柔性印刷电路设计最佳实践

2022-03-31

柔性印刷电路设计最佳实践

为了生产可靠的基于刚柔结合的产品，需要考虑许多与柔性电路的制造和最终用途相关的因素，以及铜图案的设计。在您开始在柔性/刚柔性PCB 中放置和布线电路之前，请确保遵循这些柔性印刷电路工程技巧，以确保高良率和耐用性。这些技巧将帮助您在柔性设计中的耐用性与在柔性板或高级PCB区域中放置组件和布线的需求之间取得平衡。

柔性印刷电路设计中的物理约束

多个 Flex 子堆栈

虽然可以构建几乎任何具有刚性和柔性部分的叠层，但如果您不仔细考虑生产步骤和所涉及的材料特性，它可能会变得非常昂贵。要记住的柔性电路的一个重要方面是电路弯曲时材料内的应力。铜是一种有色金属，已知会发生加工硬化，并且随着反复弯曲循环和小半径最终会发生疲劳断裂。缓解这种情况的一种方法是仅使用单层柔性电路，在这种情况下，铜位于中值弯曲半径的中心，因此薄膜基板和覆盖层处于最大的压缩和拉伸状态，如下所示。

同样，通常需要多个单独的柔性电路，但最好避免在重叠部分弯曲，因为重叠部分的长度限制了弯曲半径。由于聚酰亚胺非常有弹性，所以这不是问题，并且在重复运动下会比多层铜层持续更长的时间。铜位于中间弯曲半径的中心，因此薄膜基材和覆盖层处于最大的压缩和张力中。

对于高度重复的弯曲电路，最好在单层弯曲中使用RA 铜，以增加电路中铜的疲劳寿命（在失效前的循环中）。

胶珠、加强筋和端接

有时您需要考虑在柔性电路退出刚性板的地方使用加强器。添加环氧树脂、丙烯酸或热熔胶珠将有助于提高组件的使用寿命。但是分配这些液体并对其进行固化会给生产过程增加繁重的步骤，从而增加成本。与 PCB设计一样，需要权衡取舍。

可以使用自动流体分配，但您需要非常小心地与装配工程师合作，以确保您最终不会在装配下滴落胶水。在某些情况下，必须用手涂抹胶水，这会增加时间和成本。无论哪种方式，您都需要为制造和组装人员提供清晰的文档。

如果不是主刚性板组件，柔性电路的末端通常会终止于连接器。在这些情况下，端接可以应用加强筋（更厚的带粘合剂的聚酰亚胺，或 FR-4）。一般来说，将弯曲的末端也嵌入刚柔结合部分是很方便的。

刚挠结合板

刚性柔性电路在组装过程中保持在其面板中，因此可以将组件放置并焊接到刚性端接部分上。一些产品要求组件在某些区域也安装在柔性板上，在这种情况下，面板必须与额外的刚性区域放在一起，以在组装过程中支撑柔性板。这些区域没有粘附在柔性上，而是使用受控深度的路由器钻头（带有“鼠标咬伤”）进行布线，最后在组装后用手冲压出来。

刚柔结合 PCB 面板示例。请注意，这个有前后板边缘和柔性电路，已布线。刚性侧面是 V 型槽，以便稍后折断。这将节省组装到外壳中的时间

很容易看到层堆栈设计、零件放置和切口的问题，并认为我们已经解决了这些问题。但请记住，柔性电路有一些粗糙的材料怪癖。从粘合剂的相对较高的 z 轴膨胀系数到铜对 PI 基板和覆盖层的较低附着力，再到铜的加工硬化和疲劳，这些怪癖不一而足。这些可以通过遵循一些注意事项和注意事项在很大程度上得到补偿。

保持 Flex 灵活

这似乎很明显，但值得一提。预先确定需要多少弯曲，弯曲是否需要可重复，或者设计是否有静态弯曲。如果您的柔性电路部分仅在组装过程中折叠然后留在固定位置 - 例如在手持超声设备中 - 那么您在层数、铜类型（RA 或 ED ) 等你可以使用。另一方面，如果您的柔性电路部分将持续移动、弯曲或滚动，那么您应该减少每个柔性子堆栈的层数，并选择无粘合剂基板。

然后，您可以使用 IPC-2223 中的方程式（方程式 1 表示单面，方程式 2 表示双面等）根据您允许的变形来确定弯曲部分的最小允许弯曲半径是多少铜和其他材料的特性。

此示例等式适用于单面弯曲部分。它可以与组装好的柔性PCB 一起使用，但如果弯曲线位置错误，您可能会对元件引线上的焊点施加压力。您需要根据目标应用选择EB，其中 16% 用于 RA 铜的单折痕安装，10% “柔性安装”和 0.3% 用于“动态”柔性设计（来源：  IPC-2223B，2008 http ://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf）。在这里，动态意味着在产品使用过程中连续弯曲和滚动，例如移动 DVD 播放器上的 TFT 面板连接。

不要在拐角处弯曲并使用弯曲的痕迹

通常最好保持铜迹线与柔性电路弯曲成直角。但是，在某些设计情况下，这是不可避免的。在这些情况下，尽可能保持轨道工作平缓弯曲，并且根据机械产品设计的要求，您可以使用锥形半径弯曲。另请参考下图，最好避免突然的硬直角轨道工作，甚至比使用 45° 硬角更好，使用圆角模式对轨道进行布线。这减少了弯曲期间铜中的应力。

首选折弯位置。

不要突然改变宽度

每当您有轨道进入焊盘时，特别是当它们在柔性电路端接器中排列成一排时（如下所示），这将形成一个薄弱点，铜会随着时间的推移而疲劳。除非要在走线宽度过渡附近应用加强筋或一次性折痕，否则建议从焊盘逐渐变细（提示：在柔性电路中的焊盘和通孔上放置泪珠！）

