С момента появления смартфонов их форм-фактор в основном оставался жёсткой, плоской плитой. Однако в последние годы появление складных телефонов полностью перевернуло это традиционное представление, воплотив в реальность сценарии из научно-фантастических фильмов. Главным двигателем этого, несомненно, является точная и сложная гибкая печатная плата для складного телефона (Foldable Phone PCB). Она не только служит носителем всех электронных компонентов телефона, но и является ключом к обеспечению бесшовного складывания при сохранении флагманской производительности. По сравнению с традиционными печатными платами для смартфонов, конструкция платы для складных телефонов сталкивается с беспрецедентными вызовами: она должна сочетать гибкость и жёсткость в чрезвычайно тонком пространстве и выдерживать сотни тысяч сгибаний. В этой статье мы подробно рассмотрим основные технологии, трудности проектирования и влияние гибких печатных плат для складных телефонов на будущие потребительские электронные продукты.

Что такое гибкая печатная плата для складного телефона? Чем она отличается от традиционных печатных плат?

По сути, гибкая печатная плата для складного телефона — это специально разработанная печатная плата, предназначенная для приспособления к действиям складывания и раскладывания телефона, при этом обеспечивая нормальную работу всех электронных компонентов. Традиционная печатная плата для смартфона обычно представляет собой прочную, жёсткую плату, форма которой остаётся фиксированной после изготовления. Однако складной телефон требует изгиба в области шарнира, что означает, что сама печатная плата также должна обладать гибкостью.

Для достижения этой цели инженеры применили технологию "жёстко-гибких печатных плат" (Rigid-Flex PCB). Эта инновационная печатная плата бесшовно объединяет жёсткие области печатной платы с гибкими областями.

• Жёсткие зоны (Rigid Zones): Эти части аналогичны традиционным печатным платам и изготовлены из твёрдых материалов, таких как FR-4. Они используются для размещения критически важных компонентов, требующих максимальной ровности и стабильности, таких как процессор (CPU), модули памяти (составляющие основу платы памяти телефона) и чипы управления питанием.
• Гибкие зоны (Flexible Zones): Эти части обычно расположены в области шарнира телефона и изготовлены из гибких материалов, таких как полиамид (ПИ). Внутри них проложены тонкие медные цепи, которые могут многократно изгибаться, отвечая за соединение двух жёстких областей платы и обеспечивая бесперебойную передачу данных и электроэнергии в процессе складывания.

Сложность такой конструкции намного превосходит сложность традиционных печатных плат. Она требует не только прорывов в материаловедении, но и всеобъемлющих инноваций в схемотехнике, размещении компонентов и производственных процессах. Например, проектировщики должны точно рассчитать радиус изгиба и распределение напряжений в гибких областях, чтобы обеспечить их долгосрочную надёжность. Можно сказать, что появление каждого складного телефона неотделимо от зрелого применения технологии жёстко-гибких печатных плат (Rigid-Flex PCB).

Получить предложение по печатным платам

Углублённый анализ основных технологий: Жёстко-гибкая конструкция и межсоединение высокой плотности (HDI)

Реализация гибкой печатной платы для складного телефона опирается на синергетическое действие двух основных технологий: жёстко-гибкой конструкции (Rigid-Flex) и технологии межсоединения высокой плотности (HDI). Вместе они решают проблему достижения высокой производительности в изменяемом форм-факторе.

Суть жёстко-гибкой конструкции

Гибко-жесткие печатные платы являются физической основой складных форм-факторов. Задача проектирования заключается в том, как обеспечить идеальный переход между жесткими и гибкими областями. В переходной зоне электрические характеристики, такие как импеданс цепи и задержка сигнала, должны оставаться непрерывными и стабильными, в противном случае могут возникнуть ошибки передачи данных. Это требует точного 3D-моделирования и анализа методом конечных элементов (FEA) на этапе проектирования для имитации напряжений, деформаций и изменений электрических характеристик печатной платы во время процесса складывания. Кроме того, выбор материала имеет решающее значение; полиимидный субстрат для гибких частей должен обладать отличной усталостной прочностью и стабильностью размеров, чтобы выдерживать сотни тысяч циклов складывания или более.

Экстремальное применение межсоединений высокой плотности (HDI)

Чтобы разместить 5G, высокопроизводительные процессоры, большую емкость хранения и сложные системы с несколькими камерами в тонком корпусе, печатные платы для складных телефонов должны довести плотность компонентов до предела. Именно здесь вступает в игру технология межсоединений высокой плотности (HDI). Технология HDI значительно увеличивает плотность трассировки за счет использования микропереходных отверстий (microvias), скрытых переходных отверстий (buried vias) и более тонких линий.

