柔性和刚柔结合PCB应用(yòng)

2022-03-23

柔性和刚柔结合PCB应用(yòng)

在产品中设计柔性電(diàn)路有(yǒu)两个基本原因：构建紧凑且高效组装的设备，或者使電(diàn)路与产品的机械功能(néng)动态集成。当然，您可(kě)以依靠这两个原因来证明使用(yòng)柔性電(diàn)路的合理(lǐ)性。在此说明中，让我们看一些刚柔结合PCB应用(yòng)和设计示例，以了解在设计柔性電(diàn)路时想到的问题。

动态Flex应用(yòng)示例

机電(diàn)龙门架

一个非常典型的动态弯曲应用(yòng)程序，例如您可(kě)能(néng)在3D打印机或CNC机头中找到的，是机電(diàn)龙门架。在物(wù)理(lǐ)上较大的系统中，電(diàn)子元件需要跟随与机械元件相同的运动，这将通过单独的刚性板或模块来完成，并且这些将通过電(diàn)缆连接。在更小(xiǎo)、更时尚的包装中，柔性色带更有(yǒu)意义，因為(wèi)它提供了低调的组件以及所需的运动。

自然地，下面的示例将沿着X轴龙门放置，并且z轴工具头沿着它移动。下面的示例在这里仅显示了两个运动轴，并且龙门架本身将在Y轴上移动。

柔性带的总長(cháng)度是除了拐角和弯曲之外所需的最极端的端部距离。位于移动z轴工具头后面的角将粘附在沿龙门架移动的x轴梭上（可(kě)能(néng)在套筒轴承上）。末端将添加加强件以终止柔性带部分(fēn)。对于这种类型的应用(yòng)，最好坚持使用(yòng)单层轧制退火铜，并尽可(kě)能(néng)保持弯曲半径尽可(kě)能(néng)大。当弯曲區(qū)域沿柔性带的長(cháng)度滚动时，这将有(yǒu)助于最大限度地延長(cháng)使用(yòng)寿命。

龙门柔性设计示例。

龙门工厂考虑：拼板

上面的例子提出了一个关于制造和成本的好问题。使用(yòng)这样的直角 L 形電(diàn)路，我们可(kě)以在制造面板上安装六个相同的柔性带。这会导致大约50%的面板空间浪费，并且如果要将组件安装在这个特定的柔性電(diàn)路上，也会增加工具成本和时间。下面显示了由嵌入式板阵列中的这种特殊柔性電(diàn)路制成的示例面板。

CNC龙门柔性電(diàn)路的嵌入式板阵列面板化。

flex的好处是，如果我们使用(yòng)正确的材料并正确规划整體(tǐ)组装，我们还可(kě)以创建低半径安装折叠。如上图所示，放置带有(yǒu)永久折痕的静态柔性部分(fēn)是使用(yòng)弯曲柔性電(diàn)路的一个很(hěn)好的替代方案，但仅限于某些情况下。下图显示了相同的龙门设计，但折痕為(wèi)45°，以取代之前版本中显示的90°角。

Gantry flex重新(xīn)设计，带有(yǒu)静态折痕。

一旦我们查看面板（如下所示），折叠就变得非常有(yǒu)用(yòng)。要使用(yòng)这种类型的折痕制造柔性電(diàn)路，我们不需要在電(diàn)路板上设计弯曲。相反，我们可(kě)以在柔性PCB中使用(yòng)直線(xiàn)部分(fēn)，因此我们现在可(kě)以在单个面板中排列整个柔性带阵列。 这样，产量显着增加。由于增加了每块面板的良率以及便于取放组装的工具，每块電(diàn)路板的总成本将降低。但是，由于折叠，您可(kě)能(néng)不得不将组件放置在组件一端的另一侧来抵消这种情况。

带有(yǒu)重新(xīn)设计的龙门板的面板。

旋转装置

看看下面显示的刚柔结合PCB布局。 在此布局中，柔性层是使用(yòng)弯曲而不是永久折痕创建的。注意PCB编辑器中水平工作指南的使用(yòng)；这使得能(néng)够根据原位柔性電(diàn)路部分(fēn)的弯曲周長(cháng)精确设计電(diàn)路板轮廓。它还允许在PCB编辑器内的 Board Planning Mode中精确放置柔性電(diàn)路弯曲線(xiàn)，从而可(kě)以在3D模式下进行准确的柔性電(diàn)路弯曲模拟。

