De structuur van stijf-flex PCB's begrijpen: lagen, componenten en hoe ze veelzijdige elektronica mogelijk maken

Rigid-flex printplaten hebben een revolutie teweeggebracht in het ontwerp van compacte, duurzame elektronica - van opvouwbare smartphones tot automobiele sensormodules - door de structurele stabiliteit van rigide printplaten te combineren met de flexibiliteit van flexibele circuits. In tegenstelling tot traditionele rigide printplaten (vaste vorm) of flex-only printplaten (beperkt aantal lagen), integreren rigid-flex ontwerpen beide formaten in een enkele, naadloze structuur. Maar hun veelzijdigheid hangt af van een precieze, gelaagde architectuur: elk onderdeel - van flexibele substraten tot lijmverbindingen - speelt een cruciale rol bij het balanceren van flexibiliteit, sterkte en elektrische prestaties.

Deze gids ontrafelt de structuur van rigid-flex printplaten en ontleedt de functie van elke laag, materiaalkeuzes en hoe ze samenwerken. We vergelijken rigid-flex structuren met rigide en flex-only alternatieven, verkennen belangrijke ontwerpoverwegingen en leggen uit hoe structurele keuzes van invloed zijn op real-world toepassingen. Of u nu ontwerpt voor wearables, de lucht- en ruimtevaart of automobiele systemen, inzicht in de rigid-flex printplaatstructuur helpt u producten te creëren die kleiner, lichter en betrouwbaarder zijn.

Belangrijkste punten
1. Hybride structuur: Rigid-flex printplaten combineren rigide segmenten (voor het monteren van componenten) en flexibele segmenten (voor buigen) in één geïntegreerde printplaat, waardoor connectoren tussen afzonderlijke printplaten overbodig worden.
2. Gelaagde architectuur: Kerncomponenten omvatten flexibele substraten (polyimide), rigide substraten (FR-4), koperbanen, lijmen en beschermende afwerkingen - elk geselecteerd op duurzaamheid en prestaties.
3. Flexibiliteitsdrijvers: De structuur van het flexibele segment (dunne substraten, ductiel koper) maakt meer dan 10.000 buigcycli mogelijk zonder scheuren in de banen, cruciaal voor dynamische toepassingen.
4. Sterktedrijvers: Rigide segmenten gebruiken dikkere substraten en verstevigingslagen om zware componenten (bijv. BGAs, connectoren) te ondersteunen en mechanische spanning te weerstaan.
5. Kosten-baten: Hoewel complexer om te produceren, verminderen rigid-flex structuren de montagekosten met 30-50% (minder connectoren, minder bedrading) en verbeteren ze de betrouwbaarheid door faalpunten te elimineren.

De basisstructuur van een rigid-flex printplaat
De structuur van een rigid-flex printplaat wordt bepaald door twee afzonderlijke maar geïntegreerde segmenten: rigide segmenten (voor stabiliteit) en flexibele segmenten (voor flexibiliteit). Deze segmenten delen gemeenschappelijke lagen (bijv. koperbanen), maar verschillen in substraatmaterialen en dikte om hun unieke rollen te vervullen.
Hieronder volgt een overzicht van de kerncomponenten, beginnend bij de binnenste laag tot de buitenste beschermende afwerking.

1. Kernsubstraten: De basis van rigiditeit en flexibiliteit
Substraten zijn de niet-geleidende basislagen die koperbanen ondersteunen. Rigide en flexibele segmenten gebruiken verschillende substraten om sterkte en flexibiliteit in evenwicht te brengen.

