柔性印刷電路設計最佳實踐

2022-03-31

柔性印刷電路設計最佳實踐

為了生產可靠的基于剛柔結合的產品，需要考慮許多與柔性電路的制造和最終用途相關的因素，以及銅圖案的設計。在您開始在柔性/剛柔性PCB 中放置和布線電路之前，請確保遵循這些柔性印刷電路工程技巧，以確保高良率和耐用性。這些技巧將幫助您在柔性設計中的耐用性與在柔性板或高級PCB區域中放置組件和布線的需求之間取得平衡。

柔性印刷電路設計中的物理約束

多個 Flex 子堆棧

雖然可以構建幾乎任何具有剛性和柔性部分的疊層，但如果您不仔細考慮生產步驟和所涉及的材料特性，它可能會變得非常昂貴。要記住的柔性電路的一個重要方面是電路彎曲時材料內的應力。銅是一種有色金屬，已知會發生加工硬化，并且隨著反復彎曲循環和小半徑最終會發生疲勞斷裂。緩解這種情況的一種方法是僅使用單層柔性電路，在這種情況下，銅位于中值彎曲半徑的中心，因此薄膜基板和覆蓋層處于最大的壓縮和拉伸狀態，如下所示。

同樣，通常需要多個單獨的柔性電路，但最好避免在重疊部分彎曲，因為重疊部分的長度限制了彎曲半徑。由于聚酰亞胺非常有彈性，所以這不是問題，并且在重復運動下會比多層銅層持續更長的時間。銅位于中間彎曲半徑的中心，因此薄膜基材和覆蓋層處于最大的壓縮和張力中。

對于高度重復的彎曲電路，最好在單層彎曲中使用RA 銅，以增加電路中銅的疲勞壽命（在失效前的循環中）。

膠珠、加強筋和端接

有時您需要考慮在柔性電路退出剛性板的地方使用加強器。添加環氧樹脂、丙烯酸或熱熔膠珠將有助于提高組件的使用壽命。但是分配這些液體并對其進行固化會給生產過程增加繁重的步驟，從而增加成本。與 PCB設計一樣，需要權衡取舍。

可以使用自動流體分配，但您需要非常小心地與裝配工程師合作，以確保您最終不會在裝配下滴落膠水。在某些情況下，必須用手涂抹膠水，這會增加時間和成本。無論哪種方式，您都需要為制造和組裝人員提供清晰的文檔。

如果不是主剛性板組件，柔性電路的末端通常會終止于連接器。在這些情況下，端接可以應用加強筋（更厚的帶粘合劑的聚酰亞胺，或 FR-4）。一般來說，將彎曲的末端也嵌入剛柔結合部分是很方便的。

剛撓結合板

剛性柔性電路在組裝過程中保持在其面板中，因此可以將組件放置并焊接到剛性端接部分上。一些產品要求組件在某些區域也安裝在柔性板上，在這種情況下，面板必須與額外的剛性區域放在一起，以在組裝過程中支撐柔性板。這些區域沒有粘附在柔性上，而是使用受控深度的路由器鉆頭（帶有“鼠標咬傷”）進行布線，最后在組裝后用手沖壓出來。

剛柔結合 PCB 面板示例。請注意，這個有前后板邊緣和柔性電路，已布線。剛性側面是 V 型槽，以便稍后折斷。這將節省組裝到外殼中的時間

很容易看到層堆棧設計、零件放置和切口的問題，并認為我們已經解決了這些問題。但請記住，柔性電路有一些粗糙的材料怪癖。從粘合劑的相對較高的 z 軸膨脹系數到銅對 PI 基板和覆蓋層的較低附著力，再到銅的加工硬化和疲勞，這些怪癖不一而足。這些可以通過遵循一些注意事項和注意事項在很大程度上得到補償。

