Memahami Struktur PCB Rigid-Flex: Lapisan, Komponen, dan Bagaimana Mereka Membuat Elektronik Serbaguna

PCB rigid-flex telah merevolusi desain elektronik yang ringkas dan tahan lama—dari ponsel lipat hingga modul sensor otomotif—dengan menggabungkan stabilitas struktural PCB rigid dengan fleksibilitas sirkuit fleksibel. Tidak seperti PCB rigid tradisional (bentuk tetap) atau PCB hanya fleksibel (jumlah lapisan terbatas), desain rigid-flex mengintegrasikan kedua format menjadi satu struktur yang mulus. Tetapi keserbagunaan mereka bergantung pada arsitektur berlapis yang presisi: setiap komponen—dari substrat fleksibel hingga ikatan perekat—memainkan peran penting dalam menyeimbangkan fleksibilitas, kekuatan, dan kinerja listrik.

Panduan ini mengungkap struktur PCB rigid-flex, memecah tujuan setiap lapisan, pilihan material, dan cara kerjanya bersama. Kami akan membandingkan struktur rigid-flex dengan alternatif rigid dan hanya fleksibel, menjelajahi pertimbangan desain utama, dan menjelaskan bagaimana pilihan struktural memengaruhi aplikasi dunia nyata. Baik Anda mendesain untuk perangkat yang dapat dikenakan, dirgantara, atau sistem otomotif, memahami struktur PCB rigid-flex akan membantu Anda membuat produk yang lebih kecil, lebih ringan, dan lebih andal.

Poin Penting
1. Struktur Hibrida: PCB rigid-flex menggabungkan segmen rigid (untuk pemasangan komponen) dan segmen fleksibel (untuk pembengkokan) menjadi satu papan terintegrasi, menghilangkan kebutuhan konektor antara PCB terpisah.
2. Arsitektur Berlapis: Komponen inti meliputi substrat fleksibel (polimida), substrat rigid (FR-4), jejak tembaga, perekat, dan lapisan pelindung—masing-masing dipilih untuk daya tahan dan kinerja.
3. Penggerak Fleksibilitas: Struktur segmen fleksibel (substrat tipis, tembaga ulet) memungkinkan 10.000+ siklus pembengkokan tanpa retak jejak, penting untuk aplikasi dinamis.
4. Penggerak Kekuatan: Segmen rigid menggunakan substrat yang lebih tebal dan lapisan penguat untuk mendukung komponen berat (misalnya, BGA, konektor) dan menahan tekanan mekanis.
5. Manfaat Biaya: Meskipun lebih kompleks untuk diproduksi, struktur rigid-flex mengurangi biaya perakitan sebesar 30–50% (lebih sedikit konektor, lebih sedikit kabel) dan meningkatkan keandalan dengan menghilangkan titik kegagalan.

Struktur Dasar PCB Rigid-Flex
Struktur PCB rigid-flex didefinisikan oleh dua segmen berbeda tetapi terintegrasi: segmen rigid (untuk stabilitas) dan segmen fleksibel (untuk fleksibilitas). Segmen ini berbagi lapisan umum (misalnya, jejak tembaga) tetapi berbeda dalam bahan substrat dan ketebalan untuk melayani peran unik mereka.
Di bawah ini adalah rincian komponen inti, mulai dari lapisan terdalam hingga lapisan pelindung terluar.

1. Substrat Inti: Fondasi Kekakuan dan Fleksibilitas
Substrat adalah lapisan dasar non-konduktif yang mendukung jejak tembaga. Segmen rigid dan fleksibel menggunakan substrat yang berbeda untuk menyeimbangkan kekuatan dan fleksibilitas.

