軟硬結(jié)合板與柔性電路板設(shè)計(jì)

軟硬結(jié)合板有很多好處，許多設(shè)計(jì)師們之前并不了解，因?yàn)樗麄兊脑O(shè)計(jì)不是必須使用這個(gè)技術(shù)。然而現(xiàn)在越來越多的設(shè)計(jì)師將要面對(duì)構(gòu)建越來越高密度的電子設(shè)備的壓力，更讓他們頭痛的是還有要不斷地降低制造成本和減少制造時(shí)間。其實(shí)，這真的不是什么新的技術(shù)難題。很多的工程師和設(shè)計(jì)師們已經(jīng)為之頭痛很久，且所面臨的壓力也正不斷驟增。

因此，了解如何制造柔性電路以及軟硬結(jié)合板是非常明智的。這樣，我們可以輕松找設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤隱患，防患于未然?，F(xiàn)在，讓我們認(rèn)識(shí)一下做這些板子需要哪些基礎(chǔ)材料。

柔性電路的材料

基底和保護(hù)層薄膜

首先，我們來考慮一下普通的剛性印刷電路板，它們的基底材料通常是玻璃纖維和環(huán)氧樹脂。實(shí)際上，這些材料是一種纖維，盡管我們稱之為“剛性”，如果單取出一層，你還能感受到它的彈性。由于其中的固化環(huán)氧樹脂，才能使板層更加剛硬。由于它不夠靈活，所以不能應(yīng)用到某些產(chǎn)品上。但是對(duì)于很多簡單裝配的、板子不會(huì)持續(xù)移動(dòng)的電子產(chǎn)品還是合適的。

在更多的應(yīng)用中，我們更需要比環(huán)氧樹脂靈活的塑料薄膜。我們最常用的材質(zhì)是聚酰亞胺(PI)，它非常柔軟、牢固，我們不能輕易地撕裂它或者延展它。而且它還具有難以置信的熱穩(wěn)定性，能夠輕松承受加工中回流焊過程的溫度變化，而且在溫度的起伏變化過程中，我們幾乎不能發(fā)現(xiàn)它的伸縮形變。

聚酯（PET）是另外一種常用的柔性電路材料，與只聚酰亞胺（PI）薄膜比較，它的耐熱性和溫度形變比PI薄膜差。這種材質(zhì)通常用于低成本的電子設(shè)備中，印刷的線路包裹在柔軟的薄膜中。由于PET無法承受高溫，更不用說焊接了，所以，一般采用冷壓的工藝制作這種柔性線路板 。我記得這個(gè)時(shí)鐘收音機(jī)的顯示部分采用的是這種柔性連接電路，所以這臺(tái)收音機(jī)經(jīng)常工作不正常，根本原因就是這個(gè)質(zhì)量差的連接件。所以我們建議軟硬結(jié)合板還是選擇PI薄膜，其他材料也有但不經(jīng)常使用。

PI膜、PET膜、薄環(huán)氧樹脂和玻璃纖維芯，是柔性電路的常用材質(zhì)。除此之外，電路還需要使用其他保護(hù)膜，通常是PI或PET膜，有時(shí)會(huì)采用掩膜阻焊油墨。與在硬質(zhì)板上組焊層保護(hù)線路相同，保護(hù)膜可以把導(dǎo)體與外界絕緣，保護(hù)其免受腐蝕和損壞。PI和PET膜的厚度在?密耳至3密耳范圍內(nèi)，其中1密耳或2密耳厚度的比較常用。玻璃纖維和環(huán)氧樹脂材質(zhì)較厚，一般是從2密耳到4密耳。

導(dǎo)體

在上面提到的省錢的電子產(chǎn)品中使用了印刷導(dǎo)線，通常是碳膜或銀基油墨，但是銅導(dǎo)線還是普遍的選擇。根據(jù)不同的應(yīng)用，我們要選擇不同的銅箔的形式。如果僅僅為了代替導(dǎo)線和接插件，從而減少制造時(shí)間和成本，那么良好應(yīng)用于應(yīng)性線路板的電解銅箔就是最好的選擇。電解銅箔同樣會(huì)應(yīng)用于通過增加的銅的重量來提高電流的承載能力，從而得到可以實(shí)現(xiàn)的銅皮寬度的場合，例如平面電感器。

眾所周知，銅在加工硬化和應(yīng)力疲勞方面一直比較差勁的。如果最終的應(yīng)用中柔性電路需要反復(fù)折疊或者重復(fù)移位，那么高等級(jí)的軋制韌化銅箔（RA）是更好的選擇。顯而易見，多了軋制韌化這一步驟勢(shì)必增加成本，但是軋制韌化銅箔在出現(xiàn)疲勞斷裂前能夠被更多次的彎曲、折疊。而且它在Z偏轉(zhuǎn)方向彈性增加了，這是我們需要的，在經(jīng)常彎曲和滾動(dòng)的應(yīng)用中，它回報(bào)給我們更長的壽命。因?yàn)檐堉祈g化過程拉長了在平面方向的晶粒結(jié)構(gòu)。

圖2：夸張版的軋制韌化過程插圖，非比例構(gòu)圖。銅箔通過高壓輥輪后，可以在平面方向上延伸它的晶粒結(jié)構(gòu)，使銅更柔軟并且增加了z軸的彈性。

典型的例子就是臺(tái)架與銑刀刀頭的鏈接，或者藍(lán)光驅(qū)動(dòng)器中的激光頭（如下圖所示）。

圖3：在藍(lán)光機(jī)器中，柔性電路應(yīng)用與激光與主電路板之間的連接。請(qǐng)注意，激光頭上線路板上的柔性電路有需要彎曲成直角，這里用了一顆膠珠來增強(qiáng)柔性電路的聯(lián)接。

膠粘劑

通常，我們需要膠粘劑來粘合銅箔和PI膜（或其他膜），因?yàn)榕c傳統(tǒng)的FR-4剛性板不同，軋制韌化后的銅箔表面沒有很多的毛刺，因此高溫、高壓不能實(shí)現(xiàn)良好的粘合。制造商，例如杜邦公司提供了單、雙面的，可腐蝕的覆銅箔層壓膜。它使用了厚度為?密耳或1密耳的丙烯酸或者環(huán)氧基膠的粘合劑。這個(gè)粘合劑是為柔性線路板專門開發(fā)的。

