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技术专栏

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刚柔结合板如何设计?
2021-08-30
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刚柔结合板不是普通电路板。是将薄层状的挠性底层和刚性底层结合,然后层压成单个组件,这个过程给我们带来了非凡的挑战和机遇。当设计师开始设计第一块刚柔结合印刷电路板 (PCB) 时,他们发现他们学到的有关印刷电路板设计的大部分知识都存在问题。他们设计的不再是二度空间的平面底层,而是可以弯曲折叠的三维立体的内部连线。我敢说这将是一个性能更强大的PCB。刚柔结合板的设计者用单一元件代替由多个连接器、多条线缆和带状电缆连接成复合印刷电路板,性能更强,稳定性更高。他们将设计范围限制在一个组件上,通过像叠纸天鹅一样弯曲和折叠线条来优化可用空间。
常用术语
从字面上看,“柔性电路”感觉就像是多线带状电缆的替代品。柔性平面基板上方是电路层,电路层相互首尾相连。这种类型的连接经常可以在喷墨打印机的打印头和控制板之间看到。在柔性电路方面,这种连续的柔性被称为“动态挠性”(dynamic flex)。在动态挠性应用中,柔性电路往往(但不限于)单面板,其目的是达到最好的效果和最强的可靠性。在各个子系统之间的互连中,例如将打印头连接到控制板,最好使用柔性电路。
在柔性电路的生命周期中,必须以最小的挠度弯曲、折叠和组装,这被称为“flex-to-install”。根据应用的需要,有多种类型的灵活安装结构,从单层到多层。生命周期中有限的挠度有利于限制导体上的应力,也有利于制作更多的层数。
在柔性安装过程中,如果需要单面模块安装,处理的策略是将刚性材料定位并层压到柔性电路中以加固特定区域。这种柔性电路设计被称为“刚性柔性”(rigidized flex)。刚性材料(通常为 FR4)不含导体,主要用于加强元件的底座或连接区域。刚柔板具有柔性电路和刚性材料的优点,但成本相对较高;刚柔结合板可作为刚柔结合板的替代品。刚性材料不需要蚀刻或电镀,只需要根据电路钻孔和添加,可以减少印刷电路板的加工时间。
在柔性安装过程中,如果需要双面模块安装,或者需要超薄印刷电路板,那么选择软硬结合板可能是唯一可行的解决方案。刚柔结合板既有刚性层又有柔性层,是一种多层印刷电路板。典型的(四层)刚柔结合印刷电路板有一个聚酰亚胺核,其两面都覆盖有铜箔。外刚性层由单面 FR4 组成,它们被层压入挠性核的两面,组装多层PCB。刚柔板应用广泛,但由于多种材料和多道生产工序的混合使用,刚柔板的加工时间较长,生产成本较高。在制作多层刚柔结合板时,柔性层的加工工艺与外 FR4 层的加工工艺完全不同。由不同材料制成的层必须通过层压聚集在一起,然后钻孔和电镀。因此,制作典型的四层刚柔印制电路板的时间可能比制作标准的四层刚性印制电路板的时间长 5 到 7 倍。图 1 显示了典型的刚柔结合层压结构。

图1

刚柔结合板的应用
刚柔结合板经常出现在消费电子产品中,例如数码相机、便携式摄像机和 MP3 播放器。也可用于高端机载武器导航系统。根据研究,刚挠结合板最常用于制造军用飞机和医疗设备。刚柔结合板为军用飞机的设计带来了极大的好处,因为它提高了连接可靠性,同时还减轻了重量。当然,整体更小的尺寸带来的好处也不容忽视。植入式医疗器械,如心脏起搏器和人工耳蜗,也得益于刚柔结合板在狭小空间内的弯曲和折叠能力,大大提高了可靠性。你不妨想象一下,如果起搏器因为连接电池的电线脱落而无法工作,会是什么样子。使用刚挠结合板,电池可以直接连接到电路层,可以安装在组件的任何位置。
刚柔结合板的应用实例 刚柔结合板应用领域的设计师选择刚柔结合板作为首选,因为这是实现产品目标的必经之路。他们可能会使用刚性设计作为原型来测试他们的设计理念,然后使用刚柔结合板来创造新产品。
红外系统将安装在微型飞行器或无人机上。该系统需要覆盖5立方英寸手持数码相机的监控范围,有效载荷不超过3盎司。即在保持原有功能和可靠性水平的同时,减少了50%的空间,减轻了95%的重量。
最大的挑战之一是如何将总重量从 3 磅减少到 3 盎司以下。唯一的解决方案是移除由多个连接器连接的刚性 PCB 组件,并切换到刚柔结合板。我在设计过程的早期遇到了杰夫。虽然这是他第一次使用刚柔结合板,但他每一步都做得很好。在生产过程中,他将PCB设计项目外包给了一位经验丰富的刚柔结合板应用设计师,并在一大早让PCB制造商参与进来。
虽然刚柔结合板的成本比传统刚柔板贵,但它为这个项目提供了一个理想的解决方案。我们使用的是柔性基板的互连,而不是多个PCB的连接。这是减少空间和重量的关键,这正是我们所需要的。
由于刚柔结合板具有可弯曲、可折叠的特点,可用于制作定制电路,最大限度地利用室内可用空间。 Jeff 用这个来减少整个系统占用的空间。由于此设计不会量产,因此虽然生产成本较高,但相比之下,收入仍然高于成本。
设计注意事项
在设计刚柔结合板时,必须考虑制造工艺的特点和所用材料的多样性。设计人员不能简单地创建用于四层刚性 PCB 的典型电路类型,然后希望获得与刚柔板相同的效果。因为聚酰亚胺的尺寸稳定性比 普通FR4 差3倍以上。一旦蚀刻掉铜,柔性材料将显着收缩。大多数制造商了解材料的这一特性并准确估计这种情况,因此当PCB进入加工过程(钻孔和在线添加)时,他们试图使电路板接近尺寸公差。如果设计者不考虑可能的制造问题,很可能在最后一刻意识到必须更新设计以适应制造商的特殊加工工艺。

为达到最理想的效果,需要考虑尽可能扩大柔性层上电镀过孔的最小环孔,并确保所有线对焊盘和线对迹节点添加泪滴。如果要使用柔性内层连接刚性电路的各个区域,在制造过程中必须仔细考虑如何支撑板的浮动刚性区域,因为刚性层的区域会被移除以暴露下面的柔性层。但是,去除太多刚性材料可能会使电路板变得脆弱。图 2是多层刚柔结合板,在刚性层上有一个“窗口”。

图2

我们通常对柔性层进行冲压,因为冲压更适合薄的聚酰亚胺。也可以去除柔性层上的区域,从而减少与最终布线中的布线点的接触(参考图 3)。在设计工具中,必须考虑这些“无层”区域。此外,设计中可能不需要放置布线和/或无元件区域,以防止某些元件或线路悬挂在刚性区域的边缘。

图3

图3

设计建议 因为柔性电路可以弯曲和折叠,避免产生不良电路,因为不良电路会增加导体断裂的可能性。以下是降低弯曲区域导体压力的一些建议:
1. 通过弯曲区域垂直于弯曲轴布线
2. 保持线路倒角、宽度变化和过孔路径在折弯区域之外
3.用网格状铜代替实心铜
4. 交叉相邻层的并排布线,“I-Beaming”(参考图4)

8.jpg

关于FPC板的设计有很多类似的建议,这里就不一 一列举了。

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