लचीले बहुपरत पीसीबीः आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स में अनुप्रयोग, चुनौतियां और नवाचार

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लचीले मल्टीलेयर पीसीबी ने इंजीनियरों के इलेक्ट्रॉनिक्स डिजाइन करने के तरीके को बदल दिया है, जिससे उपकरण झुकने, मोड़ने और उन स्थानों में फिट होने में सक्षम हो गए हैं जिन्हें पहले असंभव माना जाता था।लचीले सब्सट्रेट की अनुकूलन क्षमता को बहुपरत वास्तुकला की जटिलता के साथ जोड़कर, ये बोर्ड छोटे, हल्के रूप कारकों में अधिक कार्यक्षमता पैक करते हैं जो पहनने योग्य, चिकित्सा उपकरणों और ऑटोमोटिव सिस्टम के लिए महत्वपूर्ण हैं। फिर भी उनके अद्वितीय लाभ अद्वितीय चुनौतियों के साथ आते हैं,विनिर्माण परिशुद्धता से लेकर सामग्री की सीमाओं तकयहाँ एक गहन गोता है कि लचीले बहुस्तरीय पीसीबी कैसे काम करते हैं, वे कहां उत्कृष्ट हैं, और उनकी सबसे आम बाधाओं को कैसे दूर किया जाए।

महत्वपूर्ण बातें
1लचीले बहुपरत पीसीबी में मोड़ योग्य सब्सट्रेट (जैसे, पॉलीमाइड) पर तांबे के निशान की 2-12 परतें शामिल हैं, जो एकल-परत लचीले पीसीबी की तुलना में 40% अधिक घटक घनत्व प्रदान करते हैं।
2वे 3 डी अनुरूपता, कंपन प्रतिरोध और अंतरिक्ष दक्षता की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों में पनपते हैं, फोल्डेबल फोन से लेकर प्रत्यारोपित चिकित्सा उपकरणों तक।
3विनिर्माण चुनौतियों में परत संरेखण (±5μm सहिष्णुता), सामग्री संगतता और दोहराए गए झुकने में विश्वसनीय इंटरकनेक्शन सुनिश्चित करना शामिल है।
4कठोर पीसीबी की तुलना में, वे वायरिंग हार्नेस और कनेक्टरों को समाप्त करके जटिल प्रणालियों में 35 प्रतिशत तक असेंबली त्रुटियों को कम करते हैं।

लचीले बहुपरत पीसीबी क्या हैं?

लचीले बहुपरत पीसीबी को कई परतों में विद्युत प्रदर्शन बनाए रखते हुए झुकने, मोड़ने या तह करने के लिए इंजीनियर किया गया है। उनकी संरचना में शामिल हैंः
1. बेस सब्सट्रेट: पतली पॉलीमाइड (पीआई) या पॉलिएस्टर (पीईटी) फिल्म (25 ¢ 125μm मोटी) जो बार-बार झुकने (10,000+ चक्र) का सामना करती है।
2. तांबा परतें: 1/3 ′′2 औंस तांबा के निशान (25 ′′70μm मोटी) सर्किट में पैटर्न, dielectric परतों द्वारा अलग कर रहे हैं।
3चिपकने वाला पदार्थ: पतला बंधने वाला पदार्थ (अक्सर एक्रिलिक या एपॉक्सी) जो लचीलापन को कम किए बिना परतों को टुकड़े करते हैं।
4कवरिंगः सुरक्षात्मक फिल्में (पॉलीमाइड या सोल्डर मास्क) जो नमी, घर्षण और रसायनों से निशानों को सुरक्षित करती हैं।

सिंगल लेयर फ्लेक्स पीसीबी के विपरीत, जो सरल सर्किट को संभालते हैं, मल्टीलेयर डिजाइन जटिल कार्यों का समर्थन करते हैंः बिजली वितरण, उच्च गति संकेत,और मिश्रित-संकेत एकीकरण एक रूप कारक में सब जो एक स्मार्टवॉच के अंदर फिट बैठता है या एक रोबोट हाथ के चारों ओर लपेटता है.

