[转]详谈软硬结合板及柔性电路板设计规范IPC标准下载

软硬结合板有很多好处,许多设计师们之前并不了解,因为他们的设计不是必须使用这个技术。然而现在越来越多的设计师将要面对构建越来越高密度的电子设备的压力,更让他们头痛的是还有要不断地降低制造成本和减少制造时间。其实,这真的不是什么新的技术难题。很多的工程师和设计师们已经为之头痛很久,且所面临的压力也正不断骤增。

老wu今天分享的这篇《详谈软硬结合板》的文章,转载自Altium Blog,原文链接:http://www.altium.com/blog/ruminating-rigid-flex-pt1

在这篇文章的末尾,老wu还会给出一些干货提供下载,包括:

  • 华为柔性印制电路板(FPC)设计规范
  • IPC-2223B 挠性印制板设计分标准
  • FLEXIBLE & RIGID-FLEX CIRCUITS TECHNICAL ENGINEERING GUIDE
  • Altium RIGID-FLEX PCB DESIGN A GUIDE BOOK FOR DESIGNERS

大家可以到博文的博文查看下载方式

软硬结合板很可能成为新手在新技术开拓道路上的一个陷阱。因此,了解如何制造柔性电路以及软硬结合板是非常明智的。这样,我们可以轻松找设计中的错误隐患,防患于未然。现在,让我们认识一下做这些板子需要哪些基础材料。

柔性电路的材料

基底和保护层薄膜

首先,我们来考虑一下普通的刚性印刷电路板,它们的基底材料通常是玻璃纤维和环氧树脂。实际上,这些材料是一种纤维,尽管我们称之为“刚性”,如果单取出一层,你还能感受到它的弹性。由于其中的固化环氧树脂,才能使板层更加刚硬。由于它不够灵活,所以不能应用到某些产品上。但是对于很多简单装配的、板子不会持续移动的电子产品还是合适的。

在更多的应用中,我们更需要比环氧树脂灵活的塑料薄膜。我们最常用的材质是聚酰亚胺(PI),它非常柔软、牢固,我们不能轻易地撕裂它或者延展它。而且它还具有难以置信的热稳定性,能够轻松承受加工中回流焊过程的温度变化,而且在温度的起伏变化过程中,我们几乎不能发现它的伸缩形变。

聚酯(PET)是另外一种常用的柔性电路材料,与只聚酰亚胺(PI)薄膜比较,它的耐热性和温度形变比PI薄膜差。这种材质通常用于低成本的电子设备中,印刷的线路包裹在柔软的薄膜中。由于PET无法承受高温,更不用说焊接了,所以,一般采用冷压的工艺制作这种柔性线路板 。我记得这个时钟收音机的显示部分采用的是这种柔性连接电路,所以这台收音机经常工作不正常,根本原因就是这个质量差的连接件。所以我们建议软硬结合板还是选择PI薄膜,其他材料也有但不经常使用。

PI膜、PET膜、薄环氧树脂和玻璃纤维芯,是柔性电路的常用材质。除此之外,电路还需要使用其他保护膜,通常是PI或PET膜,有时会采用掩膜阻焊油墨。与在硬质板上组焊层保护线路相同,保护膜可以把导体与外界绝缘,保护其免受腐蚀和损坏。PI和PET膜的厚度在⅓密耳至3密耳范围内,其中1密耳或2密耳厚度的比较常用。玻璃纤维和环氧树脂材质较厚,一般是从2密耳到4密耳。

导体

在上面提到的省钱的电子产品中使用了印刷导线,通常是碳膜或银基油墨,但是铜导线还是普遍的选择。根据不同的应用,我们要选择不同的铜箔的形式。如果仅仅为了代替导线和接插件,从而减少制造时间和成本,那么良好应用于应性线路板的电解铜箔就是最好的选择。电解铜箔同样会应用于通过增加的铜的重量来提高电流的承载能力,从而得到可以实现的铜皮宽度的场合,例如平面电感器。

众所周知,铜在加工硬化和应力疲劳方面一直比较差劲的。如果最终的应用中柔性电路需要反复折叠或者重复移位,那么高等级的轧制韧化铜箔(RA)是更好的选择。显而易见,多了轧制韧化这一步骤势必增加成本,但是轧制韧化铜箔在出现疲劳断裂前能够被更多次的弯曲、折叠。而且它在Z偏转方向弹性增加了,这是我们需要的,在经常弯曲和滚动的应用中,它回报给我们更长的寿命。因为轧制韧化过程拉长了在平面方向的晶粒结构。

