前言

你是否設(shè)計(jì)過撓性印制電路？很多經(jīng)驗(yàn)豐富的PCB布局設(shè)計(jì)師和電氣工程師都從未曾設(shè)計(jì)過剛撓結(jié)合板或撓性板（圖1）。

本文旨在使設(shè)計(jì)師更加了解FPC結(jié)構(gòu)、FPC布局要求、FPC疊層材料的限制和極限，強(qiáng)調(diào)了與撓性印制電路板制造商和組裝廠商溝通的重要性。

圖1：撓性印制電路

撓性電路板設(shè)計(jì)應(yīng)遵循制造商的生產(chǎn)準(zhǔn)則

FPC既有剛性板的優(yōu)點(diǎn)，又具備圓形線束電纜所不能實(shí)現(xiàn)的撓性、重量輕、體積小、生產(chǎn)成本低、電氣特性一致等優(yōu)點(diǎn)，還可用于可不斷移動的動態(tài)應(yīng)用中。FPC還能夠彎曲、折疊或是放入三維空間中。

每家FPC制造商的設(shè)備、生產(chǎn)能力和操作人員都不同，而且FPC布局要求也不同。有時(shí)，撓性設(shè)計(jì)師可能需要到現(xiàn)場評估制造商的生產(chǎn)能力。

FPC設(shè)計(jì)師、制造商以及組裝廠商之間的有效溝通是最終產(chǎn)品能否取得成功的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)撓性印制電路時(shí)應(yīng)遵循特定制造商的生產(chǎn)準(zhǔn)則。這些準(zhǔn)則可最大程度地減少生產(chǎn)技術(shù)問題，縮短澄清問題所花費(fèi)的時(shí)間，以及減輕因接近生產(chǎn)極限而造成的性能受損和不良后果。

在DFM審核期間，一系列在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)問題被稱之為技術(shù)問題（technical question，簡稱TQ）。這類問題會降低產(chǎn)品的可制造水平，最終影響產(chǎn)品的可靠性。同一款FPC設(shè)計(jì)對于不同生產(chǎn)商，因?yàn)楦髯陨a(chǎn)工藝能力不同，可能是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，也可能是高階設(shè)計(jì)，甚至可能是無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)。這也說明，提前了解制造商的生產(chǎn)能力至關(guān)重要。

撓性電路IPC標(biāo)準(zhǔn)與基材的選擇

生產(chǎn)能力會隨著技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)設(shè)備改進(jìn)日益提高。因此，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則也會相應(yīng)更新。在開始布局時(shí)，F(xiàn)PC設(shè)計(jì)師就應(yīng)該熟悉IPC標(biāo)準(zhǔn)，例如IPC-2223、IPC-2221、IPC-2222，并且了解產(chǎn)品級別和FPC類型。根據(jù)IPC-2223規(guī)定，有膠基材可應(yīng)用于5類FPC結(jié)構(gòu)，同樣，無膠基材也有5類結(jié)構(gòu)。圖2展示了1類有膠基材，圖3展示了2類無膠基材。

圖2：1類單面有膠基材

圖3：2類雙面無膠基材

撓性電路設(shè)計(jì)師應(yīng)該了解最終組裝要求。

用B2B連接器、ZIF連接器、各向異性導(dǎo)電膜（ACF）可以實(shí)現(xiàn)剛性電路與撓性電路的連接，也可以采用熱壓焊接（圖4）。不同技術(shù)在布局中要求的端接尺寸和形狀都不一樣。

圖4：熱壓焊接連接

撓性材料的選擇和疊層，取決于預(yù)算、應(yīng)用和機(jī)械限制。長期以來，聚酰亞胺都是最受歡迎的撓性層壓材料。較為便宜的結(jié)構(gòu)通常會采用聚酯薄膜。除了這些已被廣泛使用的塑料材料，液晶聚合物（LCP）和聚萘二甲酸二乙酯（PEN）基材也是常用材料。

不論產(chǎn)品應(yīng)用、類型和供應(yīng)商的生產(chǎn)能力水平如何，F(xiàn)PC設(shè)計(jì)程序都要遵循以下基本準(zhǔn)則：