Flexibele segment substraten
Flexibele segmenten vertrouwen op dunne, duurzame polymeren die bestand zijn tegen herhaaldelijk buigen:
 Primair materiaal: Polyimide (PI): De industriestandaard voor flexibele substraten, polyimide biedt:
     Temperatuurbestendigheid: -269°C tot 300°C (overleeft reflow solderen en zware omgevingen).
     Flexibiliteit: Kan buigen tot radii van slechts 5x de dikte (bijv. een 50µm PI-laag buigt tot een radius van 250µm).
     Chemische bestendigheid: Inert voor oliën, oplosmiddelen en vochtigheid - ideaal voor automobiel- en industrieel gebruik.
 Dikte: Meestal 25-125µm (1-5mil); dunnere substraten (25-50µm) maken strakkere bochten mogelijk, terwijl dikkere (100-125µm) meer stabiliteit bieden voor langere flexibele segmenten.
 Alternatieven: Voor ultra-hoge temperatuurtoepassingen (200°C+) wordt vloeibaar kristalpolymeer (LCP) gebruikt - hoewel het duurder is dan polyimide.

Rigide segment substraten
Rigide segmenten gebruiken rigide, versterkte materialen om componenten te ondersteunen en spanning te weerstaan:
  Primair materiaal: FR-4: Een glasvezelversterkt epoxy laminaat dat biedt:
      Mechanische sterkte: Ondersteunt zware componenten (bijv. 10g BGAs) en is bestand tegen kromtrekken tijdens de montage.
      Kosteneffectiviteit: Het meest betaalbare rigide substraat, geschikt voor consumenten- en industriële toepassingen.
      Elektrische isolatie: Volume weerstand >10¹⁴ Ω·cm, waardoor kortsluiting tussen banen wordt voorkomen.
  Dikte: 0,8-3,2 mm (31-125mil); dikkere substraten (1,6-3,2 mm) ondersteunen grotere componenten, terwijl dunnere (0,8 mm) worden gebruikt voor compacte ontwerpen (bijv. wearables).
  Alternatieven: Voor hoogfrequente toepassingen (5G, radar) vervangt Rogers 4350 (een low-loss laminaat) FR-4 om signaalverzwakking te minimaliseren.

2. Koperbanen: Geleidende paden over segmenten
Koperbanen voeren elektrische signalen en stroom tussen componenten, over zowel rigide als flexibele segmenten. Hun structuur verschilt enigszins om flexibiliteit in flexibele segmenten te accommoderen.

Flexibele segment koper
Flexibele segmenten vereisen ductiel koper dat bestand is tegen scheuren tijdens het buigen:
  Type: Gewalst-geglooid (RA) koper: Gloeien (warmtebehandeling) maakt RA-koper ductiel, waardoor meer dan 10.000 buigcycli (180° bochten) zonder falen mogelijk zijn.
  Dikte: 12-35µm (0,5-1,4oz); dunner koper (12-18µm) buigt gemakkelijker, terwijl dikker (35µm) hogere stromen geleidt (tot 3A voor een 0,2 mm baan).
  Patroonontwerp: Banen in flexibele segmenten gebruiken gebogen of 45° hoeken (niet 90°) om spanning te verdelen - 90° hoeken fungeren als spanningspunten en scheuren na herhaaldelijk buigen.

Rigide segment koper
Rigide segmenten geven prioriteit aan stroomcapaciteit en fabricagegemak:
  Type: Elektrodeponeerd (ED) koper: ED-koper is minder ductiel dan RA-koper, maar goedkoper en gemakkelijker te patroonen voor dichte circuits.
  Dikte: 18-70µm (0,7-2,8oz); dikker koper (35-70µm) wordt gebruikt voor stroombanen (bijv. 5A+ in automobiele ECU's).
  Patroonontwerp: 90° hoeken zijn acceptabel, omdat rigide segmenten niet buigen - waardoor dichtere baanrouting mogelijk is voor componenten zoals QFP's en BGAs.

3. Lijmen: Rigide en flexibele segmenten verbinden
Lijmen zijn cruciaal voor het integreren van rigide en flexibele segmenten in één printplaat. Ze moeten verschillende materialen (polyimide en FR-4) verbinden en tegelijkertijd flexibiliteit behouden in flexibele segmenten.