图2:夸张版的轧制韧化过程插图,非比例构图。铜箔通过高压辊轮后,可以在平面方向上延伸它的晶粒结构,使铜更柔软并且增加了z轴的弹性。

典型的例子就是台架与铣刀刀头的链接,或者蓝光驱动器中的激光头(如下图所示)。

图3:在蓝光机器中,柔性电路应用与激光与主电路板之间的连接。请注意,激光头上线路板上的柔性电路有需要弯曲成直角,这里用了一颗胶珠来增强柔性电路的联接。

胶粘剂

通常,我们需要胶粘剂来粘合铜箔和PI膜(或其他膜),因为与传统的FR-4刚性板不同,轧制韧化后的铜箔表面没有很多的毛刺,因此高温、高压不能实现良好的粘合。制造商,例如杜邦公司提供了单、双面的,可腐蚀的覆铜箔层压膜。它使用了厚度为½密耳或1密耳的丙烯酸或者环氧基胶的粘合剂。这个粘合剂是为柔性线路板专门开发的。

由于像直接在PI薄膜上涂镀和沉积铜皮这样新的加工工艺的引入,“无胶”层压板正变得越来越普遍。在需要更细的间距和更小的过孔的HDI电路中,这样薄膜就可以大派用场了。

当需要在软硬结合部添加保护胶珠时,我们会使用到硅树脂、热熔胶或者环氧树脂。这样会增强软硬结合部机械强度,确保在重复使用的过程中不会产生应力疲劳或者撕裂。图3中就是最好的例子。

图4:典型单层柔性电路板堆叠。

总结

清楚了解在柔性电路板或者软硬结合电路板中使用的材料是非常重要的。我们也可以放手给的制造商,由他们可以根据应用自由选择材料,但是这就为最终产品的失败埋下了隐患。比起我的概要,Coombs,CF(主编,2008)《印刷电路手册》,第6版,2008 McGraw Hill,pp 61.30 – 61.24中详细描述了相关内容。

要下载《印刷电路手册》这本书的同学请跳转到博客的这个页面:PCB菊花宝典 印制电路手册 Printed Ciruits Handbook 高清PDF电子书

了解材料的性能还可以帮助我们设计、评估和测试产品的机械部分。如果研发的是应用于汽车的产品,那么散热、防潮、化学腐蚀、冲击等情况都需要仔细模拟,从而采用正确的材料来实现产品的高可靠性以及最小允许弯曲半径。讽刺的是,驱使我们选择柔性后者软硬结合板应用实际,往往会暴露在恶劣的环境中。例如,低成本的消费类个人电子设备经常会受到振动、跌落、汗水等困扰。

构建柔性板

乍一看,典型的柔性板或者软硬结合板看起来很平淡无奇。然而,把它们制造出来需要一些额外的步骤。制造任何一款软硬结合板,都是从制造单面或双面的柔性板开始的。正如上周提到过的,制造可以从预压制的软板开始,也可能从PI膜开始,然后在原始的裸板上层压铜板,或者镀上铜皮。层压工艺需要在薄膜上刷涂一层薄薄的粘贴剂,无胶工艺则要在薄膜上种镀铜的“种子”。通常使用汽体淀积技术(如溅射法)种“种子”,为接下来的化学沉淀流程种下凝结核。接下来单面或者双面的柔性板的钻孔、镀通以及蚀刻的过程,大体上与双面硬质板的加工过程类似。

柔性板的制造步骤

下面的GIF动画显示了一个典型的双面柔性电路板的制造步骤。

图1:GIF动画显示了柔性电路板的制造过程。

1、胶粘剂或者种“种子”的应用

使用环氧树脂或丙烯酸类的粘合剂,或者用溅射法涂镀是创建薄铜镀层的关键。

2、添加铜箔

将RA/ED铜箔层压制到粘合剂上(这是主流方法)或者使用化学镀镀的方法。

3、钻孔

过孔和焊盘的孔通常是机械钻孔。多块柔性板可以通过工作转盘实现同时钻孔。使用与硬质板同样的办法,柔性板的预切割可以与钻孔结合在一起实施,这需要更为细致的记录,但是对齐精度可以降低。一般采用激光打孔来处理超小钻孔,这会大大增加成本,因为每片膜都需要分开钻孔。使用准分子(紫外线)或YAG(红外线)来处理高精度钻孔(microvias),使用CO2激光器来钻中等大小的钻孔(4密尔以上)。使用冲压的方式来可以处理大的过孔和板剪切,但那是另外的加工步骤。

