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【PCB設(shè)計(jì)】撓性電路設(shè)計(jì)指南

撓性電路設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)與剛性PCB設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)有諸多重合之處，但同時(shí)也存在很多差異。撓性電路能夠彎曲撓折的基本屬性就決定了它更像是機(jī)械器件而不是電氣器件。所以撓性電路有一系列特有的要求。了解這些要求之間的相互作用，有助于PCB設(shè)計(jì)師在平衡電氣功能和機(jī)械功能的前提下設(shè)計(jì)出可靠、性價(jià)比高的撓性電路互連方案。

概述

檢查設(shè)計(jì)的應(yīng)力集中特性。應(yīng)力集中特性是撓性電路發(fā)生機(jī)械失效（即導(dǎo)體開裂/破損、絕緣材料撕裂等等）的唯一原因。為了避免出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)，不應(yīng)在彎曲區(qū)域內(nèi)或緊鄰位置改變電路結(jié)構(gòu)。在彎曲區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)體的寬度、厚度或放置方向應(yīng)該無(wú)變化，應(yīng)該無(wú)電鍍層或涂層，覆蓋層或外部的絕緣材料應(yīng)該無(wú)開口，且彎曲區(qū)域內(nèi)不應(yīng)該有任何類型的孔。

彎曲比

確定并評(píng)估設(shè)計(jì)的最小彎曲比。彎曲比是評(píng)估撓性電路在使用過(guò)程中是否會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題的最佳指標(biāo)。彎曲比為彎曲半徑——電路厚度（表1）。

表1：不同結(jié)構(gòu)的最佳彎曲比

導(dǎo)體布線

導(dǎo)體應(yīng)盡可能穿過(guò)彎曲區(qū)域并且使導(dǎo)體垂直于彎曲面（圖1）。這樣做可以最大程度地減小彎曲時(shí)導(dǎo)體承受的應(yīng)力，從而最大程度地延長(zhǎng)電路使用壽命。應(yīng)該總是用有弧度的曲線而不是以尖銳的角改變導(dǎo)體方向。當(dāng)無(wú)法用有弧度的曲線改變導(dǎo)體方向時(shí)，最好采用2 個(gè)45 °的角改變導(dǎo)體方向，其次才考慮1個(gè)90°的角（圖2）。

圖1：導(dǎo)體應(yīng)盡可能穿過(guò)彎曲區(qū)域

圖2：在無(wú)法用有弧度的曲線改變導(dǎo)體方向時(shí)，采用2個(gè)45 °的角改變導(dǎo)體方向要好于使用1個(gè)90 °的角

最好將小導(dǎo)體放置在彎曲區(qū)域內(nèi)側(cè)。小導(dǎo)體（<0.007”）承受擠壓的能力要優(yōu)于承受拉伸的能力。將這類導(dǎo)體放置在彎曲區(qū)域的內(nèi)側(cè)可以減少或避免張力。不要在多層結(jié)構(gòu)上堆疊導(dǎo)體，以免產(chǎn)生工字梁效應(yīng)。堆疊導(dǎo)體必然會(huì)增加電路整體厚度，因此會(huì)降低撓性和電路可靠彎曲的能力。

導(dǎo)體

撓性電路導(dǎo)體是采用光蝕刻工藝制成，也就是使用一整張銅片開始生產(chǎn)。通過(guò)給理想導(dǎo)電路徑添加掩膜，然后再采用化學(xué)方法去除不需要的銅，留下理想的電路圖形，從而形成導(dǎo)體。蝕刻劑會(huì)溶解沒(méi)有添加掩膜的銅，同時(shí)也會(huì)蝕刻掉導(dǎo)體邊緣，出現(xiàn)“側(cè)蝕”現(xiàn)象。

