蘇州FPC設(shè)計(jì)公司|剛?cè)峤Y(jié)合板如何設(shè)計(jì)？

剛?cè)峤Y(jié)合板不是普通電路板。是將薄層狀的撓性底層和剛性底層結(jié)合，然后層壓成單個(gè)組件，這個(gè)過程給我們帶來了非凡的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。當(dāng)設(shè)計(jì)師開始設(shè)計(jì)第一塊剛?cè)峤Y(jié)合印刷電路板 (PCB) 時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)他們學(xué)到的有關(guān)印刷電路板設(shè)計(jì)的大部分知識(shí)都存在問題。他們設(shè)計(jì)的不再是二度空間的平面底層，而是可以彎曲折疊的三維立體的內(nèi)部連線。我敢說這將是一個(gè)性能更強(qiáng)大的PCB。剛?cè)峤Y(jié)合板的設(shè)計(jì)者用單一元件代替由多個(gè)連接器、多條線纜和帶狀電纜連接成復(fù)合印刷電路板，性能更強(qiáng)，穩(wěn)定性更高。他們將設(shè)計(jì)范圍限制在一個(gè)組件上，通過像疊紙?zhí)禊Z一樣彎曲和折疊線條來優(yōu)化可用空間。

常用術(shù)語
從字面上看，“柔性電路”感覺就像是多線帶狀電纜的替代品。柔性平面基板上方是電路層，電路層相互首尾相連。這種類型的連接經(jīng)常可以在噴墨打印機(jī)的打印頭和控制板之間看到。在柔性電路方面，這種連續(xù)的柔性被稱為“動(dòng)態(tài)撓性”（dynamic flex）。在動(dòng)態(tài)撓性應(yīng)用中，柔性電路往往（但不限于）單面板，其目的是達(dá)到最好的效果和最強(qiáng)的可靠性。在各個(gè)子系統(tǒng)之間的互連中，例如將打印頭連接到控制板，最好使用柔性電路。

在柔性電路的生命周期中，必須以最小的撓度彎曲、折疊和組裝，這被稱為“flex-to-install”。根據(jù)應(yīng)用的需要，有多種類型的靈活安裝結(jié)構(gòu)，從單層到多層。生命周期中有限的撓度有利于限制導(dǎo)體上的應(yīng)力，也有利于制作更多的層數(shù)。

在柔性安裝過程中，如果需要單面模塊安裝，處理的策略是將剛性材料定位并層壓到柔性電路中以加固特定區(qū)域。這種柔性電路設(shè)計(jì)被稱為“剛性柔性”（rigidized flex）。剛性材料（通常為 FR4）不含導(dǎo)體，主要用于加強(qiáng)元件的底座或連接區(qū)域。剛?cè)岚寰哂腥嵝噪娐泛蛣傂圆牧系膬?yōu)點(diǎn)，但成本相對較高；剛?cè)峤Y(jié)合板可作為剛?cè)峤Y(jié)合板的替代品。剛性材料不需要蝕刻或電鍍，只需要根據(jù)電路鉆孔和添加，可以減少印刷電路板的加工時(shí)間。

在柔性安裝過程中，如果需要雙面模塊安裝，或者需要超薄印刷電路板，那么選擇軟硬結(jié)合板可能是唯一可行的解決方案。剛?cè)峤Y(jié)合板既有剛性層又有柔性層，是一種多層印刷電路板。典型的（四層）剛?cè)峤Y(jié)合印刷電路板有一個(gè)聚酰亞胺核，其兩面都覆蓋有銅箔。外剛性層由單面 FR4 組成，它們被層壓入撓性核的兩面，組裝多層PCB。剛?cè)岚鍛?yīng)用廣泛，但由于多種材料和多道生產(chǎn)工序的混合使用，剛?cè)岚宓募庸r(shí)間較長，生產(chǎn)成本較高。在制作多層剛?cè)峤Y(jié)合板時(shí)，柔性層的加工工藝與外 FR4 層的加工工藝完全不同。由不同材料制成的層必須通過層壓聚集在一起，然后鉆孔和電鍍。因此，制作典型的四層剛?cè)嵊≈齐娐钒宓臅r(shí)間可能比制作標(biāo)準(zhǔn)的四層剛性印制電路板的時(shí)間長 5 到 7 倍。圖 1 顯示了典型的剛?cè)峤Y(jié)合層壓結(jié)構(gòu)。

剛?cè)峤Y(jié)合板的應(yīng)用
剛?cè)峤Y(jié)合板經(jīng)常出現(xiàn)在消費(fèi)電子產(chǎn)品中，例如數(shù)碼相機(jī)、便攜式攝像機(jī)和 MP3 播放器。也可用于高端機(jī)載武器導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)研究，剛撓結(jié)合板最常用于制造軍用飛機(jī)和醫(yī)療設(shè)備。剛?cè)峤Y(jié)合板為軍用飛機(jī)的設(shè)計(jì)帶來了極大的好處，因?yàn)樗岣吡诉B接可靠性，同時(shí)還減輕了重量。當(dāng)然，整體更小的尺寸帶來的好處也不容忽視。植入式醫(yī)療器械，如心臟起搏器和人工耳蝸，也得益于剛?cè)峤Y(jié)合板在狹小空間內(nèi)的彎曲和折疊能力，大大提高了可靠性。你不妨想象一下，如果起搏器因?yàn)檫B接電池的電線脫落而無法工作，會(huì)是什么樣子。使用剛撓結(jié)合板，電池可以直接連接到電路層，可以安裝在組件的任何位置。