由于像直接在PI薄膜上涂鍍和沉積銅皮這樣新的加工工藝的引入，“無膠”層壓板正變得越來越普遍。在需要更細(xì)的間距和更小的過孔的HDI電路中，這樣薄膜就可以大派用場了。

當(dāng)需要在軟硬結(jié)合部添加保護(hù)膠珠時(shí)，我們會(huì)使用到硅樹脂、熱熔膠或者環(huán)氧樹脂。這樣會(huì)增強(qiáng)軟硬結(jié)合部機(jī)械強(qiáng)度，確保在重復(fù)使用的過程中不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力疲勞或者撕裂。圖3中就是最好的例子。

圖4：典型單層柔性電路板堆疊。

總結(jié)

清楚了解在柔性電路板或者軟硬結(jié)合電路板中使用的材料是非常重要的。我們也可以放手給的制造商，由他們可以根據(jù)應(yīng)用自由選擇材料，但是這就為最終產(chǎn)品的失敗埋下了隱患。

了解材料的性能還可以幫助我們?cè)O(shè)計(jì)、評(píng)估和測試產(chǎn)品的機(jī)械部分。如果研發(fā)的是應(yīng)用于汽車的產(chǎn)品，那么散熱、防潮、化學(xué)腐蝕、沖擊等情況都需要仔細(xì)模擬，從而采用正確的材料來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高可靠性以及最小允許彎曲半徑。諷刺的是，驅(qū)使我們選擇柔性后者軟硬結(jié)合板應(yīng)用實(shí)際，往往會(huì)暴露在惡劣的環(huán)境中。例如，低成本的消費(fèi)類個(gè)人電子設(shè)備經(jīng)常會(huì)受到振動(dòng)、跌落、汗水等困擾。

構(gòu)建柔性板

乍一看，典型的柔性板或者軟硬結(jié)合板看起來很平淡無奇。然而，把它們制造出來需要一些額外的步驟。制造任何一款軟硬結(jié)合板，都是從制造單面或雙面的柔性板開始的。正如上周提到過的，制造可以從預(yù)壓制的軟板開始，也可能從PI膜開始，然后在原始的裸板上層壓銅板，或者鍍上銅皮。層壓工藝需要在薄膜上刷涂一層薄薄的粘貼劑，無膠工藝則要在薄膜上種鍍銅的“種子”。通常使用汽體淀積技術(shù)（如濺射法）種“種子”，為接下來的化學(xué)沉淀流程種下凝結(jié)核。接下來單面或者雙面的柔性板的鉆孔、鍍通以及蝕刻的過程，大體上與雙面硬質(zhì)板的加工過程類似。

柔性板的制造步驟

下面的GIF動(dòng)畫顯示了一個(gè)典型的雙面柔性電路板的制造步驟。

圖1：GIF動(dòng)畫顯示了柔性電路板的制造過程。

1、膠粘劑或者種“種子”的應(yīng)用

使用環(huán)氧樹脂或丙烯酸類的粘合劑，或者用濺射法涂鍍是創(chuàng)建薄銅鍍層的關(guān)鍵。

2、添加銅箔

將RA/ED銅箔層壓制到粘合劑上（這是主流方法）或者使用化學(xué)鍍鍍的方法。

3、鉆孔

過孔和焊盤的孔通常是機(jī)械鉆孔。多塊柔性板可以通過工作轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)同時(shí)鉆孔。使用與硬質(zhì)板同樣的辦法，柔性板的預(yù)切割可以與鉆孔結(jié)合在一起實(shí)施，這需要更為細(xì)致的記錄，但是對(duì)齊精度可以降低。一般采用激光打孔來處理超小鉆孔，這會(huì)大大增加成本，因?yàn)槊科ざ夹枰珠_鉆孔。使用準(zhǔn)分子（紫外線）或YAG（紅外線）來處理高精度鉆孔（microvias)，使用CO2激光器來鉆中等大小的鉆孔（4密爾以上）。使用沖壓的方式來可以處理大的過孔和板剪切，但那是另外的加工步驟。

4、通孔電鍍

一旦打孔完成，將采用與硬質(zhì)板相同的沉積和化學(xué)電鍍的辦法，把銅添加到孔上。

5、印刷防蝕刻油墨

在膜表面涂上感光性的抗蝕劑，然后使用需要的圖案進(jìn)行曝光，在化學(xué)蝕刻銅前清除掉不需要的抗蝕劑。

6、蝕刻和剝離

暴露的銅皮被蝕刻掉以后，采用化學(xué)的方法把抗蝕劑剝離。

7、覆蓋膜

柔性板的頂部和底部用切割成形的覆蓋膜保護(hù)。柔性板上有時(shí)候需要焊裝在一些元器件，那么覆蓋膜就起到了阻焊層的作用。最常見的覆蓋膜材料是聚酰亞胺，使用粘合劑粘合，這里也可以采用無膠過程。在無膠過程中，把光感阻焊劑刷在柔性板上，這與硬性板的過程是一樣的。為了降低成本，可以使用絲網(wǎng)印刷，然后通過紫外線照射進(jìn)行固化。

圖2：帶覆蓋膜的柔性電路-請(qǐng)注意，覆蓋層中的開口一般小于元件焊盤。

關(guān)于保護(hù)膜需要注意的是，它通常只放置于一部分暴露的柔性電路上。對(duì)于軟硬結(jié)合板，保護(hù)膜不會(huì)放于硬性板上，除非有小部分重疊-通常約半毫米。當(dāng)然保護(hù)膜可以包括整個(gè)硬性部分，但是這樣做會(huì)不利于硬性板的附著力和z軸的穩(wěn)定性。這種可選擇的保護(hù)膜被稱為“比基尼保護(hù)膜”，因?yàn)樗桓采w裸露的部分。此外，覆蓋膜在元器件或者連接器焊盤處留有切口要至少保留焊盤的兩個(gè)邊。我們會(huì)在下期博客中探討這個(gè)問題。