隨著銅箔厚度的增加，側(cè)蝕量也會(huì)越來(lái)越大。所以撓性電路制造商很難在很厚的銅箔上制作出非常小的導(dǎo)體。蝕刻過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)差異（主要是蝕刻劑強(qiáng)度會(huì)隨著溶液中銅的含量而變）。因此，設(shè)計(jì)師必須要考慮走線寬度（和線距）的加工容差。為了得到最佳蝕刻良率，導(dǎo)體寬度至少應(yīng)該是厚度的5倍。

建議盡可能將導(dǎo)體寬度設(shè)置為最寬。例如，如果設(shè)計(jì)需要在孤離區(qū)域內(nèi)的焊盤之間擠進(jìn)寬度為0.005”的導(dǎo)體，那么一旦導(dǎo)體離開孤離區(qū)域，寬度應(yīng)該增加0.010”至0.012”（圖3）。這一做法能夠提升蝕刻良率，也就意味著電路總成本會(huì)降低。

圖3：如果必須縮小孤離區(qū)域內(nèi)焊盤之間導(dǎo)體的寬度，應(yīng)該在導(dǎo)體離開孤離區(qū)域后調(diào)整到原來(lái)的寬度

焊盤嵌條

最好在導(dǎo)體進(jìn)入焊盤的每個(gè)位置都插入填充部分。焊盤填充可以減少或消除潛在的應(yīng)力集中點(diǎn)。

撕裂釋放

圖4所示是消除撓性電路撕裂的最常見(jiàn)也是最有效的方法。不推薦使用銅撕裂制止塊，因?yàn)榇祟愌b置已被證實(shí)在防止撕裂出現(xiàn)或防止裂痕延展方面收效甚微。

圖4：可以減輕撕裂的設(shè)計(jì)方案

導(dǎo)通孔

通孔可以在導(dǎo)通孔位置處連接所有的層。盲孔可以將外層和相鄰層連接在一起，但不會(huì)貫穿整個(gè)電路。埋孔會(huì)連接內(nèi)層，但不會(huì)延伸到外層。盲孔和埋孔會(huì)增加電路成本，但也會(huì)增加未鉆孔層上的PCB可用面積。

SMT余隙開口最常見(jiàn)的兩種覆蓋層材料是聚酰亞胺薄膜和撓性阻焊膜。在這兩種材料上創(chuàng)建余隙開口的方法可謂是截然不同，因此設(shè)計(jì)要求也相差甚遠(yuǎn)?？赏ㄟ^(guò)鉆孔、銑削或沖孔的方式來(lái)形成聚酰亞胺薄膜上的余隙開口，圓形鉆頭或工具的形狀限制了余隙開口的形狀和尺寸。因此，聚酰亞胺薄膜上的SMT余隙開口不是圓形就是橢圓形。而多個(gè)SMT焊盤的一組余隙開口也是撓性電路設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)方法。

像常規(guī)PCB阻焊膜的撓性阻焊膜就是通過(guò)感光成像形成，所以可能會(huì)得到任何形狀的開口。阻焊膜余隙開口應(yīng)該比SMT焊盤略大，確保如印刷過(guò)程中出現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)偏差，阻焊膜不會(huì)附在焊盤上。

受控的阻抗和信號(hào)完整性

電子設(shè)備運(yùn)行速度在不斷提高，導(dǎo)致電子組件所有部件（包括系統(tǒng)中的任何撓性PCB或剛性PCB）的特性阻抗要具備相匹配的阻抗。阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致每個(gè)失配點(diǎn)上出現(xiàn)信號(hào)反射和信號(hào)衰退，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，并最終導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。

在投入生產(chǎn)之前，可用阻抗計(jì)算器來(lái)確定撓性電路的特性阻抗（圖5）。撓性電路制造商可以幫你完成計(jì)算，或者也可以購(gòu)買或下載阻抗計(jì)算器。有些因素會(huì)影響到撓性PCB的特性阻抗，其中的主要因素包括：

用于構(gòu)建電路的絕緣材料的介電常數(shù)

傳載信號(hào)的走線寬度

信號(hào)走線與參考平面層之間的距離

傳載信號(hào)的走線厚度

差分阻抗應(yīng)用中信號(hào)走線之間的距離

圖5：標(biāo)準(zhǔn)雙層電路結(jié)

