柔性印刷電(diàn)路设计最佳实践

2022-03-31

柔性印刷電(diàn)路设计最佳实践

為(wèi)了生产可(kě)靠的基于刚柔结合的产品，需要考虑许多(duō)与柔性電(diàn)路的制造和最终用(yòng)途相关的因素，以及铜图案的设计。在您开始在柔性/刚柔性PCB 中放置和布線(xiàn)電(diàn)路之前，请确保遵循这些柔性印刷電(diàn)路工程技巧，以确保高良率和耐用(yòng)性。这些技巧将帮助您在柔性设计中的耐用(yòng)性与在柔性板或高级PCB區(qū)域中放置组件和布線(xiàn)的需求之间取得平衡。

柔性印刷電(diàn)路设计中的物(wù)理(lǐ)约束

多(duō)个 Flex 子堆栈

虽然可(kě)以构建几乎任何具有(yǒu)刚性和柔性部分(fēn)的叠层，但如果您不仔细考虑生产步骤和所涉及的材料特性，它可(kě)能(néng)会变得非常昂贵。要记住的柔性電(diàn)路的一个重要方面是電(diàn)路弯曲时材料内的应力。铜是一种有(yǒu)色金属，已知会发生加工硬化，并且随着反复弯曲循环和小(xiǎo)半径最终会发生疲劳断裂。缓解这种情况的一种方法是仅使用(yòng)单层柔性電(diàn)路，在这种情况下，铜位于中值弯曲半径的中心，因此薄膜基板和覆盖层处于最大的压缩和拉伸状态，如下所示。

同样，通常需要多(duō)个单独的柔性電(diàn)路，但最好避免在重叠部分(fēn)弯曲，因為(wèi)重叠部分(fēn)的長(cháng)度限制了弯曲半径。由于聚酰亚胺非常有(yǒu)弹性，所以这不是问题，并且在重复运动下会比多(duō)层铜层持续更長(cháng)的时间。铜位于中间弯曲半径的中心，因此薄膜基材和覆盖层处于最大的压缩和张力中。

对于高度重复的弯曲電(diàn)路，最好在单层弯曲中使用(yòng)RA 铜，以增加電(diàn)路中铜的疲劳寿命（在失效前的循环中）。

胶珠、加强筋和端接

有(yǒu)时您需要考虑在柔性電(diàn)路退出刚性板的地方使用(yòng)加强器。添加环氧树脂、丙烯酸或热熔胶珠将有(yǒu)助于提高组件的使用(yòng)寿命。但是分(fēn)配这些液體(tǐ)并对其进行固化会给生产过程增加繁重的步骤，从而增加成本。与 PCB设计一样，需要权衡取舍。

可(kě)以使用(yòng)自动流體(tǐ)分(fēn)配，但您需要非常小(xiǎo)心地与装配工程师合作，以确保您最终不会在装配下滴落胶水。在某些情况下，必须用(yòng)手涂抹胶水，这会增加时间和成本。无论哪种方式，您都需要為(wèi)制造和组装人员提供清晰的文(wén)档。

如果不是主刚性板组件，柔性電(diàn)路的末端通常会终止于连接器。在这些情况下，端接可(kě)以应用(yòng)加强筋（更厚的带粘合剂的聚酰亚胺，或 FR-4）。一般来说，将弯曲的末端也嵌入刚柔结合部分(fēn)是很(hěn)方便的。

刚挠结合板

刚性柔性電(diàn)路在组装过程中保持在其面板中，因此可(kě)以将组件放置并焊接到刚性端接部分(fēn)上。一些产品要求组件在某些區(qū)域也安装在柔性板上，在这种情况下，面板必须与额外的刚性區(qū)域放在一起，以在组装过程中支撑柔性板。这些區(qū)域没有(yǒu)粘附在柔性上，而是使用(yòng)受控深度的路由器钻头（带有(yǒu)“鼠标咬伤”）进行布線(xiàn)，最后在组装后用(yòng)手冲压出来。

刚柔结合 PCB 面板示例。请注意，这个有(yǒu)前后板边缘和柔性電(diàn)路，已布線(xiàn)。刚性侧面是 V 型槽，以便稍后折断。这将节省组装到外壳中的时间

很(hěn)容易看到层堆栈设计、零件放置和切口的问题，并认為(wèi)我们已经解决了这些问题。但请记住，柔性電(diàn)路有(yǒu)一些粗糙的材料怪癖。从粘合剂的相对较高的 z 轴膨胀系数到铜对 PI 基板和覆盖层的较低附着力，再到铜的加工硬化和疲劳，这些怪癖不一而足。这些可(kě)以通过遵循一些注意事项和注意事项在很(hěn)大程度上得到补偿。

