使用 SMT 的 Flex 和 Rigid-Flex PCB 的 DFM

2021-09-14

使用 SMT 的 Flex 和 Rigid-Flex PCB 的 DFM

制造設計 (DFM) 指南解決了電路板制造和組裝過程中可能出現的潛在問題。用于帶有 SMT 的撓性和剛撓性PCB 的DFM涉及選擇特定應用的電路結構類型、層壓板、涂層厚度、走線策略、彎曲和 EMI 功能。

柔性和剛柔結合電路的 DFM 指南是什么？

撓性和剛撓性PCB 的 DFM 分類如下：

建立柔性電路結構類型 

基材 

覆蓋涂層和薄膜變化

導體布線和物理特征規劃

柔性電路彎曲和折疊指南 

EMI 屏蔽 和阻抗控制方法

建立柔性電路結構類型

柔性板分為單面、雙面、多層和剛柔結合板。 

IPC 類型 1- 單面柔性板

單面板是最常見的類型。這些 PCB由粘合在介電基膜上的單個導電層組成。通常，它包括絕緣層以保護導體圖案。聚酰亞胺覆蓋層可用于電路的絕緣和環境保護。SMT 焊盤（表面貼裝焊盤）在提供時只能從一側接觸。單金屬柔性電路非常適合動態應用。

IPC 類型 2- 雙面柔性板

IPC 2 類柔性PCB 由兩個銅導電層和用作它們之間絕緣體的柔性介電薄膜材料組成。銅箔粘合或沉積在基底介電膜的兩側。

貫穿柔性材料的鍍銅通孔完善了電路層之間的界面。電路圖案被成像、化學蝕刻，最后通過施加頂部和底部介電覆蓋層或覆蓋涂層在兩側絕緣。

IPC 類型 3：多層柔性板

多層柔性電路板由三個或更多導電層與電介質粘合在一起組成。導電層之間的互連由電鍍通孔提供。通過使用多層板，設計人員可以克服某些挑戰，例如串擾、不可避免的交叉、特定的阻抗要求和密集的組件布局。

IPC 類型 4：剛柔結合電路

剛柔結合電路將環氧玻璃增強材料和柔性薄膜與通過鍍通孔互連的銅電路圖案相結合。這種配置在電路板的某些部分提供了靈活性，同時在電路設計的其余部分使用剛性部分來安裝和互連組件。

柔性和剛柔結合電路的基礎材料是什么？

通常，剛性-柔性電路的基板是使用類似于傳統電路板制造的工藝開發的。IPC-4101 到 IPC-4104 中可以找到玻璃增強和非增強基材規范的詳細說明。一些基礎材料包括：

聚酰亞胺薄膜

玻璃纖維增強聚酰亞胺

FR-4 環氧樹脂玻璃纖維增強

BT-環氧樹脂與玻璃纖維增強

基材特性

選擇最適合設計的產品很重要。下圖顯示了根據關鍵屬性對材料進行的分類。 

關鍵屬性	聚酰亞胺薄膜	聚酰亞胺層壓板	FR-4 層壓板	BT層壓板
玻璃化轉變溫度 (Tg)	341℃	265℃	170℃	190℃
分解溫度 (Td)	不適用	不適用	340℃	不適用
加固型	沒有任何	無堿玻璃	無堿玻璃	無堿玻璃
介電化合物	聚酰亞胺	聚酰亞胺	環氧樹脂	(注1)
最高工作溫度	225℃	230℃	150℃	200℃
吸濕性	>1.0%	1.0%	0.5%	0.35%