4、通孔电镀

一旦打孔完成,将采用与硬质板相同的沉积和化学电镀的办法,把铜添加到孔上。

5、印刷防蚀刻油墨

在膜表面涂上感光性的抗蚀剂,然后使用需要的图案进行曝光,在化学蚀刻铜前清除掉不需要的抗蚀剂。

6、蚀刻和剥离

暴露的铜皮被蚀刻掉以后,采用化学的方法把抗蚀剂剥离。

7、覆盖膜

柔性板的顶部和底部用切割成形的覆盖膜保护。柔性板上有时候需要焊装在一些元器件,那么覆盖膜就起到了阻焊层的作用。最常见的覆盖膜材料是聚酰亚胺,使用粘合剂粘合,这里也可以采用无胶过程。在无胶过程中,把光感阻焊剂刷在柔性板上,这与硬性板的过程是一样的。为了降低成本,可以使用丝网印刷,然后通过紫外线照射进行固化。

图2:带覆盖膜的柔性电路-请注意,覆盖层中的开口一般小于元件焊盘。

关于保护膜需要注意的是,它通常只放置于一部分暴露的柔性电路上。对于软硬结合板,保护膜不会放于硬性板上,除非有小部分重叠-通常约半毫米。当然保护膜可以包括整个硬性部分,但是这样做会不利于硬性板的附着力和z轴的稳定性。这种可选择的保护膜被称为“比基尼保护膜”,因为它只覆盖裸露的部分。此外,覆盖膜在元器件或者连接器焊盘处留有切口要至少保留焊盘的两个边。我们会在下期博客中探讨这个问题。

8、柔性板的剪切

制造柔性电路的最后一步骤是剪切。这通常被称为“下料”。高产量、低成本的剪切方法是使用液压冲床和钢模具。虽然这里需要高成本的钢模具,但是这种方法能在同一时间剪切出许多的柔性电路板。对于样机和小批量的生产一般使用刀模具。把很长的刀片,按照柔性电路板轮廓形状塑型,然后粘贴到刀模基座(中密度纤维板,胶合板或厚塑料,如聚四氟乙烯)上。按压刀模具,就可以将柔性电路切割成形。对于产量更小的原型机制造,可以使用到X/Y切割器,有些类似用于乙烯标牌的制作。

压制和切割

如果柔性电路板还要与硬质板压制成软硬结合板(我们感兴趣的部分),那么我继续往下讲。我们需要把柔性板和硬质板压制在一起。与普通的柔性板相同,它需要独立钻孔、电镀并蚀刻。不同的是由于缺少玻璃纤维,所以它更薄、更有弹性。正如前面所提到的,弹性差一点的板可以根据需求使用PI和玻璃纤维制造。最后要也要把它作为夹层与硬质板压制在一起,并做成拼板。

层压叠层

柔性电路板是与硬质电路板和其他柔性板,通过粘接剂热压在一起的。每个柔性板彼此是不相邻的。为了保持灵活性,每个柔性板最多有2个铜皮层。柔性板之间是被硬质半固化片、基板或者由环氧树脂或和丙烯酸酯胶粘剂制成的PI芯粘接片所分离的。

从本质上讲,每个硬质板在柔性板填充的部分都是单独切割的。

下面是软硬结合板层压过程,2个两层柔性电路嵌入三个硬质板中。层叠结构如图3和图4所示。

图3:金属蚀刻、电镀、保护膜和空白柔性板与玻璃环氧硬质板相结合。

图4:包括每一柔性部分镀孔层叠板,及硬性部分镀孔的详细流程图。

在图4所示的层叠例子中,有两个预蚀刻和切割的柔性电路,每一个都是双面镀通的。柔性电路已经嵌在最终的拼板中,在柔性电路下面保留了硬质电路板,用于支撑柔性电路。这样有助于在焊装过程中保持柔性电路平整。如果柔性电路没有支撑的话会有一些潜在的危害,比如焊装过程中柔性电路弯曲或者大裂缝,尤其是在回流焊炉中。我会在下一篇博客中,提及设计方面的解决技巧。

阻焊可以使用类似压贴纸的覆盖膜,或用前面提到的光敏阻焊涂料。最后,由柔性板和硬质板构成的6层的板压制完成后,最外层(顶部和底部)的铜箔层就要连接在一起了。通常是从顶层到底层钻孔,然后涂镀就完成了。也可以使用激光钻盲孔(从顶层到柔性板或者从底层到柔性板),不过这样会增加成本。

最后一步是印刷顶层和底层的阻焊层、丝印层和防腐镀金(如:化镍浸金)或焊锡均涂(HASL)。

物理约束

多个柔性板结构

尽管原理上软硬结合板可以使用各种层叠结构,但是如果你没能谨慎考虑生产步骤及材料属性,它的造价会贵得离谱。设计柔性电路的一个重要考虑是,要了解电路弯曲时材料内部所能承受的压力。在反复多次地弯曲后,铜会硬化并产生疲劳断裂。缓解这个问题的一种方法是使用单层的柔性电路结构,这样,铜处于弯曲半径的中心,薄膜板和覆盖层最大限度吸收了的压缩和拉伸应力,如图5所示。由于聚酰亚胺具有良好的弹性,所以问题不大。相比多铜层结构,单层铜皮结构能在反复的运动中具有更长的生命周期。