8、柔性板的剪切

制造柔性電路的最后一步驟是剪切。這通常被稱為“下料”。高產(chǎn)量、低成本的剪切方法是使用液壓沖床和鋼模具。雖然這里需要高成本的鋼模具，但是這種方法能在同一時(shí)間剪切出許多的柔性電路板。對(duì)于樣機(jī)和小批量的生產(chǎn)一般使用刀模具。把很長的刀片，按照柔性電路板輪廓形狀塑型，然后粘貼到刀模基座（中密度纖維板，膠合板或厚塑料，如聚四氟乙烯）上。按壓刀模具，就可以將柔性電路切割成形。對(duì)于產(chǎn)量更小的原型機(jī)制造，可以使用到X/Y切割器，有些類似用于乙烯標(biāo)牌的制作。

壓制和切割

如果柔性電路板還要與硬質(zhì)板壓制成軟硬結(jié)合板（我們感興趣的部分），那么我繼續(xù)往下講。我們需要把柔性板和硬質(zhì)板壓制在一起。與普通的柔性板相同，它需要獨(dú)立鉆孔、電鍍并蝕刻。不同的是由于缺少玻璃纖維，所以它更薄、更有彈性。正如前面所提到的，彈性差一點(diǎn)的板可以根據(jù)需求使用PI和玻璃纖維制造。最后要也要把它作為夾層與硬質(zhì)板壓制在一起，并做成拼板。

層壓疊層

柔性電路板是與硬質(zhì)電路板和其他柔性板，通過粘接劑熱壓在一起的。每個(gè)柔性板彼此是不相鄰的。為了保持靈活性，每個(gè)柔性板最多有2個(gè)銅皮層。柔性板之間是被硬質(zhì)半固化片、基板或者由環(huán)氧樹脂或和丙烯酸酯膠粘劑制成的PI芯粘接片所分離的。

從本質(zhì)上講，每個(gè)硬質(zhì)板在柔性板填充的部分都是單獨(dú)切割的。

下面是軟硬結(jié)合板層壓過程，2個(gè)兩層柔性電路嵌入三個(gè)硬質(zhì)板中。層疊結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

圖3：金屬蝕刻、電鍍、保護(hù)膜和空白柔性板與玻璃環(huán)氧硬質(zhì)板相結(jié)合。圖4：包括每一柔性部分鍍孔層疊板，及硬性部分鍍孔的詳細(xì)流程圖。

在圖4所示的層疊例子中，有兩個(gè)預(yù)蝕刻和切割的柔性電路，每一個(gè)都是雙面鍍通的。柔性電路已經(jīng)嵌在最終的拼板中，在柔性電路下面保留了硬質(zhì)電路板，用于支撐柔性電路。這樣有助于在焊裝過程中保持柔性電路平整。如果柔性電路沒有支撐的話會(huì)有一些潛在的危害，比如焊裝過程中柔性電路彎曲或者大裂縫，尤其是在回流焊爐中。我會(huì)在下一篇博客中，提及設(shè)計(jì)方面的解決技巧。

阻焊可以使用類似壓貼紙的覆蓋膜，或用前面提到的光敏阻焊涂料。最后，由柔性板和硬質(zhì)板構(gòu)成的6層的板壓制完成后，最外層（頂部和底部）的銅箔層就要連接在一起了。通常是從頂層到底層鉆孔，然后涂鍍就完成了。也可以使用激光鉆盲孔（從頂層到柔性板或者從底層到柔性板），不過這樣會(huì)增加成本。

最后一步是印刷頂層和底層的阻焊層、絲印層和防腐鍍金（如：化鎳浸金）或焊錫均涂（HASL）。

物理約束

多個(gè)柔性板結(jié)構(gòu)

盡管原理上軟硬結(jié)合板可以使用各種層疊結(jié)構(gòu)，但是如果你沒能謹(jǐn)慎考慮生產(chǎn)步驟及材料屬性，它的造價(jià)會(huì)貴得離譜。設(shè)計(jì)柔性電路的一個(gè)重要考慮是，要了解電路彎曲時(shí)材料內(nèi)部所能承受的壓力。在反復(fù)多次地彎曲后，銅會(huì)硬化并產(chǎn)生疲勞斷裂。緩解這個(gè)問題的一種方法是使用單層的柔性電路結(jié)構(gòu)，這樣，銅處于彎曲半徑的中心，薄膜板和覆蓋層最大限度吸收了的壓縮和拉伸應(yīng)力，如圖5所示。由于聚酰亞胺具有良好的彈性，所以問題不大。相比多銅層結(jié)構(gòu)，單層銅皮結(jié)構(gòu)能在反復(fù)的運(yùn)動(dòng)中具有更長的生命周期。

圖5：對(duì)于需要多次重復(fù)彎曲的電路，最好使用單層柔性結(jié)構(gòu)，并且使用RA銅來增加疲勞壽命。

同理，多個(gè)獨(dú)立的柔性電路通常也是很有必要的，但最好避免在重疊部分彎曲，因?yàn)槿嵝圆糠值拈L度會(huì)限制彎曲半徑。噢！我有點(diǎn)說過頭了-設(shè)計(jì)方面內(nèi)容，我將在下周續(xù)寫更多…

膠珠

正如上周我所提到的，在柔性板離開硬質(zhì)板的地方需要考慮加強(qiáng)它的牢固度，環(huán)氧樹脂、丙烯酸或熱熔膠都可以幫助提升使用壽命。但是，點(diǎn)膠和等它固化，會(huì)增添額外勞動(dòng)及生產(chǎn)周期。

當(dāng)然可以使用自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)，不過你必須非常仔細(xì)地與裝配工程師一起合作，來確保裝配完成后這個(gè)膠珠不會(huì)掉下來。在某些情況下，即便是費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢，也必須要手動(dòng)上膠。無論采用哪種方式，你都需要為裝配人員提供清晰的操作手冊(cè)。

