ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากถูกนำมาใช้ในยานยนต์สมัยใหม่ และจำนวนของระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์อาจมีมากกว่า 250 ระบบ เมื่อขับรถ เราสามารถมองเห็นระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ได้ทั่วไป ไม่ว่าจะอยู่ใต้แผงกั้น รอบ ๆ ระบบควบคุมแหล่งจ่ายไฟ ในห้องโดยสารของรถ หรือใกล้พวงมาลัย
เมื่อกล่าวถึงอิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ ทั้งอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ล้วนมีโครงสร้างที่ซับซ้อนอย่างยิ่ง ระบบอิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์จำเป็นต้องให้ได้มาซึ่งข้อกำหนดทางเทคนิคในระดับสูงสุด และต้องผ่านการทดสอบความเครียดแบบขยายและกระบวนการทดสอบความเชื่อถือได้ เนื่องจากแอปพลิเคชันยานยนต์ทั้งหมดจะต้องเผชิญกับการทดสอบอันเป็นผลมาจากการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่สมบุกสมบัน ดังนั้น ข้อกำหนดทางเทคนิคและสเปกทางเทคนิคของระบบอิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้จึงถูกกำหนดขึ้นโดยแนวคิดในการให้ได้มาซึ่งความเชื่อถือได้สูงด้วยต้นทุนต่ำ ซึ่งก่อให้เกิดข้อกำหนดที่เข้มงวดกว่ามากเมื่อเทียบกับแผงวงจรพิมพ์แข็ง (PCB – printed circuit board) ทั่วไป การเชื่อมต่อระหว่างแผงวงจรพิมพ์ต้องถูกทำให้เกิดขึ้น และต้องเชื่อมต่อกับอุปกรณ์รอบข้าง ซึ่งทั้งหมดนี้สามารถทำได้ผ่านการใช้สายเคเบิลและสายไฟทั่วไป สายแพร จัมเปอร์ คอนเน็กเตอร์ ฯลฯ อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการทดสอบที่เกี่ยวข้องกับความเชื่อถือได้ระยะยาว การทดสอบความเครียด และการใช้งานจริงบนท้องถนน มักจะเป็นจุดบัดกรีและคอนเน็กเตอร์คุณภาพต่ำที่ทำให้เกิดความล้มเหลวทางไฟฟ้าอยู่เสมอ
ข้อดีของการประยุกต์ใช้แผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็งในยานยนต์
เพื่อแก้ไขปัญหาที่กล่าวถึงในย่อหน้าแรกให้สำเร็จแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็งถูกนำมาใช้เพื่อลดจำนวนคอนเน็กเตอร์และจุดบัดกรี ซึ่งได้มีการปฏิบัติตามมาเป็นเวลากว่า 20 ปีแล้ว เมื่อมีการใช้แผงวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์-ริจิดในระบบยานยนต์ ก็จะได้รับข้อดีดังต่อไปนี้
• การปรับปรุงคุณภาพและความเชื่อถือได้ของผลิตภัณฑ์อย่างชัดเจน
เมื่อใช้แผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็ง (flex-rigid PCB) ในยานยนต์ จะสามารถลดจำนวนคอนเน็กเตอร์และจุดบัดกรีลงได้ ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงที่อาจนำไปสู่ความล้มเหลวทางไฟฟ้าได้ ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ในยานยนต์จะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนกับการลดจำนวนคอนเน็กเตอร์และจุดบัดกรี