Belangrijkste lijmvereisten
  Flexibiliteit: Lijmen in flexibele segmenten moeten uitrekken (≥100% rek) zonder te scheuren - anders zullen ze loslaten tijdens het buigen.
  Temperatuurbestendigheid: Bestand tegen reflow solderen (240-260°C) en bedrijfstemperaturen (-40°C tot 125°C voor de meeste toepassingen).
  Hechtsterkte: Hechtsterkte ≥1,5 N/mm (per IPC-TM-650) om delaminatie tussen lagen te voorkomen.

Veelvoorkomende lijmtypen

Toepassingsnotities
  Lijmen worden aangebracht als dunne films (25-50µm) om te voorkomen dat er bulk aan flexibele segmenten wordt toegevoegd.
  In "lijmloze" rigid-flex ontwerpen (gebruikt voor hoogfrequente toepassingen) wordt koper direct op polyimide gebonden zonder lijm - waardoor signaalverlies wordt verminderd, maar de kosten toenemen.

4. Soldeermasker: Banen beschermen en solderen mogelijk maken
Soldeermasker is een beschermende polymeercoating die wordt aangebracht op zowel rigide als flexibele segmenten om:
  Kortsluiting tussen aangrenzende banen te voorkomen.
  Koper te beschermen tegen oxidatie en corrosie.
  Gebieden te definiëren waar soldeer hecht (pads) tijdens de montage.

Flexibele segment soldeermasker
Flexibele segmenten vereisen soldeermasker dat buigt zonder te scheuren:
  Materiaal: Polyimide-gebaseerd soldeermasker: rekt ≥100% uit en behoudt de hechting tijdens het buigen.
  Dikte: 25-38µm (1-1,5mil); dunner masker (25µm) buigt gemakkelijker, maar biedt minder bescherming.
  Kleur: Transparant of groen - transparant masker wordt gebruikt voor wearables waar esthetiek belangrijk is.

Rigide segment soldeermasker
Rigide segmenten gebruiken standaard soldeermasker voor kosten en duurzaamheid:
  Materiaal: Epoxy-gebaseerd soldeermasker: Rigide maar duurzaam, met uitstekende chemische bestendigheid.
  Dikte: 38-50µm (1,5-2mil); dikker masker biedt betere bescherming voor industriële toepassingen.
  Kleur: Groen (meest voorkomend), blauw of zwart - groen heeft de voorkeur voor AOI (Automated Optical Inspection) compatibiliteit.

5. Oppervlakteafwerking: Zorgt voor soldeerbaarheid en corrosiebestendigheid
Oppervlakteafwerkingen worden aangebracht op blootgestelde koperen pads (in beide segmenten) om de soldeerbaarheid te verbeteren en oxidatie te voorkomen.
Veelvoorkomende afwerkingen voor rigid-flex printplaten

Segment-specifieke keuzes
  Flexibele segmenten gebruiken vaak ENIG: De ductiliteit van goud is bestand tegen buigen en nikkel voorkomt koperdiffusie in de soldeerverbinding.
  Rigide segmenten kunnen HASL gebruiken voor kostenbesparingen - hoewel ENIG de voorkeur heeft voor fijn-pitch componenten.

6. Verstevigingslagen (optioneel): Sterkte toevoegen aan kritieke gebieden
Verstevigingslagen zijn optioneel maar gebruikelijk in rigid-flex printplaten om sterkte toe te voegen aan gebieden met hoge belasting:
Locatie: Toegepast op flex-rigide overgangszones (waar de buigspanning het hoogst is) of onder zware componenten (bijv. connectoren) in rigide segmenten.
Materialen:
   Kevlar of glasweefsel: Dunne, flexibele stoffen die op flexibele segmenten zijn gebonden om scheuren te voorkomen.
   Dunne FR-4 strips: Toegevoegd aan rigide segmenten onder connectoren om mechanische spanning tijdens het koppelen/ontkoppelen te weerstaan.
Dikte: 25-100µm - dik genoeg om sterkte toe te voegen zonder de flexibiliteit te verminderen.