補(bǔ)強(qiáng)板和終端

如果不與硬質(zhì)板組裝在一起，那么柔性電路的終端通常會(huì)與連接器相連。這種情況下，終端部分可以添加補(bǔ)強(qiáng)板。補(bǔ)強(qiáng)板的材料多為更厚的聚酰亞胺或者FR-4。一般來說，它有助于把柔性板嵌壓到硬質(zhì)板上。

拼板

在焊裝的過程中，軟硬結(jié)合板是拼在一起的。我們把元件放置并焊接在硬質(zhì)板部分。某些產(chǎn)品需要在柔性板部分焊裝元器件，這種情況下，柔性板的下面要保留硬質(zhì)板，用于支撐柔性板。硬質(zhì)板不與柔性板粘貼在一起，并且使用可控制深度的銑刀銑出它的輪廓。當(dāng)焊裝完成后，工人用手就可以把它壓下來。

圖6：軟硬結(jié)合板的例子。請(qǐng)注意，這里有前后面板、柔性電路和板切割。硬質(zhì)板上已經(jīng)開有V型槽，焊裝完成后可以被折斷。這樣在裝配至機(jī)箱過程中可以節(jié)省時(shí)間。

柔性電路板或者軟硬結(jié)合板的制造文件

制造文件

讓我們來談?wù)勚圃煳募鼈兎浅Ｖ匾?。我們是通過制造文件告訴生產(chǎn)商我們想要什么的，然而它們也是造成理解錯(cuò)誤或者失誤，而導(dǎo)致高昂代價(jià)的延誤的重要因素。幸運(yùn)的是，我們可以參考一些標(biāo)準(zhǔn)，來確保我們與制造廠之間溝通無礙，尤其是IPC-2223B。

這可以歸結(jié)為以下幾條金科玉律：

• 確保你的制造商有能力制造你的設(shè)計(jì)的軟硬結(jié)合板。

• 確保他們從構(gòu)建層疊結(jié)構(gòu)時(shí)就與你合作，以便設(shè)計(jì)能夠滿足他們的生產(chǎn)流程。

• 使用IPC-2223作為設(shè)計(jì)參考，并確保制造商使用相同或相關(guān)的IPC標(biāo)準(zhǔn)，這樣你便與他們使用了相同的術(shù)語。

• 盡早讓他們參與到進(jìn)設(shè)計(jì)過程中。

輸出數(shù)據(jù)集

在拜訪了一些當(dāng)?shù)赜心芰ψ鲕浻步Y(jié)合板的制板商后，我們發(fā)現(xiàn)，很多設(shè)計(jì)師仍然將gerber文件傳送給他們的制板商。然而首選的應(yīng)該是ODB++ v7.0或更高版本，因?yàn)樵谒墓ぷ骶仃囍刑砑恿丝梢允笹enFlex ?和類似的CAM工具能夠清晰辨識(shí)的特定圖層類型。如表1所示，包含的數(shù)據(jù)子集。

表1： 用于GenFlex的ODB++圖層類型子集（V7.0及更高版本）

（來源:ODB++V7.0規(guī)格）

層類型	基本類型	描述
覆蓋膜	阻焊掩模	覆蓋膜的間距
覆蓋衣	阻焊掩模	覆蓋膜的間距
沖床	剪板	模具沖壓柔性電路的形狀
加強(qiáng)板	掩模層	加強(qiáng)板將被粘貼的位置和形狀
彎曲區(qū)域	掩模層	標(biāo)識(shí)使用時(shí)會(huì)彎曲的區(qū)域
PSA	掩模	壓敏膠粘劑的形狀和位置
區(qū)域	說明	區(qū)域的定義（剛性、柔性或任意）
暴露面積	說明	內(nèi)層的暴露部分以及它相關(guān)的覆蓋層（也可用于嵌入式元件）
柔性信號(hào)	信號(hào)	柔性電路的信號(hào)層
柔性電源接地	平面層	柔性電路的電源接地層
柔性混合	混合層	柔性電路的混合層
涂鍍掩模	掩模層	電鍍過程中，一層中應(yīng)該覆蓋的區(qū)域定義
沉金掩模	掩模層	在沉金過程中，一層中應(yīng)該覆蓋的區(qū)域定義

如果使用Gerber或者ODB++早期版本的文件，我們便會(huì)面很多的麻煩。也就是說，制作商需要分離出剛性和柔性電路部分的剪切路徑和模切圖案。實(shí)際上，我們需要使用機(jī)械層膠片來顯示硬性板上的避讓需求，以及柔性電路區(qū)域上哪些部分會(huì)暴露在外；顯示如何使用覆蓋層來加強(qiáng)安裝在柔性電路上的元件的焊盤。

此外，特別需要注意的是鉆孔對(duì)和通孔電鍍層對(duì)，因?yàn)閺膭傂园宓饺嵝园宸疵娴你@孔需要復(fù)鉆，這會(huì)增加成本和降低產(chǎn)量。

作為一名設(shè)計(jì)師，真正的問題是，怎樣來定義這些區(qū)域、層和堆棧？

使用表格定義層疊堆棧

提供給制造商的最重要的文件，毫無疑問是層疊堆棧。為了做出軟硬結(jié)合板，還需要提供出不同領(lǐng)域的不同堆棧，并且要標(biāo)識(shí)清楚。一個(gè)簡單的方法是在機(jī)械層上，將板子的輪廓復(fù)制一份，并且標(biāo)識(shí)出存在不同層疊堆棧的區(qū)域，并且把相應(yīng)的層疊結(jié)構(gòu)表格放在旁邊。下圖1就是一個(gè)例子。

圖1：堆棧圖表顯示軟硬電路區(qū)域的填充型態(tài)。

在這個(gè)例子中，我使用了不同的堆棧區(qū)匹配的填充圖案來表示哪些疊層是包含在柔性部分或是剛性部分?？梢钥吹竭@里的“絕緣層1”使用的是FR-4，因?yàn)樗羌訌?qiáng)板。

這就產(chǎn)生了新問題，我們還需要一個(gè)2D空間來定義哪里是彎曲或折疊的，哪里元件和其他重要對(duì)象可以穿過剛性和柔性之間的邊界。我會(huì)在之后詳述該點(diǎn)。