图5:对于需要多次重复弯曲的电路,最好使用单层柔性结构,并且使用RA铜来增加疲劳寿命。

同理,多个独立的柔性电路通常也是很有必要的,但最好避免在重叠部分弯曲,因为柔性部分的长度会限制弯曲半径。噢!我有点说过头了-设计方面内容,我将在下周续写更多…

胶珠

正如上周我所提到的,在柔性板离开硬质板的地方需要考虑加强它的牢固度,环氧树脂、丙烯酸或热熔胶都可以帮助提升使用寿命。但是,点胶和等它固化,会增添额外劳动及生产周期。

当然可以使用自动点胶机,不过你必须非常仔细地与装配工程师一起合作,来确保装配完成后这个胶珠不会掉下来。在某些情况下,即便是费时、费钱,也必须要手动上胶。无论采用哪种方式,你都需要为装配人员提供清晰的操作手册。

补强板和终端

如果不与硬质板组装在一起,那么柔性电路的终端通常会与连接器相连。这种情况下,终端部分可以添加补强板。补强板的材料多为更厚的聚酰亚胺或者FR-4。一般来说,它有助于把柔性板嵌压到硬质板上。

拼板

在焊装的过程中,软硬结合板是拼在一起的。我们把元件放置并焊接在硬质板部分。某些产品需要在柔性板部分焊装元器件,这种情况下,柔性板的下面要保留硬质板,用于支撑柔性板。硬质板不与柔性板粘贴在一起,并且使用可控制深度的铣刀铣出它的轮廓。当焊装完成后,工人用手就可以把它压下来。

图6:软硬结合板的例子。请注意,这里有前后面板、柔性电路和板切割。硬质板上已经开有V型槽,焊装完成后可以被折断。这样在装配至机箱过程中可以节省时间。

柔性电路板或者软硬结合板的制造文件

制造文件

让我们来谈谈制造文件,它们非常重要。我们是通过制造文件告诉生产商我们想要什么的,然而它们也是造成理解错误或者失误,而导致高昂代价的延误的重要因素。幸运的是,我们可以参考一些标准,来确保我们与制造厂之间沟通无碍,尤其是IPC-2223B(我的篇博客也参考这个标准)。

这可以归结为以下几条金科玉律:

  • 确保你的制造商有能力制造你的设计的软硬结合板。
  • 确保他们从构建层叠结构时就与你合作,以便设计能够满足他们的生产流程。
  • 使用IPC-2223作为设计参考,并确保制造商使用相同或相关的IPC标准,这样你便与他们使用了相同的术语。
  • 尽早让他们参与到进设计过程中。

输出数据集

在拜访了一些当地有能力做软硬结合板的制板商后,我们发现,很多设计师仍然将gerber文件传送给他们的制板商。然而首选的应该是ODB++ v7.0或更高版本,因为在它的工作矩阵中添加了可以使GenFlex ®和类似的CAM工具能够清晰辨识的特定图层类型。如表1所示,包含的数据子集。

表1: 用于GenFlex的ODB++图层类型子集(V7.0及更高版本)

(来源:ODB++V7.0规格)

层类型

基本类型

描述

覆盖膜

阻焊掩模

覆盖膜的间距

覆盖衣

阻焊掩模

覆盖膜的间距

冲床

剪板

模具冲压柔性电路的形状

加强板

掩模层

加强板将被粘贴的位置和形状

弯曲区域

掩模层

标识使用时会弯曲的区域

PSA

掩模

压敏胶粘剂的形状和位置

区域

说明

区域的定义(刚性、柔性或任意)

暴露面积

说明

内层的暴露部分以及它相关的覆盖层(也可用于嵌入式元件)

柔性信号

信号

柔性电路的信号层

柔性电源接地

平面层

柔性电路的电源接地层

柔性混合

混合层

柔性电路的混合层

涂镀掩模

掩模层

电镀过程中,一层中应该覆盖的区域定义

沉金掩模

掩模层

在沉金过程中,一层中应该覆盖的区域定义

如果使用Gerber或者ODB++早期版本的文件,我们便会面很多的麻烦。也就是说,制作商需要分离出刚性和柔性电路部分的剪切路径和模切图案。实际上,我们需要使用机械层胶片来显示硬性板上的避让需求,以及柔性电路区域上哪些部分会暴露在外;显示如何使用覆盖层来加强安装在柔性电路上的元件的焊盘。

此外,特别需要注意的是钻孔对和通孔电镀层对,因为从刚性板到柔性板反面的钻孔需要复钻,这会增加成本和降低产量。

作为一名设计师,真正的问题是,怎样来定义这些区域、层和堆栈?