走线宽度变化和焊盘入口可能会导致薄弱环节。

添加对 Pads 的支持

由于弯曲过程中的重复应力，以及铜对基板的较低附着力（相对于 FR-4），柔性电路上的铜更容易从聚酰亚胺基板上脱落。因此，为裸露的铜提供支撑尤为重要。因为通孔电镀提供了从一个柔性层到另一个柔性层的合适机械锚，所以通孔本身就受到支持。出于这个原因（以及 z 轴扩展），除了刚性电路板中的传统电镀之外，许多制造商将建议对刚挠性和柔性电路进行额外的高达 1.5 密耳的通孔电镀。表面贴装焊盘和非镀通焊盘被称为无支撑，需要额外的措施来防止脱落。

通过电镀、锚定短柱和减少的覆盖层接入开口支持弯曲的通孔焊盘。

SMT 元件焊盘是最脆弱的，尤其是当柔性电路可能在元件的刚性引脚和焊角下弯曲时。下面的焊盘和走线排列显示了如何使用覆盖层“掩模”开口来锚定焊盘的两侧将解决问题。要做到这一点，同时仍然允许适量的焊料，焊盘必须比典型的刚性板占用空间大一些。这显然会降低柔性电路元件安装的密度，但与刚性相比，柔性电路本质上不可能非常密集。

SOW 包装的覆盖层开口，显示每个焊盘两端的锚固。

在您的PCB设计软件中，没有专门的“覆盖层”层；您必须使用遮罩层来定义焊盘周围的覆盖层开口。这可以在弯曲部分内的顶部焊料层中完成；只需在掩膜层中放置一个开口来定义覆盖层开口，就像使用阻焊膜一样。脚印上的衬垫也需要修改，以确保准确组装并添加足够的额外覆盖物用于锚固。下面显示了 0603 组件封装的示例。

在此封装中，焊盘尺寸和顶部焊料层用于显示 SMD 无源焊盘和覆盖层开口应如何放置以安装在刚柔结合PCB上。顶部焊盘图案用于标称 0603 封装，而底部是同一组件的封装，但具有修改的覆盖层开口。

允许挤出

当覆盖层层压在铜和基板上时，当应用覆盖层时，一些粘合剂会从焊盘周围的任何覆盖层开口中“挤出”。为了允许挤出，焊盘焊盘和访问开口必须足够大以允许一些粘合剂泄漏，同时仍然留下足够的裸露铜以形成坚固的焊料圆角。IPC-2223 建议在孔周围进行 360° 焊料润湿以实现高可靠性设计，并建议 270° 用于中等可靠性柔性设计。

调整垫和覆盖层开口的大小，以允许粘合剂挤出。

双面柔性布线

对于动态双面柔性电路，尽量避免在同一方向上相互铺设走线。相反，在相邻层之间错开 trces 以使它们不重叠。当铜更均匀地分布在铜层之间时，这会减少迹线上的拉应力（见下文）。在迹线重叠的情况下，其中一层将在弯曲过程中由于层相互推挤而承受更大的应力。交错将应力分散到柔性基板上，使迹线上的应力分布更接近均匀。

不建议使用相邻层的铜迹线（上图）。相反，错开不同层的走线，以便在组件弯曲时减少走线上的应力。

使用阴影多边形

有时需要在柔性电路上承载电源或接地层。使用实心铜浇注是可以的，只要您不介意柔韧性显着降低，以及铜在小半径弯曲下可能发生屈曲。通常最好使用阴影多边形来保持高度的灵活性。

由于影线迹线和“X”的对齐，正常影线多边形在 0°、90° 和 45° 角方向上仍然具有严重的偏置铜应力。更统计上最佳的填充图案将是六边形。这可以使用负平面层和六边形反焊盘阵列来完成，但您可以通过剪切和粘贴部分快速构建如下所示的舱口。

使用六边形阴影多边形可以在三个角度之间均匀分布张力偏差。

通过放置

对于多层柔性区域，有时可能需要放置通孔以在层之间过渡。如果可能，建议不要放置过孔，因为这些过孔会在弯曲运动中迅速疲劳。还需要在最近的通孔的铜环与刚柔板接口之间保持至少 20 密耳（约 ½ 毫米）的间隙。板边间隙规则可以在PCB CAD 编辑器中自动处理。

至于放置过孔的需要——如果您必须在柔性电路中设置过孔，请使用“房间”来定义您知道不会有弯曲的区域，并使用PCB编辑器的设计规则允许仅在这些静止区域中放置过孔。另一种方法是使用层堆栈管理器来定义“刚性”部分，这些部分最终是弯曲的，但附着有刚性介电加强材料。

定义 Flex 切口和拐角

如果您需要在电路板的柔性部分放置切口或插槽，则应正确终止切口。IPC 建议以半径大于 1.5 毫米（约 60 密耳）的圆形截面进行终止，以降低在拐角处撕裂柔性基板材料的风险。本质上，这里的规则是，只要您有一个内角（角度小于 180° 的柔性电路边角），请始终使用半径大于 1.5 毫米的切向弯曲角。如果拐角比 90° 小得多（更尖锐），则从其上冲出一条圆形曲线。弯曲部分的槽和狭缝也是如此 - 确保在直径为 3 毫米（1/8 英寸）或更大的每一端都有一个设计的安全孔。这方面的一个例子如下所示。

槽口、狭缝和内角应具有至少 1.5 毫米半径的撕裂消除孔或切线曲线。

这绝不是一套完整的柔性印刷电路工程指南，但这些技巧应该可以帮助您开始使用许多产品。如果您不确定，您的制造厂应该可以为您的柔性板或刚柔结合PCB中的柔性部分提供 DFM 指南。