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

制造设计 (DFM) 指南解决了电路板制造和组装过程中可能出现的潜在问题。用于带有 SMT 的挠性和刚挠性PCB 的DFM涉及选择特定应用的电路结构类型、层压板、涂层厚度、走线策略、弯曲和 EMI 功能。

柔性和刚柔结合电路的 DFM 指南是什么？

挠性和刚挠性PCB 的 DFM 分类如下：

建立柔性电路结构类型 

基材 

覆盖涂层和薄膜变化

导体布线和物理特征规划

柔性电路弯曲和折叠指南 

EMI 屏蔽 和阻抗控制方法

建立柔性电路结构类型

柔性板分为单面、双面、多层和刚柔结合板。 

IPC 类型 1- 单面柔性板

单面板是最常见的类型。这些 PCB由粘合在介电基膜上的单个导电层组成。通常，它包括绝缘层以保护导体图案。聚酰亚胺覆盖层可用于电路的绝缘和环境保护。SMT 焊盘（表面贴装焊盘）在提供时只能从一侧接触。单金属柔性电路非常适合动态应用。

IPC 类型 2- 双面柔性板

IPC 2 类柔性PCB 由两个铜导电层和用作它们之间绝缘体的柔性介电薄膜材料组成。铜箔粘合或沉积在基底介电膜的两侧。

贯穿柔性材料的镀铜通孔完善了电路层之间的界面。电路图案被成像、化学蚀刻，最后通过施加顶部和底部介电覆盖层或覆盖涂层在两侧绝缘。

IPC 类型 3：多层柔性板

多层柔性电路板由三个或更多导电层与电介质粘合在一起组成。导电层之间的互连由电镀通孔提供。通过使用多层板，设计人员可以克服某些挑战，例如串扰、不可避免的交叉、特定的阻抗要求和密集的组件布局。

IPC 类型 4：刚柔结合电路

刚柔结合电路将环氧玻璃增强材料和柔性薄膜与通过镀通孔互连的铜电路图案相结合。这种配置在电路板的某些部分提供了灵活性，同时在电路设计的其余部分使用刚性部分来安装和互连组件。

柔性和刚柔结合电路的基础材料是什么？

通常，刚性-柔性电路的基板是使用类似于传统电路板制造的工艺开发的。IPC-4101 到 IPC-4104 中可以找到玻璃增强和非增强基材规范的详细说明。一些基础材料包括：

聚酰亚胺薄膜

玻璃纤维增强聚酰亚胺

FR-4 环氧树脂玻璃纤维增强

BT-环氧树脂与玻璃纤维增强

基材特性

选择最适合设计的产品很重要。下图显示了根据关键属性对材料进行的分类。 

关键属性	聚酰亚胺薄膜	聚酰亚胺层压板	FR-4 层压板	BT层压板
玻璃化转变温度 (Tg)	341℃	265℃	170℃	190℃
分解温度 (Td)	不适用	不适用	340℃	不适用
加固型	没有任何	无碱玻璃	无碱玻璃	无碱玻璃
介电化合物	聚酰亚胺	聚酰亚胺	环氧树脂	(注1)
最高工作温度	225℃	230℃	150℃	200℃
吸湿性	>1.0%	1.0%	0.5%	0.35%

BT 层压材料是环氧树脂和双马来酰亚胺三嗪树脂的混合物。

FR-4 材料符合 IPC-4101/126、129,130 和 131。它是为无铅焊料加工（240℃-260℃）而开发的。

用于柔性和刚柔性PCB材料的 DFM

以下是选择符合设计标准的材料时应考虑的参数：

吸湿性

阻燃

电气特性

机械性能

热性能

请参阅我们的帖子，如何选择用于制造的PCB材料和层压板，以更好地了解材料特性和选择属性。

聚酰亚胺薄膜电介质的关键物理特性

杰出的电气性能

优异的耐化学性

热稳定，能够在>225ºC的温度下连续运行

 在高温或低温下尺寸稳定

 能够承受SMT 焊接的工艺温度

聚酰亚胺薄膜电介质价格昂贵，但适用于各种电子应用。

柔性电路的表面保护

对于柔性电路，表面保护对于防止它们受到环境危害的影响至关重要。电路板表面使用覆盖层、覆盖层、液态光成像聚合物和光成像干膜进行保护。

柔性电路板的表面

Coverlay – Coverlay 是一种用粘合剂涂在电路图案上的介电薄膜。

覆盖层的优势	缺点
出色的动态灵活性	厚度和成本增加取决于应用
无针孔	需要预切割和预冲压操作
最高介电强度	容易出现配准错误/尺寸变化

面漆– 面漆是一种液体聚合物丝网印刷在电路板上并使用紫外线或热量固化。

液态照片成像聚合物——它是一种光敏聚合物喷涂，印刷或浸入电路板上并进行照片成像，以提供对焊盘图案特征的访问。

优点液体光成像聚合物	缺点
高图案分辨率	灵活性因供应商而异
无需打孔和钻孔	成本适中，材料浪费最少
实现对暴露特征的精确对齐	如果非常薄，涂层中可能会形成针孔

照片成像干膜– 融合层压到电路上并进行照片成像以提供对焊盘图案特征的访问。

照片成像干膜的优点	缺点
高图案分辨率	灵活性因供应商而异
无需打孔和钻孔	基础材料成本高但材料无针孔

制造工艺限制

决定供应商制造能力的一些因素包括：

导体、通孔、通孔和 SMT 焊盘图案之间的最小距离。

在给定区域或固定表面特征之间布线的最大导体数。

电路的柔性和刚性部分所需的导体层数。

并联电路布线变化

在并联电路中，柔性板上的导体路径必须改变方向。设计者应避免 90° 急转弯。理想情况下，导体路径应设计为具有嵌套、倒角或大半径。平行布线的多条导体路径还应保持均匀的间距，并从中心轴逐渐增大半径。

