PCB設(shè)計(jì)之Rigid-flex剛?cè)峤Y(jié)合板應(yīng)用

??????PCB設(shè)計(jì)趨勢(shì)是往輕薄小方向發(fā)展。除了高密度的電路板設(shè)計(jì)之外，還有軟硬結(jié)合板的三維連接組裝這樣重要而復(fù)雜的領(lǐng)域。軟硬結(jié)合板又叫剛?cè)峤Y(jié)合板。隨著FPC的誕生與發(fā)展，剛?cè)峤Y(jié)合線路板（軟硬結(jié)合板）這一新產(chǎn)品逐漸被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。因此，軟硬結(jié)合板，就是柔性線路板與傳統(tǒng)硬性線路板，經(jīng)過(guò)諸多工序，按相關(guān)工藝要求組合在一起，形成的同時(shí)具有FPC特性與PCB特性的線路板。它可以用于一些有特殊要求的產(chǎn)品之中，既有一定的撓性區(qū)域，也有一定的剛性區(qū)域，對(duì)節(jié)省產(chǎn)品內(nèi)部空間，減少成品體積，提高產(chǎn)品性能有很大的幫助。

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柔性板的材料

???俗話(huà)說(shuō)：“工欲善其事，必先利其器”，所以在考慮一個(gè)軟硬結(jié)合板的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝時(shí)，做好充分的準(zhǔn)備是非常重要的。但這需要一定專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及對(duì)所需物料特性的了解，軟硬結(jié)合板所選用的材料直接影響后續(xù)生產(chǎn)工藝及其性能。

對(duì)于硬板（Rigid）的材料大家都比較熟悉，經(jīng)常會(huì)用到FR4類(lèi)型的材料。但用于軟硬結(jié)合的硬板材料也需要考慮到諸多要求。需要宜于粘牢，良好的耐熱性，以保證受熱后剛撓結(jié)合部分伸縮度一致而不變形。一般廠商采用樹(shù)脂系列的剛性板材料。

對(duì)于軟板（Flex）材料，選擇尺寸漲縮較小的基材和覆蓋膜。一般采用較硬的PI制造的材料，也有直接使用無(wú)膠基材進(jìn)行生產(chǎn)的。軟板材料如下所示：

基材（Base Material）：FCCL(Flexible Copper Clad Laminate)

聚酰亞胺PI。Polymide：Kapton(12.5um/20um/25um/50um/75um)。柔曲度好，耐高溫（長(zhǎng)期使用溫度為260°C，短期內(nèi)耐400°C），高吸濕性，良好的電氣特性和機(jī)械特性，抗撕裂性好。耐氣候性和化學(xué)藥品性好，阻燃性好。聚酯亞胺(PI)的使用最廣泛。其中80%都是美國(guó)DuPont公司制造。

聚酯PET。Polyester(25um/50um/75um)。廉價(jià)，柔曲度好，抗撕裂?？估瓘?qiáng)度等機(jī)械特性和電氣特性好，良好的耐水性和吸濕性。但受熱后收縮率大，耐高溫性欠佳。不適合于高溫錫焊，熔點(diǎn)250°C，比較少用。

覆蓋膜(Coverlay)

覆蓋膜主要作用是對(duì)電路起保護(hù)作用，防止電路受潮，污染以及防焊。覆蓋膜厚度From1/2mil to 5 mils（12.7 to 127um）。

???????導(dǎo)電層(Conductive Layer）分壓延銅(Rolled Annealed Copper)，電解銅(Electrodeposited Copper）和銀濺射/噴鍍(Silver Ink)這幾種方式。其中電解銅晶體結(jié)構(gòu)粗糙，不利于精細(xì)線路良率。壓延銅晶體結(jié)構(gòu)平滑，但與基膜粘結(jié)力差。可從外觀上區(qū)分點(diǎn)解和壓延銅箔。電解銅箔呈銅紅色，壓延銅箔呈灰白色。