用(yòng)于旋转动态柔性设计的PCB布局。柔性带可(kě)以附接到固定外壳或将与组件中的中心轴一起旋转的其他(tā)组件。

在此示例中，步进電(diàn)机将安装到组件上，这样電(diàn)机及其控制印刷電(diàn)路板将处于运动状态，而轴将处于静止状态。柔性電(diàn)路设计為(wèi)在末端终止于固定底座组件并折叠成圆柱體(tǐ)形状，向后折叠以允许双向移动。此设计的3D视图如下所示。

旋转步进電(diàn)机控制板的3D视图。更長(cháng)的“臂”将允许電(diàn)机及其控制板旋转超过360°。

件的完全折叠视图，包括步进電(diàn)机的3D主體(tǐ)。

我们可(kě)以看到mtoion的方向和锚定的柔性電(diàn)路端接器，让您了解该组件的运行方式。这种布置使得实现大于360°的旋转相对容易。这个例子是假设的，展示了一个步进電(diàn)机，尽管这种设计非常适合旋转传感器应用(yòng)。只要外壳在旋转，端接的刚柔结合部分(fēn)也可(kě)以安装到外壳上的某些组件上，从而提供一种简单的方法来提供与刚性控制板部分(fēn)的连接。

静态Flex应用(yòng)示例

平面磁體(tǐ)（变压器和電(diàn)感器）

用(yòng)于集成平面磁性元件的柔性和刚柔结合電(diàn)路越来越受欢迎。将柔性電(diàn)路用(yòng)于平面磁體(tǐ)具有(yǒu)一些明显的优势。聚酰亚胺薄膜的厚度允许非常高的绕组隔离，以及使其适用(yòng)于热搪瓷灌封工艺的高温稳定性。从损失的角度来看；使用(yòng)蚀刻铜迹線(xiàn)需要更宽的迹線(xiàn)，但这很(hěn)容易降低涡流损耗，因為(wèi)集肤效应带来的额外阻抗会降低。

四绕组電(diàn)感器的展开螺線(xiàn)管匝数。

下面显示了一个有(yǒu)趣的轧制空心電(diàn)感器的进出方案。在此卷制柔性PCB组件中，每个绕组的末端与下一个绕组的开头重叠。这样做可(kě)以增加匝数，而不是简单地具有(yǒu)多(duō)个单独的绕组。

轧制電(diàn)感绕组。

18 层的价格 2

这个概念的自然延伸是在您的转换器设计中包含一些弹性层，以便将它们相互折叠。在下面显示的示例中，显示了2层柔性電(diàn)路变压器设计，其中单个E18平面铁氧體(tǐ)磁芯通过末端终结器區(qū)域（左侧）的切口突出。这个想法可(kě)以任意扩展（尽管最终折叠板的厚度有(yǒu)实际限制）。在图 11 中，双面柔性板上的顶部和底部铜层為(wèi)变压器绕组提供了18个可(kě)用(yòng)层。

在每个核心中心腿切口周围，您可(kě)以為(wèi)電(diàn)感绕组绕一圈。绕侧腿弯曲轨道会给你半圈，而返回路径在变压器線(xiàn)圈中提供另一半圈；折叠的导體(tǐ)部分(fēn)一起形成一组堆叠的電(diàn)流回路，可(kě)以产生和接收磁场。

柔性電(diàn)路变压器的俯视图。顶层显示了一个大電(diàn)流绕组，底层布線(xiàn)了六个较轻電(diàn)流绕组。

但这可(kě)能(néng)会令人困惑，因為(wèi)您必须根据每个折叠部分(fēn)与铁氧體(tǐ)磁芯几何形状的关系来跟踪正确的绕组方向。鉴于整个柔性電(diàn)路将正交折叠，我在设计的机械 1 层上添加了与每个相邻绕组层相对的箭头，以提醒我布線(xiàn)铜的方式。為(wèi)了清楚起见，这在下面显示 。

机械 1 层显示電(diàn)路板轮廓和缠绕方向箭头以供指导。

最终的核心和柔性组件如下所示。请注意，这可(kě)以集成在刚性-柔性设计中，其中大部分(fēn)電(diàn)路位于刚性 2 层印刷電(diàn)路板上，柔性部分(fēn)用(yòng)于获得所有(yǒu)核心绕组所需的附加层。当然，在使用(yòng)大的柔性區(qū)域与仅在刚性设计中添加层堆之间存在成本权衡。

