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(wèn)題。

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

在剛柔結合PCB 中使用更高層數的后果

將多個(gè)層層壓到單個(gè)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(huì )導致剛撓性PCB 的電氣和機械可靠性問(wèn)題。

機械可靠性問(wèn)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(zhù)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(tài)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(guò)最小彎曲能力，電路可能會(huì )斷開(kāi)。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(wèn)題，例如銅跡線(xiàn)的應變增加和彎曲能力，可以通過(guò)改變構造方法來(lái)處理。

電氣可靠性問(wèn)題

由于使用不合適的電路板材料，會(huì )出現電氣可靠性問(wèn)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(huán)氧樹(shù)脂或丙烯酸基粘合劑進(jìn)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(huán)境中時(shí)，粘合劑會(huì )膨脹和收縮。因此，可能會(huì )損壞通孔鍍層，從而導致開(kāi)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(wèn)題，IPC 開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)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(gè)獨立的組，每組不超過(guò)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(xiàn)。在這里，一層可以配置為帶狀線(xiàn)，兩個(gè)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(wèn)題。

氣隙結構如何通過(guò)可靠性問(wèn)題解決？

早些時(shí)候，剛撓結合板是通過(guò)在剛性部分內使用多層粘合劑來(lái)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(guò)孔在組裝過(guò)程中和在高溫環(huán)境中運行時(shí)會(huì )承受很大的應力。氣隙結構解決了通孔可靠性問(wèn)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(kāi)。這不僅解決了過(guò)孔的可靠性問(wèn)題，而且提高了剛性部分之間的附著(zhù)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(cháng)遠來(lái)看可以節省成本。要了解有關(guān)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(chǎn)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(gè)因素導致了這些改進(jìn)：

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

每個(gè)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(huì )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(huì )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(huì )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(shù)。該測試在經(jīng)受一系列熱循環(huán)的測試試樣上進(jìn)行。在這里，通孔桶和 PTH 持續暴露在電流中，直到電路板通過(guò)可靠性測試。溫度范圍為25 至 150°C。

IST的優(yōu)點(diǎn)如下：

環(huán)保且性?xún)r(jià)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(shí)間內提供電路板的簡(jiǎn)化分析

影響柔性PCB可靠性的IPC 2223 6個(gè)標準

IPC 2223 標準提供了涵蓋剛柔結合設計的所有關(guān)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(gè)主要標準。

通過(guò)柔性過(guò)渡區中的禁止區域

通過(guò)柔性過(guò)渡區中的禁止區域

與柔性過(guò)渡區相關(guān)的任何電鍍過(guò)孔或孔的位置是影響剛柔結合板可靠性的關(guān)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(huán)氧樹(shù)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(guò)粘合劑層鉆孔的過(guò)孔容易受到粘合劑熱膨脹和收縮產(chǎn)生的應力的影響。當這些通孔暴露在高溫下時(shí)，通孔鍍層可能會(huì )損壞，從而造成嚴重的問(wèn)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(guò)渡區之間的最小距離為 0.125 英寸。然而，可以避免通過(guò)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(shí)，對于商業(yè)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(gè)剛性部分實(shí)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(jīng)發(fā)展。早些時(shí)候，覆蓋層在整個(gè)剛性部分實(shí)施。結果，通孔和 PTH 被鉆穿粘合劑層，這導致了通孔可靠性問(wèn)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(méi)有覆蓋層或粘合劑的優(yōu)點(diǎn)，從而產(chǎn)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(wú)膠軟芯

基于粘合劑和無(wú)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(lèi)：

粘合劑基：銅層用丙烯酸粘合劑粘合到聚酰亞胺上。

無(wú)粘合劑：銅直接澆鑄在聚酰亞胺上。

IPC 2223 僅提倡使用無(wú)膠軟芯。采用無(wú)粘合劑柔性芯消除了剛性區域的粘合劑來(lái)源。這也消除了前面部分中討論的可靠性問(wèn)題。使用無(wú)粘合劑柔性材料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(tài)和動(dòng)態(tài)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(tài)和動(dòng)態(tài)應用的彎曲要求。

靜態(tài)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(dòng)態(tài)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(kāi)。在折疊區域，經(jīng)常使用 PSA（壓敏粘合劑）來(lái)牢固地固定柔性件并防止其意外展開(kāi)。

應變消除魚(yú)片

應力消除圓角是由環(huán)氧樹(shù)脂制成的柔性珠。這些圓角通常應用于剛柔過(guò)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(shí)施降低了過(guò)渡區周?chē)~電路損壞的機會(huì )。 

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(yè)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(fā)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(jìn)行 2-10 小時(shí)?？梢栽陬A烤爐中設置穿過(guò)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(shí)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(guān)的可靠性問(wèn)題。如果您面臨任何與設計相關(guān)的挑戰，請在評論部分告訴我們。我們很樂(lè )意為您提供幫助。