輔助材料和加強(qiáng)板(Additional Material&Stiffeners)。軟板上局部區(qū)域?yàn)榱撕附釉骷蛟黾友a(bǔ)強(qiáng)以便安裝而另外壓合上去的硬質(zhì)材料。補(bǔ)強(qiáng)膠片可用FR4，樹(shù)脂板，感壓膠，鋼片鋁片補(bǔ)強(qiáng)等。

不流動(dòng)/低流膠的半固化片(Low Flow PP)。用于軟硬結(jié)合板的層壓(Rigid and Flex Connection)，通常是非常薄的PP。一般有106(2mil)，1080(3.0mil/3.5mil)，2116(5.6mil)這些規(guī)格。

剛?cè)峤Y(jié)合板的結(jié)構(gòu)形式

剛?cè)峤Y(jié)合板是在柔性板上再粘一個(gè)或兩個(gè)以上的剛性層，是的剛性層上的電路與柔性層上的電路通過(guò)金屬化相互連通。每塊剛?cè)峤Y(jié)合板有一個(gè)或多個(gè)剛性區(qū)和一個(gè)柔性區(qū)。如下所示為簡(jiǎn)單的剛性與撓性板的結(jié)合，層數(shù)多于一層。

??????另外，一塊撓性板與幾塊剛性板的結(jié)合，幾塊撓性板與幾塊剛性板的結(jié)合，采用鉆孔，鍍覆孔，層壓工藝方法實(shí)現(xiàn)電氣互連。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，使得設(shè)計(jì)構(gòu)思更加適合器件的安裝和調(diào)試以及焊接作業(yè)。確保更好地發(fā)揮剛?cè)峤Y(jié)合板的優(yōu)點(diǎn)與靈活性。這種情況比較復(fù)雜，導(dǎo)線層多于兩層。如下所示：

???????層壓是將銅箔，P片，內(nèi)存撓性線路，外層剛性線路壓合成多層板。剛撓結(jié)合板的層壓與只有軟板的層壓或剛性板的層壓有所不同。紀(jì)要考慮撓性板在層壓過(guò)程中的形變又要考慮剛性板的表面平整性。因此，除材料選擇之外，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要考慮到剛性板的厚度合適，為保證剛撓部分的漲縮率一致不會(huì)出現(xiàn)翹曲。實(shí)驗(yàn)證明0．8~ 1．0mm厚度較為適宜。同時(shí)，要注意剛性板和柔性板離開(kāi)結(jié)合部位的一定距離放置過(guò)孔，以便不會(huì)對(duì)剛撓結(jié)合部分產(chǎn)生影響。

剛?cè)峤Y(jié)合板生產(chǎn)流程

???????大家都知道軟硬結(jié)合板是FPC與PCB的組合，軟硬結(jié)合板的生產(chǎn)應(yīng)同時(shí)具備FPC生產(chǎn)設(shè)備與PCB加工設(shè)備。首先，由電子工程師根據(jù)需求畫(huà)出軟性結(jié)合板的線路與外形，然后，下發(fā)到可以生產(chǎn)軟硬結(jié)合板的工廠，經(jīng)過(guò)CAM工程師對(duì)相關(guān)文件進(jìn)行處理、規(guī)劃，然后安排FPC產(chǎn)線生產(chǎn)所需FPC、PCB產(chǎn)線生產(chǎn)PCB，這兩款軟板與硬板出來(lái)后，按照電子工程師的規(guī)劃要求，將FPC與PCB經(jīng)過(guò)壓合機(jī)無(wú)縫壓合，再經(jīng)過(guò)一系列細(xì)節(jié)環(huán)節(jié)，最終制程軟硬結(jié)合板。