最终完全折叠的变压器，带有(yǒu)Ferroxcube E18 铁氧體(tǐ)磁芯的3D模型穿过切口。

多(duō)层刚柔结合

对于许多(duō)需要在狭小(xiǎo)空间内进行紧凑、可(kě)靠组装的军事、航空航天或类似的高密度设计，很(hěn)难避免在刚性電(diàn)路板區(qū)域之间使用(yòng)多(duō)层柔性電(diàn)路。更重要的是，这对于高速数字设计来说是必要的，因為(wèi)在穿过柔性區(qū)域的总線(xiàn)之间需要屏蔽层或平面层。这里的挑战是保持良好的灵活性。柔性電(diàn)路层的数量必须保持在最低限度，通常是在具有(yǒu)聚酰亚胺覆盖层的单个聚酰亚胺基板上的两个铜层。

在“正常”设计中，柔性電(diàn)路部分(fēn)的長(cháng)度对于重叠的柔性區(qū)域是相同的。这意味着您最终会遇到如下所示的情况，一旦放置到最终组件中，折叠会在刚性板之间的柔性區(qū)域产生显着的张力。

当多(duō)个重叠的柔性层设计為(wèi)具有(yǒu)相同長(cháng)度时，将导致外部柔性電(diàn)路中的张力和内部電(diàn)路的压缩。请注意此设计中使用(yòng)的胶珠“挤出”，就在弯曲进入刚性部分(fēn)的位置。

此时，大多(duō)数专业的刚柔结合板制造商(shāng)会告诉您使用(yòng)“装订器”结构。装订机构造是一种可(kě)行的方法，其中使用(yòng)柔性電(diàn)路弯曲的原位半径来确定层堆叠中每个柔性電(diàn)路和基板组合的正确長(cháng)度。下面的IPC-2223b摘录中显示了该概念的示例说明。

装订机结构。

您可(kě)以立即看出这种方法会花(huā)钱并增加设计的挑战。通常，更好的选择是使用(yòng)相同長(cháng)度和半径的柔性電(diàn)路，但将不同的柔性電(diàn)路层分(fēn)开，以使它们不会相互重叠。这方面的一个例子如下所示。

替代装订器结构。通常，弯曲部分(fēn)可(kě)能(néng)重叠并且需要不同的長(cháng)度来保持低张力/压缩。在该替代方案中，柔性部分(fēn)被放置在刚性部分(fēn)边缘的不同區(qū)域中，因此它们不再需要重叠。

不牺牲层数的超紧弯曲

通过沿弯曲區(qū)域的一些创造性设计选择，可(kě)以在不损失铜层的情况下获得非常紧凑的弯曲。 

下面显示的小(xiǎo)板使用(yòng)“S”形带来定义弯曲并减小(xiǎo)沿加强區(qū)域边缘的最小(xiǎo)弯曲半径。在这张照片中看不到，但有(yǒu)些组件安装在電(diàn)路板背面粘有(yǒu)薄加强筋的部分(fēn)。

使用(yòng)多(duō)个铜层获得基本上180°的弯曲半径。

这个概念可(kě)以向多(duō)个方向扩展。下图所示的PCB设计是一个超柔性的PCB显示板。您可(kě)以在更宽、更硬的部分(fēn)看到矩阵中的许多(duō)LED。整个组件在这些部分(fēn)是刚性的，只是因為(wèi)层压在一起的铜和PI薄膜层的数量庞大。同样，在这些LED矩阵區(qū)域之间使用(yòng)S形弯头可(kě)以使该组件更容易弯曲成弯曲的外壳。

XY S 弯弯曲阵列。

将这个 概念更进一步，您将拥有(yǒu) 如下所示的非常紧凑的设计。本例中的柔性電(diàn)路部分(fēn)包含 8 层。如果将这种柔性電(diàn)路作為(wèi)直接带放置在刚性部分(fēn)之间，通常不会是柔性的。然而，使用(yòng)无数的S形弯曲（请注意，顶部的柔性材料层都是用(yòng)于屏蔽的实心铜！）允许它弯曲到足以进入最终的机械外壳，即使有(yǒu)数百个高速内存和显示连接。