柔性和剛柔結合PCB應用

2022-03-23

柔性和剛柔結合PCB應用

在產品中設計柔性電路有兩個基本原因：構建緊湊且高效組裝的設備，或者使電路與產品的機械功能動態集成。當然，您可以依靠這兩個原因來證明使用柔性電路的合理性。在此說明中，讓我們看一些剛柔結合PCB應用和設計示例，以了解在設計柔性電路時想到的問題。

動態Flex應用示例

機電龍門架

一個非常典型的動態彎曲應用程序，例如您可能在3D打印機或CNC機頭中找到的，是機電龍門架。在物理上較大的系統中，電子元件需要跟隨與機械元件相同的運動，這將通過單獨的剛性板或模塊來完成，并且這些將通過電纜連接。在更小、更時尚的包裝中，柔性色帶更有意義，因為它提供了低調的組件以及所需的運動。

自然地，下面的示例將沿著X軸龍門放置，并且z軸工具頭沿著它移動。下面的示例在這里僅顯示了兩個運動軸，并且龍門架本身將在Y軸上移動。

柔性帶的總長度是除了拐角和彎曲之外所需的最極端的端部距離。位于移動z軸工具頭后面的角將粘附在沿龍門架移動的x軸梭上（可能在套筒軸承上）。末端將添加加強件以終止柔性帶部分。對于這種類型的應用，最好堅持使用單層軋制退火銅，并盡可能保持彎曲半徑盡可能大。當彎曲區域沿柔性帶的長度滾動時，這將有助于最大限度地延長使用壽命。

龍門柔性設計示例。

龍門工廠考慮：拼板

上面的例子提出了一個關于制造和成本的好問題。使用這樣的直角 L 形電路，我們可以在制造面板上安裝六個相同的柔性帶。這會導致大約50%的面板空間浪費，并且如果要將組件安裝在這個特定的柔性電路上，也會增加工具成本和時間。下面顯示了由嵌入式板陣列中的這種特殊柔性電路制成的示例面板。

CNC龍門柔性電路的嵌入式板陣列面板化。

flex的好處是，如果我們使用正確的材料并正確規劃整體組裝，我們還可以創建低半徑安裝折疊。如上圖所示，放置帶有永久折痕的靜態柔性部分是使用彎曲柔性電路的一個很好的替代方案，但僅限于某些情況下。下圖顯示了相同的龍門設計，但折痕為45°，以取代之前版本中顯示的90°角。

Gantry flex重新設計，帶有靜態折痕。

一旦我們查看面板（如下所示），折疊就變得非常有用。要使用這種類型的折痕制造柔性電路，我們不需要在電路板上設計彎曲。相反，我們可以在柔性PCB中使用直線部分，因此我們現在可以在單個面板中排列整個柔性帶陣列。 這樣，產量顯著增加。由于增加了每塊面板的良率以及便于取放組裝的工具，每塊電路板的總成本將降低。但是，由于折疊，您可能不得不將組件放置在組件一端的另一側來抵消這種情況。

帶有重新設計的龍門板的面板。

旋轉裝置

看看下面顯示的剛柔結合PCB布局。 在此布局中，柔性層是使用彎曲而不是永久折痕創建的。注意PCB編輯器中水平工作指南的使用；這使得能夠根據原位柔性電路部分的彎曲周長精確設計電路板輪廓。它還允許在PCB編輯器內的 Board Planning Mode中精確放置柔性電路彎曲線，從而可以在3D模式下進行準確的柔性電路彎曲模擬。

用于旋轉動態柔性設計的PCB布局。柔性帶可以附接到固定外殼或將與組件中的中心軸一起旋轉的其他組件。

在此示例中，步進電機將安裝到組件上，這樣電機及其控制印刷電路板將處于運動狀態，而軸將處于靜止狀態。柔性電路設計為在末端終止于固定底座組件并折疊成圓柱體形狀，向后折疊以允許雙向移動。此設計的3D視圖如下所示。

旋轉步進電機控制板的3D視圖。更長的“臂”將允許電機及其控制板旋轉超過360°。

件的完全折疊視圖，包括步進電機的3D主體。

我們可以看到mtoion的方向和錨定的柔性電路端接器，讓您了解該組件的運行方式。這種布置使得實現大于360°的旋轉相對容易。這個例子是假設的，展示了一個步進電機，盡管這種設計非常適合旋轉傳感器應用。只要外殼在旋轉，端接的剛柔結合部分也可以安裝到外殼上的某些組件上，從而提供一種簡單的方法來提供與剛性控制板部分的連接。

靜態Flex應用示例

平面磁體（變壓器和電感器）

用于集成平面磁性元件的柔性和剛柔結合電路越來越受歡迎。將柔性電路用于平面磁體具有一些明顯的優勢。聚酰亞胺薄膜的厚度允許非常高的繞組隔離，以及使其適用于熱搪瓷灌封工藝的高溫穩定性。從損失的角度來看；使用蝕刻銅跡線需要更寬的跡線，但這很容易降低渦流損耗，因為集膚效應帶來的額外阻抗會降低。

