刚柔结合PCB是医疗可穿戴设备的关键

2021
11/03

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朗锐慧康智慧医疗
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PCB是连接电子电路的刚性板,而人体最常见的基本特征是它的柔韧性。在可穿戴医疗设备中将两者混合将需要刚柔结合的PCB设计。

大多数电子产品中使用的印刷电路板(PCB) 基本上是用于连接电路的刚性板。但对柔性 PCB(或柔性电路)的需求正在迅速增长,这在很大程度上要归功于新兴的可穿戴设备市场。

也许该市场的最大部分是医疗保健行业,可穿戴设备将用于收集各种生理数据以进行诊断和研究以及个人健康用途。

可穿戴设备已经可用于监测心率、血压、血糖、心电图、肌肉运动等。

 

这些可穿戴设备给PCB设计人员带来了许多刚性电路板没有的困难。以下是其中一些问题以及设计师可以采取哪些措施来缓解这些问题。

对3D设计的需求

虽然每个PCB实际上都是3D的,但柔性电路允许整个组件弯曲和折叠以符合产品所占据的封装。上图显示了一个典型的组件。柔性电路被折叠起来,以便刚性PCB适合产品封装,占用最小的空间。

除了连接刚性板之外,设计还有很多其他的挑战,因此还有更多的挑战。弯曲必须精确设计,以便电路板在它们要安装的位置对齐,同时不会对连接点施加压力。直到最近,工程师还使用“纸娃娃”模型来模拟 PCB 组装。现在,可以使用设计工具提供刚柔结合组件的 3D 建模,从而实现更快的设计和更高的精度。

根据定义,可穿戴产品必须小巧且不显眼。过去,诸如心电监视器之类的医疗“可穿戴设备”包括一个相当大的带有颈带或腰带支架的外部设备。新的可穿戴设备很小,无需或几乎没有外部电线即可直接连接到患者身上。他们收集各种数据,甚至可以处理一些分析。

一个不显眼的设备直接连接到患者身上,需要灵活的电路和非常密集的布局。此外,电路板形状往往是圆形甚至更不寻常的形状,需要巧妙的布局和布线。对于如此小而密集的电路板,针对刚柔结合设计优化的 PCB 工具可以更轻松地处理奇怪的形状。

使用柔性电路的重点是能够通过弯曲柔性来塑造最终组件。这提出了刚性板上没有遇到的许多问题。弯曲会产生刚性板不会产生的应力。大多数 PCB 工具都有可让您优化柔性电路的工具。为避免弯曲力问题,设计弯曲时有以下四个技巧:

不要在走线上使用90°弯曲:走线的拐角比直线路径承受更多的弯曲应力。为避免随着时间的推移出现分层问题,请使用直线路径,或者如果轨迹必须改变方向,请使用曲线或分段线性曲线,而不是任何接近90°的曲线。

双面柔性线路上的交错走线:当走线在双面柔性电路上相互重叠时,会导致张力分布不均匀。相反,痕迹应该交错。这也提高了灵活性。

使用泪珠来提高强度和产量:如果不加以控制,基材的柔韧性会随着时间的推移而导致分层。可以使用泪滴垫代替圆形垫来添加额外的材料,为垫提供更大的强度以防止分层。泪珠还为钻孔提供了更大的耐受性。

支撑焊盘:由于弯曲,柔性基板上的铜比刚性板上的铜更容易脱落。此外,铜对基板的附着力不如在FR4 PCB上。建议为SMT安装焊盘使用通孔电镀和锚固桩,尽可能减少覆盖层开口。

在使用刚柔结合技术时,PCB层的映射或叠层是至关重要的。理想情况下,PCB设计软件能够设计您的叠层,包括组件的刚性和柔性部分。

  上图显示了具有刚性和柔性部分的叠层图。使用的层数和不同的材料增加了设计的复杂性。因此,仔细设计叠层很重要。

制造过程
  刚柔结合设计的最大挑战之一是让多家制造商获得资格。设计完成后,设计的所有方面都必须传达给电路板制造商,以便正确制造。但是,最佳做法是在设计初期选择一个或多个制造商并与他们合作,以确保您的设计在设计过程中符合他们的制造要求。通过使用标准简化了与制造商的合作。当今世界上绝大多数的 PCB 基本上都是用于连接电路的刚性板。人体最常见的基本特征是它的灵活性和可移动性。将两者混合产生的挑战只能通过刚柔结合PCB设计来解决。


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关键词:
柔性电路,PCB,刚性板,电路板,医疗,关键

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