1. 1. 所有FPC拐角都必須是弧形的；

2. 2. 所有走線的拐角都必須是弧形的；

3. 3. 所有通孔、鍍覆孔以及SMT焊盤與走線的連接都必須有淚滴狀填充。

除了這3條準(zhǔn)則以外，如果把SMT焊盤做成橢圓形或圓形，也是非常好的方法?；蛘邔⑤^大SMT焊盤的角做成弧形（圖5）。

圖5：從左到右分別是：拐角是弧形的走線，拐角是弧形的FPC外形，以及焊盤是橢圓形且拐角是弧形的SMT焊盤

鑒于銅會增加整個結(jié)構(gòu)的剛性，設(shè)計(jì)師在布走線時(shí)應(yīng)該以交錯的方式分布相鄰層的走線，避免大面積布銅，這種方法可以消除“工字梁效應(yīng)”并提高FPC的可靠性。

降低撓性電路圖形銅鍍層也可以減少銅的用量。圖形電鍍可選擇性地在焊盤上、導(dǎo)通孔孔壁和鍍覆孔內(nèi)沉積銅，該工藝需要用到Gerber文件。

撓性電路鍍銅的另一種方式是全板電鍍。在全板電鍍過程中，銅會沉積在整個外層的銅圖形和和通孔孔壁上。采用網(wǎng)格狀銅層代替實(shí)心銅層，能夠提升電路的撓性。

銅到電路邊緣的距離是一個至關(guān)重要的參數(shù)，每家制造廠商使用的參數(shù)各不相同，視其生產(chǎn)能力而定。例如，一些生產(chǎn)準(zhǔn)則規(guī)定FPC邊緣與銅走線、銅層以及SMT焊盤之間的間隙為0.2 mm（8 mil）。而導(dǎo)通孔與FPC邊緣的間隙則要求更大一些，我建議要達(dá)到0.45 mm（18 mil）。

揉性線路板阻焊層與覆蓋層的選擇

剛?cè)腴T的FPC設(shè)計(jì)師可能會使用阻焊層，而不是使用覆蓋層。阻焊層非常薄，但這種材料會讓撓性電路變成剛性彈簧。以下闡述了在FPC生產(chǎn)中為什么溝通非常重要的另一原因。

圖6：減緩揉性電路板撕裂的方法

FPC疊層通常有介質(zhì)覆蓋層。覆蓋層主要用于密封保護(hù)圖形。但因?yàn)楦采w層相對較厚，所以與其他特征之間的間隙就要比采用阻焊層時(shí)的間隙更大。因此，設(shè)計(jì)新手應(yīng)該了解FPC制造商提供的覆蓋層應(yīng)用的所有限制和極限。在為元器件焊盤生成余隙開口（鉆或沖等）時(shí)，了解清楚采用的覆蓋層材料和方法很重要。普通的生產(chǎn)能力需要覆蓋層網(wǎng)與FPC輪廓之間的最小距離為0.25 mm（10 mil），覆蓋層上的開口與FPC輪廓之間的距離為0.3 mm（12 mil）。細(xì)間距元器件會在覆蓋層上有一組開口。

撓性電路材料的選擇

鑒于撓性電路本身就比較脆，F(xiàn)PC設(shè)計(jì)師在布局時(shí)應(yīng)該始終考慮材料可能會撕裂的問題。圖6所示是減緩撕裂的幾種方法：凹槽、小孔、拐角突出部分。

FPC上的連接器區(qū)域和組裝在上面的較重元器件都需要用到增強(qiáng)板。某些元器件聚集的位置可能也需要在元器件下方用到增強(qiáng)板。增強(qiáng)板材料可以是聚酰亞胺、FR-4，也可以是不銹鋼。

但薄FPC上增強(qiáng)板的邊緣會形成應(yīng)力區(qū)域。為了避免增強(qiáng)板附近出現(xiàn)撕裂，應(yīng)在增強(qiáng)板邊緣和通孔焊盤邊緣之間留出1 mm~1.8 mm的間隙，具體取決于增強(qiáng)板類型。必須要考慮到兩個增強(qiáng)板之間的最小間隙。例如，頂部增強(qiáng)板和FPC底部第二塊增強(qiáng)板之間的距離應(yīng)該保持在0.6 mm以上。

撓性電路彎折區(qū)域的走線布線

撓性電路的靜態(tài)彎折區(qū)域和動態(tài)彎折區(qū)域是很難設(shè)計(jì)的。布線時(shí)走線必須要垂直于彎折區(qū)域（圖7）。