अन्य पीसीबी प्रकारों के साथ लचीले बहुपरत पीसीबी की तुलना कैसे करें

महत्वपूर्ण अनुप्रयोगः जहां लचीले बहुपरत पीसीबी चमकते हैं
लचीलापन और जटिलता का उनका अनूठा मिश्रण इन पीसीबी को चार प्रमुख उद्योगों में अपरिहार्य बनाता हैः

1उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्सः फोल्डेबल नवाचार को सक्षम बनाना
फोल्डेबल स्मार्टफोन और टैबलेट चार-छह परतों वाले लचीले पीसीबी पर निर्भर करते हैं।5G सिग्नल और पावर को फोल्ड के पार प्रसारित करने के लिए 25μm के निशान के साथ 6 लेयर फ्लेक्स पीसीबी का उपयोग करता है, 200,000+ गुना (उपयोग के 5 वर्षों के बराबर) का सामना करने के लिए। ये पीसीबीः
a.बड़े कनेक्टरों को समाप्त करें, डिवाइस की मोटाई को 20% तक कम करें।
b.उच्च गति डेटा का समर्थन (USB 3.2, 10Gbps) के बीच फोल्ड किए गए अनुभागों.
c. -20°C से 60°C के तापमान (जेब या बैग वातावरण के लिए विशिष्ट) का सामना करना।

2चिकित्सा उपकरण: संकीर्ण स्थानों में सटीकता
पहनने योग्य ईसीजी मॉनिटर से लेकर एंडोस्कोपिक उपकरण तक, चिकित्सा उपकरणों में जैव संगतता, लघुकरण और विश्वसनीयता की आवश्यकता होती है। लचीले बहुपरत पीसीबी प्रदान करते हैंः
a.इम्प्लांटेबल डिवाइसः 4-स्तर वाले पॉलीमाइड पीसीबी (0.1 मिमी मोटी) पावर पेसमेकर और न्यूरोस्टिमुलेटर, शरीर की गति के साथ झुकाव के बिना ऊतक को नुकसान पहुंचाते हैं।उनकी जैव संगत सामग्री (यूएसपी वर्ग VI) 10+ वर्षों तक तरल पदार्थ अवशोषण का विरोध करती है.
b.निदान उपकरणः अल्ट्रासाउंड जांच में 6-परत फ्लेक्स पीसीबी के कारण केबल की मात्रा 50% कम हो जाती है, जिससे उच्च आवृत्ति (1020MHz) इमेजिंग में सिग्नल अखंडता बनाए रखते हुए डॉक्टरों के लिए गतिशीलता में सुधार होता है।

3ऑटोमोटिव सिस्टमः कठोर वातावरण में स्थायित्व
आधुनिक कारें तंग, कंपन-प्रवण क्षेत्रों में लचीले बहु-परत पीसीबी का उपयोग करती हैंः
ए.एडीएएस सेंसरः लीडार मॉड्यूल में 4-परत फ्लेक्स पीसीबी 20 जी कंपन (गंभीर सड़कों) और -40 डिग्री सेल्सियस से 125 डिग्री सेल्सियस के तापमान का सामना करते हैं, जो सभी मौसम में लगातार प्रदर्शन सुनिश्चित करते हैं।
b.इंटीरियर इलेक्ट्रॉनिक्सः दरवाजे के पैनलों और सीट सेंसर में 2 ′′ 4 परत डिजाइन वायरिंग हार्नेस की जगह लेते हैं, प्रति वाहन 3 किलोग्राम वजन में कटौती करते हैं और 35 प्रतिशत तक असेंबली त्रुटियों को कम करते हैं।