Rigid-Flex vs. Rigide vs. Flex-Only printplaten: Structurele vergelijking
Om te begrijpen waarom rigid-flex printplaten uitblinken in bepaalde toepassingen, vergelijkt u hun structuren met traditionele alternatieven:

Belangrijkste structurele voordelen van Rigid-Flex
1. Geen connectoren: Door rigide en flexibele segmenten te integreren, worden 2-10 connectoren per printplaat geëlimineerd, waardoor de montagetijd en faalpunten worden verminderd (connectoren zijn een belangrijke oorzaak van printplaatfouten).
2. Ruimte-efficiëntie: Rigid-flex printplaten passen in 30-50% minder volume dan multi-board rigide systemen - cruciaal voor wearables en automobiele sensormodules.
3. Gewichtbesparing: 20-40% lichter dan rigide multi-board systemen, dankzij minder componenten en bedrading.

Hoe de Rigid-Flex structuur de prestaties en betrouwbaarheid beïnvloedt
Elke structurele keuze - van substraatdikte tot kopertype - heeft direct invloed op hoe een rigid-flex printplaat presteert in real-world toepassingen. Hieronder staan belangrijke prestatiemetingen en hun structurele drijfveren:
1. Flexibiliteit en duurzaamheid
Drijver: Flexibele segment substraatdikte en kopertype. Een 50µm polyimide substraat met 18µm RA koper buigt tot een radius van 250µm en overleeft meer dan 15.000 cycli.
Faalrisico: Het gebruik van ED-koper in flexibele segmenten veroorzaakt scheuren in de banen na 1.000-2.000 cycli - RA-koper is ononderhandelbaar voor dynamische toepassingen.

Toepassingsvoorbeeld: De scharnier van een opvouwbare smartphone gebruikt een 50µm polyimide flexibel segment met 18µm RA koper, waardoor meer dan 200.000 vouwen mogelijk zijn (de typische levensduur van een opvouwbaar apparaat).

2. Signaalintegriteit
Drijver: Substraatmateriaal en lijmkeuze. Polyimide heeft een laag diëlektrisch verlies (Df <0,002 bij 10 GHz), waardoor het ideaal is voor hoogfrequente signalen.Risicobeperking: Lijmloze ontwerpen (geen lijm tussen koper en polyimide) verminderen signaalverlies met 30% ten opzichte van lijmgebaseerde ontwerpen - cruciaal voor 5G en radar.
Toepassingsvoorbeeld: De rigid-flex printplaat van een 5G-basisstation gebruikt lijmloze polyimide flexibele segmenten om de signaalintegriteit te behouden voor 28 GHz mmWave-signalen.

3. Thermisch beheer

Drijver: Koperdikte en rigide segmentontwerp. Dik koper (35-70µm) in rigide segmenten voert warmte af van stroomcomponenten (bijv. spanningsregelaars).
Verbetering: Thermische vias (0,3 mm diameter) in rigide segmenten brengen warmte van componenten over naar binnenste kopervlakken - waardoor de junctietemperaturen met 15-25°C worden verlaagd.
Toepassingsvoorbeeld: De rigid-flex printplaat van een automobiele EV-omvormer gebruikt 70µm koper in rigide segmenten en thermische vias om 100W warmte van IGBT's te verwerken.

4. Mechanische sterkte

Drijver: Rigide segmentdikte en verstevigingslagen. Een 1,6 mm FR-4 rigide segment ondersteunt een 20g connector zonder kromtrekken.
Overgangszoneontwerp: Verstevigingslagen (Kevlar) in flex-rigide overgangen verminderen de spanning met 40%, waardoor delaminatie wordt voorkomen.
Toepassingsvoorbeeld: De rigid-flex printplaat van een lucht- en ruimtevaartsensor gebruikt 3,2 mm FR-4 rigide segmenten en Kevlar-versteviging om 50G trillingen te weerstaan (per MIL-STD-883).

