. حل PCB المرن: 0.2mm سميكة، 60٪ أخف ؛ تحمل 2000+ ساعة من الاستخدام والحفاظ على سلامة الإشارة.

الأسئلة الشائعة
السؤال: هل يمكن لـ PCBs المرنة أن تحل محل PCBs الصلبة في جميع التطبيقات؟
ج: لا، إن أقراص PCB المرنة منخفضة التكلفة بالنسبة للأجهزة ذات الحجم الكبير والمعقدة المنخفضة (مثل أجهزة التحكم عن بعد) ولا يمكن أن تدعم المكونات الثقيلة أو عدد الطبقات العالي مثل أقراص PCB الصلبة.

س: هل الـ PCB المرنة أكثر موثوقية من الـ PCB الصلبة؟
ج: في البيئات الديناميكية (الاهتزاز ، الانحناء) ، نعم. في التطبيقات الثابتة ، عالية الطاقة ، أقراص PCB الصلبة أكثر موثوقية.

س: كم تكلفة PCB المرن مقارنة بـ PCB جامد؟
الجواب: تكلفة الأقراص المرنة 2 × 5 أضعاف للكميات الصغيرة، ولكن الفجوة تضيق لدورات الإنتاج الكبيرة (100،000 وحدة).

السؤال: هل يمكن لـ (Flex PCBs) التعامل مع إشارات عالية السرعة (5G، 10Gbps+) ؟
الجواب: نعم، مع أسطوانات البوليميد ذات الخسائر المنخفضة. يتم استخدام أقراص PCB المرنة في هوائيات 5G والاتصالات البيانية عالية السرعة في مجال الطيران.

الاستنتاج
لا تتنافس الأقراص PCB المرنة والصلبة ولكن تقنيات مكملة. تتفوق الأقراص PCB المرنة في البيئات المدمجة والديناميكية أو القاسية ، بينما تهيمن الأقراص PCB الصلبة في الحجم الكبير والقوة العالية ،أو أجهزة ثابتة معقدةوبالنسبة للعديد من الأجهزة الإلكترونية الحديثة، من الهواتف القابلة للطي إلى الزرع الطبي، فإن الحل الأمثل غالباً ما يتضمن مزيجاً من: الأجزاء الصلبة للأداء والأجزاء المرنة للتكيف.

من خلال مواءمة اختيارك مع عامل الشكل الخاص بجهازك، والبيئة، واحتياجات الإنتاج، سوف توازن التكلفة والأداء، والموثوقية.

المفتاح: يعتمد "أفضل" PCB على متطلبات تصميمك الفريدة.بينما توفر أقراص PCB الصلبة كفاءة التكلفة والأداء للتطبيقات القياسية.