使用表格定义层叠堆栈

提供给制造商的最重要的文件,毫无疑问是层叠堆栈。为了做出软硬结合板,还需要提供出不同领域的不同堆栈,并且要标识清楚。一个简单的方法是在机械层上,将板子的轮廓复制一份,并且标识出存在不同层叠堆栈的区域,并且把相应的层叠结构表格放在旁边。下图1就是一个例子。

图1:堆栈图表显示软硬电路区域的填充型态。

在这个例子中,我使用了不同的堆栈区匹配的填充图案来表示哪些叠层是包含在柔性部分或是刚性部分。可以看到这里的“绝缘层1”使用的是FR-4,因为它是加强板。

这就产生了新问题,我们还需要一个2D空间来定义哪里是弯曲或折叠的,哪里元件和其他重要对象可以穿过刚性和柔性之间的边界。我会在之后详述该点。

传递PCB设计意图

我们都知道,图片胜过千言万语。如果可以生成一张显示柔性和刚性区域的3D图像,这将帮助制造商更清楚地了解我们的意图。现在许多人目前使用MCAD软件实现这个视图,他们把PCB设计的STEP文件导入MCAD软件中。图2就是引用这一概念的例子。

图2:弯曲力学模型,展现设计意图。

另外的好处是,它可以帮助我们检查柔性板和柔性之间以及柔性板和刚性板之间的相互干涉,避免发生巨大的失误。

元器件放置

从上图中可以看到,软硬结合板意味着元器件可以放在中间层,而不单单是顶层和底层。这在PCB设计软件中有点棘手,因为通常元器件必须放置在顶层和底层。因此,我们需要可以把元器件放置在中间层的能力。

可喜的是, Altium Designer可以在把焊盘放置在任意层上,所以这就有可能实现了。另外,丝印是可以印制在在柔性电路上的。这不是难题,因为覆盖层材料可以很好地与丝网印刷油墨粘合。关键是,要选择足够的透过覆盖层材料的、有强烈对比的油墨颜色。丝印的清晰度会受到一些影响,因为它要穿越覆盖膜,以及它们之间的细小间距。再次强调,需要和制造者一起协商,来找到可行又经济的做法。

批注:如果我们在PCB板上规划了某个区域用于连接柔性板,并在这些区域上放置元件,那么这里就是放置嵌入式元件的合理区域。我们需要生成一套非常清晰的文件,展现切口的位置和层叠结构。这会由于制造方法而产生限制,比如复钻或者多次压制等。因此,准确传达你的意图并且尽量减少单独开孔是非常重要的。最好避免在板子的两面交叉开口。

批注:定义FLEX切口

请注意图1,为什么没有直角弯,但每个弯角的最小半径是多少? IPC建议半径要大于1.5mm (约60密耳),这样可以大大减少拐角处撕裂柔性电路的可能性。同样的道理,柔性电路中的沟槽和狭缝的两端要放置直径是3mm(⅛)或更大防止撕裂的孔。详见下面例子的展示。

图3:沟槽、狭缝和内角应该有防止撕裂口或者相切的线之间有最小半径为1.5mm的圆弧。

为了生产出可靠的软硬结合板产品,关于制造商和柔性电路的终端用户需要考虑很多,包括对铜皮图案的设计考虑。

柔性电路布线中该做和不该做的事情

层堆叠设计、器件布局和剪切等问题都是显而易见的,似乎我们已经把它们解决了。但是,请注意我在这个系列的第一个博客中提到的,柔性电路中会遇到很多材料的弱点。从相对较高z轴膨胀系数的粘合剂,到低粘度的PI衬底覆铜,到铜的硬化和疲劳。下面陈述的该做和不该做,将会很大程度上弥补上述不足。

保持柔性板的柔韧性

要事先根据需要确定柔性电路柔韧度,这是显而易见,但我们还是要再次强调。如果柔性电路部分只打算在装配过程中折叠,然后装在一个固定的位置,比如,安装在一个手持式超声设备中,那么我们在选择信号的层数和铜皮类型(RA或ED)上,会有很大的自由度。另一种情况,如果柔性电路部分要不断移动、弯曲或旋转,那么就应该减少层数,并选择无胶材料。

我们可以使用IPC-2223B公式(公式1表示单面,公式2表示双面,等等),根据铜的允许变形程度和其他材料特性,来确定最小允许弯曲半径部分。

T这个例子的公式是针对单面柔性板的,我们根据实际使用状况来选择EB,对于很少弯曲应用的选择16%,灵活安装的应用使用10%,动态的柔性设计使用0.3%(来源:IPC-2223B,2008,http://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf)。动态是指产品使用过程中的持续的弯曲和旋转,例如:移动DVD播放机中的TFT面板连接。