4औद्योगिक एवं एयरोस्पेस: मजबूत लचीलापन
रोबोटिक्स और एयरोस्पेस में, ये पीसीबी चरम परिस्थितियों में जीवित रहते हैंः
a.रोबोटिक आर्म्सः प्रबलित तांबे (2 औंस) के साथ 6-परत फ्लेक्स पीसीबी ग्रिपर को नियंत्रकों से जोड़ते हैं, बिना थकान के 100,000+ बार झुकते हैं।
उपग्रह प्रणालियांः पॉलीमाइड सब्सट्रेट (२००° से २६०° सेल्सियस तक की सहिष्णुता) के साथ ८-परत पीसीबी अंतरिक्ष में विकिरण और थर्मल साइक्लिंग को संभालती हैं, जो ५जी उपग्रह संचार का समर्थन करती हैं।

विनिर्माण चुनौतियाँः लचीलापन के लिए इंजीनियरिंग
लचीले बहुस्तरीय पीसीबी के उत्पादन के लिए पारंपरिक कठोर बोर्डों से परे सटीकता की आवश्यकता होती है। प्रमुख बाधाओं में शामिल हैंः

1. परत संरेखण
मल्टीलेयर डिजाइनों में परतों के बीच तंग पंजीकरण (संरेखण) की आवश्यकता होती है, यहां तक कि 10μm का गलत संरेखण शॉर्ट सर्किट या निशान तोड़ सकता है। निर्माता उपयोग करते हैंः
a.लेजर संरेखणः प्रत्येक परत पर इन्फ्रारेड मार्कर लेमिनेशन के दौरान ±5μm सटीकता सुनिश्चित करते हैं।
b. अनुक्रमिक टुकड़े टुकड़े करनाः एक समय में एक-एक करके परतें बनाना (बैच टुकड़े टुकड़े करने के विपरीत) 8+ परत डिजाइनों के लिए महत्वपूर्ण, warpage को कम करता है।
आईपीसी के एक अध्ययन में पाया गया है कि खराब संरेखण 28% लचीले पीसीबी विफलताओं का कारण बनता है, जिससे यह विनिर्माण की शीर्ष चुनौती बन जाती है।

2सामग्री संगतता
सभी सामग्री फ्लेक्स पीसीबी में अच्छी तरह से एक साथ नहीं खेलती हैंः
चिपकने वाले बनाम लचीलापनः मोटे चिपकने वाले चिपकने में सुधार करते हैं, लेकिन बोर्ड को कठोर करते हैं; पतले चिपकने वाले (25μm) लचीलापन बनाए रखते हैं लेकिन विघटन का जोखिम उठाते हैं।
बी.कॉपर मोटाईः मोटी तांबा (2 औंस) वर्तमान हैंडलिंग में सुधार करता है लेकिन मोड़ को कम करता है। अधिकांश डिजाइन ताकत और लचीलेपन के संतुलन के लिए 1⁄2 ′′ 1 औंस तांबा का उपयोग करते हैं।
c. तापमान प्रतिरोधः पॉलीमाइड सब्सट्रेट 260°C के लिए सोल्डरिंग का सामना करते हैं, लेकिन चिपकने वाले 180°C से ऊपर गिरावट आ सकती है, जिससे पुनर्मिलन के विकल्प सीमित हो जाते हैं।

3विश्वसनीयता के माध्यम से
लचीले पीसीबी में परतों को जोड़ने के लिए विशेष माध्यमों की आवश्यकता होती हैः
a.Microvias: छोटे व्यास के छेद (50-150μm) लेजर के साथ परतों के माध्यम से ड्रिल किए जाते हैं, झुकने के दौरान चालकता बनाए रखने के लिए तांबे से लेपित होते हैं।
b. स्टैक किए गए विआसः ओवरलैपिंग माइक्रोविया के साथ 2+ परतों को जोड़ना, लेकिन दरारों से बचने के लिए सटीक ड्रिलिंग की आवश्यकता होती है।
फ्लेक्स पीसीबी में सबसे कमजोर बिंदु वेस होते हैं ∙ 35% फील्ड विफलताओं का कारण बार-बार झुकने से थकान होती है। निर्माता ∙बेंड साइक्लिंग के साथ अखंडता परीक्षण करते हैं ∙विश्वसनीयता सुनिश्चित करने के लिए 10 गुना मोटाई के त्रिज्या पर 000 चक्र).