傳遞PCB設(shè)計(jì)意圖

我們都知道，圖片勝過千言萬語。如果可以生成一張顯示柔性和剛性區(qū)域的3D圖像，這將幫助制造商更清楚地了解我們的意圖?，F(xiàn)在許多人目前使用MCAD軟件實(shí)現(xiàn)這個(gè)視圖，他們把PCB設(shè)計(jì)的STEP文件導(dǎo)入MCAD軟件中。圖2就是引用這一概念的例子。

圖2：彎曲力學(xué)模型，展現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。

另外的好處是，它可以幫助我們檢查柔性板和柔性之間以及柔性板和剛性板之間的相互干涉，避免發(fā)生巨大的失誤。

元器件放置

從上圖中可以看到，軟硬結(jié)合板意味著元器件可以放在中間層，而不單單是頂層和底層。這在PCB設(shè)計(jì)軟件中有點(diǎn)棘手，因?yàn)橥ǔＴ骷仨毞胖迷陧攲雍偷讓印Ｒ虼?，我們需要可以把元器件放置在中間層的能力。

可喜的是， Altium Designer可以在把焊盤放置在任意層上，所以這就有可能實(shí)現(xiàn)了。另外，絲印是可以印制在在柔性電路上的。這不是難題，因?yàn)楦采w層材料可以很好地與絲網(wǎng)印刷油墨粘合。關(guān)鍵是，要選擇足夠的透過覆蓋層材料的、有強(qiáng)烈對(duì)比的油墨顏色。絲印的清晰度會(huì)受到一些影響，因?yàn)樗┰礁采w膜，以及它們之間的細(xì)小間距。再次強(qiáng)調(diào)，需要和制造者一起協(xié)商，來找到可行又經(jīng)濟(jì)的做法。

批注：如果我們?cè)赑CB板上規(guī)劃了某個(gè)區(qū)域用于連接柔性板，并在這些區(qū)域上放置元件，那么這里就是放置嵌入式元件的合理區(qū)域。我們需要生成一套非常清晰的文件，展現(xiàn)切口的位置和層疊結(jié)構(gòu)。這會(huì)由于制造方法而產(chǎn)生限制，比如復(fù)鉆或者多次壓制等。因此，準(zhǔn)確傳達(dá)你的意圖并且盡量減少單獨(dú)開孔是非常重要的。最好避免在板子的兩面交叉開口。

批注：定義FLEX切口

請(qǐng)注意圖1，為什么沒有直角彎，但每個(gè)彎角的最小半徑是多少？ IPC建議半徑要大于1.5mm （約60密耳），這樣可以大大減少拐角處撕裂柔性電路的可能性。同樣的道理，柔性電路中的溝槽和狹縫的兩端要放置直徑是3mm（?）或更大防止撕裂的孔。詳見下面例子的展示。

圖3：溝槽、狹縫和內(nèi)角應(yīng)該有防止撕裂口或者相切的線之間有最小半徑為1.5mm的圓弧。

為了生產(chǎn)出可靠的軟硬結(jié)合板產(chǎn)品，關(guān)于制造商和柔性電路的終端用戶需要考慮很多，包括對(duì)銅皮圖案的設(shè)計(jì)考慮。

柔性電路布線中該做和不該做的事情

層堆疊設(shè)計(jì)、器件布局和剪切等問題都是顯而易見的，似乎我們已經(jīng)把它們解決了。但是，請(qǐng)注意我在這個(gè)系列的第一個(gè)博客中提到的，柔性電路中會(huì)遇到很多材料的弱點(diǎn)。從相對(duì)較高z軸膨脹系數(shù)的粘合劑，到低粘度的PI襯底覆銅，到銅的硬化和疲勞。下面陳述的該做和不該做，將會(huì)很大程度上彌補(bǔ)上述不足。

保持柔性板的柔韌性

要事先根據(jù)需要確定柔性電路柔韌度，這是顯而易見，但我們還是要再次強(qiáng)調(diào)。如果柔性電路部分只打算在裝配過程中折疊，然后裝在一個(gè)固定的位置，比如，安裝在一個(gè)手持式超聲設(shè)備中，那么我們?cè)谶x擇信號(hào)的層數(shù)和銅皮類型（RA或ED）上，會(huì)有很大的自由度。另一種情況，如果柔性電路部分要不斷移動(dòng)、彎曲或旋轉(zhuǎn)，那么就應(yīng)該減少層數(shù)，并選擇無膠材料。

我們可以使用IPC-2223B公式（公式1表示單面，公式2表示雙面，等等），根據(jù)銅的允許變形程度和其他材料特性，來確定最小允許彎曲半徑部分。

T這個(gè)例子的公式是針對(duì)單面柔性板的，我們根據(jù)實(shí)際使用狀況來選擇EB，對(duì)于很少彎曲應(yīng)用的選擇16%，靈活安裝的應(yīng)用使用10％，動(dòng)態(tài)的柔性設(shè)計(jì)使用0.3%（來源：IPC-2223B，2008，http://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf）。動(dòng)態(tài)是指產(chǎn)品使用過程中的持續(xù)的彎曲和旋轉(zhuǎn)，例如：移動(dòng)DVD播放機(jī)中的TFT面板連接。

不要在拐角處彎曲

通常我們建議要保持柔性電路的銅皮走線沿著垂直方向彎曲。但有時(shí)做不到，那么請(qǐng)盡量減少彎曲幅度和頻率，也可根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)要求使用錐形彎曲。

圖1：首選的彎曲位置。

使用弧形走線

正如上面圖1所示，最好避免使用突兀的直角或者硬直的45°角走線，而是使用弧角走線模式。這樣可以在彎曲過程中，減少銅皮的應(yīng)力。

不要突然改變走線的寬度

當(dāng)走線鏈接到焊盤時(shí)，特別是整理排列的柔性電路終端（如下圖所示），將會(huì)形成一個(gè)薄弱的著力點(diǎn)，隨著時(shí)間的推移銅皮很容易老化。除非使用加強(qiáng)板或者應(yīng)用過程中不會(huì)彎折，否則建議采用如下的逐漸變窄的接線方式（提示：在柔性電路板中對(duì)于焊盤和過孔進(jìn)行淚滴處理?。?/span>