剛?cè)峤Y(jié)合板的應(yīng)用實(shí)例 剛?cè)峤Y(jié)合板應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計(jì)師選擇剛?cè)峤Y(jié)合板作為首選，因?yàn)檫@是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品目標(biāo)的必經(jīng)之路。他們可能會(huì)使用剛性設(shè)計(jì)作為原型來測試他們的設(shè)計(jì)理念，然后使用剛?cè)峤Y(jié)合板來創(chuàng)造新產(chǎn)品。

紅外系統(tǒng)將安裝在微型飛行器或無人機(jī)上。該系統(tǒng)需要覆蓋5立方英寸手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)的監(jiān)控范圍，有效載荷不超過3盎司。即在保持原有功能和可靠性水平的同時(shí)，減少了50%的空間，減輕了95%的重量。

最大的挑戰(zhàn)之一是如何將總重量從 3 磅減少到 3 盎司以下。唯一的解決方案是移除由多個(gè)連接器連接的剛性 PCB 組件，并切換到剛?cè)峤Y(jié)合板。我在設(shè)計(jì)過程的早期遇到了杰夫。雖然這是他第一次使用剛?cè)峤Y(jié)合板，但他每一步都做得很好。在生產(chǎn)過程中，他將PCB設(shè)計(jì)項(xiàng)目外包給了一位經(jīng)驗(yàn)豐富的剛?cè)峤Y(jié)合板應(yīng)用設(shè)計(jì)師，并在一大早讓PCB制造商參與進(jìn)來。

雖然剛?cè)峤Y(jié)合板的成本比傳統(tǒng)剛?cè)岚遒F，但它為這個(gè)項(xiàng)目提供了一個(gè)理想的解決方案。我們使用的是柔性基板的互連，而不是多個(gè)PCB的連接。這是減少空間和重量的關(guān)鍵，這正是我們所需要的。

由于剛?cè)峤Y(jié)合板具有可彎曲、可折疊的特點(diǎn)，可用于制作定制電路，最大限度地利用室內(nèi)可用空間。 Jeff 用這個(gè)來減少整個(gè)系統(tǒng)占用的空間。由于此設(shè)計(jì)不會(huì)量產(chǎn)，因此雖然生產(chǎn)成本較高，但相比之下，收入仍然高于成本。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
在設(shè)計(jì)剛?cè)峤Y(jié)合板時(shí)，必須考慮制造工藝的特點(diǎn)和所用材料的多樣性。設(shè)計(jì)人員不能簡單地創(chuàng)建用于四層剛性 PCB 的典型電路類型，然后希望獲得與剛?cè)岚逑嗤男Ч?。因?yàn)榫埘啺返某叽绶€(wěn)定性比 普通FR4 差3倍以上。一旦蝕刻掉銅，柔性材料將顯著收縮。大多數(shù)制造商了解材料的這一特性并準(zhǔn)確估計(jì)這種情況，因此當(dāng)PCB進(jìn)入加工過程（鉆孔和在線添加）時(shí)，他們試圖使電路板接近尺寸公差。如果設(shè)計(jì)者不考慮可能的制造問題，很可能在最后一刻意識(shí)到必須更新設(shè)計(jì)以適應(yīng)制造商的特殊加工工藝。

為達(dá)到最理想的效果，需要考慮盡可能擴(kuò)大柔性層上電鍍過孔的最小環(huán)孔，并確保所有線對焊盤和線對跡節(jié)點(diǎn)添加淚滴。如果要使用柔性內(nèi)層連接剛性電路的各個(gè)區(qū)域，在制造過程中必須仔細(xì)考慮如何支撐板的浮動(dòng)剛性區(qū)域，因?yàn)閯傂詫拥膮^(qū)域會(huì)被移除以暴露下面的柔性層。但是，去除太多剛性材料可能會(huì)使電路板變得脆弱。圖 2是多層剛?cè)峤Y(jié)合板，在剛性層上有一個(gè)“窗口”。

我們通常對柔性層進(jìn)行沖壓，因?yàn)闆_壓更適合薄的聚酰亞胺。也可以去除柔性層上的區(qū)域，從而減少與最終布線中的布線點(diǎn)的接觸（參考圖 3)。在設(shè)計(jì)工具中，必須考慮這些“無層”區(qū)域。此外，設(shè)計(jì)中可能不需要放置布線和/或無元件區(qū)域，以防止某些元件或線路懸掛在剛性區(qū)域的邊緣。

設(shè)計(jì)建議 因?yàn)槿嵝噪娐房梢詮澢驼郫B，避免產(chǎn)生不良電路，因?yàn)椴涣茧娐窌?huì)增加導(dǎo)體斷裂的可能性。以下是降低彎曲區(qū)域?qū)w壓力的一些建議：
1. 通過彎曲區(qū)域垂直于彎曲軸布線
2. 保持線路倒角、寬度變化和過孔路徑在折彎區(qū)域之外
3.用網(wǎng)格狀銅代替實(shí)心銅
4. 交叉相鄰層的并排布線，“I-Beaming”