刚柔结合PCB中的气隙构造方法

2021-10-11

刚柔结合PCB中的气隙构造方法

IPC 引入了刚柔结合PCB制造中的气隙构造方法，以克服更高层数刚柔结合设计中的机械和电气可靠性问题。

在本文中，我们将讨论各种电气和机械可靠性问题以及技术，以在刚柔结合板中消除这些问题。

在刚柔结合PCB 中使用更高层数的后果

将多个层层压到单个结构中是解决电路板设计中更高层数的常用方法。这适用于刚性电路板，但会导致刚挠性PCB 的电气和机械可靠性问题。

机械可靠性问题

柔性板的机械可靠性取决于其弯曲能力。柔性电路的弯曲能力随着柔性部分的厚度增加而降低。这是由于施加在铜电路上的应变增加。在静态应用中，1 层或 2 层挠性板的标准最小弯曲半径是挠性厚度的 10 倍。 对于 4 层板，弯曲半径值增加到弯曲厚度的 30 倍。如果超过最小弯曲能力，电路可能会断开。PCB 制造商不能改变所用材料的物理特性。然而，机械可靠性问题，例如铜迹线的应变增加和弯曲能力，可以通过改变构造方法来处理。

电气可靠性问题

由于使用不合适的电路板材料，会出现电气可靠性问题。在刚挠结合PCB 中，FR4 材料用于刚性部分，而挠性部分中的层使用环氧树脂或丙烯酸基粘合剂进行层压。柔性层和粘合剂的热膨胀系数 (CTE) 高于 FR4 材料。当刚挠结合板暴露在高温环境中时，粘合剂会膨胀和收缩。因此，可能会损坏通孔镀层，从而导致开路。

刚柔结合板的气隙施工方法是什么？

为了解决刚柔结合PCB 的可靠性问题，IPC 开发了一种称为气隙构造的构造方法。

具有气隙的 6 层刚柔结合 PCB 堆叠

8 层刚柔结合，带气隙

在气隙结构中，柔性层保持为几个独立的组，每组不超过三层。虽然每组 2 层是最佳的，但IPC 2223 标准允许 3 层，如果设计在柔性区域包含受控阻抗线。在这里，一层可以配置为带状线，两个相邻的层用作屏蔽。从上面的PCB叠层中可以看出，气隙结构消除了刚性部分内的柔性粘合剂。这也解决了通孔可靠性问题。

气隙结构如何通过可靠性问题解决？

早些时候，刚挠结合板是通过在刚性部分内使用多层粘合剂来制造的。与标准 FR-4 材料相比，这些粘合剂层的热膨胀系数 (CTE) 非常高。因此，过孔在组装过程中和在高温环境中运行时会承受很大的应力。气隙结构解决了通孔可靠性问题，因为它完全消除了在刚性部分中使用粘合剂的情况。 

在这种方法中，柔性层被存在于刚性区域的预浸料隔开。这不仅解决了过孔的可靠性问题，而且提高了刚性部分之间的附着力。

虽然气隙刚柔结合PCB 需要更多的工艺步骤，但这种结构增强的可靠性从长远来看可以节省成本。要了解有关刚柔结合板如何降低电子设备总体成本的更多信息，刚柔结合降低电子产品组装成本。

气隙结构如何提高机械灵活性和弯曲能力

由于极端的 U 形弯曲要求，内部柔性层屈曲

气隙结构大大提高了柔性板的弯曲能力。以下两个因素导致了这些改进：

与完全层压结构相比，每个单独的挠性层的挠性厚度显着降低。这不仅提高了灵活性，还降低了工字梁效应。 

每个柔性层都可以根据其厚度独立弯曲，而与其他柔性层的干扰很小。

允许单独的 flex 层弯曲到它们的自然半径。由于层之间的气隙空间耗尽，它们可能会相互接触。在如上图所示的极端 U 形弯曲要求中，外柔性层可能会限制内柔性层直至其弯曲。超出材料能力的任何柔性层的屈曲都会导致电路断裂，因此必须避免这种情况。

PCB互连应力测试

互连应力测试 (IST) 是一种检测气隙刚柔结构的通孔和 PTH 故障的技术。该测试在经受一系列热循环的测试试样上进行。在这里，通孔桶和 PTH 持续暴露在电流中，直到电路板通过可靠性测试。温度范围为25 至 150°C。