四繞組電感器的展開螺線管匝數。

下面顯示了一個有趣的軋制空心電感器的進出方案。在此卷制柔性PCB組件中，每個繞組的末端與下一個繞組的開頭重疊。這樣做可以增加匝數，而不是簡單地具有多個單獨的繞組。

軋制電感繞組。

18 層的價格 2

這個概念的自然延伸是在您的轉換器設計中包含一些彈性層，以便將它們相互折疊。在下面顯示的示例中，顯示了2層柔性電路變壓器設計，其中單個E18平面鐵氧體磁芯通過末端終結器區域（左側）的切口突出。這個想法可以任意擴展（盡管最終折疊板的厚度有實際限制）。在圖 11 中，雙面柔性板上的頂部和底部銅層為變壓器繞組提供了18個可用層。

在每個核心中心腿切口周圍，您可以為電感繞組繞一圈。繞側腿彎曲軌道會給你半圈，而返回路徑在變壓器線圈中提供另一半圈；折疊的導體部分一起形成一組堆疊的電流回路，可以產生和接收磁場。

柔性電路變壓器的俯視圖。頂層顯示了一個大電流繞組，底層布線了六個較輕電流繞組。

但這可能會令人困惑，因為您必須根據每個折疊部分與鐵氧體磁芯幾何形狀的關系來跟蹤正確的繞組方向。鑒于整個柔性電路將正交折疊，我在設計的機械 1 層上添加了與每個相鄰繞組層相對的箭頭，以提醒我布線銅的方式。為了清楚起見，這在下面顯示 。

機械 1 層顯示電路板輪廓和纏繞方向箭頭以供指導。

最終的核心和柔性組件如下所示。請注意，這可以集成在剛性-柔性設計中，其中大部分電路位于剛性 2 層印刷電路板上，柔性部分用于獲得所有核心繞組所需的附加層。當然，在使用大的柔性區域與僅在剛性設計中添加層堆之間存在成本權衡。

最終完全折疊的變壓器，帶有Ferroxcube E18 鐵氧體磁芯的3D模型穿過切口。

多層剛柔結合

對于許多需要在狹小空間內進行緊湊、可靠組裝的軍事、航空航天或類似的高密度設計，很難避免在剛性電路板區域之間使用多層柔性電路。更重要的是，這對于高速數字設計來說是必要的，因為在穿過柔性區域的總線之間需要屏蔽層或平面層。這里的挑戰是保持良好的靈活性。柔性電路層的數量必須保持在最低限度，通常是在具有聚酰亞胺覆蓋層的單個聚酰亞胺基板上的兩個銅層。

在“正常”設計中，柔性電路部分的長度對于重疊的柔性區域是相同的。這意味著您最終會遇到如下所示的情況，一旦放置到最終組件中，折疊會在剛性板之間的柔性區域產生顯著的張力。

當多個重疊的柔性層設計為具有相同長度時，將導致外部柔性電路中的張力和內部電路的壓縮。請注意此設計中使用的膠珠“擠出”，就在彎曲進入剛性部分的位置。

此時，大多數專業的剛柔結合板制造商會告訴您使用“裝訂器”結構。裝訂機構造是一種可行的方法，其中使用柔性電路彎曲的原位半徑來確定層堆疊中每個柔性電路和基板組合的正確長度。下面的IPC-2223b摘錄中顯示了該概念的示例說明。

裝訂機結構。

您可以立即看出這種方法會花錢并增加設計的挑戰。通常，更好的選擇是使用相同長度和半徑的柔性電路，但將不同的柔性電路層分開，以使它們不會相互重疊。這方面的一個例子如下所示。

替代裝訂器結構。通常，彎曲部分可能重疊并且需要不同的長度來保持低張力/壓縮。在該替代方案中，柔性部分被放置在剛性部分邊緣的不同區域中，因此它們不再需要重疊。

不犧牲層數的超緊彎曲

通過沿彎曲區域的一些創造性設計選擇，可以在不損失銅層的情況下獲得非常緊湊的彎曲。 

下面顯示的小板使用“S”形帶來定義彎曲并減小沿加強區域邊緣的最小彎曲半徑。在這張照片中看不到，但有些組件安裝在電路板背面粘有薄加強筋的部分。

使用多個銅層獲得基本上180°的彎曲半徑。

這個概念可以向多個方向擴展。下圖所示的PCB設計是一個超柔性的PCB顯示板。您可以在更寬、更硬的部分看到矩陣中的許多LED。整個組件在這些部分是剛性的，只是因為層壓在一起的銅和PI薄膜層的數量龐大。同樣，在這些LED矩陣區域之間使用S形彎頭可以使該組件更容易彎曲成彎曲的外殼。

XY S 彎彎曲陣列。

將這個 概念更進一步，您將擁有 如下所示的非常緊湊的設計。本例中的柔性電路部分包含 8 層。如果將這種柔性電路作為直接帶放置在剛性部分之間，通常不會是柔性的。然而，使用無數的S形彎曲（請注意，頂部的柔性材料層都是用于屏蔽的實心銅！）允許它彎曲到足以進入最終的機械外殼，即使有數百個高速內存和顯示連接。