不要在拐角处弯曲

通常我们建议要保持柔性电路的铜皮走线沿着垂直方向弯曲。但有时做不到,那么请尽量减少弯曲幅度和频率,也可根据机械设计要求使用锥形弯曲。

图1:首选的弯曲位置。

使用弧形走线

正如上面图1所示,最好避免使用突兀的直角或者硬直的45°角走线,而是使用弧角走线模式。这样可以在弯曲过程中,减少铜皮的应力。

不要突然改变走线的宽度

当走线链接到焊盘时,特别是整理排列的柔性电路终端(如下图所示),将会形成一个薄弱的着力点,随着时间的推移铜皮很容易老化。除非使用加强板或者应用过程中不会弯折,否则建议采用如下的逐渐变窄的接线方式(提示:在柔性电路板中对于焊盘和过孔进行泪滴处理!)

图2:走线线宽的突变或者连接到焊盘会造成薄弱着力点。

使用多边形

有时,在柔性板上放置电源或者地平面是非常有必要的。如果不介意显著降低灵活性以及可能会使铜皮褶皱,你可以选择使用实心铜。一般来说,为了保持高度的灵活性最好使用阴影多边形敷铜。

提到这一点,我同时想到,传统的阴影多边形会在0°、90°和45°角的方向存在多余的铜皮加强。更优化的模式是六角形方式。使用负片层和阵列的六角焊盘就可以解决这个问题,使用复制和粘贴的方法可以更快速地建立阴影多边形。

图3: 使用六边形敷铜可以均匀平衡三个角度的应力

为焊盘提供加固

由于采用了低粘性的粘合剂(相对于FR-4),柔性电路上的铜更容易从聚酰亚胺基板上脱离。所以给裸露的铜皮提供加固尤为重要。涂镀的通孔为2个柔性层提供了恰当的锚定,所以使用过孔是非常好加固方式。正因如此(提供了z轴的扩展),许多加工厂建议在软硬结合板和柔性电路上添加深度达1.5密耳的涂镀通孔。表面贴装的焊盘和非涂镀的通孔焊盘本身没有加固措施,所以需要额外的加固来防止脱离。

图4:柔性电路的焊盘加固方式,涂镀、增加锚定、减少覆盖膜的开口

参照图4, 第二个选项适合有胶型覆盖层,第三个选项适合无胶型覆盖层。使用粘合剂的保护膜,会出现“溢胶”的现象,所以焊盘与开孔之间的缝隙必须足够大,以保障优良的助焊成形。

SMT元件焊盘是最脆弱的,尤其柔性电路会在元件的刚性引脚和焊盘下弯曲。图5和图6显示了如何使用覆盖层在焊盘的两端加固焊盘。做到这一点,柔性板上的焊盘必须要比典型的刚性板上的焊盘大一些。在看图6的对比,柔性板上安装元件的SMD焊盘。这会显着降低了柔性电路元件的安装密度,但与刚性电路相比,柔性电路的密度本来就不能太高。

图5: SOW封装的覆盖膜开口,显示出它在每个焊垫两端的加固。

图6: 调整焊盘尺寸和覆盖层的开孔。上面是典型的0603封装形式,下面是为了使用覆盖层加固修改的封装形式。

保持双面柔性

对于动态的双面柔性电路,尽量避免在同一方向放置走线,而是需要把(图7)它们错开,使铜皮走线均匀分布(图8)。

图7:不推荐的相邻层铜皮走线。

图8:首选交错式的相邻层铜皮走线。

印刷电路板的应用及实例。

随着我越深入地了解软硬结合板技术,就越惊奇地发现更多超炫的应用。上周,在圣克拉,我出席了今年的PCB西部会展。在那儿,我还见到了Altium用户群和一些老朋友!我期待能够发现一些涉足软硬结合制作的制造商和“专家”,可以从他们获取一些秘诀、暗示和技巧。

在过去的几年中,我听到很多的柔性电路制造商出现在阳光加利福尼亚。而且柔性电路板和软硬结合板的制板商在质量、精度和层数方面都有了提升。

这真是太棒了。

所以,本周的博客,我想与你分享几个我学到的简洁技巧和应用理念。最棒的是,现在有大量的制板商可以做这些事,而且它们的数量每年都在递增。

动态柔性的想法

在您的产品中设计柔性部分一般是基于如下两个原理:其一,构建一个结构紧凑和装配高效的设备;其二,使电路动态地机械结构融合起来。当然,也可以根据这两条原理来选择柔性电路的作用。现在,让我们来看看几个能够启发您的设计灵感的柔性电路例子。

机架结构

这是一个非常典型的动态柔性电路的应用,它可以装在3D打印机上或数控机床头的机械头上。通常,它会被沿着X方向安装,工具头会沿着z轴方向运动。这里显示出了2个轴向的运动,机架结构本身也会沿着Y轴方向移动。