Substrat Segmen Fleksibel
Segmen fleksibel mengandalkan polimer tipis dan tahan lama yang tahan terhadap pembengkokan berulang:
 Material Utama: Polimida (PI): Standar industri untuk substrat fleksibel, polimida menawarkan:
     Ketahanan suhu: -269°C hingga 300°C (bertahan dari penyolderan reflow dan lingkungan yang keras).
     Fleksibilitas: Dapat ditekuk hingga radius sekecil 5x ketebalannya (misalnya, lapisan PI 50μm ditekuk hingga radius 250μm).
     Ketahanan kimia: Inert terhadap minyak, pelarut, dan kelembapan—ideal untuk penggunaan otomotif dan industri.
 Ketebalan: Biasanya 25–125μm (1–5mil); substrat yang lebih tipis (25–50μm) memungkinkan tekukan yang lebih ketat, sementara yang lebih tebal (100–125μm) menawarkan lebih banyak stabilitas untuk segmen fleksibel yang lebih panjang.
 Alternatif: Untuk aplikasi suhu sangat tinggi (200°C+), polimer kristal cair (LCP) digunakan—meskipun lebih mahal daripada polimida.

Substrat Segmen Rigid
Segmen rigid menggunakan material rigid yang diperkuat untuk mendukung komponen dan menahan tekanan:
  Material Utama: FR-4: Laminasi epoksi yang diperkuat kaca yang menyediakan:
      Kekuatan mekanik: Mendukung komponen berat (misalnya, BGA 10g) dan menahan lengkungan selama perakitan.
      Efektivitas biaya: Substrat rigid paling terjangkau, cocok untuk aplikasi konsumen dan industri.
      Isolasi listrik: Resistivitas volume >10¹⁴ Ω·cm, mencegah korsleting antara jejak.
  Ketebalan: 0,8–3,2mm (31–125mil); substrat yang lebih tebal (1,6–3,2mm) mendukung komponen yang lebih besar, sementara yang lebih tipis (0,8mm) digunakan untuk desain yang ringkas (misalnya, perangkat yang dapat dikenakan).
  Alternatif: Untuk aplikasi frekuensi tinggi (5G, radar), Rogers 4350 (laminasi kehilangan rendah) menggantikan FR-4 untuk meminimalkan atenuasi sinyal.

2. Jejak Tembaga: Jalur Konduktif di Seluruh Segmen
Jejak tembaga membawa sinyal listrik dan daya antar komponen, mencakup segmen rigid dan fleksibel. Strukturnya sedikit berbeda untuk mengakomodasi fleksibilitas dalam segmen fleksibel.

Tembaga Segmen Fleksibel
Segmen fleksibel membutuhkan tembaga ulet yang tahan retak selama pembengkokan:
  Jenis: Tembaga Rol-Annealed (RA): Annealing (perlakuan panas) membuat tembaga RA ulet, memungkinkan 10.000+ siklus pembengkokan (tekukan 180°) tanpa kegagalan.
  Ketebalan: 12–35μm (0,5–1,4oz); tembaga yang lebih tipis (12–18μm) lebih mudah ditekuk, sementara yang lebih tebal (35μm) membawa arus yang lebih tinggi (hingga 3A untuk jejak 0,2mm).
  Desain Pola: Jejak dalam segmen fleksibel menggunakan sudut melengkung atau 45° (bukan 90°) untuk mendistribusikan tekanan—sudut 90° bertindak sebagai titik tekanan dan retak setelah pembengkokan berulang.

Tembaga Segmen Rigid
Segmen rigid memprioritaskan kapasitas arus dan kemudahan manufaktur:
  Jenis: Tembaga Electrodeposited (ED): Tembaga ED kurang ulet daripada tembaga RA tetapi lebih murah dan lebih mudah dipola untuk sirkuit padat.
  Ketebalan: 18–70μm (0,7–2,8oz); tembaga yang lebih tebal (35–70μm) digunakan untuk jejak daya (misalnya, 5A+ dalam ECU otomotif).
  Desain Pola: Sudut 90° dapat diterima, karena segmen rigid tidak menekuk—memungkinkan perutean jejak yang lebih padat untuk komponen seperti QFP dan BGA.

3. Perekat: Mengikat Segmen Rigid dan Fleksibel
Perekat sangat penting untuk mengintegrasikan segmen rigid dan fleksibel menjadi satu papan. Mereka harus mengikat material yang berbeda (polimida dan FR-4) sambil mempertahankan fleksibilitas dalam segmen fleksibel.