• การลดต้นทุนเนื่องจากขั้นตอนการผลิตลดลง
เมื่อมีการใช้แผงวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์-ริจิด การบัดกรีสายเทปและการประกอบคอนเน็กเตอร์จะถูกตัดออก ทำให้ต้นทุนลดลง ท้ายที่สุดแล้ว การดำเนินการตามกระบวนการผลิตทั้งหมดนั้นมีค่าใช้จ่ายสูง
• การทำให้การบำรุงรักษาง่ายขึ้นและการขจัดออก
ยืดหยุ่น-แข็งตัวแผงวงจรพิมพ์สำหรับยานยนต์ประกอบด้วยชิ้นส่วนวัสดุแข็งสองชิ้นขึ้นไปและชิ้นส่วนวัสดุยืดหยุ่นหนึ่งชิ้นขึ้นไป โดยที่ส่วนแข็งแต่ละส่วนเชื่อมต่อกันผ่านการใช้วัสดุยืดหยุ่น แผงวงจรแบบแข็ง-ยืดหยุ่นแต่ละชุดสามารถบรรจุได้อย่างแม่นยำในแพ็กเกจที่มีขนาดเล็กลง ทำให้การจัดการและการบำรุงรักษาจำนวนมากถูกตัดทอนออกไป
• การปรับปรุงเสรีภาพในการออกแบบและการประกอบ
ผู้ออกแบบวงจรเฟล็กซ์-ริจิดมีหน้าที่รับผิดชอบเฉพาะการออกแบบเลย์เอาต์ของบอร์ดแข็งเท่านั้น ส่วนของบอร์ดแบบยืดหยุ่นนั้น พวกเขาเพียงแค่ต้องนำสัญญาณเชื่อมต่อออกมา และสามารถยึด แขวน หรือซ้อนทับได้อย่างอิสระ ซึ่งช่วยลดความยุ่งยากในการออกแบบและการประกอบลงได้อย่างมาก
จนถึงปัจจุบัน แผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็งมีวางจำหน่ายอยู่สองประเภทในตลาดปัจจุบัน:
a. แผงวงจรพิมพ์กึ่งยืดหยุ่นส่วนที่ยืดหยุ่นของแผงวงจรพิมพ์กึ่งยืดหยุ่น (semi-flex PCB) ทำจากวัสดุ FR-4 แบบบาง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการประกอบที่ต้องการการโค้งงอเพียงเล็กน้อย นอกจากนี้ แผงวงจรพิมพ์กึ่งยืดหยุ่นยังช่วยลดต้นทุนอีกด้วย
b. แผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นหลายชั้น. ผลิตจากวัสดุโพลีอิไมด์ (PI) แผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นหลายชั้น (multi-flexible PCB) สามารถทำงานได้อย่างเหมาะสมกับการใช้งานที่ต้องการความยืดหยุ่นแบบไดนามิก เนื่องจากชั้น PI สามารถขยายเข้าไปในส่วนแข็งภายในของแผงวงจรแบบแข็ง-ยืดหยุ่น (flex-rigid PCB) แผงวงจรแบบมัลติแฟลกซ์จึงเหมาะสมมากกว่าในการใช้งานที่ต้องการความยืดหยุ่นแบบไดนามิกที่เปลี่ยนแปลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป
แผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นหลายชั้น
