第10节- PCB设计:柔性电路
这是第十次部分在返校系列PCB设计师和那些可能想知道更多关于它。
内容
Flex电路
这完全是两码事。很多柔性印刷电路只不过是一个定制架构的带状电缆的替代品，以从一个板到另一个板的总线。在任何一端都有一个连接器，在连接器之间可能有一条电源线。即使是这种简单的形式也有许多fpc特有的方面。
柔性电路材料-他们自己的世界
很容易，刚性板和挠性板之间最大的区别在于材料的标注。聚酰亚胺是电介质标准，但在同一柔性材料上还会使用其他电介质材料。堆叠图详细描述了这些元素。
粘合剂用于粘合各种层压材料。压敏胶(PSA)通常用于连接覆盖物和聚酰亚胺或FR4加强筋。当使用不锈钢或铝加强筋时，通常需要使用热固性粘合剂(TSA)。在这种情况下，粘合剂也会导电，因为它形成了热路径的一部分。金属加强筋从轮廓边缘有一个回拉，而聚酰亚胺或FR4加强筋将与其余材料相同的尺寸。金属的优点是每单位厚度它更坚硬，但它增加了成本。
覆盖物是保护痕迹不受元素影响的聚酰亚胺材料的术语。它有助于防止痕迹上升或磨损。黑色是一个流行的颜色覆盖和焊接掩模．阻焊罩将只用于柔性电路的加强部分，在那里零件被焊接下来。从覆盖层过渡到加强层和阻焊层的区域是一个复杂的区域，有一些精心控制的材料重叠。
图1。图片来源:Hirose -什么时候两层不是真正的两层?当它是Flex的时候。
零插入力(ZIF)连接器是连接挠性板到刚性板的常用选择。它与通常的边缘连接器略有不同。金手指不是简单的并排的矩形。典型的情况是有两行是交错的。配合连接器有一个铰链锁定机构，以保持ZIF连接器到位。
25微米(1密尔)厚的聚酰亚胺基膜很常见。两密尔也是可用的。柔性混凝土由加筋区向柔性区转变的位置称为过渡区。将通孔从过渡区两侧向后拉0.4毫米，可以防止您接到供应商的电话/问题。
另外，要注意覆盖层在刚性截面下折叠，并在过渡区结束。重叠持续0.4毫米。当连接器或其他组件向下焊接时，阻焊板将覆盖层重叠0.2 mm。当然，这些数字和材料类型会因制造商的不同而有所不同。当涉及到flex时，走在堆栈前面更重要。
除了聚酰亚胺，铜，粘合剂，覆盖物，加强筋和焊锡屏蔽
另一种胶粘覆盖物可以添加在覆盖物的顶部EMI抑制．高速/高频痕迹将通过地面网格辐射。当您使用EMI抑制膜时，覆盖层必须有缺口，以显示地面网格暴露的区域。放一块带通孔的固体铜是有用的，以创建一个良好的接触之间EMI屏蔽层和地面。每个连接器附近至少有一个暴露区域。较长的弯曲拉伸会在行进中有一些开口，但在弯曲区域没有。
还有一种技术是使用双面胶带而不是硬件来固定伸缩器。粘性泡沫是另一种可以填补空白的材料。这两种材料都带有一层可剥离的薄膜，覆盖在向外的粘合剂上，这样当需要将flex粘贴到最终位置时，就可以将其移除。
“…弯曲表将显示所需的半径和区域将被来回弯曲的次数，这将是制造图的一部分。”
当涉及到导体时，刚性板可以使用电沉积(ED)铜。颗粒结构是垂直的，所以表面粗糙，镀层太脆，不能可靠的弯曲。轧制退火(RA)铜具有更光滑的水平晶粒，可用于大约10,000次弯曲循环。汽车行业看到了很多潜在的振动，这迫使他们在材料堆叠部分使用“超级灵活”的HA铜。在任何情况下，显示所需半径和区域将被来回弯曲的次数的弯曲表将是制造图的一部分。
按钮电镀vs.面板电镀
不像刚性层叠，可伸缩的堆叠将镀铜作为一个单独的项目。无论是刚性设计还是柔性设计，上板总是作为一种手段来电镀过孔桶。这意味着电沉积铜，我们可能不希望在柔性区域的痕迹，然后弯曲与否。
为了让铜进入通孔而不让它到处都是，一个特殊的制造步骤包括在那里他们掩盖了除通孔以外的一切。这是按钮电镀，而在蚀刻之前做所有金属的电镀被称为面板电镀。
弯曲区域-灵活的要点
一些fpc在安装和使用上保持不变。大多数必须弯曲以满足不同的连接器位置。有些在使用过程中必须弯曲。根据要安装的是一次性flex还是动态flex，需要遵循一些设计注意事项。任何笔记本电脑的铰链都将是解决方案中非常复杂的一部分，因为电力和数据必须从图形处理器(GPU)传输到显示屏。
不仅如此，大多数笔记本电脑在屏幕上方都有一个摄像头模块，可能还有一个闪光灯或其他传感器，包括可以转换为平板电脑的触摸传感器。不同的位流必须从壳体的一侧流到另一侧。每次打开或关闭盖子时，反复的弯曲会产生机械应力。360度弯道是压力最大的。必须反复驱动的特定区域称为动态弯曲区域。特殊的规则正在发挥作用。
Flex组装