Persyaratan Perekat Utama
  Fleksibilitas: Perekat dalam segmen fleksibel harus memanjang (≥100% perpanjangan) tanpa retak—jika tidak, mereka akan mengelupas selama pembengkokan.
  Ketahanan Suhu: Tahan penyolderan reflow (240–260°C) dan suhu pengoperasian (-40°C hingga 125°C untuk sebagian besar aplikasi).
  Kekuatan Adhesi: Kekuatan ikatan ≥1,5 N/mm (per IPC-TM-650) untuk mencegah delaminasi antar lapisan.

Jenis Perekat Umum

Catatan Aplikasi
  Perekat diterapkan sebagai film tipis (25–50μm) untuk menghindari penambahan volume ke segmen fleksibel.
  Dalam desain rigid-flex “tanpa perekat” (digunakan untuk aplikasi frekuensi tinggi), tembaga secara langsung diikat ke polimida tanpa perekat—mengurangi hilangnya sinyal tetapi meningkatkan biaya.

4. Topeng Solder: Melindungi Jejak dan Memungkinkan Penyolderan
Topeng solder adalah lapisan polimer pelindung yang diterapkan pada segmen rigid dan fleksibel untuk:
  Mencegah korsleting antara jejak yang berdekatan.
  Melindungi tembaga dari oksidasi dan korosi.
  Menentukan area tempat solder menempel (bantalan) selama perakitan.

Topeng Solder Segmen Fleksibel
Segmen fleksibel membutuhkan topeng solder yang menekuk tanpa retak:
  Material: Topeng Solder Berbasis Polimida: Memanjang ≥100% dan mempertahankan adhesi selama pembengkokan.
  Ketebalan: 25–38μm (1–1,5mil); topeng yang lebih tipis (25μm) lebih mudah ditekuk tetapi menawarkan lebih sedikit perlindungan.
  Warna: Bening atau hijau—topeng bening digunakan untuk perangkat yang dapat dikenakan di mana estetika penting.

Topeng Solder Segmen Rigid
Segmen rigid menggunakan topeng solder standar untuk biaya dan daya tahan:
  Material: Topeng Solder Berbasis Epoksi: Rigid tetapi tahan lama, dengan ketahanan kimia yang sangat baik.
  Ketebalan: 38–50μm (1,5–2mil); topeng yang lebih tebal menawarkan perlindungan yang lebih baik untuk aplikasi industri.
  Warna: Hijau (paling umum), biru, atau hitam—hijau lebih disukai untuk kompatibilitas AOI (Inspeksi Optik Otomatis).

5. Lapisan Akhir: Memastikan Kemampuan Solder dan Ketahanan Korosi
Lapisan akhir diterapkan pada bantalan tembaga yang terbuka (di kedua segmen) untuk meningkatkan kemampuan solder dan mencegah oksidasi.
Lapisan Akhir Umum untuk PCB Rigid-Flex

Pilihan Khusus Segmen
  Segmen fleksibel sering menggunakan ENIG: Keuletan emas tahan terhadap pembengkokan, dan nikel mencegah difusi tembaga ke sambungan solder.
  Segmen rigid dapat menggunakan HASL untuk penghematan biaya—meskipun ENIG lebih disukai untuk komponen pitch halus.

6. Lapisan Penguat (Opsional): Menambahkan Kekuatan ke Area Kritis
Lapisan penguat bersifat opsional tetapi umum dalam PCB rigid-flex untuk menambah kekuatan ke area tekanan tinggi:
Lokasi: Diterapkan pada zona transisi fleksibel-rigid (di mana tekanan pembengkokan paling tinggi) atau di bawah komponen berat (misalnya, konektor) dalam segmen rigid.
Material:
   Kain Kevlar atau Kaca: Kain tipis dan fleksibel yang diikat ke segmen fleksibel untuk mencegah robek.
   Strip FR-4 Tipis: Ditambahkan ke segmen rigid di bawah konektor untuk menahan tekanan mekanis selama pemasangan/pelepasan.
Ketebalan: 25–100μm—cukup tebal untuk menambah kekuatan tanpa mengurangi fleksibilitas.