保持 Flex 灵活

这似乎很(hěn)明显，但值得一提。预先确定需要多(duō)少弯曲，弯曲是否需要可(kě)重复，或者设计是否有(yǒu)静态弯曲。如果您的柔性電(diàn)路部分(fēn)仅在组装过程中折叠然后留在固定位置 - 例如在手持超声设备中 - 那么您在层数、铜类型（RA 或 ED ) 等你可(kě)以使用(yòng)。另一方面，如果您的柔性電(diàn)路部分(fēn)将持续移动、弯曲或滚动，那么您应该减少每个柔性子堆栈的层数，并选择无粘合剂基板。

然后，您可(kě)以使用(yòng) IPC-2223 中的方程式（方程式 1 表示单面，方程式 2 表示双面等）根据您允许的变形来确定弯曲部分(fēn)的最小(xiǎo)允许弯曲半径是多(duō)少铜和其他(tā)材料的特性。

此示例等式适用(yòng)于单面弯曲部分(fēn)。它可(kě)以与组装好的柔性PCB 一起使用(yòng)，但如果弯曲線(xiàn)位置错误，您可(kě)能(néng)会对元件引線(xiàn)上的焊点施加压力。您需要根据目标应用(yòng)选择EB，其中 16% 用(yòng)于 RA 铜的单折痕安装，10% “柔性安装”和 0.3% 用(yòng)于“动态”柔性设计（来源：  IPC-2223B，2008 http ://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf）。在这里，动态意味着在产品使用(yòng)过程中连续弯曲和滚动，例如移动 DVD 播放器上的 TFT 面板连接。

不要在拐角处弯曲并使用(yòng)弯曲的痕迹

通常最好保持铜迹線(xiàn)与柔性電(diàn)路弯曲成直角。但是，在某些设计情况下，这是不可(kě)避免的。在这些情况下，尽可(kě)能(néng)保持轨道工作平缓弯曲，并且根据机械产品设计的要求，您可(kě)以使用(yòng)锥形半径弯曲。另请参考下图，最好避免突然的硬直角轨道工作，甚至比使用(yòng) 45° 硬角更好，使用(yòng)圆角模式对轨道进行布線(xiàn)。这减少了弯曲期间铜中的应力。

首选折弯位置。

不要突然改变宽度

每当您有(yǒu)轨道进入焊盘时，特别是当它们在柔性電(diàn)路端接器中排列成一排时（如下所示），这将形成一个薄弱点，铜会随着时间的推移而疲劳。除非要在走線(xiàn)宽度过渡附近应用(yòng)加强筋或一次性折痕，否则建议从焊盘逐渐变细（提示：在柔性電(diàn)路中的焊盘和通孔上放置泪珠！）

走線(xiàn)宽度变化和焊盘入口可(kě)能(néng)会导致薄弱环节。

添加对 Pads 的支持

由于弯曲过程中的重复应力，以及铜对基板的较低附着力（相对于 FR-4），柔性電(diàn)路上的铜更容易从聚酰亚胺基板上脱落。因此，為(wèi)裸露的铜提供支撑尤為(wèi)重要。因為(wèi)通孔電(diàn)镀提供了从一个柔性层到另一个柔性层的合适机械锚，所以通孔本身就受到支持。出于这个原因（以及 z 轴扩展），除了刚性電(diàn)路板中的传统電(diàn)镀之外，许多(duō)制造商(shāng)将建议对刚挠性和柔性電(diàn)路进行额外的高达 1.5 密耳的通孔電(diàn)镀。表面贴装焊盘和非镀通焊盘被称為(wèi)无支撑，需要额外的措施来防止脱落。

通过電(diàn)镀、锚定短柱和减少的覆盖层接入开口支持弯曲的通孔焊盘。

SMT 元件焊盘是最脆弱的，尤其是当柔性電(diàn)路可(kě)能(néng)在元件的刚性引脚和焊角下弯曲时。下面的焊盘和走線(xiàn)排列显示了如何使用(yòng)覆盖层“掩模”开口来锚定焊盘的两侧将解决问题。要做到这一点，同时仍然允许适量的焊料，焊盘必须比典型的刚性板占用(yòng)空间大一些。这显然会降低柔性電(diàn)路元件安装的密度，但与刚性相比，柔性電(diàn)路本质上不可(kě)能(néng)非常密集。

SOW 包装的覆盖层开口，显示每个焊盘两端的锚固。

在您的PCB设计软件中，没有(yǒu)专门的“覆盖层”层；您必须使用(yòng)遮罩层来定义焊盘周围的覆盖层开口。这可(kě)以在弯曲部分(fēn)内的顶部焊料层中完成；只需在掩膜层中放置一个开口来定义覆盖层开口，就像使用(yòng)阻焊膜一样。脚印上的衬垫也需要修改，以确保准确组装并添加足够的额外覆盖物(wù)用(yòng)于锚固。下面显示了 0603 组件封装的示例。