Belangrijke ontwerpoverwegingen voor de rigid-flex printplaatstructuur

Bij het ontwerpen van een rigid-flex printplaat moeten structurele keuzes overeenkomen met de toepassingsbehoeften. Hieronder staan kritieke overwegingen:
1. Definieer flex-rigide overgangszones
Locatie: Plaats overgangen 2-5 mm van componenten - componenten in de buurt van overgangen ervaren spanning tijdens het buigen.
Radius: De minimale buigradius voor flexibele segmenten is 5x de substraatdikte (bijv. 50µm substraat → 250µm radius). Strakkere radii veroorzaken scheuren in de banen.
Versteviging: Voeg Kevlar of dunne FR-4 toe aan overgangen in toepassingen met hoge belasting (bijv. automobiele deursensoren die meebuigen met de deurbeweging).
2. Breng het aantal lagen en de flexibiliteit in evenwicht

Laaglimiet: Flexibele segmenten zijn typisch 2-4 lagen - het toevoegen van meer lagen verhoogt de dikte en vermindert de flexibiliteit.
Laagverdeling: Concentreer lagen in rigide segmenten (bijv. 8 lagen in rigide, 2 lagen in flex) om de flexibiliteit te behouden.
Voorbeeld: Een draagbare fitnesstracker gebruikt een 4-laags rigid-flex printplaat (2 lagen in flex, 2 in rigide) om functionaliteit en buigbaarheid in evenwicht te brengen.
3. Selecteer materialen voor de omgeving

Temperatuur: Gebruik polyimide (tot 300°C) voor hogetemperatuurtoepassingen (automotive onder de motorkap, lucht- en ruimtevaart); LCP (tot 200°C) voor behoeften in het middensegment.
Chemicaliën: Polyimide is bestand tegen oliën en oplosmiddelen - ideaal voor industrieel of maritiem gebruik; vermijd OSP-afwerking in vochtige omgevingen (gebruik in plaats daarvan ENIG).
Vochtigheid: Gebruik epoxy-gebaseerde lijmen (vochtbestendigheid) in consumentenelektronica (bijv. smartwatches die tijdens het sporten worden gedragen).
4. Optimaliseer het ontwerp van koperbanen

Flexibele segmenten: Gebruik gebogen banen, 45° hoeken en een minimale baanbreedte van 0,1 mm (4mil) om spanningsconcentratie te voorkomen.
Rigide segmenten: Gebruik 90° hoeken en kleinere baanbreedtes (0,075 mm/3mil) voor dichte componentrouting (bijv. BGAs met een pitch van 0,4 mm).
Stroomcapaciteit: Maak banen op basis van stroom - 0,2 mm baan (18µm RA koper) voert 1,5A in flexibele segmenten; 0,3 mm baan (35µm ED koper) voert 3A in rigide segmenten.
Real-world toepassingen: Hoe structuur innovatie mogelijk maakt

De rigid-flex printplaatstructuur is afgestemd op het oplossen van unieke uitdagingen in belangrijke industrieën:
1. Consumentenelektronica: Opvouwbare smartphones
Structuur: 6-laags rigid-flex (4 lagen in rigide segmenten voor processors/BGAs, 2 lagen in flexibele segmenten voor scharnieren).
Belangrijkste kenmerken: 50µm polyimide flexibele segmenten met 18µm RA koper, ENIG-afwerking en acryl lijm voor flexibiliteit.
Voordeel: Maakt meer dan 200.000 vouwen mogelijk en past tegelijkertijd een 7-inch display in een apparaat ter grootte van een zak.
2. Automotive: ADAS-sensormodules

Structuur: 8-laags rigid-flex (6 lagen in rigide segmenten voor sensoren/ECU's, 2 lagen in flexibele segmenten voor bedrading).
Belangrijkste kenmerken: 100µm polyimide flexibele segmenten met 35µm RA koper, epoxy lijm (hoge spanningsbestendigheid) en verstevigingslagen bij overgangen.
Voordeel: Buigt rond voertuigframes om sensoren (LiDAR, radar) te positioneren en bestand te zijn tegen temperaturen van -40°C tot 125°C.
3. Medisch: Draagbare glucosemonitoren