В складных телефонах применение HDI проявляется в следующем:

1. Экономия места: Позволяет более плотно монтировать компоненты (например, контроллеры для плат памяти телефона), тем самым освобождая ценное пространство для аккумуляторов и других частей.
2. Повышение целостности сигнала: Более короткие пути трассировки уменьшают задержку сигнала и перекрестные помехи, что имеет решающее значение для стабильной передачи высокоскоростных сигналов, таких как 5G и Wi-Fi 6E.
3. Поддержка сложных чипов: Современные процессоры имеют тысячи контактов, и только печатные платы HDI могут обеспечить достаточное количество каналов трассировки.

Можно сказать, что без технологии HDI невозможно было бы достичь производительности флагманского уровня в такой компактной складной структуре.

Ключевые подсистемы и проблемы их интеграции в печатные платы

Полнофункциональный складной телефон содержит множество высокоинтегрированных подсистем. Бесшовная интеграция этих подсистем в печатную плату складного телефона является огромной проблемой.

• Соединение шарнира и дисплея: Это самая важная задача. Гибкая часть печатной платы должна точно проходить через сложную механическую конструкцию шарнира, обеспечивая при этом стабильное и надежное подключение данных и питания для гибкого дисплея. Любой малейший дефект конструкции может привести к мерцанию экрана, появлению складок или полному отказу.
• Управление питанием и батареей: Складные телефоны обычно используют конструкцию с двумя батареями, расположенными по обеим сторонам корпуса устройства. Это означает, что печатная плата должна иметь сложные схемы управления питанием для балансировки заряда и разряда обеих батарей и обеспечения эффективной и безопасной передачи энергии.
• Интеграция интерфейсов и периферийных устройств:
  • Плата USB-C: Являясь основным интерфейсом для зарядки и передачи данных, модуль платы USB-C требует чрезвычайно высокой механической прочности и долговечности, чтобы выдерживать ежедневные подключения и отключения. В складных телефонах он обычно проектируется как независимый модуль, подключенный к материнской плате с помощью гибкого плоского кабеля, и его расположение должно учитывать изменения внутреннего пространства, вызванные складыванием устройства.
• Плата камеры глубины: Системы 3D-датчиков глубины современных мобильных телефонов (используемые для распознавания лиц и дополненной реальности) предъявляют чрезвычайно высокие требования к скорости передачи данных. Плата камеры глубины и ее соединительные цепи должны быть спроектированы со строгим контролем импеданса для обеспечения целостности сигнала и предотвращения ошибок данных.
• Сенсорная плата телефона: Сенсорная система складных экранов также более сложна. Контроллер сенсорной платы телефона должен обрабатывать большие, деформируемые сенсорные поверхности и обеспечивать точную, чувствительную тактильную обратную связь в сложенном, разложенном и полусложенном состояниях.

Преодоление инженерных препятствий: Долговечность, теплоотвод и целостность сигнала

При реализации функции складывания инженеры должны также решить три ключевых инженерных препятствия: механическую долговечность, управление тепловыделением и целостность сигнала.

1. Механическая долговечность: Гибкая часть печатной платы складного телефона является ее наиболее уязвимым компонентом. Чтобы гарантировать, что она выдержит ежедневные открывания и закрывания пользователем, производители проводят строгие тесты на складывание, обычно требуя более 200 000 циклов. Это зависит не только от выбора гибкого материала подложки, но и тесно связано с формой схем из медной фольги (часто использующих S-образные или волнообразные трассы для распределения напряжения) и процессом ламинирования.

2. Управление тепловыделением: В сложенном, замкнутом пространстве высокопроизводительные процессоры и чипы 5G генерируют значительное количество тепла. Традиционные решения для рассеивания тепла имеют ограниченную эффективность. Поэтому конструкция печатной платы складного телефона должна с самого начала интегрировать передовые стратегии теплоотвода. Это включает в себя укладку больших площадей медной фольги на печатной плате в качестве слоя рассеивания тепла и тесное сочетание ее с теплопроводящими материалами, такими как графен и испарительные камеры, для быстрого отвода тепла из центральных областей.

3. Целостность сигнала: Когда печатная плата изгибается, физическая длина и форма цепей могут незначительно изменяться, что может повлиять на их электрические характеристики, такие как импеданс и емкость. Для высокоскоростных сигналов (таких как шины данных, подключающиеся к плате памяти телефона) такие изменения могут привести к отражению и затуханию сигнала, тем самым влияя на производительность. Разработчики должны обеспечить стабильную и надежную передачу сигнала при любом угле складывания с помощью точного моделирования и использования специальных материалов с низкими потерями.