圖7：柔性電路板彎折區(qū)域的走線布線

設(shè)計(jì)師需要了解制造商生產(chǎn)能力范圍內(nèi)可以達(dá)到的最小走線寬度和間距。其中最小走線間距取決于內(nèi)層銅厚度。在計(jì)算外層上的走線最小間距時(shí)，應(yīng)在走線銅層厚度上加上銅鍍層厚度。

高速設(shè)計(jì)通常都會包括可控阻抗。還應(yīng)慎重考慮單端和差分對的參考平面。銅是會增加結(jié)構(gòu)剛性的主要因素。因此，每種案例都要采用恰當(dāng)?shù)姆椒?。如果FPC不需要彎折，則可以采用多層結(jié)構(gòu)。對于動態(tài)彎折，首選FPC類型是單層收縮。但也可以使用雙面無黏性基材，甚至可采用帶有空氣間隙的三層結(jié)構(gòu)。

撓性電路的阻抗控制

對于可控阻抗（微帶傳輸線），至少要用到兩個信號層，其中一層是參考平面。當(dāng)可控阻抗信號層布到了動態(tài)彎折區(qū)域上，設(shè)計(jì)師需要考慮在疊層中插入空氣間隙。

為了改善信號完整性，可以采用盲孔和埋孔技術(shù)。使用這類技術(shù)可以避免高速信號應(yīng)用中出現(xiàn)通孔樁的情況。但這種生產(chǎn)方法會增加額外成本。

使用低輪廓加成法工藝可以生產(chǎn)出走線寬度和間距皆為1mil的100歐姆差分對。

對于設(shè)計(jì)高速信號，EMI始終都是隱患。這種情況下就要用到屏蔽方法。完美的EMI屏蔽層是銀薄膜。薄膜厚度在22 μm~32 μm之間。當(dāng)頻率高于10 GHz時(shí)，必須要測試材料，因?yàn)楸∧さ挠行钥赡軙嘶▓D8）。

圖8：揉性電路板屏蔽膜應(yīng)用

材料的性質(zhì)決定了FPC的容差非常重要。對比厚黏性覆蓋層材料和薄無黏性層壓板時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)該明白每種材料的移動情況都有差異，在生產(chǎn)時(shí)也會因此遇到不同的問題。

總的來說，F(xiàn)PC容差比PCB容差更為寬松。生產(chǎn)準(zhǔn)則中列出的所有特征都對應(yīng)著相同特征的次級容差要求。FPC設(shè)計(jì)師必須要考慮到所有相關(guān)的容差，以便順暢快速地完成生產(chǎn)。

與組裝生產(chǎn)廠的合作也是至關(guān)重要的。我個人比較傾向于和那些同時(shí)具備FPC生產(chǎn)能力與組裝能力的制造商合作。這樣一來，F(xiàn)PC生產(chǎn)和組裝兩個領(lǐng)域的工作人員就更易于溝通協(xié)作，制定更全面的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，更好、更快地為客戶提供支持，解決問題時(shí)可在部門間實(shí)現(xiàn)快速高效的溝通。此外，這類工廠在處理和傳送FPC時(shí)也更可靠。

總結(jié)

本篇技術(shù)文章向新手撓性設(shè)計(jì)師簡要介紹了在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)需要考慮到的因素及設(shè)計(jì)技巧，包括重要的撓性設(shè)計(jì)方法，以及保持FPC撓性的必要要求。

撓性設(shè)計(jì)師應(yīng)始終與電氣、機(jī)械、生產(chǎn)、組裝、測試以及DFM團(tuán)隊(duì)的成員密切協(xié)作，這樣才能保證最終產(chǎn)品取得成功。根據(jù)應(yīng)用條件、生產(chǎn)具體情況、撓性材料和環(huán)境要求的不同，還會有更加具體的要求。撓性設(shè)計(jì)師必須要了解所有的生產(chǎn)限制和極限，并將其納入布局設(shè)計(jì)準(zhǔn)則當(dāng)中。

精鴻益電路是深圳較大的一家柔性電路板生產(chǎn)廠家，提供撓性電路板快速打樣，批量生產(chǎn)與貼片組裝服務(wù)，一直以來以過硬的產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)質(zhì)的客戶服務(wù)贏得了廣大客戶的信任與支持。