以Motorola 1+2F+1 Mobile Display&Side Keys這款4層板（兩層硬板兩層軟板）為例。該板制版要求是HDI設(shè)計(jì)，BGA間距0.5mm。軟板厚度25um有IVH(Interstitial Via Hole局部層間導(dǎo)通孔)孔設(shè)計(jì)。整板厚度：0.295+/-0.052mm。內(nèi)層LW/SP為3/3mil。

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剛?cè)峤Y(jié)合版的設(shè)計(jì)規(guī)則注意事項(xiàng)

???????剛?cè)峤Y(jié)合板在設(shè)計(jì)方面比傳統(tǒng)意義的PCB設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多，并且，需要注意的地方也特別多。特別是剛撓過(guò)渡區(qū)域，以及相關(guān)的走線，過(guò)孔等設(shè)計(jì)方面，都需要遵循相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)則的要求。

1.過(guò)孔位置

?????在動(dòng)態(tài)使用情況下，特別是經(jīng)常對(duì)軟板進(jìn)行彎折的時(shí)候，軟板上的過(guò)孔是盡量需要避免的，這些過(guò)孔很容易被損壞折裂。不過(guò)在軟板上的加強(qiáng)區(qū)域還是可以打孔的，但也要避開(kāi)加強(qiáng)區(qū)域的邊沿線附近。因此，在軟硬結(jié)合板設(shè)計(jì)中打孔的時(shí)候要避開(kāi)結(jié)合區(qū)域一定的距離。如下圖所示。 ??

???????對(duì)于過(guò)孔與軟硬結(jié)合區(qū)的距離要求，設(shè)計(jì)上需遵循的規(guī)則為：

應(yīng)保存至少50mil的距離，高可靠性應(yīng)用場(chǎng)合要求至少70mil。

絕大多數(shù)加工廠家不會(huì)接受低于30mil的極限距離。

對(duì)于軟板上的過(guò)孔遵循同樣規(guī)則。

此為軟硬結(jié)合板中最重要的一條設(shè)計(jì)規(guī)則必須遵守。??

2. ?焊盤(pán)和過(guò)孔的設(shè)計(jì)

??????焊盤(pán)和過(guò)孔在符合電氣要求的情況下，贏取最大值，焊盤(pán)與導(dǎo)體之間連接處采用圓滑的過(guò)渡線，避免直角。獨(dú)立的焊盤(pán)應(yīng)加盤(pán)趾，以加強(qiáng)支撐作用。

在軟硬結(jié)合板設(shè)計(jì)中，過(guò)孔或焊盤(pán)很容易被損壞。要減少這種風(fēng)險(xiǎn)需要遵循的規(guī)則：

焊盤(pán)或過(guò)孔的助焊層露銅圈，越大越好。

過(guò)孔走線盡量添加淚滴，增加機(jī)械支撐作用。

添加盤(pán)趾，加固作用。

3. ?走線設(shè)計(jì)

???????在撓性區(qū)(Flex)若有不同層上的走線，盡量避免一根線在頂層，另一根線在底層它的相同路徑。這樣在軟板彎折的時(shí)候，上下兩層的走線銅皮的受力不一致，容易造成線路的機(jī)械損壞。而應(yīng)該錯(cuò)落開(kāi)來(lái)，將路徑交叉排列。如下圖所示。

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???????在撓性區(qū)(Flex)的走線設(shè)計(jì)要求最好走圓弧線，而非角度線。與硬板(Rigid)區(qū)的建議相反。這樣可以保護(hù)柔性板部分線路在彎折時(shí)不易折損。線路也要避免突然的擴(kuò)大或縮小，粗細(xì)線之間采用淚滴形弧線連接。

4. ?鋪銅設(shè)計(jì)

???????對(duì)于增強(qiáng)柔性板的靈活彎折來(lái)講，鋪銅或平面層最好采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。但是對(duì)于阻抗控制或其他的應(yīng)用來(lái)講，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在電氣質(zhì)量上又差強(qiáng)人意、所以，設(shè)計(jì)師在具體的設(shè)計(jì)中需要根據(jù)設(shè)計(jì)需求兩害取其輕合理判斷，是使用網(wǎng)狀銅皮還是實(shí)心銅。不過(guò)對(duì)于廢料區(qū)，還是盡可能設(shè)計(jì)多的實(shí)心鋪銅。如下圖所示。 ?