IST的优点如下：

环保且性价比高

在制造的早期阶段检测故障

它可用于估计PCB的寿命

在短时间内提供电路板的简化分析

影响柔性PCB可靠性的IPC 2223 6个标准

IPC 2223 标准提供了涵盖刚柔结合设计的所有关键要素的详细信息。在本节中，我们将了解影响柔性板可靠性的 6 个主要标准。

通过柔性过渡区中的禁止区域

通过柔性过渡区中的禁止区域

与柔性过渡区相关的任何电镀过孔或孔的位置是影响刚柔结合板可靠性的关键因素。覆盖层必须与刚性部分突出最小距离，以确保它们在刚性区域内层压。使用粘合剂（丙烯酸或环氧树脂）将覆盖层层压到柔性部分。这些粘合剂的热膨胀系数非常高。穿过粘合剂层钻孔的过孔容易受到粘合剂热膨胀和收缩产生的应力的影响。当这些通孔暴露在高温下时，通孔镀层可能会损坏，从而造成严重的问题。

刚挠结合PCB 中的孔到挠曲距离

IPC 2223 建议通孔和刚柔结合过渡区之间的最小距离为 0.125 英寸。然而，可以避免通过具有更短间距的覆盖层的通孔。我们建议孔和柔性部分之间至少有 50 密耳（0.05 英寸）的距离。有时，对于商业应用，此孔弯曲距离为 30 mil。

刚柔结合选择性覆盖层结构

在整个刚性部分实施覆盖层的刚柔结合 PCB 堆叠。

由于设计复杂性的增加、对更小的通孔的要求以及组装温度的升高，柔性板的制造工艺已经发展。早些时候，覆盖层在整个刚性部分实施。结果，通孔和 PTH 被钻穿粘合剂层，这导致了通孔可靠性问题。

具有选择性覆盖层结构的刚柔组合

IPC 2223 建议将覆盖层选择性地放置在柔性部分上，与电路板刚性区域的接合距离最小。这种方法还具有在刚性区域没有覆盖层或粘合剂的优点，从而产生更强的层压。在制造图纸中指定应使用选择性覆盖层施工方法制造板是很重要的。  

无胶软芯

基于粘合剂和无粘合剂的柔性芯

软芯材料必须符合 IPC 2223 标准。 

柔性 PCB 材料分为两类：

粘合剂基：铜层用丙烯酸粘合剂粘合到聚酰亚胺上。

无粘合剂：铜直接浇铸在聚酰亚胺上。

IPC 2223 仅提倡使用无胶软芯。采用无粘合剂柔性芯消除了刚性区域的粘合剂来源。这也消除了前面部分中讨论的可靠性问题。使用无粘合剂柔性材料的另一个优点是，与基于粘合剂的材料相比，它具有更小的厚度。更薄的柔性核心增加了柔性 PCB 的灵活性和弯曲能力。

最小弯曲半径能力

确保柔性板符合弯曲标准对于成功的设计很重要。柔性部分的弯曲能力取决于所用的材料和厚度。IPC 2223 标准为静态和动态应用提供了最小弯曲建议。最小弯曲半径由弯曲厚度乘以取决于层数的系数确定。下表定义了静态和动态应用的弯曲要求。

静态应用的弯曲要求

层数	最小弯曲半径
1 到 2	弯曲厚度的 6 倍
3层以上	弯曲厚度的 12 倍或更多

动态应用的弯曲要求

层数	最小弯曲半径
限于 1 或 2 层	弯曲厚度的 100 倍

如果遵循某些标准，IPC 2223 还允许以零弯曲半径弯曲和折皱柔性部分。这仅限于非常薄的一层和两层结构，附加限制是一旦折痕就不能展开。在折叠区域，经常使用 PSA（压敏粘合剂）来牢固地固定柔性件并防止其意外展开。

应变消除鱼片

应力消除圆角是由环氧树脂制成的柔性珠。这些圆角通常应用于刚柔过渡区。圆角使柔性件能够逐渐弯曲，而不是被紧紧弯曲。圆角的实施降低了过渡区周围铜电路损坏的机会。 

IPC 2223 规定刚性部分和柔性层之间的最小垂直间距为0.010 英寸。这确保了胎圈的最佳间距，以防止其到达相邻的刚性部分。制造图指定了应变消除需求。

预烘要求

根据 IPC 2223，组装前预烘烤柔性电路是行业标准要求。该规则适用于所有由聚酰亚胺制成的挠性和刚挠性设计。

如果不去除水分，将发生覆盖层和/或刚性部分的分层。如果需要许多组装周期，则可能需要额外的预烘烤。根据设计，预烘烤在120°C 下进行 2-10 小时。可以在预烤炉中设置穿过电路板所有侧面的气流。 

气隙构造方法使 PCB 设计人员能够实现更严格的弯曲要求，并消除与通孔电镀、机械弯曲和电气稳定性相关的可靠性问题。如果您面临任何与设计相关的挑战，请在评论部分告诉我们。我们很乐意为您提供帮助。