규칙을 꺾다: 동적 애플리케이션을 위한 유연한 회로 설계하기

유연한 회로는 경직된 PCB가 달성할 수 없는 컴팩트하고 가벼우며 적응 가능한 디자인을 가능하게 합니다. 웨어러블 기기부터 로봇 시스템에 이르기까지, 유연한 PCB는 지속적인 움직임이 요구되는 응용 프로그램에서 뛰어난 성능을 발휘합니다. 그러나 이러한 동적 환경은 회로 설계에 독특한 도전을 제시하며, 기술적 전문 지식과 전략적 계획의 혼합을 요구합니다.

이 블로그에서는 동적 응용 프로그램을 위한 유연한 회로 설계에 대해 살펴볼 것입니다. 재료 과학을 이해하는 것부터 흔히 발생하는 도전 과제를 해결하는 것까지, 이 블로그는 PCB 디자이너들이 내구성 있고 신뢰할 수 있는 유연한 회로 기판을 만들기 위해 필요한 통찰력을 제공할 것입니다.

동적 응용 프로그램에 유연한 회로가 필수적인 이유는 무엇인가요?

유연한 PCB는 좁은 공간에 맞춰 형태를 변형할 수 있고 반복적인 구부림과 비틀림을 견딜 수 있는 능력 때문에 돋보입니다. 이는 경직된 PCB가 실패할 수 있는 응용 프로그램에서 유용하게 사용됩니다. 예를 들면:

• 피트니스 트래커와 스마트워치와 같은 웨어러블 전자기기.
• 로봇 팔과 관절에서 지속적인 움직임을 처리해야 하는 로보틱스.
• 에어백, 센서, 내부 조명을 포함한 자동차 시스템.
• 최첨단 스마트폰과 휴대용 기기에서 접히고 말릴 수 있는 디스플레이.

이러한 동적 응용 프로그램은 성능을 저하시키지 않으면서 기계적 스트레스와 반복적인 움직임을 견딜 수 있는 디자인을 요구합니다. 

재료 과학

유연한 회로를 위해 선택하는 재료는 동적 응용 프로그램에서의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 필수 재료와 그 역할을 살펴보겠습니다:

기본 재료

• 폴리이미드(PI): 우수한 기계적 강도, 유연성 및 내열성으로 인해 유연 회로에 가장 일반적으로 사용되는 재료입니다.
• 액정 폴리머(LCP): 낮은 수분 흡수와 우수한 고주파 성능이 요구되는 응용 프로그램에 이상적입니다.

구리 유형

• 압연 어닐링(RA) 구리: 매끄러운 표면과 높은 연성으로 인해 동적 응용 프로그램에 선호됩니다. RA 구리는 전기 도금(ED) 구리에 비해 반복된 스트레스 하에서 균열이 발생할 가능성이 적습니다.
• 접착제 없는 라미네이트: 접착제 없는 구조는 층간 분리와 같은 잠재적 약점을 제거하고, 재료 두께를 줄여 반복적인 구부림에 대한 회로의 내구성을 향상시킵니다.

아래에는 북바인더 구조를 가진 예시 리지드-플렉스 스택업이 표시되어 있습니다. 이 스택업을 설계하는 접근 방식에 대해 이 기사에서 더 읽어보세요.

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성공을 위한 테스트: 동적 굽힘 및 플렉스 사이클 테스트

동적 환경을 위한 설계는 회로의 내구성을 검증하기 위해 엄격한 테스트를 요구합니다. 테스트는 실제 세계 조건을 모방하여 유연한 PCB의 수명과 신뢰성을 예측합니다.

핵심 시험 방법

• 플렉스 사이클 시험: 회로가 도체 피로가 시작되기 전에 견딜 수 있는 굽힘 횟수를 결정합니다.
• 비틀림 시험: 로봇 및 자동차 응용 분야에서 중요한 요소인 비틀림 응력을 처리할 수 있는 회로의 능력을 평가합니다.
• 환경 스트레스 시험: 열 사이클링 및 습기 저항 시험을 포함하여 가혹한 운영 조건을 시뮬레이션합니다.

동적 응용 분야에서 유연한 회로 설계 팁

동적 사용을 위한 유연한 PCB를 설계할 때 모든 세부 사항이 중요합니다. 작은 실수도 도체 균열, 층간 분리 또는 조기 실패로 이어질 수 있습니다. 다음은 몇 가지 필수 팁입니다:

트레이스 라우팅 최적화

• 날카로운 모서리보다 부드러운 곡선: 날카로운 모서리는 스트레스를 집중시켜 균열을 유발할 수 있습니다. 트레이스가 굽힘 영역을 지나야 하는 경우, 굽힘 영역에 45° 모서리를 배치하는 대신 곡선 트레이스를 사용하여 스트레스를 더 고르게 분배하세요.
• 평행 트레이스 방향: 굽힘 영역 근처에서 라우팅할 때, 굽힘 축에 평행하게 트레이스를 라우팅하여 유연하게 휘어질 때 기계적 스트레스를 줄이는 것을 고려하세요. 트레이스 사이에 충분한 공간을 두어 굽힘 영역에 너무 가깝게 떨어지지 않도록 하세요.

스트레스 집중을 줄이기 위해 비아를 교차 배치하세요

• 비아를 일직선으로 배열하지 마십시오. 이는 비아의 행을 따라 응력 집중을 일으키기 때문입니다. 대신 비아를 교차 배치하여 회로 전체에 응력을 고르게 분배하십시오.