最常見(jiàn)的阻抗要求是50歐姆至75歐姆（單端）或100歐姆至110歐姆的差分信號(hào)。若想在撓性電路中達(dá)到這個(gè)阻抗值，需要使用比平時(shí)更厚的絕緣材料，導(dǎo)致電路整體變得更厚、更硬（圖6）。

圖6：對(duì)阻抗要求較高的雙層結(jié)構(gòu)圖受控阻抗部分的厚度增加所以撓性

平面層和屏蔽層

參考平面層和外部屏蔽層在阻抗控制和信號(hào)完整性方面發(fā)揮著重要作用。制造商可以用以下材料添加平面層：

額外的蝕刻銅層

絲印導(dǎo)電環(huán)氧樹脂或?qū)щ娪湍?

層壓導(dǎo)電薄膜

對(duì)于需要通過(guò)鍍覆孔完成連接的內(nèi)部平面，需要用銅平面層作為標(biāo)準(zhǔn)平面層。銅平面層可以使撓性電路更好地保持預(yù)成型時(shí)的形態(tài)，而絲印導(dǎo)電環(huán)氧樹脂或?qū)щ娪湍约皩訅簩?dǎo)電薄膜可以使撓性電路的撓性增強(qiáng)。

增強(qiáng)板

有一種明智的做法是用機(jī)械增強(qiáng)板硬化撓性電路上的SMT部分、連接器和其他終端區(qū)域。撓性電路制造商可以添加由環(huán)氧玻璃層壓板（FR-4）或聚酰亞胺薄膜制成的任意厚度增強(qiáng)板。在SMT應(yīng)用中，應(yīng)該在SMT元器件相反的一側(cè)添加增強(qiáng)板。在通孔連接器和其他通孔應(yīng)用中，應(yīng)該在連接器或通孔元器件同一側(cè)添加增強(qiáng)板。在連接器區(qū)域內(nèi)添加增強(qiáng)板要求有匹配連接器占用空間的小孔。增強(qiáng)板中的小孔至少要比電路上余隙孔的直徑大0.015”。

熱隔離盤

在每一個(gè)被大量銅包圍的焊盤上都應(yīng)該使用熱隔離盤。大面積的銅會(huì)使熱量從非熱隔離盤上散發(fā)出去，導(dǎo)致很難完成焊接。

剛撓結(jié)合電路設(shè)計(jì)指南

鑒于剛撓結(jié)合電路是一種結(jié)合了剛性PCB和撓性PCB的混合電路，所以針對(duì)這類結(jié)構(gòu)有特殊的指南（圖7）。

圖7：典型剛撓結(jié)合電路

在剛撓性電路上，要確保所有鍍覆孔都在剛性區(qū)域（撓性區(qū)域不能出現(xiàn)鍍覆孔）；

明確使用的非粘性撓性材料，以及剛撓結(jié)合上設(shè)計(jì)使用“回切式”覆蓋結(jié)構(gòu)還是“比基尼式”覆蓋結(jié)構(gòu)。丙烯酸粘合劑是剛撓結(jié)合電路上鍍覆孔的唯一致命弱點(diǎn)。避免在鍍覆孔區(qū)域內(nèi)使用丙烯酸粘合劑能夠大幅增加鍍覆孔的可靠性；

由撓性電路連接的剛性區(qū)域應(yīng)至少相距0.375”，最好能夠距離0.5”或以上；

采用“未粘合”的結(jié)構(gòu)來(lái)增加撓性。在阻抗受控電路上使用未粘合結(jié)構(gòu)時(shí)，一定要確保信號(hào)層和參考平面層是已經(jīng)相互粘合的。電路彎曲時(shí)，未粘合的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)彎曲，這時(shí)若信號(hào)層和參考層未粘合到一起，就會(huì)出現(xiàn)阻抗不匹配；在指定了元器件安裝使用的載板或“托盤”后，聯(lián)系制造商以確保載板能夠有效契合他們的加工拼板，否則會(huì)導(dǎo)致成本急劇增加。