在此封装中，焊盘尺寸和顶部焊料层用(yòng)于显示 SMD 无源焊盘和覆盖层开口应如何放置以安装在刚柔结合PCB上。顶部焊盘图案用(yòng)于标称 0603 封装，而底部是同一组件的封装，但具有(yǒu)修改的覆盖层开口。

允许挤出

当覆盖层层压在铜和基板上时，当应用(yòng)覆盖层时，一些粘合剂会从焊盘周围的任何覆盖层开口中“挤出”。為(wèi)了允许挤出，焊盘焊盘和访问开口必须足够大以允许一些粘合剂泄漏，同时仍然留下足够的裸露铜以形成坚固的焊料圆角。IPC-2223 建议在孔周围进行 360° 焊料润湿以实现高可(kě)靠性设计，并建议 270° 用(yòng)于中等可(kě)靠性柔性设计。

调整垫和覆盖层开口的大小(xiǎo)，以允许粘合剂挤出。

双面柔性布線(xiàn)

对于动态双面柔性電(diàn)路，尽量避免在同一方向上相互铺设走線(xiàn)。相反，在相邻层之间错开 trces 以使它们不重叠。当铜更均匀地分(fēn)布在铜层之间时，这会减少迹線(xiàn)上的拉应力（见下文(wén)）。在迹線(xiàn)重叠的情况下，其中一层将在弯曲过程中由于层相互推挤而承受更大的应力。交错将应力分(fēn)散到柔性基板上，使迹線(xiàn)上的应力分(fēn)布更接近均匀。

不建议使用(yòng)相邻层的铜迹線(xiàn)（上图）。相反，错开不同层的走線(xiàn)，以便在组件弯曲时减少走線(xiàn)上的应力。

使用(yòng)阴影多(duō)边形

有(yǒu)时需要在柔性電(diàn)路上承载電(diàn)源或接地层。使用(yòng)实心铜浇注是可(kě)以的，只要您不介意柔韧性显着降低，以及铜在小(xiǎo)半径弯曲下可(kě)能(néng)发生屈曲。通常最好使用(yòng)阴影多(duō)边形来保持高度的灵活性。

由于影線(xiàn)迹線(xiàn)和“X”的对齐，正常影線(xiàn)多(duō)边形在 0°、90° 和 45° 角方向上仍然具有(yǒu)严重的偏置铜应力。更统计上最佳的填充图案将是六边形。这可(kě)以使用(yòng)负平面层和六边形反焊盘阵列来完成，但您可(kě)以通过剪切和粘贴部分(fēn)快速构建如下所示的舱口。

使用(yòng)六边形阴影多(duō)边形可(kě)以在三个角度之间均匀分(fēn)布张力偏差。

通过放置

对于多(duō)层柔性區(qū)域，有(yǒu)时可(kě)能(néng)需要放置通孔以在层之间过渡。如果可(kě)能(néng)，建议不要放置过孔，因為(wèi)这些过孔会在弯曲运动中迅速疲劳。还需要在最近的通孔的铜环与刚柔板接口之间保持至少 20 密耳（约 ½ 毫米）的间隙。板边间隙规则可(kě)以在PCB CAD 编辑器中自动处理(lǐ)。

至于放置过孔的需要——如果您必须在柔性電(diàn)路中设置过孔，请使用(yòng)“房间”来定义您知道不会有(yǒu)弯曲的區(qū)域，并使用(yòng)PCB编辑器的设计规则允许仅在这些静止區(qū)域中放置过孔。另一种方法是使用(yòng)层堆栈管理(lǐ)器来定义“刚性”部分(fēn)，这些部分(fēn)最终是弯曲的，但附着有(yǒu)刚性介電(diàn)加强材料。

定义 Flex 切口和拐角

如果您需要在電(diàn)路板的柔性部分(fēn)放置切口或插槽，则应正确终止切口。IPC 建议以半径大于 1.5 毫米（约 60 密耳）的圆形截面进行终止，以降低在拐角处撕裂柔性基板材料的风险。本质上，这里的规则是，只要您有(yǒu)一个内角（角度小(xiǎo)于 180° 的柔性電(diàn)路边角），请始终使用(yòng)半径大于 1.5 毫米的切向弯曲角。如果拐角比 90° 小(xiǎo)得多(duō)（更尖锐），则从其上冲出一条圆形曲線(xiàn)。弯曲部分(fēn)的槽和狭缝也是如此 - 确保在直径為(wèi) 3 毫米（1/8 英寸）或更大的每一端都有(yǒu)一个设计的安全孔。这方面的一个例子如下所示。

槽口、狭缝和内角应具有(yǒu)至少 1.5 毫米半径的撕裂消除孔或切線(xiàn)曲線(xiàn)。

这绝不是一套完整的柔性印刷電(diàn)路工程指南，但这些技巧应该可(kě)以帮助您开始使用(yòng)许多(duō)产品。如果您不确定，您的制造厂应该可(kě)以為(wèi)您的柔性板或刚柔结合PCB中的柔性部分(fēn)提供 DFM 指南。