BT 層壓材料是環氧樹脂和雙馬來酰亞胺三嗪樹脂的混合物。

FR-4 材料符合 IPC-4101/126、129,130 和 131。它是為無鉛焊料加工（240℃-260℃）而開發的。

用于柔性和剛柔性PCB材料的 DFM

以下是選擇符合設計標準的材料時應考慮的參數：

吸濕性

阻燃

電氣特性

機械性能

熱性能

請參閱我們的帖子，如何選擇用于制造的PCB材料和層壓板，以更好地了解材料特性和選擇屬性。

聚酰亞胺薄膜電介質的關鍵物理特性

杰出的電氣性能

優異的耐化學性

熱穩定，能夠在>225oC的溫度下連續運行

 在高溫或低溫下尺寸穩定

 能夠承受SMT 焊接的工藝溫度

聚酰亞胺薄膜電介質價格昂貴，但適用于各種電子應用。

柔性電路的表面保護

對于柔性電路，表面保護對于防止它們受到環境危害的影響至關重要。電路板表面使用覆蓋層、覆蓋層、液態光成像聚合物和光成像干膜進行保護。

柔性電路板的表面

Coverlay – Coverlay 是一種用粘合劑涂在電路圖案上的介電薄膜。

覆蓋層的優勢	缺點
出色的動態靈活性	厚度和成本增加取決于應用
無針孔	需要預切割和預沖壓操作
最高介電強度	容易出現配準錯誤/尺寸變化

面漆– 面漆是一種液體聚合物絲網印刷在電路板上并使用紫外線或熱量固化。

液態照片成像聚合物——它是一種光敏聚合物噴涂，印刷或浸入電路板上并進行照片成像，以提供對焊盤圖案特征的訪問。

優點液體光成像聚合物	缺點
高圖案分辨率	靈活性因供應商而異
無需打孔和鉆孔	成本適中，材料浪費最少
實現對暴露特征的精確對齊	如果非常薄，涂層中可能會形成針孔

照片成像干膜– 融合層壓到電路上并進行照片成像以提供對焊盤圖案特征的訪問。

照片成像干膜的優點	缺點
高圖案分辨率	靈活性因供應商而異
無需打孔和鉆孔	基礎材料成本高但材料無針孔

制造工藝限制

決定供應商制造能力的一些因素包括：

導體、通孔、通孔和 SMT 焊盤圖案之間的最小距離。

在給定區域或固定表面特征之間布線的最大導體數。

電路的柔性和剛性部分所需的導體層數。

并聯電路布線變化

在并聯電路中，柔性板上的導體路徑必須改變方向。設計者應避免 90° 急轉彎。理想情況下，導體路徑應設計為具有嵌套、倒角或大半徑。平行布線的多條導體路徑還應保持均勻的間距，并從中心軸逐漸增大半徑。

在并行電路布線中，必須確保不存在促進撕裂的尖角。下圖顯示了將增強柔性電路生存能力的關鍵特性。

布線柔性板的主要特性

可以使用窄導體和寬導體之間的簡單淚珠狀過渡來加強界面。對于為安裝針孔元件提供的孔，良好的設計實踐是使安裝焊盤面積盡可能大，以在PCB焊接過程中最大化粘合面積。

 電路布線和間距

確定布線中的導體密度將取決于信號導體的數量和寬度。對于單面和雙面柔性板，基材的總寬度應為覆蓋膜粘合提供足夠的表面積?；倪€提供足夠的粘合面積。下表根據銅箔厚度對特征尺寸和間距標準進行分類。

銅箔厚度	1/2 盎司	3/4 盎司	1 盎司
尺寸	17μm	26微米	34微米
一種	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

孔邊間隙指南

柔性電路輪廓的外邊緣與內孔和切口邊緣之間的最小距離不應小于1.3 毫米?？椎竭吘壍木嚯x越大，零件就越可靠。

柔性電路上的孔邊距離

避免撕裂指南

IPC-2223 部分是一個設計標準，為柔性電路和剛柔性電路提出建議。邊角應該是大約1.5 毫米寬。然而，更大的半徑將使部件更可靠，從而最大限度地減少撕裂。在下圖中，我們可以看到拐角處的倒角、浮雕和半徑。撕裂限制為邊角提供了更多的強度，以避免在材料拉伸時撕裂。即使材料很硬，如果拉伸超過其極限，它也會撕裂。

