使用(yòng) SMT 的 Flex 和 Rigid-Flex PCB 的 DFM

2021-09-14

使用(yòng) SMT 的 Flex 和 Rigid-Flex PCB 的 DFM

制造设计 (DFM) 指南解决了電(diàn)路板制造和组装过程中可(kě)能(néng)出现的潜在问题。用(yòng)于带有(yǒu) SMT 的挠性和刚挠性PCB 的DFM涉及选择特定应用(yòng)的電(diàn)路结构类型、层压板、涂层厚度、走線(xiàn)策略、弯曲和 EMI 功能(néng)。

柔性和刚柔结合電(diàn)路的 DFM 指南是什么？

挠性和刚挠性PCB 的 DFM 分(fēn)类如下：

建立柔性電(diàn)路结构类型 

基材 

覆盖涂层和薄膜变化

导體(tǐ)布線(xiàn)和物(wù)理(lǐ)特征规划

柔性電(diàn)路弯曲和折叠指南 

EMI 屏蔽 和阻抗控制方法

建立柔性電(diàn)路结构类型

柔性板分(fēn)為(wèi)单面、双面、多(duō)层和刚柔结合板。 

IPC 类型 1- 单面柔性板

单面板是最常见的类型。这些 PCB由粘合在介電(diàn)基膜上的单个导電(diàn)层组成。通常，它包括绝缘层以保护导體(tǐ)图案。聚酰亚胺覆盖层可(kě)用(yòng)于電(diàn)路的绝缘和环境保护。SMT 焊盘（表面贴装焊盘）在提供时只能(néng)从一侧接触。单金属柔性電(diàn)路非常适合动态应用(yòng)。

IPC 类型 2- 双面柔性板

IPC 2 类柔性PCB 由两个铜导電(diàn)层和用(yòng)作它们之间绝缘體(tǐ)的柔性介電(diàn)薄膜材料组成。铜箔粘合或沉积在基底介電(diàn)膜的两侧。

贯穿柔性材料的镀铜通孔完善了電(diàn)路层之间的界面。電(diàn)路图案被成像、化學(xué)蚀刻，最后通过施加顶部和底部介電(diàn)覆盖层或覆盖涂层在两侧绝缘。

IPC 类型 3：多(duō)层柔性板

多(duō)层柔性電(diàn)路板由三个或更多(duō)导電(diàn)层与電(diàn)介质粘合在一起组成。导電(diàn)层之间的互连由電(diàn)镀通孔提供。通过使用(yòng)多(duō)层板，设计人员可(kě)以克服某些挑战，例如串扰、不可(kě)避免的交叉、特定的阻抗要求和密集的组件布局。

IPC 类型 4：刚柔结合電(diàn)路

刚柔结合電(diàn)路将环氧玻璃增强材料和柔性薄膜与通过镀通孔互连的铜電(diàn)路图案相结合。这种配置在電(diàn)路板的某些部分(fēn)提供了灵活性，同时在電(diàn)路设计的其余部分(fēn)使用(yòng)刚性部分(fēn)来安装和互连组件。

柔性和刚柔结合電(diàn)路的基础材料是什么？

通常，刚性-柔性電(diàn)路的基板是使用(yòng)类似于传统電(diàn)路板制造的工艺开发的。IPC-4101 到 IPC-4104 中可(kě)以找到玻璃增强和非增强基材规范的详细说明。一些基础材料包括：

聚酰亚胺薄膜

玻璃纤维增强聚酰亚胺

FR-4 环氧树脂玻璃纤维增强

BT-环氧树脂与玻璃纤维增强

基材特性

选择最适合设计的产品很(hěn)重要。下图显示了根据关键属性对材料进行的分(fēn)类。 

关键属性	聚酰亚胺薄膜	聚酰亚胺层压板	FR-4 层压板	BT层压板
玻璃化转变温度 (Tg)	341℃	265℃	170℃	190℃
分(fēn)解温度 (Td)	不适用(yòng)	不适用(yòng)	340℃	不适用(yòng)
加固型	没有(yǒu)任何	无碱玻璃	无碱玻璃	无碱玻璃
介電(diàn)化合物(wù)	聚酰亚胺	聚酰亚胺	环氧树脂	(注1)
最高工作温度	225℃	230℃	150℃	200℃
吸湿性	>1.0%	1.0%	0.5%	0.35%

BT 层压材料是环氧树脂和双马来酰亚胺三嗪树脂的混合物(wù)。

FR-4 材料符合 IPC-4101/126、129,130 和 131。它是為(wèi)无铅焊料加工（240℃-260℃）而开发的。

用(yòng)于柔性和刚柔性PCB材料的 DFM

以下是选择符合设计标准的材料时应考虑的参数：

吸湿性

阻燃

電(diàn)气特性

机械性能(néng)

热性能(néng)

请参阅我们的帖子，如何选择用(yòng)于制造的PCB材料和层压板，以更好地了解材料特性和选择属性。

聚酰亚胺薄膜電(diàn)介质的关键物(wù)理(lǐ)特性

杰出的電(diàn)气性能(néng)

