柔性印刷電路設計最佳實(shí)踐

2022-03-31

柔性印刷電路設計最佳實(shí)踐

為了生產(chǎn)可靠的基于剛柔結合的產(chǎn)品，需要考慮許多與柔性電路的制造和最終用途相關(guān)的因素，以及銅圖案的設計。在您開(kāi)始在柔性/剛柔性PCB 中放置和布線(xiàn)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(xiàn)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(gè) 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(chǎn)步驟和所涉及的材料特性，它可能會(huì )變得非常昂貴。要記住的柔性電路的一個(gè)重要方面是電路彎曲時(shí)材料內的應力。銅是一種有色金屬，已知會(huì )發(fā)生加工硬化，并且隨著(zhù)反復彎曲循環(huán)和小半徑最終會(huì )發(fā)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(tài)，如下所示。

同樣，通常需要多個(gè)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(cháng)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(wèn)題，并且在重復運動(dòng)下會(huì )比多層銅層持續更長(cháng)的時(shí)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(huán)中）。

膠珠、加強筋和端接

有時(shí)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(huán)氧樹(shù)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(jìn)行固化會(huì )給生產(chǎn)過(guò)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(dòng)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(huì )在裝配下滴落膠水。在某些情況下，必須用手涂抹膠水，這會(huì )增加時(shí)間和成本。無(wú)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(huì )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(lái)說(shuō)，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(guò)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(chǎn)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(guò)程中支撐柔性板。這些區域沒(méi)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(jìn)行布線(xiàn)，最后在組裝后用手沖壓出來(lái)。

剛柔結合 PCB 面板示例。請注意，這個(gè)有前后板邊緣和柔性電路，已布線(xiàn)。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(shí)間

很容易看到層堆棧設計、零件放置和切口的問(wèn)題，并認為我們已經(jīng)解決了這些問(wèn)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(zhù)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(guò)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(tài)彎曲。如果您的柔性電路部分僅在組裝過(guò)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(lèi)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(dòng)、彎曲或滾動(dòng)，那么您應該減少每個(gè)柔性子堆棧的層數，并選擇無(wú)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(lái)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(xiàn)位置錯誤，您可能會(huì )對元件引線(xiàn)上的焊點(diǎn)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(dòng)態(tài)”柔性設計（來(lái)源：  IPC-2223B，2008 http ://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf）。在這里，動(dòng)態(tài)意味著(zhù)在產(chǎn)品使用過(guò)程中連續彎曲和滾動(dòng)，例如移動(dòng) 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(xiàn)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(chǎn)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(jìn)行布線(xiàn)。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(jìn)入焊盤(pán)時(shí)，特別是當它們在柔性電路端接器中排列成一排時(shí)（如下所示），這將形成一個(gè)薄弱點(diǎn)，銅會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而疲勞。除非要在走線(xiàn)寬度過(guò)渡附近應用加強筋或一次性折痕，否則建議從焊盤(pán)逐漸變細（提示：在柔性電路中的焊盤(pán)和通孔上放置淚珠?。?span>

走線(xiàn)寬度變化和焊盤(pán)入口可能會(huì )導致薄弱環(huán)節。

添加對 Pads 的支持

由于彎曲過(guò)程中的重復應力，以及銅對基板的較低附著(zhù)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(gè)柔性層到另一個(gè)柔性層的合適機械錨，所以通孔本身就受到支持。出于這個(gè)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(jìn)行額外的高達 1.5 密耳的通孔電鍍。表面貼裝焊盤(pán)和非鍍通焊盤(pán)被稱(chēng)為無(wú)支撐，需要額外的措施來(lái)防止脫落。

通過(guò)電鍍、錨定短柱和減少的覆蓋層接入開(kāi)口支持彎曲的通孔焊盤(pán)。

SMT 元件焊盤(pán)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(shí)。下面的焊盤(pán)和走線(xiàn)排列顯示了如何使用覆蓋層“掩模”開(kāi)口來(lái)錨定焊盤(pán)的兩側將解決問(wèn)題。要做到這一點(diǎn)，同時(shí)仍然允許適量的焊料，焊盤(pán)必須比典型的剛性板占用空間大一些。這顯然會(huì )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(zhì)上不可能非常密集。

SOW 包裝的覆蓋層開(kāi)口，顯示每個(gè)焊盤(pán)兩端的錨固。

在您的PCB設計軟件中，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的“覆蓋層”層；您必須使用遮罩層來(lái)定義焊盤(pán)周?chē)母采w層開(kāi)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(gè)開(kāi)口來(lái)定義覆蓋層開(kāi)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(pán)尺寸和頂部焊料層用于顯示 SMD 無(wú)源焊盤(pán)和覆蓋層開(kāi)口應如何放置以安裝在剛柔結合PCB上。頂部焊盤(pán)圖案用于標稱(chēng) 0603 封裝，而底部是同一組件的封裝，但具有修改的覆蓋層開(kāi)口。

允許擠出

當覆蓋層層壓在銅和基板上時(shí)，當應用覆蓋層時(shí)，一些粘合劑會(huì )從焊盤(pán)周?chē)娜魏胃采w層開(kāi)口中“擠出”。為了允許擠出，焊盤(pán)焊盤(pán)和訪(fǎng)問(wèn)開(kāi)口必須足夠大以允許一些粘合劑泄漏，同時(shí)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?chē)M(jìn)行 360° 焊料潤濕以實(shí)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(kāi)口的大小，以允許粘合劑擠出。

雙面柔性布線(xiàn)

對于動(dòng)態(tài)雙面柔性電路，盡量避免在同一方向上相互鋪設走線(xiàn)。相反，在相鄰層之間錯開(kāi) trces 以使它們不重疊。當銅更均勻地分布在銅層之間時(shí)，這會(huì )減少跡線(xiàn)上的拉應力（見(jiàn)下文）。在跡線(xiàn)重疊的情況下，其中一層將在彎曲過(guò)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(xiàn)上的應力分布更接近均勻。

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

使用陰影多邊形

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

由于影線(xiàn)跡線(xiàn)和“X”的對齊，正常影線(xiàn)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(pán)陣列來(lái)完成，但您可以通過(guò)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(gè)角度之間均勻分布張力偏差。

通過(guò)放置

對于多層柔性區域，有時(shí)可能需要放置通孔以在層之間過(guò)渡。如果可能，建議不要放置過(guò)孔，因為這些過(guò)孔會(huì )在彎曲運動(dòng)中迅速疲勞。還需要在最近的通孔的銅環(huán)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(dòng)處理。

至于放置過(guò)孔的需要——如果您必須在柔性電路中設置過(guò)孔，請使用“房間”來(lái)定義您知道不會(huì )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(guò)孔。另一種方法是使用層堆棧管理器來(lái)定義“剛性”部分，這些部分最終是彎曲的，但附著(zhù)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(jìn)行終止，以降低在拐角處撕裂柔性基板材料的風(fēng)險。本質(zhì)上，這里的規則是，只要您有一個(gè)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(xiàn)。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(gè)設計的安全孔。這方面的一個(gè)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(xiàn)曲線(xiàn)。

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(kāi)始使用許多產(chǎn)品。如果您不確定，您的制造廠(chǎng)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。