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(guò)程中可能出現的潛在問(wèn)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(lèi)型、層壓板、涂層厚度、走線(xiàn)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(lèi)如下：

建立柔性電路結構類(lèi)型 

基材 

覆蓋涂層和薄膜變化

導體布線(xiàn)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(lèi)型

柔性板分為單面、雙面、多層和剛柔結合板。 

IPC 類(lèi)型 1- 單面柔性板

單面板是最常見(jiàn)的類(lèi)型。這些 PCB由粘合在介電基膜上的單個(gè)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(huán)境保護。SMT 焊盤(pán)（表面貼裝焊盤(pán)）在提供時(shí)只能從一側接觸。單金屬柔性電路非常適合動(dòng)態(tài)應用。

IPC 類(lèi)型 2- 雙面柔性板

IPC 2 類(lèi)柔性PCB 由兩個(gè)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(xué)蝕刻，最后通過(guò)施加頂部和底部介電覆蓋層或覆蓋涂層在兩側絕緣。

IPC 類(lèi)型 3：多層柔性板

多層柔性電路板由三個(gè)或更多導電層與電介質(zhì)粘合在一起組成。導電層之間的互連由電鍍通孔提供。通過(guò)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(lèi)型 4：剛柔結合電路

剛柔結合電路將環(huán)氧玻璃增強材料和柔性薄膜與通過(guò)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(shí)在電路設計的其余部分使用剛性部分來(lái)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(lèi)似于傳統電路板制造的工藝開(kāi)發(fā)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(shuō)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(huán)氧樹(shù)脂玻璃纖維增強

BT-環(huán)氧樹(shù)脂與玻璃纖維增強

基材特性

選擇最適合設計的產(chǎn)品很重要。下圖顯示了根據關(guān)鍵屬性對材料進(jìn)行的分類(lèi)。 

關(guān)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(méi)有任何	無(wú)堿玻璃	無(wú)堿玻璃	無(wú)堿玻璃
介電化合物	聚酰亞胺	聚酰亞胺	環(huán)氧樹(shù)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(huán)氧樹(shù)脂和雙馬來(lái)酰亞胺三嗪樹(shù)脂的混合物。

FR-4 材料符合 IPC-4101/126、129,130 和 131。它是為無(wú)鉛焊料加工（240℃-260℃）而開(kāi)發(fā)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(shí)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(zhì)的關(guān)鍵物理特性

杰出的電氣性能

優(yōu)異的耐化學(xué)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(zhì)價(jià)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(huán)境危害的影響至關(guān)重要。電路板表面使用覆蓋層、覆蓋層、液態(tài)光成像聚合物和光成像干膜進(jìn)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(yōu)勢	缺點(diǎn)
出色的動(dòng)態(tài)靈活性	厚度和成本增加取決于應用
無(wú)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(wǎng)印刷在電路板上并使用紫外線(xiàn)或熱量固化。

液態(tài)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(jìn)行照片成像，以提供對焊盤(pán)圖案特征的訪(fǎng)問(wèn)。

優(yōu)點(diǎn)液體光成像聚合物	缺點(diǎn)
高圖案分辨率	靈活性因供應商而異
無(wú)需打孔和鉆孔	成本適中，材料浪費最少
實(shí)現對暴露特征的精確對齊	如果非常薄，涂層中可能會(huì )形成針孔

照片成像干膜– 融合層壓到電路上并進(jìn)行照片成像以提供對焊盤(pán)圖案特征的訪(fǎng)問(wèn)。

照片成像干膜的優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)
高圖案分辨率	靈活性因供應商而異
無(wú)需打孔和鉆孔	基礎材料成本高但材料無(wú)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(pán)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(xiàn)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(lián)電路布線(xiàn)變化

在并聯(lián)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(xiàn)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(xiàn)中，必須確保不存在促進(jìn)撕裂的尖角。下圖顯示了將增強柔性電路生存能力的關(guān)鍵特性。

布線(xiàn)柔性板的主要特性

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

 電路布線(xiàn)和間距

確定布線(xiàn)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(jìn)行分類(lèi)。

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(gè)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(shí)撕裂。即使材料很硬，如果拉伸超過(guò)其極限，它也會(huì )撕裂。

柔性電路撕裂避免指南

彎曲區中的導體布線(xiàn)

在彎曲區域布線(xiàn)導體時(shí)，請考慮以下事項：

導線(xiàn)應垂直于彎曲區域布線(xiàn)。

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(xiàn)

如何避免柔性截面中的 90° 內角

處理拐角時(shí)，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(jìn)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(jìn)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(gè)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(guò)渡的應變消除圓角

在柔性和剛性部分的過(guò)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(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸、RTV 硅樹(shù)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(guò)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(pán)直徑 是一個(gè)縮進(jìn)，可避免柔性材料進(jìn)入剛柔性材料時(shí)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(tài)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(xiàn)在彎曲區域的注意事項

對于正確的導線(xiàn)布線(xiàn)，了解該做和不該做的事情至關(guān)重要。請參考下圖：

柔性導體布線(xiàn)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(zhù)包裝的表面。為了控制彎曲半徑并防止導體開(kāi)裂，可能會(huì )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(huì )出現折疊。

在柔性板中折疊 90°

 

動(dòng)態(tài)應用的彎曲指南

對于需要重復彎曲達 90° 的動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)彎曲。 

動(dòng)態(tài)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(xiàn)的注意事項。

雙面柔性電路的注意事項

兩個(gè)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(xiàn)圖案有助于保持靈活性。

交叉影線(xiàn)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(guān)看整個(gè)網(wǎng)絡(luò )研討會(huì )以正確理解以下幾點(diǎn)：

用于柔性和剛柔性 PCB 的 DFM。

SMT元件選擇和焊盤(pán)布局開(kāi)發(fā)

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(lèi)型是 DFM 過(guò)程的第一步。遵循制造指南的特定設計至關(guān)重要，因為它可以消除與走線(xiàn)布線(xiàn)、間距、間隙、導體接口等相關(guān)的問(wèn)題。

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