保持 Flex 靈活

這似乎很明顯，但值得一提。預先確定需要多少彎曲，彎曲是否需要可重復，或者設計是否有靜態彎曲。如果您的柔性電路部分僅在組裝過程中折疊然后留在固定位置 - 例如在手持超聲設備中 - 那么您在層數、銅類型（RA 或 ED ) 等你可以使用。另一方面，如果您的柔性電路部分將持續移動、彎曲或滾動，那么您應該減少每個柔性子堆棧的層數，并選擇無粘合劑基板。

然后，您可以使用 IPC-2223 中的方程式（方程式 1 表示單面，方程式 2 表示雙面等）根據您允許的變形來確定彎曲部分的最小允許彎曲半徑是多少銅和其他材料的特性。

此示例等式適用于單面彎曲部分。它可以與組裝好的柔性PCB 一起使用，但如果彎曲線位置錯誤，您可能會對元件引線上的焊點施加壓力。您需要根據目標應用選擇EB，其中 16% 用于 RA 銅的單折痕安裝，10% “柔性安裝”和 0.3% 用于“動態”柔性設計（來源：  IPC-2223B，2008 http ://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf）。在這里，動態意味著在產品使用過程中連續彎曲和滾動，例如移動 DVD 播放器上的 TFT 面板連接。

不要在拐角處彎曲并使用彎曲的痕跡

通常最好保持銅跡線與柔性電路彎曲成直角。但是，在某些設計情況下，這是不可避免的。在這些情況下，盡可能保持軌道工作平緩彎曲，并且根據機械產品設計的要求，您可以使用錐形半徑彎曲。另請參考下圖，最好避免突然的硬直角軌道工作，甚至比使用 45° 硬角更好，使用圓角模式對軌道進行布線。這減少了彎曲期間銅中的應力。

首選折彎位置。

不要突然改變寬度

每當您有軌道進入焊盤時，特別是當它們在柔性電路端接器中排列成一排時（如下所示），這將形成一個薄弱點，銅會隨著時間的推移而疲勞。除非要在走線寬度過渡附近應用加強筋或一次性折痕，否則建議從焊盤逐漸變細（提示：在柔性電路中的焊盤和通孔上放置淚珠！）

走線寬度變化和焊盤入口可能會導致薄弱環節。

添加對 Pads 的支持

由于彎曲過程中的重復應力，以及銅對基板的較低附著力（相對于 FR-4），柔性電路上的銅更容易從聚酰亞胺基板上脫落。因此，為裸露的銅提供支撐尤為重要。因為通孔電鍍提供了從一個柔性層到另一個柔性層的合適機械錨，所以通孔本身就受到支持。出于這個原因（以及 z 軸擴展），除了剛性電路板中的傳統電鍍之外，許多制造商將建議對剛撓性和柔性電路進行額外的高達 1.5 密耳的通孔電鍍。表面貼裝焊盤和非鍍通焊盤被稱為無支撐，需要額外的措施來防止脫落。

通過電鍍、錨定短柱和減少的覆蓋層接入開口支持彎曲的通孔焊盤。

SMT 元件焊盤是最脆弱的，尤其是當柔性電路可能在元件的剛性引腳和焊角下彎曲時。下面的焊盤和走線排列顯示了如何使用覆蓋層“掩模”開口來錨定焊盤的兩側將解決問題。要做到這一點，同時仍然允許適量的焊料，焊盤必須比典型的剛性板占用空間大一些。這顯然會降低柔性電路元件安裝的密度，但與剛性相比，柔性電路本質上不可能非常密集。

SOW 包裝的覆蓋層開口，顯示每個焊盤兩端的錨固。

在您的PCB設計軟件中，沒有專門的“覆蓋層”層；您必須使用遮罩層來定義焊盤周圍的覆蓋層開口。這可以在彎曲部分內的頂部焊料層中完成；只需在掩膜層中放置一個開口來定義覆蓋層開口，就像使用阻焊膜一樣。腳印上的襯墊也需要修改，以確保準確組裝并添加足夠的額外覆蓋物用于錨固。下面顯示了 0603 組件封裝的示例。