เมื่อส่วนที่ยืดหยุ่นของแผ่นวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์-ริจิด (flex-rigid PCB) ผลิตจากวัสดุฟอยล์ทองแดง PI แบบยืดหยุ่น จะถูกจัดอยู่ในหมวดหมู่แผ่นวงจรพิมพ์แบบมัลติเฟล็กซ์ (multi-flexible PCB) ซึ่งเป็นประเภทหนึ่งของแผ่นวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์-ริจิดแบบดั้งเดิม และถูกนำมาใช้งานมานานกว่าสามทศวรรษแล้ว แผ่นวงจรพิมพ์แบบมัลติเฟล็กซ์มีโครงสร้างผสมที่เกิดจากการลามิเนตระหว่างวัสดุแผ่นรองแข็งและวัสดุแผ่นรองยืดหยุ่น โดยการเชื่อมต่อระหว่างตัวนำไฟฟ้าจะทำผ่านรูแพลตทองแดง (electro-plated vias) ที่ทะลุผ่านทั้งวัสดุแข็งและวัสดุยืดหยุ่น รูปที่ 1 ด้านล่างแสดงโครงสร้างของแผ่นวงจรแบบเฟล็กซ์-ริจิดสองชั้น
ตามรูปที่ 1 สามารถสรุปได้ว่า วัสดุแผ่นรองรับแบบยืดหยุ่นขึ้นอยู่กับวัสดุฟอยล์ทองแดง PI ทั่วไป และไม่ได้ปูเฉพาะในส่วนที่ยืดหยุ่นเท่านั้น แต่ยังครอบคลุมทุกส่วนที่เป็นส่วนแข็งด้วย อย่างไรก็ตาม การปูโครงสร้างของฟอยล์ทองแดง PI บางส่วนในตำแหน่งที่เลือกก็ให้ประสิทธิผลเทียบเท่ากัน เนื่องจากความซับซ้อนในการผลิตจะเพิ่มขึ้นเมื่อใช้ฟอยล์ทองแดง PI แบบยืดหยุ่นเฉพาะในส่วนที่เลือก วิธีนี้จึงไม่ค่อยถูกนำมาใช้โดยทั่วไป
เมื่อกล่าวถึงแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นหลายชั้น (multi-layer flexible PCB) เนื่องจากกาวในทิศทางแกน Z มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE – coefficient of thermal expansion) ค่อนข้างสูง กาวจึงอาจทำให้เกิดความเสียหายทางกลกับรูผ่านชุบไฟฟ้า (electro-plated via) ระหว่างการทดสอบความเค้นหรือการทดสอบช็อกความร้อนได้ ดังนั้น เมื่อแผงวงจรยานยนต์ต้องการความทนทานต่อความร้อนในระดับที่สูงขึ้น จึงจำเป็นต้องหลีกเลี่ยงการใช้วัสดุแผ่นยืดหยุ่นและแผ่นปิด (cover lay) ภายในส่วนที่เป็นแข็ง (rigid section) เนื่องจากรูผ่านชุบไฟฟ้ามักจะอยู่ในส่วนที่เป็นแข็งดังกล่าว
นอกจากนี้ ยังต้องพิจารณาประเด็นความเชื่อถือได้ด้านอุณหภูมิในแง่ของกาวและพรีเพรกแบบไม่ไหลของ FR4 ทั่วไป เนื่องจากพรีเพรก FR4 ก็เป็นวัสดุแผ่นรองชนิดหนึ่งที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) สูง พรีเพรกแบบไม่ไหลของ FR4 ทั่วไปมีค่า Tg เท่ากับ 105°C ซึ่งต่ำกว่าค่า Tg ของพรีเพรก FR4 แบบดั้งเดิมประมาณ 30°C
นอกจากวัสดุ FR4 ที่ใช้เป็นวัสดุแผ่นรองแข็งแล้ว วัสดุแข็งเกือบทุกประเภทสามารถใช้ได้กับแผงวงจรพิมพ์แบบมัลติแฟลกซ์ รวมถึงวัสดุที่มีค่า Tg สูง วัสดุปลอดฮาโลเจน หรือแม้แต่วัสดุความถี่สูง