柔性电路的总长度是运动头到达最末端的长度,再加上弯角和弯曲的长度。

弯角的部分是用于连接在Z轴移动的机械头后面,它与机械头一起沿着机架结构来回穿梭。柔性电路的终端必须留有足够的弯曲长度。

对于这种类型的应用,最好使用单层冷轧退火铜并使弯曲半径越大越好,这样的设计能够延长产品的寿命。

把柔性电路与不锈钢条粘贴在一起也可以延长产品的使用寿命。

图1:初始柔性电路设计。

制造考虑:拼板

上面的例子很好地引出了一个制造和成本的问题。如果根据理论使用直角L形的柔性电路,那么在一个拼板上我们可以制造6个相同的柔性电路,我们浪费了近50%面板空间。如果在它的上面再焊装元器件,我们还要支付额外的加工成本和时间。这个柔性电路的拼板图如图2显示。

图2:数控机架柔性电路的拼板。

使用柔性的另外一个好处是,如果我们使用合适的材料并且能够保证正确地安装,那么我们可以设计一个非常小半径的折痕。这是上个应用的一个很好的替代方案,不过要在特定环境中使用。

图3显示了另外的设计,它使用45°的折痕代替了前面设计的90°弯角。

在这个案例中,这个折痕是适合的,因为柔性电路的这部分将固定在大型刚性的机械体上,因此不会产生过度损耗。

这个方案会显著降低成本,拾放加工的工艺也简化了。然而,你可能会想到这点:由于折痕的缘故,元器件需要放置末端的对面层焊组装。

图4显示了在相同面板上,折痕方案的拼板,面板产量翻了一番!

图4:相同的面板尺寸——折痕曲方案的柔性设计使每个面板产量增加一倍!

规划层叠结构

相对软硬结合板,纯粹的柔性电层堆栈结构肯定简单。然而,我们仍然需要在面板放置锚定点。大多数柔性电路设计会要求,在安装的元器件或者终端区域要放加强板。图5显示了用于上述机架结构的柔性板的层栈结构,加强板的部分是“刚性”堆栈,在PCB编辑器中它固定以3D方式显示。

图5:机架结构例子中使用的柔性板的层栈结构定义。

图6:可旋转柔性设计的PCB外框。

旋转设备

看一下图6,在PCB编辑器中的我们使用了水平工作指南,它有助于基于柔性电路部分的弯曲圆周设计出精确的板形轮廓。同时,我们还能在PCB编辑器的板级规划模式下,规划和显示柔性电路的折痕位置,在3D模式下,准确模拟出柔性电路板弯曲程度。

图7和图8显示了这种设计的3D模式视图。

图7:旋转步进控制板级的3D视图。长“臂”可以使电机以及它的控制板板旋转的角度超过360°。

图8:装配好的完整折叠视图,包括3D步进电机。

在图8中,我标注了运动箭头及柔性电路的固定端,来给你一个直观的概念。

这种布局设计使得实现360°旋转更加容易。

这是一个假设的例子,对象是步进电机,这个设计应用于旋转传感器是非常合适的。

固定的柔性电路应用

平面磁性元件(变压器和电感器)

使用柔性板或者说软硬结合板做平面磁性元件的应用越来越多。一个月前,我自己维修了我家的43寸液晶电视。当我检查了背光逆变器板时,看到一排整齐的升压DC-DC稳压电路,在稳压电路中使用了由柔性电路做绕组的变压器。绕组是由旋转的柔性电路构成,如图9所示。结构的紧凑令人难以置信。

*它的终端连接到贴片保险丝上,保险丝烧断了。现在回想起来,我当时真应该拍张照片,给你们瞧瞧……

使用柔性电路做平面磁性元器件有明显的优势,非常薄的聚酰亚胺薄膜就可以实现非常高的安全隔离。而且在很高的的温度下聚酰亚胺薄膜还保持性能稳定,这使得它适用于热搪瓷灌封工艺。从损耗的角度来看,使用蚀刻铜线固然需要更宽的走线,但是因为它如肌肤的薄度,可以非常容易地减少涡流损耗。

图9:未卷曲的四绕组电感。

更精致的入口和出口设计,能够把它们重叠起来,这个的出口对应下一个的入口。这样的设计会比在平面上设计多个独立的绕组,会更加容易增加线圈的匝数,如图10所示。

由2层柔性板构成的18层绕组

将这一概念进一步地延展,我们可以在转换器的设计中使用中更多的柔性层,然后把它们重叠起来。如图11中所示的2层柔性电路变压器设计,E18平面铁氧体磁芯穿过PCB上的切口。这种做法可以任意延伸下去,它的实际限制取决于最终折叠后板的厚度。如图11,双面柔性板最终构成了18层的变压器绕组。