在此封裝中，焊盤尺寸和頂部焊料層用于顯示 SMD 無源焊盤和覆蓋層開口應如何放置以安裝在剛柔結合PCB上。頂部焊盤圖案用于標稱 0603 封裝，而底部是同一組件的封裝，但具有修改的覆蓋層開口。

允許擠出

當覆蓋層層壓在銅和基板上時，當應用覆蓋層時，一些粘合劑會從焊盤周圍的任何覆蓋層開口中“擠出”。為了允許擠出，焊盤焊盤和訪問開口必須足夠大以允許一些粘合劑泄漏，同時仍然留下足夠的裸露銅以形成堅固的焊料圓角。IPC-2223 建議在孔周圍進行 360° 焊料潤濕以實現高可靠性設計，并建議 270° 用于中等可靠性柔性設計。

調整墊和覆蓋層開口的大小，以允許粘合劑擠出。

雙面柔性布線

對于動態雙面柔性電路，盡量避免在同一方向上相互鋪設走線。相反，在相鄰層之間錯開 trces 以使它們不重疊。當銅更均勻地分布在銅層之間時，這會減少跡線上的拉應力（見下文）。在跡線重疊的情況下，其中一層將在彎曲過程中由于層相互推擠而承受更大的應力。交錯將應力分散到柔性基板上，使跡線上的應力分布更接近均勻。

不建議使用相鄰層的銅跡線（上圖）。相反，錯開不同層的走線，以便在組件彎曲時減少走線上的應力。

使用陰影多邊形

有時需要在柔性電路上承載電源或接地層。使用實心銅澆注是可以的，只要您不介意柔韌性顯著降低，以及銅在小半徑彎曲下可能發生屈曲。通常最好使用陰影多邊形來保持高度的靈活性。

由于影線跡線和“X”的對齊，正常影線多邊形在 0°、90° 和 45° 角方向上仍然具有嚴重的偏置銅應力。更統計上最佳的填充圖案將是六邊形。這可以使用負平面層和六邊形反焊盤陣列來完成，但您可以通過剪切和粘貼部分快速構建如下所示的艙口。

使用六邊形陰影多邊形可以在三個角度之間均勻分布張力偏差。

通過放置

對于多層柔性區域，有時可能需要放置通孔以在層之間過渡。如果可能，建議不要放置過孔，因為這些過孔會在彎曲運動中迅速疲勞。還需要在最近的通孔的銅環與剛柔板接口之間保持至少 20 密耳（約 ? 毫米）的間隙。板邊間隙規則可以在PCB CAD 編輯器中自動處理。

至于放置過孔的需要——如果您必須在柔性電路中設置過孔，請使用“房間”來定義您知道不會有彎曲的區域，并使用PCB編輯器的設計規則允許僅在這些靜止區域中放置過孔。另一種方法是使用層堆棧管理器來定義“剛性”部分，這些部分最終是彎曲的，但附著有剛性介電加強材料。

定義 Flex 切口和拐角

如果您需要在電路板的柔性部分放置切口或插槽，則應正確終止切口。IPC 建議以半徑大于 1.5 毫米（約 60 密耳）的圓形截面進行終止，以降低在拐角處撕裂柔性基板材料的風險。本質上，這里的規則是，只要您有一個內角（角度小于 180° 的柔性電路邊角），請始終使用半徑大于 1.5 毫米的切向彎曲角。如果拐角比 90° 小得多（更尖銳），則從其上沖出一條圓形曲線。彎曲部分的槽和狹縫也是如此 - 確保在直徑為 3 毫米（1/8 英寸）或更大的每一端都有一個設計的安全孔。這方面的一個例子如下所示。

槽口、狹縫和內角應具有至少 1.5 毫米半徑的撕裂消除孔或切線曲線。

這絕不是一套完整的柔性印刷電路工程指南，但這些技巧應該可以幫助您開始使用許多產品。如果您不確定，您的制造廠應該可以為您的柔性板或剛柔結合PCB中的柔性部分提供 DFM 指南。