根据弯曲的最小半径，指导方针有所放宽。典型的是在一个180度的小弧度上的一次性弯曲，这样柔性电路就可以自己折叠以节省空间。这种类型的弯曲比大半径的温和弯曲更费力气。
的制作机可以预弯曲弯曲这样它就有了一种向要求方向弯曲的自然倾向。在任何情况下，都有一个弯曲厚度与最小内弯曲半径的比率。一个安全的数字是10比1，最激进的变化是20比1。这取决于具体的堆叠。一个包括顶部和底部覆盖物在内的三层FPC厚度的粗略估计将是200微米或0.2毫米。安全弯曲半径将从曲线内部测量2mm。
弯曲区域的第一条规则是在该区域甚至邻近区域没有过孔。过孔就像穿过z轴的小工字钢，起到使弯曲件变硬的作用。违背他们的意愿进行调整会导致他们崩溃和失败。当FPC弯曲时，弯曲的内侧有压缩，外侧有伸长。必须放弃一些东西。最可靠的路由位置是堆栈的正中间。
图2。图片来源:作者- USB型C连接器在flex的末端。
为了抑制电磁干扰，一个非常长的弯曲区域可能需要一些“多余的”地面通孔。可以添加特殊涂层来代替过孔。问题是你的材料越多，弯曲就会变得越硬。最好的妥协方案并不总是明确的。
第二件事是考虑弯曲的方向相对于轨迹的方向。痕迹应该直接穿过弯曲区域。宽的痕迹应该缩窄或分成多个细的痕迹，弯曲后再连接在一起。实体形状通常不鼓励在弯曲，但如果使用，应该转换为网格通过弯曲区域。
为了达到阻抗控制的目的，通常采用金属与开口面积有一定比例的网格。交叉舱口通常像一个链环栅栏。根据轮廓，移动的方向可能会使轨迹与网格线对齐。因此，如果一个flex有一个分支在45度角，考虑将flex旋转到22度角或任何适合轮廓几何的角度是明智的。
flex中的多个跟踪层也是如此。迹线不应该恰好运行在其他迹线之上。错开一层，这样即使两层之间有网格，它也可以在另一层的间隙中运行。高速或任何其他可控阻抗的柔性电路通常涉及三层。外层是地面网格，内层是信号层。接地网的故障不太可能导致整个弯曲失效。外层是受力层，而中心层没有被拉伸或压缩那么多。
为了获得更高的信号密度，使用狭窄的弯曲材料条，可以在外层运行迹线，在它们之间使用网格。最终，网格可以被删除，你将只有两层，甚至是一侧的痕迹，而另一侧什么都没有。如果这些痕迹要这样暴露出来，设备的外壳必须考虑到进出盒子的辐射。
动态展示
对于正在运动的弯曲体，需要采取更多的措施。显然，你想要最大的弯曲半径。想象一下笔记本电脑铰链内部的区域，就知道我们要面对的是什么了。使用宽的弯曲，而不是厚的多层弯曲。无粘接剂的覆盖物更薄一点——而且是赢家!
线宽的变化有一个逐渐的锥度，在弯曲区域之前和之后，而不是在边界。在动态伸缩区对过孔说不。它可能有助于在FPC中切割槽，以减少大量弯曲的挠性。
弯曲材料的边缘应该有铜线，作为一个撕裂停止，以防止任何裂纹从传播到信号痕迹。这对于任何内部弯曲的轮廓尤为重要。通常在连接器之后有一个灵活的区域，轮廓变宽以适应连接器．这会在错误的位置造成一个内弯。所有的痕迹都流入了弯曲区。
构件的刚性区和弯曲区之间的边界是一个高应力点。无论该位置是否有弯曲区域，这都是正确的。将这些边界视为动态弯曲区域。沿着加强筋边缘的环氧树脂珠将起到应力缓解作用。
刚柔设计
以上设计原则仍然适用，层数越少越好。铜越少越好。模拟更少层的一种方法是不将所有层粘合在一起。当一个弯曲区有四层或更多层时，考虑采用活页法对弯曲区进行堆叠。高层数的一种变通方法是在多层上创建柔性芯，以便在刚性材料之间嵌入2或3块柔性。在柔韧性方面，使用三层叠加的flex(每层有两到三层)要优于六层的flex区域。
图3。图片来源:Polar Instruments -带有两个堆叠的柔性子部分的刚性/挠性。
我会很小心关于过孔的位置与刚性到柔性过渡区域的距离。类似于常规的弯曲，将通孔从过渡区两侧向后拉0.4毫米，可以防止您接到供应商的电话/问题。还要注意，覆盖物在刚性部分下折叠，就像它在加劲部分下折叠一样。
图4。图片来源:OrCAD -过渡区的微妙区别。
当你在弹性区域的网格层上/下/之间有一个轨迹时，网格应该继续进入刚性部分。不是使刚性部分更灵活，而是沿着轨迹的路径保持相同的阻抗几何形状。你可以在这些层上制作全局网格，但它实际上只需要在经过flex的受控阻抗轨迹上和下面。如果你知道如何做挠性板和刚性板，那么刚性-挠性板就是将两者组合在一起，并管理它从一个转向另一个的空间。
相关文件:
- 挠性/刚性-挠性印制板的鉴定和性能规范
- 柔性印制板分设计标准