柔性電路撕裂避免指南

彎曲區中的導體布線

在彎曲區域布線導體時，請考慮以下事項：

導線應垂直于彎曲區域布線。

它應該在彎曲區域上均勻分布。

不要在彎曲區域使用額外的金屬。

導體應保持均勻的寬度。

柔性PCB彎曲區布線

如何避免柔性截面中的 90° 內角

處理拐角時，要避免90°內角，防止撕裂。最小半徑輪廓應為0.75 毫米，以減少柔性薄膜內角的裂紋。然而，更大的半徑或凹進的半徑將使拐角更耐撕裂。

柔性電路中的 90° 內角

窄槽特征的撕裂限制

如果電路區域受到反復彎曲，建議保留一小塊銅箔以進一步加強防止撕裂。槽特征應具有0.75 毫米的半徑。

柔性電路板上的插槽

在電路中加入狹縫特征

下圖顯示了一個窄槽，表示與孔的最小間隙 ( 0.50mm )。

在柔性電路中加入狹縫

用于剛柔過渡的應變消除圓角

在柔性和剛性部分的過渡處應用一小塊聚合物，以最大限度地減少界面處的物理應力。應變消除材料可以是柔性環氧樹脂、丙烯酸、RTV 硅樹脂、多硫化物等。

應變消除水平尺寸 (X) 的范圍可能介于1.0 毫米和 2.5 毫米 [~0.0394 英寸。到 ~0.0984 英寸]。

用于剛柔過渡的應變消除圓角

柔性到剛性導體接口

為避免損害剛柔結合電路上電鍍通孔的完整性，孔位置必須從剛性部分的邊緣向后退。此處，3.18 毫米 + ? PTH 焊盤直徑 是一個縮進，可避免柔性材料進入剛柔性材料時受到覆蓋層突起的干擾。對于剛柔結合 PCB 的 DFM，這是最重要的考慮因素之一。

柔性到剛性導體接口

靜態應用的彎曲和折疊指南

90° 彎曲安裝的最小彎曲半徑取決于銅層數。普遍接受的指導方針是：

單面 – 10:1  

雙面 – 10:1 

多層 – 20:1

導體布線在彎曲區域的注意事項

對于正確的導線布線，了解該做和不該做的事情至關重要。請參考下圖：

柔性導體布線的注意事項

折疊柔性電路

在折疊柔性電路中，折疊區域的銅導體應始終位于折疊的內表面。這些折疊是單面柔性電路一次性折疊的首選。如果銅箔在柔性電路的兩側，則必須清除外側區域的銅。

90° 或更大的折疊安裝

折疊僅適用于單面或雙面柔性電路。褶皺應該是均勻的，并設計成沿著包裝的表面。為了控制彎曲半徑并防止導體開裂，可能會使用成型工具。 

折痕可能只形成一次，然后粘合到位，確保不會出現折疊。

在柔性板中折疊 90°

 

動態應用的彎曲指南

對于需要重復彎曲達 90° 的動態應用，推薦的最小彎曲半徑為：

對于單面 flex，100:1 

對于雙面 flex，150:1

 但是，不推薦多層動態彎曲。 

動態應用的彎曲半徑

兩側柔性電路彎曲區

下圖顯示了雙面柔性電路中銅導體布線的注意事項。

雙面柔性電路的注意事項

兩個銅層柔性的 EMI 屏蔽和阻抗控制

可以添加圖案化的導電層以提供有效的 EMI 屏蔽。交叉影線圖案有助于保持靈活性。

交叉影線銅平面

制造商和設計人員應了解限制信號損耗、阻抗容差和電磁干擾 (EMI) 的要求。

觀看整個網絡研討會以正確理解以下幾點：

用于柔性和剛柔性 PCB 的 DFM。

SMT元件選擇和焊盤布局開發

用于 SMT 組裝加工的 DFM

根據柔性和剛柔結合應用要求選擇合適的 IPC 結構類型是 DFM 過程的第一步。遵循制造指南的特定設計至關重要，因為它可以消除與走線布線、間距、間隙、導體接口等相關的問題。

 如果您想了解有關 flex 板的任何關鍵方面的更多信息，請在評論部分告訴我們。