패드와 비아에 눈물 모양 사용하기

• 눈물 모양의 패드는 트레이스와 패드의 접합 부위에서 응력 집중을 줄여 구부릴 때 기계적 실패를 방지합니다. 패드와 비아에 눈물 모양을 적용하는 방법에 대해 자세히 알아보기.

고응력 영역 강화하기

커넥터 영역과 솔더 조인트는 특히 응력을 많이 받습니다. 이러한 영역에서 과도한 구부림이나 반복적인 구부림이 발생하면 구리 패드가 박리되거나 솔더 조인트가 깨질 수 있습니다. 폴리이미드 강화재, 더 두꺼운 구리 층을 사용하거나 플렉스 회로를 하우징에 고정시키기 위해 마운팅 홀을 추가하는 것을 고려하십시오.

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유연한 솔더 마스크 선택하기

표준 솔더 마스크는 반복적인 구부림에 균열이 생길 수 있습니다. 그러나 동적인 움직임을 허용하면서 구리 트레이스를 보호할 수 있는 유연한 솔더 마스크 옵션(폴리이미드 커버레이로 알려짐)이 있습니다.

동적 유연 회로에서 흔히 발생하는 문제 해결하기

동적 응용 프로그램은 독특한 도전을 제시하지만, 선제적인 설계 전략으로 이러한 위험을 완화할 수 있습니다.

전도체 피로

반복적인 구부림은 구리 전도체에 미세 균열을 일으킬 수 있습니다.
해결책: 압연 어닐링 구리를 사용하고 적절한 굽힘 반경을 설계하여 스트레스를 줄입니다.

층간 분리

접착층이 있는 유연 회로는 스트레스나 높은 습도 하에서 층간 분리될 수 있습니다.
해결책: 접착제가 없는 라미네이트나 고결합 강도의 접착제를 선택하세요.

열 팽창 문제

재료 간의 팽창률 차이는 온도 변동이 있는 환경에서 기계적 스트레스를 유발할 수 있습니다.
해결책: 이 위험을 최소화하기 위해 열 팽창 계수(CTE)가 호환되는 재료를 선택하세요.

진동 유발 고장

자동차 및 항공우주 응용 분야에서 지속적인 진동은 회로의 무결성을 저하시킬 수 있습니다.
해결책: 보강된 강화재와 진동 감쇠 재료를 사용하세요.

다이내믹 유연 회로의 흥미로운 응용

유연 회로는 우리 시대의 가장 혁신적인 기술을 구동하고 있습니다. 여기 몇 가지 예시가 있습니다:

웨어러블 전자기기

스마트워치와 피트니스 트래커는 지속적인 움직임과 몸과의 밀접한 접촉에도 불구하고 기능을 유지하기 위해 유연 회로에 의존합니다.

접이식 장치

최신 스마트폰과 태블릿은 반복적으로 구부릴 수 있는 초박형 유연 회로를 통해 가능해진 접이식 디자인을 특징으로 합니다.

로봇 시스템

플렉스 회로는 일부 로봇 팔에서 사용되며, 이동 부품에 전력과 데이터를 전달하기 위해 비틀리고 구부러질 수 있습니다.

자동차

자동차의 일부 조명 시스템은 진동과 온도 극한을 견딜 수 있는 유연한 PCB를 요구합니다.

유연한 PCB 디자인의 신흥 트렌드

유연한 회로의 미래는 새로운 재료와 기술이 가능성의 경계를 넓히면서 흥미롭습니다. 현재 사용 가능한 더 진보된 상업 재료와 새로운 재료는 유연한 플랫폼에서 새로운 클래스의 전자 장치를 제공합니다.

신축성 회로

신축성 전자기기는 고무처럼 구부리고 늘릴 수 있어 의료 기기, 전자 섬유, 착용 가능 기술 등 새로운 용도를 가능하게 합니다.

고주파 응용

고주파/RF 구성 요소나 회로를 유연한 디자인에 구현하는 특정 디자인은 폴리이미드 혼합물보다 손실 탄젠트가 낮은 LCP와 같은 재료를 사용할 수 있습니다.

특히 폴리에틸렌(PET)과 같은 일부 유연한 PCB 재료는 가시광선의 모든 색깔에 대해 투명합니다. 이는 오렌지 빛에만 투명한 전통적인 폴리이미드와 대비됩니다.

전자 섬유

스마트 패브릭은 건강 모니터링, 증강 현실 의류 등의 응용 프로그램을 가능하게 하는 섬유에 직접 유연한 회로를 통합합니다.

결론: 동적 플렉스 회로 디자인의 예술을 마스터하기

동적 애플리케이션을 위한 유연한 회로 설계는 예술이자 과학입니다. 성공은 적절한 재료를 선택하고, 내구성에 대해 엄격하게 테스트하며, 기계적 스트레스를 완화하기 위한 최선의 방법을 사용하는 데에 달려 있습니다.

웨어러블과 로보틱스에서부터 자동차와 접이식 장치에 이르기까지, 유연한 PCB는 현대 혁신의 최전선에 있습니다. 도전과제를 선제적으로 해결하고 신흥 트렌드를 활용함으로써, PCB 설계자들은 가장 역동적인 환경의 요구 사항을 충족시킬 수 있는 강력한 회로를 만들 수 있습니다.