PCB Rigid-Flex vs. Rigid vs. Hanya Fleksibel: Perbandingan Struktural
Untuk memahami mengapa PCB rigid-flex unggul dalam aplikasi tertentu, bandingkan strukturnya dengan alternatif tradisional:

Keunggulan Struktural Utama Rigid-Flex
1. Tidak Ada Konektor: Mengintegrasikan segmen rigid dan fleksibel menghilangkan 2–10 konektor per papan, mengurangi waktu perakitan dan titik kegagalan (konektor adalah penyebab utama kegagalan PCB).
2. Efisiensi Ruang: PCB rigid-flex muat dalam volume 30–50% lebih sedikit daripada sistem rigid multi-papan—penting untuk perangkat yang dapat dikenakan dan modul sensor otomotif.
3. Penghematan Berat: 20–40% lebih ringan daripada sistem multi-papan rigid, berkat lebih sedikit komponen dan kabel.

Bagaimana Struktur Rigid-Flex Mempengaruhi Kinerja dan Keandalan
Setiap pilihan struktural—dari ketebalan substrat hingga jenis tembaga—secara langsung memengaruhi bagaimana PCB rigid-flex berkinerja dalam aplikasi dunia nyata. Di bawah ini adalah metrik kinerja utama dan penggerak strukturalnya:
1. Fleksibilitas dan Daya Tahan
Penggerak: Ketebalan substrat segmen fleksibel dan jenis tembaga. Substrat polimida 50μm dengan tembaga RA 18μm ditekuk hingga radius 250μm dan bertahan lebih dari 15.000 siklus.
Risiko Kegagalan: Menggunakan tembaga ED dalam segmen fleksibel menyebabkan retak jejak setelah 1.000–2.000 siklus—tembaga RA tidak dapat dinegosiasikan untuk aplikasi dinamis.

Contoh Aplikasi: Engsel ponsel pintar yang dapat dilipat menggunakan segmen fleksibel polimida 50μm dengan tembaga RA 18μm, memungkinkan 200.000+ lipatan (masa pakai khas perangkat yang dapat dilipat).

2. Integritas Sinyal
Penggerak: Material substrat dan pilihan perekat. Polimida memiliki kehilangan dielektrik rendah (Df <0,002 pada 10GHz), menjadikannya ideal untuk sinyal frekuensi tinggi.
Mitigasi Risiko: Desain tanpa perekat (tidak ada perekat antara tembaga dan polimida) mengurangi hilangnya sinyal sebesar 30% vs. desain berbasis perekat—penting untuk 5G dan radar.

Contoh Aplikasi: PCB rigid-flex stasiun pangkalan 5G menggunakan segmen fleksibel polimida tanpa perekat untuk mempertahankan integritas sinyal untuk sinyal mmWave 28GHz.

3. Manajemen Termal
Penggerak: Ketebalan tembaga dan desain segmen rigid. Tembaga tebal (35–70μm) dalam segmen rigid menghilangkan panas dari komponen daya (misalnya, pengatur tegangan).
Peningkatan: Vias termal (diameter 0,3mm) dalam segmen rigid memindahkan panas dari komponen ke bidang tembaga bagian dalam—mengurangi suhu sambungan sebesar 15–25°C.

Contoh Aplikasi: PCB rigid-flex inverter EV otomotif menggunakan tembaga 70μm dalam segmen rigid dan vias termal untuk menangani panas 100W dari IGBT.

4. Kekuatan Mekanik
Penggerak: Ketebalan segmen rigid dan lapisan penguat. Segmen rigid FR-4 1,6mm mendukung konektor 20g tanpa melengkung.
Desain Zona Transisi: Lapisan penguat (Kevlar) dalam transisi fleksibel-rigid mengurangi tekanan sebesar 40%, mencegah delaminasi.

Contoh Aplikasi: PCB rigid-flex sensor dirgantara menggunakan segmen rigid FR-4 3,2mm dan penguat Kevlar untuk menahan getaran 50G (per MIL-STD-883).