圖2：走線線寬的突變或者連接到焊盤會(huì)造成薄弱著力點(diǎn)。

使用多邊形

有時(shí)，在柔性板上放置電源或者地平面是非常有必要的。如果不介意顯著降低靈活性以及可能會(huì)使銅皮褶皺，你可以選擇使用實(shí)心銅。一般來說，為了保持高度的靈活性最好使用陰影多邊形敷銅。

提到這一點(diǎn)，我同時(shí)想到，傳統(tǒng)的陰影多邊形會(huì)在0°、90°和45°角的方向存在多余的銅皮加強(qiáng)。更優(yōu)化的模式是六角形方式。使用負(fù)片層和陣列的六角焊盤就可以解決這個(gè)問題，使用復(fù)制和粘貼的方法可以更快速地建立陰影多邊形。

圖3： 使用六邊形敷銅可以均勻平衡三個(gè)角度的應(yīng)力

為焊盤提供加固

由于采用了低粘性的粘合劑（相對(duì)于FR-4），柔性電路上的銅更容易從聚酰亞胺基板上脫離。所以給裸露的銅皮提供加固尤為重要。涂鍍的通孔為2個(gè)柔性層提供了恰當(dāng)?shù)腻^定，所以使用過孔是非常好加固方式。正因如此（提供了z軸的擴(kuò)展），許多加工廠建議在軟硬結(jié)合板和柔性電路上添加深度達(dá)1.5密耳的涂鍍通孔。表面貼裝的焊盤和非涂鍍的通孔焊盤本身沒有加固措施，所以需要額外的加固來防止脫離。

圖4：柔性電路的焊盤加固方式，涂鍍、增加錨定、減少覆蓋膜的開口

參照?qǐng)D4， 第二個(gè)選項(xiàng)適合有膠型覆蓋層，第三個(gè)選項(xiàng)適合無膠型覆蓋層。使用粘合劑的保護(hù)膜，會(huì)出現(xiàn)“溢膠”的現(xiàn)象，所以焊盤與開孔之間的縫隙必須足夠大，以保障優(yōu)良的助焊成形。

SMT元件焊盤是最脆弱的，尤其柔性電路會(huì)在元件的剛性引腳和焊盤下彎曲。圖5和圖6顯示了如何使用覆蓋層在焊盤的兩端加固焊盤。做到這一點(diǎn)，柔性板上的焊盤必須要比典型的剛性板上的焊盤大一些。在看圖6的對(duì)比，柔性板上安裝元件的SMD焊盤。這會(huì)顯著降低了柔性電路元件的安裝密度，但與剛性電路相比，柔性電路的密度本來就不能太高。

圖5： SOW封裝的覆蓋膜開口，顯示出它在每個(gè)焊墊兩端的加固。

圖6： 調(diào)整焊盤尺寸和覆蓋層的開孔。上面是典型的0603封裝形式，下面是為了使用覆蓋層加固修改的封裝形式。

保持雙面柔性

對(duì)于動(dòng)態(tài)的雙面柔性電路，盡量避免在同一方向放置走線，而是需要把（圖7）它們錯(cuò)開，使銅皮走線均勻分布（圖8）。

圖7：不推薦的相鄰層銅皮走線。

圖8：首選交錯(cuò)式的相鄰層銅皮走線。

印刷電路板的應(yīng)用及實(shí)例。

隨著我越深入地了解軟硬結(jié)合板技術(shù)，就越驚奇地發(fā)現(xiàn)更多超炫的應(yīng)用。上周，在圣克拉，我出席了今年的PCB西部會(huì)展。在那兒，我還見到了Altium用戶群和一些老朋友！我期待能夠發(fā)現(xiàn)一些涉足軟硬結(jié)合制作的制造商和“專家”，可以從他們獲取一些秘訣、暗示和技巧。

在過去的幾年中，我聽到很多的柔性電路制造商出現(xiàn)在陽光加利福尼亞。而且柔性電路板和軟硬結(jié)合板的制板商在質(zhì)量、精度和層數(shù)方面都有了提升。

這真是太棒了。

所以，本周的博客，我想與你分享幾個(gè)我學(xué)到的簡潔技巧和應(yīng)用理念。最棒的是，現(xiàn)在有大量的制板商可以做這些事，而且它們的數(shù)量每年都在遞增。

動(dòng)態(tài)柔性的想法

在您的產(chǎn)品中設(shè)計(jì)柔性部分一般是基于如下兩個(gè)原理：其一，構(gòu)建一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊和裝配高效的設(shè)備；其二，使電路動(dòng)態(tài)地機(jī)械結(jié)構(gòu)融合起來。當(dāng)然，也可以根據(jù)這兩條原理來選擇柔性電路的作用。現(xiàn)在，讓我們來看看幾個(gè)能夠啟發(fā)您的設(shè)計(jì)靈感的柔性電路例子。

機(jī)架結(jié)構(gòu)

這是一個(gè)非常典型的動(dòng)態(tài)柔性電路的應(yīng)用，它可以裝在3D打印機(jī)上或數(shù)控機(jī)床頭的機(jī)械頭上。通常，它會(huì)被沿著X方向安裝，工具頭會(huì)沿著z軸方向運(yùn)動(dòng)。這里顯示出了2個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)，機(jī)架結(jié)構(gòu)本身也會(huì)沿著Y軸方向移動(dòng)。

柔性電路的總長度是運(yùn)動(dòng)頭到達(dá)最末端的長度，再加上彎角和彎曲的長度。

彎角的部分是用于連接在Z軸移動(dòng)的機(jī)械頭后面，它與機(jī)械頭一起沿著機(jī)架結(jié)構(gòu)來回穿梭。柔性電路的終端必須留有足夠的彎曲長度。