決定成本的因素

所有設(shè)計(jì)師都在尋找合適的方法，在不影響性能表現(xiàn)的前提下降低成本。IPC研究顯示，PCB設(shè)計(jì)師做出的決定會(huì)對(duì)75%的電路成本產(chǎn)生影響。撓性電路設(shè)計(jì)師應(yīng)該清楚哪些功能可以增值，哪些功能只會(huì)增加成本，這一點(diǎn)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)師絕不應(yīng)該犧牲可靠性來(lái)節(jié)省成本，同時(shí)，很多指定使用的撓性電路又很沒(méi)有必要，只會(huì)增加成本卻不會(huì)增加額外價(jià)值。以下特征是導(dǎo)致電路成本上升的主要驅(qū)動(dòng)因素。

電路板層數(shù)：層數(shù)的增加也會(huì)導(dǎo)致成本不斷上升。層數(shù)增加，意味著需要使用更多材料和加工時(shí)間。加工層數(shù)較多的撓性或剛撓結(jié)合電路可能會(huì)遇到非常大的技術(shù)挑戰(zhàn)，從而導(dǎo)致良率下降

電路尺寸和形狀：大多數(shù)撓性電路都制成了拼板形式。電路在拼板上占的面積越大，成本就越高。有一些實(shí)例表明，即使是對(duì)電路外形稍作更改也能大幅節(jié)省成本。撓性電路形狀的細(xì)微改變也可以讓拼板上的撓性電路嵌套更合理，這樣就可能使每塊拼板上多增加兩個(gè)電路

電路類型（即第3類與第4類的對(duì)比）：剛撓結(jié)合電路通常要比帶有增強(qiáng)板的多層撓性電路更貴。檢查你的設(shè)計(jì)，確定應(yīng)用是否需要用到剛撓結(jié)合電路結(jié)構(gòu)，還是使用帶有增強(qiáng)板的多層電路就已經(jīng)足夠。如果需要，可以打電話咨詢撓性電路制造商

電路等級(jí)（即3級(jí)和2級(jí)的對(duì)比）：3級(jí)電路需要進(jìn)行額外的測(cè)試、檢驗(yàn)和特定的結(jié)構(gòu)要求，所以成本也會(huì)更高。審查應(yīng)用的要求，確定你要使用哪種等級(jí)的撓性電路

圖紙中使用的尺寸過(guò)大或過(guò)于嚴(yán)苛：謹(jǐn)記，你要購(gòu)買的是撓性電路，不是機(jī)器加工部件。用于制造撓性電路的材料要比剛性PCB材料的容差更寬松，這一點(diǎn)也是允許的。添加到圖紙上的每個(gè)尺寸都需要經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，所以你要問(wèn)自己：“這個(gè)尺寸會(huì)帶來(lái)額外價(jià)值還是只會(huì)徒增成本？”撓性電路圖紙上所有非關(guān)鍵尺寸都應(yīng)該指定為參考

鍍覆孔區(qū)域內(nèi)不同的層數(shù)：所有存在鍍覆孔的區(qū)域都應(yīng)該具有相同的層數(shù)和結(jié)構(gòu)

多種表面涂層：雖然可以使用多種不同的表面涂層，但通常這種做法需要一系列手動(dòng)添加掩膜的操作，因此也會(huì)增加成本

小特征：因?yàn)閾闲噪娐凡牧媳旧淼某叽绮环€(wěn)定性，小電路特征（即導(dǎo)通孔焊盤）可能會(huì)引起加工困難并降低良率。由實(shí)例證明，添加有較大特征的板層要比使用較小特征的設(shè)計(jì)更節(jié)省成本。因此，建議在設(shè)計(jì)階段盡早聯(lián)系撓性電路供應(yīng)商，聽(tīng)取他們的建議

盲孔和埋孔：制造這類孔要比制造通孔的成本高很多

（by Flexible Circuit Technologies）

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