优异的耐化學(xué)性

热稳定，能(néng)够在>225ºC的温度下连续运行

 在高温或低温下尺寸稳定

 能(néng)够承受SMT 焊接的工艺温度

聚酰亚胺薄膜電(diàn)介质价格昂贵，但适用(yòng)于各种電(diàn)子应用(yòng)。

柔性電(diàn)路的表面保护

对于柔性電(diàn)路，表面保护对于防止它们受到环境危害的影响至关重要。電(diàn)路板表面使用(yòng)覆盖层、覆盖层、液态光成像聚合物(wù)和光成像干膜进行保护。

柔性電(diàn)路板的表面

Coverlay – Coverlay 是一种用(yòng)粘合剂涂在電(diàn)路图案上的介電(diàn)薄膜。

覆盖层的优势	缺点
出色的动态灵活性	厚度和成本增加取决于应用(yòng)
无针孔	需要预切割和预冲压操作
最高介電(diàn)强度	容易出现配准错误/尺寸变化

面漆– 面漆是一种液體(tǐ)聚合物(wù)丝网印刷在電(diàn)路板上并使用(yòng)紫外線(xiàn)或热量固化。

液态照片成像聚合物(wù)——它是一种光敏聚合物(wù)喷涂，印刷或浸入電(diàn)路板上并进行照片成像，以提供对焊盘图案特征的访问。

优点液體(tǐ)光成像聚合物(wù)	缺点
高图案分(fēn)辨率	灵活性因供应商(shāng)而异
无需打孔和钻孔	成本适中，材料浪费最少
实现对暴露特征的精确对齐	如果非常薄，涂层中可(kě)能(néng)会形成针孔

照片成像干膜– 融合层压到電(diàn)路上并进行照片成像以提供对焊盘图案特征的访问。

照片成像干膜的优点	缺点
高图案分(fēn)辨率	灵活性因供应商(shāng)而异
无需打孔和钻孔	基础材料成本高但材料无针孔

制造工艺限制

决定供应商(shāng)制造能(néng)力的一些因素包括：

导體(tǐ)、通孔、通孔和 SMT 焊盘图案之间的最小(xiǎo)距离。

在给定區(qū)域或固定表面特征之间布線(xiàn)的最大导體(tǐ)数。

電(diàn)路的柔性和刚性部分(fēn)所需的导體(tǐ)层数。

并联電(diàn)路布線(xiàn)变化

在并联電(diàn)路中，柔性板上的导體(tǐ)路径必须改变方向。设计者应避免 90° 急转弯。理(lǐ)想情况下，导體(tǐ)路径应设计為(wèi)具有(yǒu)嵌套、倒角或大半径。平行布線(xiàn)的多(duō)条导體(tǐ)路径还应保持均匀的间距，并从中心轴逐渐增大半径。

在并行電(diàn)路布線(xiàn)中，必须确保不存在促进撕裂的尖角。下图显示了将增强柔性電(diàn)路生存能(néng)力的关键特性。

布線(xiàn)柔性板的主要特性

可(kě)以使用(yòng)窄导體(tǐ)和宽导體(tǐ)之间的简单泪珠状过渡来加强界面。对于為(wèi)安装针孔元件提供的孔，良好的设计实践是使安装焊盘面积尽可(kě)能(néng)大，以在PCB焊接过程中最大化粘合面积。

 電(diàn)路布線(xiàn)和间距

确定布線(xiàn)中的导體(tǐ)密度将取决于信号导體(tǐ)的数量和宽度。对于单面和双面柔性板，基材的总宽度应為(wèi)覆盖膜粘合提供足够的表面积。基材还提供足够的粘合面积。下表根据铜箔厚度对特征尺寸和间距标准进行分(fēn)类。

铜箔厚度	1/2 盎司	3/4 盎司	1 盎司
尺寸	17µm	26微米	34微米
一种	0.13mm	0.19mm	0.25mm
乙	0.13mm	0.19mm	0.25mm
C	0.75mm	0.75mm	0.75mm
D	0.50mm	0.50mm	0.50mm

孔边间隙指南

柔性電(diàn)路轮廓的外边缘与内孔和切口边缘之间的最小(xiǎo)距离不应小(xiǎo)于1.3 毫米。孔到边缘的距离越大，零件就越可(kě)靠。

柔性電(diàn)路上的孔边距离

避免撕裂指南

IPC-2223 部分(fēn)是一个设计标准，為(wèi)柔性電(diàn)路和刚柔性電(diàn)路提出建议。边角应该是大约1.5 毫米宽。然而，更大的半径将使部件更可(kě)靠，从而最大限度地减少撕裂。在下图中，我们可(kě)以看到拐角处的倒角、浮雕和半径。撕裂限制為(wèi)边角提供了更多(duō)的强度，以避免在材料拉伸时撕裂。即使材料很(hěn)硬，如果拉伸超过其极限，它也会撕裂。

柔性電(diàn)路撕裂避免指南

弯曲區(qū)中的导體(tǐ)布線(xiàn)