Получить расчет стоимости печатной платы

Роль специализированных печатных плат: от зарядки до фотографии

В сложной экосистеме печатных плат для складных телефонов (Foldable Phone PCB) дизайн печатных плат каждого специализированного подсистемы одинаково важен, совместно формируя полноценный пользовательский опыт.

• Надежность USB-C PCB: Как наиболее часто используемый физический интерфейс для взаимодействия устройства с внешним миром, дизайн USB-C PCB должен учитывать как высокоскоростную передачу данных, так и механическую прочность. Она должна поддерживать новейшие стандарты USB, а ее разъемы и паяные соединения должны быть усилены, чтобы предотвратить повреждение от длительного использования или случайного выдергивания.
• Высокая скорость Depth Camera PCB: Камеры глубины создают 3D-модели, излучая и принимая свет, что включает в себя обработку огромных объемов данных в реальном времени. Depth Camera PCB должна использовать многослойную конструкцию и строгую трассировку дифференциальных сигналов, чтобы обеспечить чистый, без помех поток данных от датчика к процессору изображения, тем самым обеспечивая точное размытие портрета и надежную разблокировку по лицу.
• Интеграция Phone Memory Board: Хотя это и не отдельная плата, расположение микросхем памяти и хранения на основной плате (то есть в области Phone Memory Board) оказывает решающее влияние на производительность. Инженеры должны размещать эти высокоскоростные чипы как можно ближе к ЦП и планировать кратчайшие, наиболее прямые пути трассировки, чтобы минимизировать задержку и повысить скорость запуска и загрузки приложений.
• Адаптивность Phone Touch Board: Сенсорный опыт складных экранов является серьезной проблемой. Схемы и алгоритмы Phone Touch Board должны уметь интеллектуально определять состояние складывания экрана и соответствующим образом регулировать область сенсорного восприятия и чувствительность, обеспечивая пользователям последовательный, плавный опыт работы в любом форм-факторе.

Дизайн этих специализированных модулей тесно связан со всей архитектурой Smartphone PCB; любое упущение в одном звене может повлиять на производительность и надежность конечного продукта.

Будущее технологии печатных плат для складных телефонов

Технология печатных плат для складных телефонов (Foldable Phone PCB) всё ещё быстро развивается, и её будущее полно безграничных возможностей. Мы можем предвидеть следующие основные тенденции:

1. Более тонкие, более долговечные материалы: Исследователи разрабатывают новые гибкие подложки и проводящие материалы, которые не только тоньше и пластичнее, но и обладают более высокой устойчивостью к разрывам и усталости. Это сделает будущие складные телефоны легче, тоньше и долговечнее.
2. Многократные изгибы и сворачиваемые экраны: Однократное складывание — это только начало. Будущие устройства могут иметь двойное, тройное складывание или даже сворачиваемую форму, что предъявит более высокие требования к гибким печатным платам (Flex PCB), требуя от них сложных изгибов и скручиваний по нескольким осям.
3. Более высокая степень интеграции: С развитием технологии корпусирования чипов (такой как SiP, System-in-Package) в будущем можно будет интегрировать больше функциональных модулей (например, Wi-Fi, Bluetooth, NFC) непосредственно в основной процессор. Это ещё больше упростит проектирование печатных плат для складных телефонов, снизит энергопотребление и высвободит больше внутреннего пространства.
4. Умное производство и сборка: Такие сложные печатные платы предъявляют чрезвычайно высокие требования к процессам производства и сборки. От проектирования до конечного продукта требуется комплексное решение, такое как сборка под ключ (Turnkey Assembly), чтобы обеспечить точность и контроль качества на каждом этапе, тем самым повышая выход годной продукции и снижая затраты.

Заключение

Foldable Phone PCB – это не просто печатная плата; это вершина междисциплинарного слияния материаловедения, машиностроения и электроники. Благодаря остроумному сочетанию жестко-гибкой конструкции и передовой технологии HDI, она успешно объединяет эффект погружения больших экранов с портативностью традиционных телефонов, предоставляя пользователям беспрецедентный мобильный опыт. От первоначальной концепции до сегодняшних все более зрелых потребительских продуктов, каждая итерация Foldable Phone PCB движет всю индустрию бытовой электроники вперед. С непрерывным развитием технологий, мы можем ожидать, что она откроет новые инновационные форм-факторы устройств и продолжит перестраивать то, как мы взаимодействуем с цифровым миром. Для любого дизайнера и производителя, стремящегося занять лидирующие позиции в следующем поколении умных устройств, глубокое понимание и освоение сложности Foldable Phone PCB станет ключом к успеху.

Related links

• **жёстко-гибких печатных плат (Rigid-Flex PCB)**
• **печатные платы HDI**
• **гибким печатным платам (Flex PCB)**
• **сборка под ключ (Turnkey Assembly)**