Pertimbangan Desain Utama untuk Struktur PCB Rigid-Flex
Saat mendesain PCB rigid-flex, pilihan struktural harus selaras dengan kebutuhan aplikasi. Di bawah ini adalah pertimbangan penting:
1. Tentukan Zona Transisi Fleksibel-Rigid
Lokasi: Tempatkan transisi 2–5mm dari komponen—komponen di dekat transisi mengalami tekanan selama pembengkokan.
Radius: Radius tekukan minimum untuk segmen fleksibel adalah 5x ketebalan substrat (misalnya, substrat 50μm → radius 250μm). Radius yang lebih ketat menyebabkan retak jejak.
Penguatan: Tambahkan Kevlar atau FR-4 tipis ke transisi dalam aplikasi tekanan tinggi (misalnya, sensor pintu otomotif yang menekuk dengan gerakan pintu).

2. Seimbangkan Jumlah Lapisan dan Fleksibilitas
Batas Lapisan: Segmen fleksibel biasanya 2–4 lapisan—menambahkan lebih banyak lapisan meningkatkan ketebalan dan mengurangi fleksibilitas.
Distribusi Lapisan: Konsentrasikan lapisan dalam segmen rigid (misalnya, 8 lapisan dalam rigid, 2 lapisan dalam fleksibel) untuk mempertahankan fleksibilitas.
Contoh: Pelacak kebugaran yang dapat dikenakan menggunakan PCB rigid-flex 4 lapis (2 lapisan dalam fleksibel, 2 dalam rigid) untuk menyeimbangkan fungsionalitas dan kemampuan tekuk.

3. Pilih Material untuk Lingkungan
Suhu: Gunakan polimida (hingga 300°C) untuk aplikasi suhu tinggi (otomotif di bawah kap, dirgantara); LCP (hingga 200°C) untuk kebutuhan menengah.
Bahan Kimia: Polimida tahan terhadap minyak dan pelarut—ideal untuk penggunaan industri atau kelautan; hindari lapisan akhir OSP di lingkungan yang lembap (gunakan ENIG sebagai gantinya).
Kelembapan: Gunakan perekat berbasis epoksi (ketahanan kelembapan) dalam elektronik konsumen (misalnya, jam tangan pintar yang dikenakan selama berolahraga).

4. Optimalkan Desain Jejak Tembaga
Segmen Fleksibel: Gunakan jejak melengkung, sudut 45°, dan lebar jejak minimum 0,1mm (4mil) untuk menghindari konsentrasi tekanan.
Segmen Rigid: Gunakan sudut 90° dan lebar jejak yang lebih kecil (0,075mm/3mil) untuk perutean komponen yang padat (misalnya, BGA dengan pitch 0,4mm).
Kapasitas Arus: Ukuran jejak berdasarkan arus—jejak 0,2mm (tembaga RA 18μm) membawa 1,5A dalam segmen fleksibel; jejak 0,3mm (tembaga ED 35μm) membawa 3A dalam segmen rigid.

Aplikasi Dunia Nyata: Bagaimana Struktur Memungkinkan Inovasi
Struktur PCB rigid-flex disesuaikan untuk memecahkan tantangan unik di industri utama:
1. Elektronik Konsumen: Ponsel Pintar yang Dapat Dilipat
Struktur: rigid-flex 6 lapis (4 lapisan dalam segmen rigid untuk prosesor/BGA, 2 lapisan dalam segmen fleksibel untuk engsel).
Fitur Utama: Segmen fleksibel polimida 50μm dengan tembaga RA 18μm, lapisan akhir ENIG, dan perekat akrilik untuk fleksibilitas.
Manfaat: Memungkinkan 200.000+ lipatan sambil memasang layar 7 inci dalam perangkat seukuran saku.

2. Otomotif: Modul Sensor ADAS
Struktur: rigid-flex 8 lapis (6 lapisan dalam segmen rigid untuk sensor/ECU, 2 lapisan dalam segmen fleksibel untuk kabel).
Fitur Utama: Segmen fleksibel polimida 100μm dengan tembaga RA 35μm, perekat epoksi (ketahanan tekanan tinggi), dan lapisan penguat pada transisi.
Manfaat: Menekuk di sekitar rangka kendaraan untuk memposisikan sensor (LiDAR, radar) sambil menahan suhu -40°C hingga 125°C.