在并行电路布线中，必须确保不存在促进撕裂的尖角。下图显示了将增强柔性电路生存能力的关键特性。

布线柔性板的主要特性

可以使用窄导体和宽导体之间的简单泪珠状过渡来加强界面。对于为安装针孔元件提供的孔，良好的设计实践是使安装焊盘面积尽可能大，以在PCB焊接过程中最大化粘合面积。

 电路布线和间距

确定布线中的导体密度将取决于信号导体的数量和宽度。对于单面和双面柔性板，基材的总宽度应为覆盖膜粘合提供足够的表面积。基材还提供足够的粘合面积。下表根据铜箔厚度对特征尺寸和间距标准进行分类。

铜箔厚度	1/2 盎司	3/4 盎司	1 盎司
尺寸	17µm	26微米	34微米
一种	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

孔边间隙指南

柔性电路轮廓的外边缘与内孔和切口边缘之间的最小距离不应小于1.3 毫米。孔到边缘的距离越大，零件就越可靠。

柔性电路上的孔边距离

避免撕裂指南

IPC-2223 部分是一个设计标准，为柔性电路和刚柔性电路提出建议。边角应该是大约1.5 毫米宽。然而，更大的半径将使部件更可靠，从而最大限度地减少撕裂。在下图中，我们可以看到拐角处的倒角、浮雕和半径。撕裂限制为边角提供了更多的强度，以避免在材料拉伸时撕裂。即使材料很硬，如果拉伸超过其极限，它也会撕裂。

柔性电路撕裂避免指南

弯曲区中的导体布线

在弯曲区域布线导体时，请考虑以下事项：

导线应垂直于弯曲区域布线。

它应该在弯曲区域上均匀分布。

不要在弯曲区域使用额外的金属。

导体应保持均匀的宽度。

柔性PCB弯曲区布线

如何避免柔性截面中的 90° 内角

处理拐角时，要避免90°内角，防止撕裂。最小半径轮廓应为0.75 毫米，以减少柔性薄膜内角的裂纹。然而，更大的半径或凹进的半径将使拐角更耐撕裂。

柔性电路中的 90° 内角

窄槽特征的撕裂限制

如果电路区域受到反复弯曲，建议保留一小块铜箔以进一步加强防止撕裂。槽特征应具有0.75 毫米的半径。

柔性电路板上的插槽

在电路中加入狭缝特征

下图显示了一个窄槽，表示与孔的最小间隙 ( 0.50mm )。

在柔性电路中加入狭缝

用于刚柔过渡的应变消除圆角

在柔性和刚性部分的过渡处应用一小块聚合物，以最大限度地减少界面处的物理应力。应变消除材料可以是柔性环氧树脂、丙烯酸、RTV 硅树脂、多硫化物等。

应变消除水平尺寸 (X) 的范围可能介于1.0 毫米和 2.5 毫米 [~0.0394 英寸。到 ~0.0984 英寸]。

用于刚柔过渡的应变消除圆角

柔性到刚性导体接口

为避免损害刚柔结合电路上电镀通孔的完整性，孔位置必须从刚性部分的边缘向后退。此处，3.18 毫米 + ½ PTH 焊盘直径 是一个缩进，可避免柔性材料进入刚柔性材料时受到覆盖层突起的干扰。对于刚柔结合 PCB 的 DFM，这是最重要的考虑因素之一。

柔性到刚性导体接口

静态应用的弯曲和折叠指南

90° 弯曲安装的最小弯曲半径取决于铜层数。普遍接受的指导方针是：

单面 – 10:1  

双面 – 10:1 

多层 – 20:1

导体布线在弯曲区域的注意事项

对于正确的导线布线，了解该做和不该做的事情至关重要。请参考下图：

柔性导体布线的注意事项

折叠柔性电路

在折叠柔性电路中，折叠区域的铜导体应始终位于折叠的内表面。这些折叠是单面柔性电路一次性折叠的首选。如果铜箔在柔性电路的两侧，则必须清除外侧区域的铜。

90° 或更大的折叠安装

折叠仅适用于单面或双面柔性电路。褶皱应该是均匀的，并设计成沿着包装的表面。为了控制弯曲半径并防止导体开裂，可能会使用成型工具。 

折痕可能只形成一次，然后粘合到位，确保不会出现折叠。

在柔性板中折叠 90°

 

动态应用的弯曲指南

对于需要重复弯曲达 90° 的动态应用，推荐的最小弯曲半径为：

对于单面 flex，100:1 

对于双面 flex，150:1

 但是，不推荐多层动态弯曲。 

动态应用的弯曲半径

两侧柔性电路弯曲区

下图显示了双面柔性电路中铜导体布线的注意事项。

双面柔性电路的注意事项

两个铜层柔性的 EMI 屏蔽和阻抗控制

可以添加图案化的导电层以提供有效的 EMI 屏蔽。交叉影线图案有助于保持灵活性。

交叉影线铜平面

制造商和设计人员应了解限制信号损耗、阻抗容差和电磁干扰 (EMI) 的要求。

观看整个网络研讨会以正确理解以下几点：

用于柔性和刚柔性 PCB 的 DFM。

SMT元件选择和焊盘布局开发

用于 SMT 组装加工的 DFM

根据柔性和刚柔结合应用要求选择合适的 IPC 结构类型是 DFM 过程的第一步。遵循制造指南的特定设计至关重要，因为它可以消除与走线布线、间距、间隙、导体接口等相关的问题。

 如果您想了解有关 flex 板的任何关键方面的更多信息，请在评论部分告诉我们。