剛柔結合PCB中的氣隙構造方法

2021-10-11

剛柔結合PCB中的氣隙構造方法

IPC 引入了剛柔結合PCB制造中的氣隙構造方法，以克服更高層數剛柔結合設計中的機械和電氣可靠性問題。

在本文中，我們將討論各種電氣和機械可靠性問題以及技術，以在剛柔結合板中消除這些問題。

在剛柔結合PCB 中使用更高層數的后果

將多個層層壓到單個結構中是解決電路板設計中更高層數的常用方法。這適用于剛性電路板，但會導致剛撓性PCB 的電氣和機械可靠性問題。

機械可靠性問題

柔性板的機械可靠性取決于其彎曲能力。柔性電路的彎曲能力隨著柔性部分的厚度增加而降低。這是由于施加在銅電路上的應變增加。在靜態應用中，1 層或 2 層撓性板的標準最小彎曲半徑是撓性厚度的 10 倍。 對于 4 層板，彎曲半徑值增加到彎曲厚度的 30 倍。如果超過最小彎曲能力，電路可能會斷開。PCB 制造商不能改變所用材料的物理特性。然而，機械可靠性問題，例如銅跡線的應變增加和彎曲能力，可以通過改變構造方法來處理。

電氣可靠性問題

由于使用不合適的電路板材料，會出現電氣可靠性問題。在剛撓結合PCB 中，FR4 材料用于剛性部分，而撓性部分中的層使用環氧樹脂或丙烯酸基粘合劑進行層壓。柔性層和粘合劑的熱膨脹系數 (CTE) 高于 FR4 材料。當剛撓結合板暴露在高溫環境中時，粘合劑會膨脹和收縮。因此，可能會損壞通孔鍍層，從而導致開路。

剛柔結合板的氣隙施工方法是什么？

為了解決剛柔結合PCB 的可靠性問題，IPC 開發了一種稱為氣隙構造的構造方法。

具有氣隙的 6 層剛柔結合 PCB 堆疊

8 層剛柔結合，帶氣隙

在氣隙結構中，柔性層保持為幾個獨立的組，每組不超過三層。雖然每組 2 層是最佳的，但IPC 2223 標準允許 3 層，如果設計在柔性區域包含受控阻抗線。在這里，一層可以配置為帶狀線，兩個相鄰的層用作屏蔽。從上面的PCB疊層中可以看出，氣隙結構消除了剛性部分內的柔性粘合劑。這也解決了通孔可靠性問題。

氣隙結構如何通過可靠性問題解決？

早些時候，剛撓結合板是通過在剛性部分內使用多層粘合劑來制造的。與標準 FR-4 材料相比，這些粘合劑層的熱膨脹系數 (CTE) 非常高。因此，過孔在組裝過程中和在高溫環境中運行時會承受很大的應力。氣隙結構解決了通孔可靠性問題，因為它完全消除了在剛性部分中使用粘合劑的情況。 

在這種方法中，柔性層被存在于剛性區域的預浸料隔開。這不僅解決了過孔的可靠性問題，而且提高了剛性部分之間的附著力。

雖然氣隙剛柔結合PCB 需要更多的工藝步驟，但這種結構增強的可靠性從長遠來看可以節省成本。要了解有關剛柔結合板如何降低電子設備總體成本的更多信息，剛柔結合降低電子產品組裝成本。

氣隙結構如何提高機械靈活性和彎曲能力

由于極端的 U 形彎曲要求，內部柔性層屈曲

氣隙結構大大提高了柔性板的彎曲能力。以下兩個因素導致了這些改進：

與完全層壓結構相比，每個單獨的撓性層的撓性厚度顯著降低。這不僅提高了靈活性，還降低了工字梁效應。 

每個柔性層都可以根據其厚度獨立彎曲，而與其他柔性層的干擾很小。

允許單獨的 flex 層彎曲到它們的自然半徑。由于層之間的氣隙空間耗盡，它們可能會相互接觸。在如上圖所示的極端 U 形彎曲要求中，外柔性層可能會限制內柔性層直至其彎曲。超出材料能力的任何柔性層的屈曲都會導致電路斷裂，因此必須避免這種情況。

PCB互連應力測試

互連應力測試 (IST) 是一種檢測氣隙剛柔結構的通孔和 PTH 故障的技術。該測試在經受一系列熱循環的測試試樣上進行。在這里，通孔桶和 PTH 持續暴露在電流中，直到電路板通過可靠性測試。溫度范圍為25 至 150°C。