對(duì)于這種類型的應(yīng)用，最好使用單層冷軋退火銅并使彎曲半徑越大越好，這樣的設(shè)計(jì)能夠延長產(chǎn)品的壽命。

把柔性電路與不銹鋼條粘貼在一起也可以延長產(chǎn)品的使用壽命。

圖1：初始柔性電路設(shè)計(jì)。

制造考慮：拼板

上面的例子很好地引出了一個(gè)制造和成本的問題。如果根據(jù)理論使用直角L形的柔性電路，那么在一個(gè)拼板上我們可以制造6個(gè)相同的柔性電路，我們浪費(fèi)了近50%面板空間。如果在它的上面再焊裝元器件，我們還要支付額外的加工成本和時(shí)間。這個(gè)柔性電路的拼板圖如圖2顯示。

圖2：數(shù)控機(jī)架柔性電路的拼板。

使用柔性的另外一個(gè)好處是，如果我們使用合適的材料并且能夠保證正確地安裝，那么我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)非常小半徑的折痕。這是上個(gè)應(yīng)用的一個(gè)很好的替代方案，不過要在特定環(huán)境中使用。

圖3顯示了另外的設(shè)計(jì)，它使用45°的折痕代替了前面設(shè)計(jì)的90°彎角。

在這個(gè)案例中，這個(gè)折痕是適合的，因?yàn)槿嵝噪娐返倪@部分將固定在大型剛性的機(jī)械體上，因此不會(huì)產(chǎn)生過度損耗。

這個(gè)方案會(huì)顯著降低成本，拾放加工的工藝也簡化了。然而，你可能會(huì)想到這點(diǎn)：由于折痕的緣故，元器件需要放置末端的對(duì)面層焊組裝。

圖4顯示了在相同面板上，折痕方案的拼板，面板產(chǎn)量翻了一番！

圖4：相同的面板尺寸——折痕曲方案的柔性設(shè)計(jì)使每個(gè)面板產(chǎn)量增加一倍！

規(guī)劃層疊結(jié)構(gòu)

相對(duì)軟硬結(jié)合板，純粹的柔性電層堆棧結(jié)構(gòu)肯定簡單。然而，我們?nèi)匀恍枰诿姘宸胖缅^定點(diǎn)。大多數(shù)柔性電路設(shè)計(jì)會(huì)要求，在安裝的元器件或者終端區(qū)域要放加強(qiáng)板。圖5顯示了用于上述機(jī)架結(jié)構(gòu)的柔性板的層棧結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)板的部分是“剛性”堆棧，在PCB編輯器中它固定以3D方式顯示。

圖5：機(jī)架結(jié)構(gòu)例子中使用的柔性板的層棧結(jié)構(gòu)定義。

圖6：可旋轉(zhuǎn)柔性設(shè)計(jì)的PCB外框。

旋轉(zhuǎn)設(shè)備

看一下圖6，在PCB編輯器中的我們使用了水平工作指南，它有助于基于柔性電路部分的彎曲圓周設(shè)計(jì)出精確的板形輪廓。同時(shí)，我們還能在PCB編輯器的板級(jí)規(guī)劃模式下，規(guī)劃和顯示柔性電路的折痕位置，在3D模式下，準(zhǔn)確模擬出柔性電路板彎曲程度。

圖7和圖8顯示了這種設(shè)計(jì)的3D模式視圖。

圖7：旋轉(zhuǎn)步進(jìn)控制板級(jí)的3D視圖。長“臂”可以使電機(jī)以及它的控制板板旋轉(zhuǎn)的角度超過360°。

圖8：裝配好的完整折疊視圖，包括3D步進(jìn)電機(jī)。

在圖8中，我標(biāo)注了運(yùn)動(dòng)箭頭及柔性電路的固定端，來給你一個(gè)直觀的概念。

這種布局設(shè)計(jì)使得實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)更加容易。

這是一個(gè)假設(shè)的例子，對(duì)象是步進(jìn)電機(jī)，這個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)傳感器是非常合適的。

固定的柔性電路應(yīng)用

平面磁性元件（變壓器和電感器）

使用柔性板或者說軟硬結(jié)合板做平面磁性元件的應(yīng)用越來越多。一個(gè)月前，我自己維修了我家的43寸液晶電視。當(dāng)我檢查了背光逆變器板時(shí)，看到一排整齊的升壓DC-DC穩(wěn)壓電路，在穩(wěn)壓電路中使用了由柔性電路做繞組的變壓器。繞組是由旋轉(zhuǎn)的柔性電路構(gòu)成，如圖9所示。結(jié)構(gòu)的緊湊令人難以置信。

*它的終端連接到貼片保險(xiǎn)絲上，保險(xiǎn)絲燒斷了。現(xiàn)在回想起來，我當(dāng)時(shí)真應(yīng)該拍張照片，給你們瞧瞧……

使用柔性電路做平面磁性元器件有明顯的優(yōu)勢(shì)，非常薄的聚酰亞胺薄膜就可以實(shí)現(xiàn)非常高的安全隔離。而且在很高的的溫度下聚酰亞胺薄膜還保持性能穩(wěn)定，這使得它適用于熱搪瓷灌封工藝。從損耗的角度來看，使用蝕刻銅線固然需要更寬的走線，但是因?yàn)樗缂∧w的薄度，可以非常容易地減少渦流損耗。

圖9：未卷曲的四繞組電感。

更精致的入口和出口設(shè)計(jì)，能夠把它們重疊起來，這個(gè)的出口對(duì)應(yīng)下一個(gè)的入口。這樣的設(shè)計(jì)會(huì)比在平面上設(shè)計(jì)多個(gè)獨(dú)立的繞組，會(huì)更加容易增加線圈的匝數(shù)，如圖10所示。

由2層柔性板構(gòu)成的18層繞組

將這一概念進(jìn)一步地延展，我們可以在轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中使用中更多的柔性層，然后把它們重疊起來。如圖11中所示的2層柔性電路變壓器設(shè)計(jì)，E18平面鐵氧體磁芯穿過PCB上的切口。這種做法可以任意延伸下去，它的實(shí)際限制取決于最終折疊后板的厚度。如圖11，雙面柔性板最終構(gòu)成了18層的變壓器繞組。