在弯曲區(qū)域布線(xiàn)导體(tǐ)时，请考虑以下事项：

导線(xiàn)应垂直于弯曲區(qū)域布線(xiàn)。

它应该在弯曲區(qū)域上均匀分(fēn)布。

不要在弯曲區(qū)域使用(yòng)额外的金属。

导體(tǐ)应保持均匀的宽度。

柔性PCB弯曲區(qū)布線(xiàn)

如何避免柔性截面中的 90° 内角

处理(lǐ)拐角时，要避免90°内角，防止撕裂。最小(xiǎo)半径轮廓应為(wèi)0.75 毫米，以减少柔性薄膜内角的裂纹。然而，更大的半径或凹进的半径将使拐角更耐撕裂。

柔性電(diàn)路中的 90° 内角

窄槽特征的撕裂限制

如果電(diàn)路區(qū)域受到反复弯曲，建议保留一小(xiǎo)块铜箔以进一步加强防止撕裂。槽特征应具有(yǒu)0.75 毫米的半径。

柔性電(diàn)路板上的插槽

在電(diàn)路中加入狭缝特征

下图显示了一个窄槽，表示与孔的最小(xiǎo)间隙 ( 0.50mm )。

在柔性電(diàn)路中加入狭缝

用(yòng)于刚柔过渡的应变消除圆角

在柔性和刚性部分(fēn)的过渡处应用(yòng)一小(xiǎo)块聚合物(wù)，以最大限度地减少界面处的物(wù)理(lǐ)应力。应变消除材料可(kě)以是柔性环氧树脂、丙烯酸、RTV 硅树脂、多(duō)硫化物(wù)等。

应变消除水平尺寸 (X) 的范围可(kě)能(néng)介于1.0 毫米和 2.5 毫米 [~0.0394 英寸。到 ~0.0984 英寸]。

用(yòng)于刚柔过渡的应变消除圆角

柔性到刚性导體(tǐ)接口

為(wèi)避免损害刚柔结合電(diàn)路上電(diàn)镀通孔的完整性，孔位置必须从刚性部分(fēn)的边缘向后退。此处，3.18 毫米 + ½ PTH 焊盘直径 是一个缩进，可(kě)避免柔性材料进入刚柔性材料时受到覆盖层突起的干扰。对于刚柔结合 PCB 的 DFM，这是最重要的考虑因素之一。

柔性到刚性导體(tǐ)接口

静态应用(yòng)的弯曲和折叠指南

90° 弯曲安装的最小(xiǎo)弯曲半径取决于铜层数。普遍接受的指导方针是：

单面 – 10:1  

双面 – 10:1 

多(duō)层 – 20:1

导體(tǐ)布線(xiàn)在弯曲區(qū)域的注意事项

对于正确的导線(xiàn)布線(xiàn)，了解该做和不该做的事情至关重要。请参考下图：

柔性导體(tǐ)布線(xiàn)的注意事项

折叠柔性電(diàn)路

在折叠柔性電(diàn)路中，折叠區(qū)域的铜导體(tǐ)应始终位于折叠的内表面。这些折叠是单面柔性電(diàn)路一次性折叠的首选。如果铜箔在柔性電(diàn)路的两侧，则必须清除外侧區(qū)域的铜。

90° 或更大的折叠安装

折叠仅适用(yòng)于单面或双面柔性電(diàn)路。褶皱应该是均匀的，并设计成沿着包装的表面。為(wèi)了控制弯曲半径并防止导體(tǐ)开裂，可(kě)能(néng)会使用(yòng)成型工具。 

折痕可(kě)能(néng)只形成一次，然后粘合到位，确保不会出现折叠。

在柔性板中折叠 90°

 

动态应用(yòng)的弯曲指南

对于需要重复弯曲达 90° 的动态应用(yòng)，推荐的最小(xiǎo)弯曲半径為(wèi)：

对于单面 flex，100:1 

对于双面 flex，150:1

 但是，不推荐多(duō)层动态弯曲。 

动态应用(yòng)的弯曲半径

两侧柔性電(diàn)路弯曲區(qū)

下图显示了双面柔性電(diàn)路中铜导體(tǐ)布線(xiàn)的注意事项。

双面柔性電(diàn)路的注意事项

两个铜层柔性的 EMI 屏蔽和阻抗控制

可(kě)以添加图案化的导電(diàn)层以提供有(yǒu)效的 EMI 屏蔽。交叉影線(xiàn)图案有(yǒu)助于保持灵活性。

交叉影線(xiàn)铜平面

制造商(shāng)和设计人员应了解限制信号损耗、阻抗容差和電(diàn)磁干扰 (EMI) 的要求。

观看整个网络研讨会以正确理(lǐ)解以下几点：

用(yòng)于柔性和刚柔性 PCB 的 DFM。

SMT元件选择和焊盘布局开发

用(yòng)于 SMT 组装加工的 DFM

根据柔性和刚柔结合应用(yòng)要求选择合适的 IPC 结构类型是 DFM 过程的第一步。遵循制造指南的特定设计至关重要，因為(wèi)它可(kě)以消除与走線(xiàn)布線(xiàn)、间距、间隙、导體(tǐ)接口等相关的问题。

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