5. ?鉆孔與銅皮的距離

???????這個(gè)距離是指一個(gè)孔與銅皮之間的距離，我們叫“孔銅距”。軟板材料與硬板所用材料不同，以至于太緊的孔銅距離很難處理。一般的說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)的孔銅距應(yīng)該是10mil。

對(duì)于剛?cè)峤Y(jié)合區(qū)來(lái)說(shuō)，最重要的兩個(gè)距離一定不能忽視。一個(gè)是這里所說(shuō)的孔銅距(Drill to Copper)，遵循10mil的最低標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)是之前所說(shuō)的孔到軟板邊沿的距離(Hole to Flex)，一般推薦50mil。

6. ?剛?cè)峤Y(jié)合區(qū)的設(shè)計(jì)

???????在剛?cè)峤Y(jié)合區(qū)，軟板最好設(shè)計(jì)在層棧的中間與硬板進(jìn)行連接。而軟板的過(guò)孔在剛?cè)峤Y(jié)合區(qū)就被認(rèn)為是埋孔。剛?cè)峤Y(jié)合區(qū)需要注意的地方如下：

線路要平緩過(guò)渡，線路的方向應(yīng)與彎曲的方向垂直。

導(dǎo)線應(yīng)在整個(gè)彎曲區(qū)內(nèi)均勻分布。

在整個(gè)彎曲區(qū)內(nèi)，導(dǎo)線的寬度應(yīng)達(dá)到最大化。

剛撓過(guò)渡區(qū)盡量不采用PTH設(shè)計(jì)。

7. ?剛?cè)峤Y(jié)合板彎折區(qū)的彎折半徑

???????剛?cè)峤Y(jié)合板的撓性彎折區(qū)應(yīng)能耐100,000次撓曲而無(wú)斷路、短路、性能降低或不可接受的分層現(xiàn)象。耐撓曲性采用專(zhuān)用設(shè)備，也可采用等效的儀器測(cè)定，被測(cè)試樣應(yīng)符合有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。在設(shè)計(jì)上，彎折半徑應(yīng)如下圖所示為參考。彎折半徑的設(shè)計(jì)應(yīng)該與撓性彎折區(qū)的軟板厚度，軟板層數(shù)有關(guān)。簡(jiǎn)單的參考標(biāo)準(zhǔn)為R=WxT。T為軟板總厚。單面板W為6，雙面板12，多層板24。所以單面板的最小彎折半徑為6倍板厚，雙面板為12倍板厚，多層板為24倍板厚。統(tǒng)統(tǒng)不應(yīng)小于1.6mm。

??????總之，對(duì)于軟硬結(jié)合板的設(shè)計(jì)方面，特別重要的是關(guān)于撓性電路板設(shè)計(jì)。撓性板設(shè)計(jì)時(shí)要求考慮撓性板的基材、粘結(jié)層、銅箔、覆蓋層和增強(qiáng)板及表面處理的不同材質(zhì)、厚度和不同的組合，還有其性能，如剝離強(qiáng)度、抗撓曲性能、化學(xué)性能、工作溫度等。特別要考慮所設(shè)計(jì)的撓性板的裝配和具體的應(yīng)用。這方面設(shè)計(jì)規(guī)則具體可參考IPC標(biāo)準(zhǔn)：IPC-D-249和IPC-2233。

另外對(duì)于軟板加工精度，國(guó)外加工精度：線寬：50μm，孔徑：0.1mm，層數(shù)10層以上。 國(guó)內(nèi)：線寬：75μm，孔徑：0.2mm，層數(shù)4層。這些都需要在具體設(shè)計(jì)時(shí)加以了解和參考。