每個(gè)切口的中心，都可以有單圈電感繞組。彎曲軌道周圍的側(cè)邊可以旋轉(zhuǎn)半圈，由于磁路面積的側(cè)邊實(shí)際有效性只有一半，因此，你可能無法完全覆蓋所有面積，但通過添加一個(gè)或兩個(gè)額外的半圈匝數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)全覆蓋。

圖11：自上向下看下柔性電路變壓器。單一大電流繞組安裝在頂部，六個(gè)小電流繞組安裝在底部，可以使用Altium Designer總線布線工具實(shí)現(xiàn)。

這可能會(huì)造成混亂，因?yàn)槟惚仨氂涗浨‘?dāng)?shù)蔫F氧體磁芯纏繞方向軌道。由于整個(gè)柔性電路將垂直折疊，我在機(jī)械1層添加了箭頭，與各相鄰繞組相對(duì)，同時(shí)提醒我，哪條需要鋪銅路徑。為解釋得更加清楚，請(qǐng)參加圖12。

圖12：機(jī)械1層顯示板層輪廓以及繞組方向箭頭指引。

核心的柔性部件安裝如下圖所示。請(qǐng)注意，它將與連接到軟硬結(jié)合板，通常電路都是在2層剛性印刷電路板上，柔性部分通常是所有核心繞組所需的附加層。當(dāng)然，是使用大面積的柔性層，還是在硬性板設(shè)計(jì)中加入更多地層，這需要權(quán)衡成本來決定。

圖13 ：完全折疊的變壓器，通過切口連接3D飛磁E18鐵氧體磁芯。

多層軟硬結(jié)合板

如何保持多層柔性板的靈活性和耐用性

許多軍事、航空航天或類似的高密度設(shè)計(jì)，它們需要在狹小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)緊湊布局和可靠裝配。這樣就很難在硬板之間使用多層柔性電路。這在高速數(shù)字設(shè)計(jì)中同樣需要，因?yàn)楫?dāng)總線電路在柔性板上走過時(shí)需要添加屏蔽或者平面層。

現(xiàn)在的問題是：為了保持良好的靈活性，柔性電路層的數(shù)量必須盡可能的少。通常的結(jié)構(gòu)是一層PI基板、附著在基板兩側(cè)的銅皮層以及PI保護(hù)膜。

在“普通”的設(shè)計(jì)中，重疊的柔性電路的長度是相同的。如圖14展示的情形，一旦裝配完成，那么在硬質(zhì)板間的柔性部分的彎曲會(huì)產(chǎn)生很大的張力。

圖14：當(dāng)多個(gè)柔性電路重疊并有相同的長度，那么在外部的柔性電路上會(huì)產(chǎn)生張伸，在內(nèi)部的柔性電路上會(huì)產(chǎn)生擠壓。請(qǐng)注意，在柔性電路與剛性電路接觸部分要使用膠珠。

有經(jīng)驗(yàn)的軟硬結(jié)合板制造商，會(huì)建議使用“裝訂術(shù)”?！把b訂術(shù)”是一個(gè)可行的方法，根據(jù)使用柔性電路彎曲半徑來確定其他個(gè)柔性電路和基板的長度。如圖15中所示。

圖15：裝訂術(shù)（來源：IPC-2223B，2008 P26）

你可能會(huì)說這鐘方法十分費(fèi)錢，而且對(duì)設(shè)計(jì)來說是個(gè)挑戰(zhàn)。通常更好的替代方法是使用相同的長度和半徑的柔性電路，但將不同的柔性電路層分隔開，彼此不重疊。見下圖16所示。

圖16：替代的裝訂術(shù)結(jié)構(gòu)。

不損失走線層數(shù)的超緊密彎曲

如果之前沒有看見過它，這絕對(duì)是一個(gè)神奇的東西！在PCB西部展會(huì)時(shí)，我從供應(yīng)商那兒，拍了幾張軟硬結(jié)合板和柔性電路板的照片。圖17顯示了在我大拇指和食指間，是一個(gè)小型的電路板，它使用了幾個(gè)S形葉狀連接，提高了各部分之間的最小彎曲半徑。在這張照片中可能看不太清楚清楚，元器件安裝在背面有加強(qiáng)板的部分。

圖17：具有多個(gè)銅皮層并且保持180°的彎曲。

這一概念當(dāng)然可以延伸到多個(gè)用途。如圖18所示，這是一個(gè)超靈活的顯示板。在更寬廣的、有加強(qiáng)板的部分上排列著一個(gè)的LED矩陣。整個(gè)裝配過程會(huì)更加嚴(yán)格，因?yàn)樗怯珊芏嗟你~皮層和PI膜層壓在一起的。同樣，使用了S彎可以使整個(gè)設(shè)計(jì)放置進(jìn)弧形的外殼。我相信，矩陣中的每個(gè)LED都是單獨(dú)控制的，所以在這個(gè)設(shè)計(jì)中有很多獨(dú)立的走線。

圖18：X-Y S型彎曲柔性陣列。

將這個(gè)概念更進(jìn)一步拓展，圖19的應(yīng)用簡直太酷了。這是一個(gè)非常緊湊的設(shè)計(jì)。根據(jù)PCB供應(yīng)商的介紹，每個(gè)獨(dú)立的柔性電路部分有8層。這樣的柔性電路本身沒有足夠的靈活性。但使用多次S彎曲可以使它折疊到可以裝進(jìn)最終的機(jī)械外殼，甚至可以包含數(shù)百個(gè)高速內(nèi)存和顯示連接。注意，柔性電路的頂層是實(shí)心銅屏蔽！

圖19： 8層柔性板層和4個(gè)額外的硬質(zhì)板層。注意，柔性板的頂層是實(shí)心銅屏蔽，軟硬板結(jié)和部分的邊緣有粘接劑。

對(duì)于極具創(chuàng)意的設(shè)計(jì)師，總會(huì)延伸出更多的應(yīng)用，如圖20所示！

圖20：誰說軟硬結(jié)合板不能有折痕

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來源：吳川斌博客；RFsister編輯整理

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