วัสดุยืดหยุ่นส่วนใหญ่สำหรับแผ่นวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์-ริจิดใช้ PI ชนิดมีชั้นกาวหรือ PI ชนิดไม่มีกาวซึ่งให้ประสิทธิภาพดีกว่า อย่างไรก็ตาม วัสดุ PEN และ PET ก็สามารถใช้ได้กับโครงสร้างแผ่นวงจรเฟล็กซ์-ริจิดแบบง่ายและแบบอสมมาตร วัสดุ LCP (โพลิเมอร์ผลึกเหลว) สามารถถือได้ว่าเป็นวัสดุยืดหยุ่นแบบไม่มีกาวที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการออกแบบที่ต้องการความเชื่อถือได้สูงและการออกแบบการส่งสัญญาณความเร็วสูง มีคำแนะนำให้ทำการอบวัสดุเหล่านี้ก่อนนำไปใช้งานเพื่อกำจัดความชื้น เนื่องจาก PI มีการดูดซึมความชื้นสูง อย่างไรก็ตาม แผ่นวงจรแบบมัลติเฟล็กซ์ที่ใช้ LCP เป็นวัสดุฐานไม่จำเป็นต้องผ่านการอบ
สำหรับแผงวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์–ริจิด (flex-rigid PCB) แล้ว วงจรแบบมัลติเฟล็กซ์สามารถทำให้มีเลเยอร์แบบยืดหยุ่นหลายชั้นพร้อมใช้งานได้ในเวลาเดียวกัน เนื่องจากการเชื่อมต่อวงจรที่ซับซ้อนถูกออกแบบให้บูรณาการไว้ด้วยกัน จึงสามารถผลิตซ้ำได้ ซึ่งมีข้อได้เปรียบมากกว่าการเชื่อมต่อด้วยสายเคเบิลและลวด ดังนั้นจึงสามารถออกแบบเส้นทางส่งสัญญาณแบบควบคุมอิมพีแดนซ์จำเพาะเพื่อใช้ทดแทนสายโคแอกเชียลได้
แผงวงจรพิมพ์กึ่งยืดหยุ่น
แผงวงจรพิมพ์กึ่งยืดหยุ่น (Semi-flexible PCB) ไม่ได้ถูกออกแบบมาให้รองรับการโค้งงออย่างต่อเนื่องตลอดเวลา ในความเป็นจริง ในการใช้งานหลายกรณี ส่วนที่ยืดหยุ่นของแผงวงจรยืดหยุ่น-แข็ง (flex-rigid PCB) มักจะถูกโค้งงอเพียงไม่กี่ครั้งเท่านั้น เช่น ระหว่างการประกอบ การซ่อมแซม และการบำรุงรักษา ดังนั้น วัสดุยืดหยุ่นที่มีราคาแพงอย่าง PI จึงไม่จำเป็นสำหรับการใช้งานลักษณะนี้ และจะใช้วัสดุที่สามารถโค้งงอได้แทน ซึ่งก็เพียงพอแล้ว อีกทั้งยังช่วยลดต้นทุนได้
แผงวงจรพิมพ์กึ่งยืดหยุ่นสามารถใช้ประโยชน์จากวัสดุแผ่นฐานแบบดั้งเดิมสำหรับการลามิเนตหลายชั้น ทำให้หลีกเลี่ยงการลามิเนตร่วมกันของวัสดุที่แตกต่างกัน และช่วยให้ความเค้นความร้อนภายในมีค่าน้อยที่สุด เพื่อให้ได้วัสดุที่ยืดหยุ่น วิธีที่เหมาะสมที่สุดคือทำให้วัสดุแผ่นฐาน FR4 แบบดั้งเดิมมีความบางเพียงพอที่จะโค้งงอได้ แน่นอนว่ายังมีอีกวิธีหนึ่งคือ ลดความหนาของส่วนที่ยืดหยุ่นลงเฉพาะจุดตามต้องการ
แผ่นวงจรพิมพ์กึ่งยืดหยุ่น (Semi-flexible PCB) ผลิตขึ้นโดยยึดตามเทคโนโลยีการผลิตเดียวกันกับแผ่นวงจรพิมพ์แบบสองหน้าและแบบหลายชั้น ส่วนที่เป็นส่วนยืดหยุ่นสามารถทำให้บางลงได้ด้วยการกัดเซาะ (milling) นอกจากนี้ แผ่นวงจรพิมพ์กึ่งยืดหยุ่นยังผลิตขึ้นโดยยึดตามเทคโนโลยีการผลิตที่คล้ายคลึงกับแผ่นวงจรพิมพ์แบบดั้งเดิม เพียงแต่มีการเพิ่มกระบวนการผลิตให้มีความยืดหยุ่นเข้าไปด้วย
ติดต่อ PCBCart เพื่อตอบสนองความต้องการการผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์-ริจิดที่คุ้มค่า