4. लागत और स्केलेबिलिटी
लचीले बहुस्तरीय पीसीबी की कीमत कठोर पीसीबी की तुलना में 3 से 5 गुना अधिक है क्योंकिः
a.विशेष सामग्री (पॉलीमाइड FR-4 से 2 गुना अधिक महंगी है) ।
b.मजदूरी से भरपूर टुकड़े टुकड़े करना और निरीक्षण करना।
कड़े गुणवत्ता मानकों के कारण कम उपज (85% बनाम 95% कठोर पीसीबी के लिए)
उच्च मात्रा वाले अनुप्रयोगों (जैसे, 1M+ इकाइयों) के लिए, पैमाने की अर्थव्यवस्थाएं लागतों को 20-30% तक कम करती हैं, लेकिन कम मात्रा वाले परियोजनाओं को पूरा प्रीमियम मिलता है।

विश्वसनीय लचीली बहुस्तरीय पीसीबी के लिए सर्वोत्तम प्रथाओं का डिजाइन
इंजीनियर इन डिजाइन रणनीतियों के साथ चुनौतियों को कम कर सकते हैंः

1. बेंड जोन का अनुकूलन करें
झुकने की त्रिज्याः कभी भी स्थिर अनुप्रयोगों के लिए 1x मोटाई से अधिक तंग न करें (उदाहरण के लिए, 1 मिमी बोर्ड को ≥1 मिमी त्रिज्या की आवश्यकता होती है) या गतिशील झुकने के लिए 5x मोटाई (उदाहरण के लिए, रोबोटिक हथियार) ।
निशान अभिविन्यासः तनाव को कम करने के लिए घुमाव अक्ष के समानांतर निशान चलाएं 5 गुना तेजी से लंबवत निशान दरारें।
कठोर करने वालेः लचीलापन से संबंधित क्षति को रोकने के लिए गैर-बेंडिंग क्षेत्रों (जैसे, कनेक्टर माउंटिंग पॉइंट्स) में कठोर अनुभाग (FR-4 या धातु) जोड़ें।

2सामग्री का चयन
सब्सट्रेटः बहुलमीड (पीआई) अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए मानक है (तापमान सीमाः -200°C से 260°C) । कम लागत के लिए, पॉलिएस्टर (पीईटी) -40°C से 120°C (जैसे, उपभोक्ता गैजेट्स) के लिए काम करता है।
चिपकने वाले पदार्थ: लचीलापन के लिए एक्रिलिक चिपकने वाले या उच्च तापमान (१८० डिग्री सेल्सियस तक) प्रतिरोध के लिए एपॉक्सी का उपयोग करें।
कवरलेयर्स: सोल्डर मास्क कवरलेयर्स (तरल या सूखी फिल्म) चिकित्सा प्रत्यारोपण के लिए महत्वपूर्ण थोक जोड़ने के बिना निशान की रक्षा करते हैं।

3सिग्नल अखंडता
लचीले पीसीबी में उच्च गति संकेत (10GHz+) अद्वितीय चुनौतियों का सामना करते हैंः
प्रतिबाधा नियंत्रणः ट्रैक चौड़ाई (35 मिलीलीटर) और डाइलेक्ट्रिक मोटाई (24 मिलीलीटर) को समायोजित करके 50Ω (एकल-अंत) या 100Ω (अंतर) बनाए रखें।
हानि में कमीः 5जी या रडार अनुप्रयोगों के लिए कम हानि वाले डाईलेक्ट्रिक्स (जैसे, रोजर्स आरओ 3003) का उपयोग करें, मानक पॉलीमाइड की तुलना में 40% तक सिग्नल क्षीणन को कम करें।

4परीक्षण और सत्यापन
थर्मल साइक्लिंगः उम्र बढ़ने का अनुकरण करने के लिए -40°C से 125°C पर 1,000 चक्रों के लिए परीक्षण।
झुकने का परीक्षणः 10,000+ गतिशील झुकने के साथ सत्यापित करें, प्रत्येक चक्र के साथ खुलने / शॉर्ट्स की जांच करें।
पर्यावरणीय परीक्षणः नमी प्रतिरोध सुनिश्चित करने के लिए 1000 घंटों के लिए 85°C/85% आरएच के संपर्क में रखें।