Structuur: 4-laags rigid-flex (2 lagen in rigide segmenten voor de sensor, 2 lagen in flexibele segmenten voor polsbandintegratie).
Belangrijkste kenmerken: 25µm polyimide flexibele segmenten (ultradun voor comfort), transparant soldeermasker en ENIG-afwerking (biocompatibel).
Voordeel: Vormt zich naar de pols en behoudt betrouwbare sensorwaarden gedurende 7-14 dagen.
4. Lucht- en ruimtevaart: Satellietantennes

Structuur: 12-laags rigid-flex (10 lagen in rigide segmenten voor signaalverwerking, 2 lagen in flexibele segmenten voor antenne-ontplooiing).
Belangrijkste kenmerken: LCP flexibele segmenten (200°C+ bestendigheid), 35µm RA koper en polyimide lijm (stralingsbestendigheid).
Voordeel: Vouwt in een compact lanceerpakket (10x kleiner dan rigide alternatieven) en wordt in de ruimte ontplooid om een 2m antenne te vormen.
FAQ

V: Kunnen rigid-flex printplaten meerdere flexibele segmenten hebben?
A: Ja - veel ontwerpen bevatten 2-4 flexibele segmenten (bijv. een wearable met flexibele segmenten voor de pols en vinger). Elk flexibel segment kan zijn eigen dikte en kopertype hebben op basis van de buigbehoeften.
V: Wat is het maximale aantal lagen voor een rigid-flex printplaat?

A: De meeste rigid-flex printplaten hebben 4-12 lagen, met maximaal 10 lagen in rigide segmenten en 2-4 in flexibele segmenten. Geavanceerde ontwerpen (lucht- en ruimtevaart) kunnen 16 lagen bereiken, maar dit vermindert de flexibiliteit.
V: Zijn rigid-flex printplaten compatibel met SMT-componenten?

A: Ja - rigide segmenten ondersteunen alle SMT-componenten (BGAs, QFPs, passieven), terwijl flexibele segmenten kleine SMT-componenten ondersteunen (0402 weerstanden, 0603 condensatoren). Zware componenten (>5g) mogen nooit op flexibele segmenten worden geplaatst.
V: Hoeveel kost een rigid-flex printplaat in vergelijking met een rigide printplaat?

A: Rigid-flex printplaten kosten 2-3x meer dan equivalente rigide printplaten, maar ze verminderen de systeemkosten met 30-50% (minder connectoren, minder bedrading, minder montagearbeid).
V: Wat is de typische doorlooptijd voor een rigid-flex printplaat?

A: Prototypes duren 2-3 weken (vanwege gespecialiseerde laminering en testen), terwijl productie met hoge volumes (10k+ eenheden) 4-6 weken duurt. De doorlooptijden zijn langer dan die van rigide printplaten, maar korter dan die van aangepaste flex-only printplaten.
Conclusie

De rigid-flex printplaatstructuur is een masterclass in evenwicht: het combineren van de sterkte van rigide substraten met de flexibiliteit van polyimide om printplaten te creëren die passen waar traditionele printplaten dat niet kunnen. Elke laag - van het dunne polyimide in flexibele segmenten tot de dikke FR-4 in rigide segmenten - dient een doel, en elke materiaalkeuze heeft invloed op de prestaties.
Door te begrijpen hoe substraatdikte, kopertype en lijmselectie flexibiliteit, sterkte en betrouwbaarheid bepalen, kunt u rigid-flex printplaten ontwerpen die voldoen aan de eisen van zelfs de meest uitdagende toepassingen. Of u nu een opvouwbare telefoon, een automobiele sensor of een satellietantenne bouwt, de juiste rigid-flex structuur helpt u producten te creëren die kleiner, lichter en duurzamer zijn dan ooit tevoren.

Naarmate de technologie blijft krimpen en de vraag naar veelzijdige elektronica groeit, zullen rigid-flex printplaten voorop blijven lopen in innovatie - en bewijzen dat soms de beste oplossingen voortkomen uit het combineren van twee schijnbaar tegengestelde sterktes.