每个切口的中心,都可以有单圈电感绕组。弯曲轨道周围的侧边可以旋转半圈,由于磁路面积的侧边实际有效性只有一半,因此,你可能无法完全覆盖所有面积,但通过添加一个或两个额外的半圈匝数,就可以实现全覆盖。

图11:自上向下看下柔性电路变压器。单一大电流绕组安装在顶部,六个小电流绕组安装在底部,可以使用Altium Designer总线布线工具实现。

这可能会造成混乱,因为你必须记录恰当的铁氧体磁芯缠绕方向轨道。由于整个柔性电路将垂直折叠,我在机械1层添加了箭头,与各相邻绕组相对,同时提醒我,哪条需要铺铜路径。为解释得更加清楚,请参加图12。

图12:机械1层显示板层轮廓以及绕组方向箭头指引。

核心的柔性部件安装如下图所示。请注意,它将与连接到软硬结合板,通常电路都是在2层刚性印刷电路板上,柔性部分通常是所有核心绕组所需的附加层。当然,是使用大面积的柔性层,还是在硬性板设计中加入更多地层,这需要权衡成本来决定。

图13 :完全折叠的变压器,通过切口连接3D飞磁E18铁氧体磁芯。

多层软硬结合板

如何保持多层柔性板的灵活性和耐用性

许多军事、航空航天或类似的高密度设计,它们需要在狭小的空间内实现紧凑布局和可靠装配。这样就很难在硬板之间使用多层柔性电路。这在高速数字设计中同样需要,因为当总线电路在柔性板上走过时需要添加屏蔽或者平面层。

现在的问题是:为了保持良好的灵活性,柔性电路层的数量必须尽可能的少。通常的结构是一层PI基板、附着在基板两侧的铜皮层以及PI保护膜。

在“普通”的设计中,重叠的柔性电路的长度是相同的。如图14展示的情形,一旦装配完成,那么在硬质板间的柔性部分的弯曲会产生很大的张力。

图14:当多个柔性电路重叠并有相同的长度,那么在外部的柔性电路上会产生张伸,在内部的柔性电路上会产生挤压。请注意,在柔性电路与刚性电路接触部分要使用胶珠。

有经验的软硬结合板制造商,会建议使用“装订术”。“装订术”是一个可行的方法,根据使用柔性电路弯曲半径来确定其他个柔性电路和基板的长度。如图15中所示。

图15:装订术(来源:IPC-2223B,2008 P26)

你可能会说这钟方法十分费钱,而且对设计来说是个挑战。通常更好的替代方法是使用相同的长度和半径的柔性电路,但将不同的柔性电路层分隔开,彼此不重叠。见下图16所示。

图16:替代的装订术结构。

不损失走线层数的超紧密弯曲

如果之前没有看见过它,这绝对是一个神奇的东西!在PCB西部展会时,我从供应商那儿,拍了几张软硬结合板和柔性电路板的照片。图17显示了在我大拇指和食指间,是一个小型的电路板,它使用了几个S形叶状连接,提高了各部分之间的最小弯曲半径。在这张照片中可能看不太清楚清楚,元器件安装在背面有加强板的部分。

图17:具有多个铜皮层并且保持180°的弯曲。

这一概念当然可以延伸到多个用途。如图18所示,这是一个超灵活的显示板。在更宽广的、有加强板的部分上排列着一个的LED矩阵。整个装配过程会更加严格,因为它是由很多的铜皮层和PI膜层压在一起的。同样,使用了S弯可以使整个设计放置进弧形的外壳。我相信,矩阵中的每个LED都是单独控制的,所以在这个设计中有很多独立的走线。

图18:X-Y S型弯曲柔性阵列。

将这个概念更进一步拓展,图19的应用简直太酷了。这是一个非常紧凑的设计。根据PCB供应商的介绍,每个独立的柔性电路部分有8层。这样的柔性电路本身没有足够的灵活性。但使用多次S弯曲可以使它折叠到可以装进最终的机械外壳,甚至可以包含数百个高速内存和显示连接。注意,柔性电路的顶层是实心铜屏蔽!

图19: 8层柔性板层和4个额外的硬质板层。注意,柔性板的顶层是实心铜屏蔽,软硬板结和部分的边缘有粘接剂。

对于极具创意的设计师,总会延伸出更多的应用,如图20所示!

图20:谁说软硬结合板不能有折痕?

 

关于软硬结合板的额外干货资料:

  • 华为柔性印制电路板(FPC)设计规范
  • IPC-2223B 挠性印制板设计分标准
  • FLEXIBLE & RIGID-FLEX CIRCUITS TECHNICAL ENGINEERING GUIDE
  • Altium RIGID-FLEX PCB DESIGN A GUIDE BOOK FOR DESIGNERS

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