भविष्य के रुझान: लचीले बहुस्तरीय पीसीबी में नवाचार
निर्माता और शोधकर्ता चुनौतियों का सामना सफलताओं के साथ कर रहे हैंः
a.अडेसिवलेस लेमिनेशनः बिना चिपकने वाले (सीधे तांबे-पोलीमाइड बंधन का उपयोग करके) को बांधने वाली परतें लचीलापन और तापमान प्रतिरोध में सुधार करती हैं।
b.3D प्रिंटिंगः घुमावदार सब्सट्रेट पर प्रवाहकीय निशानों को प्रिंट करना, जिससे और भी अधिक जटिल ज्यामिति संभव होती है।
c. स्व-चिकित्सीय सामग्रीः प्रयोगात्मक बहुलक जो डायलेक्ट्रिक्स में छोटे दरारों की मरम्मत करते हैं, जीवनकाल को 2×3 गुना बढ़ाते हैं।

सामान्य प्रश्न
प्रश्न: लचीले पीसीबी के लिए अधिकतम परतों की संख्या क्या है?
उत्तरः वाणिज्यिक लचीले बहुपरत पीसीबी 12 परतों पर टॉप करते हैं, हालांकि एयरोस्पेस प्रोटोटाइप 16 परतों का उपयोग करते हैं। अधिक परतें कठोरता को बढ़ाती हैं, झुकने के अनुप्रयोगों के लिए व्यावहारिकता को सीमित करती हैं।
प्रश्न: क्या लचीले बहुस्तरीय पीसीबी उच्च शक्ति को संभाल सकते हैं?
उत्तरः मध्यम रूप से। वे कम शक्ति वाले उपकरणों (पहनने योग्यः <5W) और मध्यम शक्ति वाले सिस्टम (ऑटोमोटिव सेंसरः 5 ′′ 20W) के लिए काम करते हैं। उच्च शक्ति (> 20W) के लिए, वे कम शक्ति वाले उपकरणों (पहने जाने वालेः <5W) और मध्यम शक्ति वाले सिस्टम (ऑटोमोटिव सेंसरः 5 ′′ 20W) के लिए काम करते हैं।धातु-कोर फ्लेक्स पीसीबी (एमसीपीसीबी) गर्मी फैलाने के लिए एल्यूमीनियम परतें जोड़ते हैं.
प्रश्न: कठोर वातावरण में लचीले पीसीबी कितने समय तक टिकते हैं?
उत्तरः उचित डिजाइन के साथ, औद्योगिक सेटिंग्स (कंपन, तापमान में उतार-चढ़ाव) में 5 से 10 वर्ष और स्थिर वातावरण (चिकित्सा प्रत्यारोपण, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स) में 10 से अधिक वर्ष।

निष्कर्ष
लचीले बहुपरत पीसीबी इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए क्या कर सकते हैं, इसकी नई परिभाषा दे रहे हैं जो पहले से कहीं अधिक छोटे, हल्के और एकीकृत उपकरणों को सक्षम करते हैं।जबकि विनिर्माण चुनौतियां जैसे संरेखण और लागत बनी हुई हैं, सामग्री और प्रक्रियाओं में नवाचार इन पीसीबी को अधिक अनुप्रयोगों के लिए सुलभ बना रहे हैं।विश्वसनीयता सुनिश्चित करने के लिए डिजाइन सर्वोत्तम प्रथाओं का लाभ उठानाजैसे-जैसे फोल्डेबल टेक्नोलॉजी, इम्प्लांटेबल डिवाइस और स्मार्ट मशीनरी की मांग बढ़ेगी, लचीले मल्टीलेयर पीसीबी इलेक्ट्रॉनिक नवाचार में सबसे आगे रहेंगे।