IST的優點如下：

環保且性價比高

在制造的早期階段檢測故障

它可用于估計PCB的壽命

在短時間內提供電路板的簡化分析

影響柔性PCB可靠性的IPC 2223 6個標準

IPC 2223 標準提供了涵蓋剛柔結合設計的所有關鍵要素的詳細信息。在本節中，我們將了解影響柔性板可靠性的 6 個主要標準。

通過柔性過渡區中的禁止區域

通過柔性過渡區中的禁止區域

與柔性過渡區相關的任何電鍍過孔或孔的位置是影響剛柔結合板可靠性的關鍵因素。覆蓋層必須與剛性部分突出最小距離，以確保它們在剛性區域內層壓。使用粘合劑（丙烯酸或環氧樹脂）將覆蓋層層壓到柔性部分。這些粘合劑的熱膨脹系數非常高。穿過粘合劑層鉆孔的過孔容易受到粘合劑熱膨脹和收縮產生的應力的影響。當這些通孔暴露在高溫下時，通孔鍍層可能會損壞，從而造成嚴重的問題。

剛撓結合PCB 中的孔到撓曲距離

IPC 2223 建議通孔和剛柔結合過渡區之間的最小距離為 0.125 英寸。然而，可以避免通過具有更短間距的覆蓋層的通孔。我們建議孔和柔性部分之間至少有 50 密耳（0.05 英寸）的距離。有時，對于商業應用，此孔彎曲距離為 30 mil。

剛柔結合選擇性覆蓋層結構

在整個剛性部分實施覆蓋層的剛柔結合 PCB 堆疊。

由于設計復雜性的增加、對更小的通孔的要求以及組裝溫度的升高，柔性板的制造工藝已經發展。早些時候，覆蓋層在整個剛性部分實施。結果，通孔和 PTH 被鉆穿粘合劑層，這導致了通孔可靠性問題。

具有選擇性覆蓋層結構的剛柔組合

IPC 2223 建議將覆蓋層選擇性地放置在柔性部分上，與電路板剛性區域的接合距離最小。這種方法還具有在剛性區域沒有覆蓋層或粘合劑的優點，從而產生更強的層壓。在制造圖紙中指定應使用選擇性覆蓋層施工方法制造板是很重要的。  

無膠軟芯

基于粘合劑和無粘合劑的柔性芯

軟芯材料必須符合 IPC 2223 標準。 

柔性 PCB 材料分為兩類：

粘合劑基：銅層用丙烯酸粘合劑粘合到聚酰亞胺上。

無粘合劑：銅直接澆鑄在聚酰亞胺上。

IPC 2223 僅提倡使用無膠軟芯。采用無粘合劑柔性芯消除了剛性區域的粘合劑來源。這也消除了前面部分中討論的可靠性問題。使用無粘合劑柔性材料的另一個優點是，與基于粘合劑的材料相比，它具有更小的厚度。更薄的柔性核心增加了柔性 PCB 的靈活性和彎曲能力。

最小彎曲半徑能力

確保柔性板符合彎曲標準對于成功的設計很重要。柔性部分的彎曲能力取決于所用的材料和厚度。IPC 2223 標準為靜態和動態應用提供了最小彎曲建議。最小彎曲半徑由彎曲厚度乘以取決于層數的系數確定。下表定義了靜態和動態應用的彎曲要求。

靜態應用的彎曲要求

層數	最小彎曲半徑
1 到 2	彎曲厚度的 6 倍
3層以上	彎曲厚度的 12 倍或更多

動態應用的彎曲要求

層數	最小彎曲半徑
限于 1 或 2 層	彎曲厚度的 100 倍

如果遵循某些標準，IPC 2223 還允許以零彎曲半徑彎曲和折皺柔性部分。這僅限于非常薄的一層和兩層結構，附加限制是一旦折痕就不能展開。在折疊區域，經常使用 PSA（壓敏粘合劑）來牢固地固定柔性件并防止其意外展開。

應變消除魚片

應力消除圓角是由環氧樹脂制成的柔性珠。這些圓角通常應用于剛柔過渡區。圓角使柔性件能夠逐漸彎曲，而不是被緊緊彎曲。圓角的實施降低了過渡區周圍銅電路損壞的機會。 

IPC 2223 規定剛性部分和柔性層之間的最小垂直間距為0.010 英寸。這確保了胎圈的最佳間距，以防止其到達相鄰的剛性部分。制造圖指定了應變消除需求。

預烘要求

根據 IPC 2223，組裝前預烘烤柔性電路是行業標準要求。該規則適用于所有由聚酰亞胺制成的撓性和剛撓性設計。

如果不去除水分，將發生覆蓋層和/或剛性部分的分層。如果需要許多組裝周期，則可能需要額外的預烘烤。根據設計，預烘烤在120°C 下進行 2-10 小時?？梢栽陬A烤爐中設置穿過電路板所有側面的氣流。 

氣隙構造方法使 PCB 設計人員能夠實現更嚴格的彎曲要求，并消除與通孔電鍍、機械彎曲和電氣穩定性相關的可靠性問題。如果您面臨任何與設計相關的挑戰，請在評論部分告訴我們。我們很樂意為您提供幫助。