3. Medis: Monitor Glukosa yang Dapat Dikenakan
Struktur: rigid-flex 4 lapis (2 lapisan dalam segmen rigid untuk sensor, 2 lapisan dalam segmen fleksibel untuk integrasi gelang).
Fitur Utama: Segmen fleksibel polimida 25μm (ultra-tipis untuk kenyamanan), topeng solder bening, dan lapisan akhir ENIG (biokompatibel).
Manfaat: Sesuai dengan pergelangan tangan sambil mempertahankan pembacaan sensor yang andal selama 7–14 hari.

4. Dirgantara: Antena Satelit
Struktur: rigid-flex 12 lapis (10 lapisan dalam segmen rigid untuk pemrosesan sinyal, 2 lapisan dalam segmen fleksibel untuk penyebaran antena).
Fitur Utama: Segmen fleksibel LCP (ketahanan 200°C+), tembaga RA 35μm, dan perekat polimida (ketahanan radiasi).
Manfaat: Dilipat menjadi paket peluncuran yang ringkas (10x lebih kecil dari alternatif rigid) dan digunakan di luar angkasa untuk membentuk antena 2m.

FAQ
T: Bisakah PCB rigid-flex memiliki beberapa segmen fleksibel?
J: Ya—banyak desain menyertakan 2–4 segmen fleksibel (misalnya, perangkat yang dapat dikenakan dengan segmen fleksibel untuk pergelangan tangan dan jari). Setiap segmen fleksibel dapat memiliki ketebalan dan jenis tembaga sendiri berdasarkan kebutuhan pembengkokan.

T: Berapa jumlah lapisan maksimum untuk PCB rigid-flex?
J: Sebagian besar PCB rigid-flex memiliki 4–12 lapisan, dengan hingga 10 lapisan dalam segmen rigid dan 2–4 dalam segmen fleksibel. Desain canggih (dirgantara) dapat mencapai 16 lapisan, tetapi ini mengurangi fleksibilitas.

T: Apakah PCB rigid-flex kompatibel dengan komponen SMT?
J: Ya—segmen rigid mendukung semua komponen SMT (BGA, QFP, pasif), sedangkan segmen fleksibel mendukung komponen SMT kecil (resistor 0402, kapasitor 0603). Komponen berat (>5g) tidak boleh ditempatkan pada segmen fleksibel.

T: Berapa biaya PCB rigid-flex dibandingkan dengan PCB rigid?
J: PCB rigid-flex berharga 2–3x lebih mahal daripada PCB rigid yang setara, tetapi mereka mengurangi biaya sistem sebesar 30–50% (lebih sedikit konektor, lebih sedikit kabel, lebih sedikit tenaga kerja perakitan).

T: Berapa waktu tunggu yang khas untuk PCB rigid-flex?
J: Prototipe membutuhkan waktu 2–3 minggu (karena laminasi dan pengujian khusus), sedangkan produksi volume tinggi (10k+ unit) membutuhkan waktu 4–6 minggu. Waktu tunggu lebih lama daripada PCB rigid tetapi lebih pendek daripada PCB hanya fleksibel khusus.

Kesimpulan
Struktur PCB rigid-flex adalah kelas master dalam keseimbangan: menggabungkan kekuatan substrat rigid dengan fleksibilitas polimida untuk membuat papan yang pas di tempat yang tidak dapat dilakukan PCB tradisional. Setiap lapisan—dari polimida tipis dalam segmen fleksibel hingga FR-4 tebal dalam segmen rigid—melayani suatu tujuan, dan setiap pilihan material memengaruhi kinerja.

Dengan memahami bagaimana ketebalan substrat, jenis tembaga, dan pemilihan perekat mendorong fleksibilitas, kekuatan, dan keandalan, Anda dapat merancang PCB rigid-flex yang memenuhi tuntutan bahkan aplikasi yang paling menantang. Baik Anda membangun ponsel lipat, sensor otomotif, atau antena satelit, struktur rigid-flex yang tepat akan membantu Anda membuat produk yang lebih kecil, lebih ringan, dan lebih tahan lama dari sebelumnya.

Karena teknologi terus menyusut dan permintaan akan elektronik serbaguna meningkat, PCB rigid-flex akan tetap menjadi yang terdepan dalam inovasi—membuktikan bahwa terkadang, solusi terbaik berasal dari penggabungan dua kekuatan yang tampaknya berlawanan.