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
这完全是另一回事。很多柔性印刷电路只不过是用定制的结构将总线从一个板送到另一个板的带状电缆的替代品。两端都有一个连接器，在连接器之间可能有一根电源线。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选择。聚酰亚胺是电介质标准，但在同一柔性材料上会使用其他电介质材料。堆叠图详细介绍了这些元素。
胶粘剂用于粘结各种层压材料。压敏胶(PSA)通常用于粘接覆盖层和聚酰亚胺或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，粘合剂也将是导电的，因为它形成了热路径的一部分。金属加劲筋从轮廓边缘有一个回拉，而聚酰亚胺或FR4加劲筋将与其他材料相同的尺寸。金属的优点是单位厚度的硬度更高，但它增加了成本。
覆盖物是聚酰亚胺材料的术语，它保护痕迹不受外界因素的影响。它有助于防止痕迹上升或因磨损而损坏。黑色是一种流行的覆盖物颜色焊接掩模．掩焊只用于向下焊接的柔性电路的加强部分。从覆盖层过渡到加强层和遮焊层的区域是一个复杂的区域，材料之间有一些精心控制的重叠。
图1。图片来源:Hirose -什么时候双层不是真正的双层?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流行选择。它与通常的边缘连接器有一点不同。金手指不是并排放置的简单矩形。典型的情况是有交错的两行。匹配的连接器具有铰链锁定机构，以保持ZIF连接器在适当的位置。
25微米(1密)厚的聚酰亚胺基膜是非常常见的。两米尔也可用。FPC由加筋区向柔性区转变的位置称为过渡区。将通道口从过渡区两侧向后拉0.4毫米，应该可以避免接到供应商的电话/问题。
另外，请注意覆盖物在刚性截面下折叠，并在过渡区结束。重叠持续了0.4毫米。当连接器或其他组件向下焊接时，焊锡掩膜与覆盖层重叠0.2 mm。当然，这些数字和材料类型将根据不同的制造商而有所不同。更重要的是，当涉及到弯曲时，走在堆叠的前面。
除了聚酰亚胺，铜，粘合剂，覆盖物，加强筋和焊锡掩膜
另一个胶合覆盖物可以添加在覆盖物的顶部EMI抑制．高速/高频痕迹将通过地网辐射。当你使用电磁干扰抑制膜时，覆盖物必须刻槽以显示暴露在地网的区域。放一块带通孔的固体铜是有用的，以创造良好的接触之间EMI屏蔽层和地面。每个连接器附近应该至少有一个暴露区域。较长的弯曲拉伸会有一些开口，但在弯曲区域没有。
然而，另一种技术使用双面胶带而不是硬件来保持弯曲的位置。粘性泡沫是另一种填补缝隙的材料。这两种材料都带有一层可剥离的薄膜，覆盖在面向外的粘合剂上，这样当需要将挠性粘贴到它的最终位置时，它就可以被移除。
“…弯曲表将显示所需的半径和区域将被来回弯曲的次数，这将是制造图纸的一部分。”
当涉及到导体，刚性板可以通过电沉积铜(ED)。晶粒结构是垂直的，所以表面粗糙，镀层太脆，无法获得可靠的屈曲。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，弯曲表显示所需的半径和区域将被来回弯曲的次数将是制造图纸的一部分。
按钮电镀与面板电镀
不像刚性层叠在美国，弹性堆叠将镀铜作为一个单独的项目。电镀通常是作为电镀通孔桶的一种手段，无论它是刚性或柔性设计。这意味着电沉积铜，我们可能不希望在挠性区域的痕迹，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，在蚀刻之前对所有金属进行电镀称为面板电镀。
弯曲区域-灵活的要点
有些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。有些必须在使用过程中进行弯曲。根据是要安装的一次性伸缩还是动态伸缩，需要遵循一些设计注意事项。任何笔记本电脑的铰链都是解决方案中非常复杂的部分，因为电源和数据必须从图形处理器(GPU)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，包括可转换为平板电脑的触摸传感器。不同的位流必须通过若干屈曲从壳体的一侧流向另一侧。每次打开或关闭盖子时，反复弯曲会引起机械应力。360度弯道压力最大。必须反复驱动的特定区域称为动态弯曲区域。特别的规则正在发挥作用。
Flex组装
根据弯曲的最小半径的不同，指导方针有所放宽。典型的是一次弯曲超过一个小的180度弧度，这样弯曲电路就可以自己折叠起来以节省空间。这种弯曲比大半径的温和弯曲更费力。
的制造者可以预弯柔性所以它有一种向要求的方向弯曲的自然倾向。在任何情况下，都存在一个弯曲厚度与最小内弯半径的比值。一个安全的数字是10比1，而最激进的转变是21比1。这将取决于具体的堆叠。一个大概的估计，三层FPC的厚度，包括顶部和底部覆盖将是200微米或0.2毫米。安全弯曲半径将从曲线内部测量2mm。
弯曲区域的第一个规则是在该区域甚至是邻近区域没有通孔。过孔就像通过z轴的小i型梁，作用是使弯曲变硬。违背他们的意愿去调整他们会导致他们崩溃和失败。当FPC弯曲时，弯曲的内侧会受到压缩，外侧会伸长。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-一个USB类型C连接器在一个flex的末端。
为了抑制EMI，一个非常长的弯曲区域可能需要一些“多余的”地通孔。可以添加特殊的涂层来代替通孔。问题是，你的材料越多，弯曲就越硬。最好的妥协并不总是明确的。
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。宽的轨迹应该向下弯曲或分成多个细的轨迹，在弯曲后重新连接在一起。通常不鼓励在弯曲中使用实体形状，但如果使用，应该通过弯曲区域转换为网格。
为了进行阻抗控制，通常使用具有一定金属-开口面积比的网格。交叉舱口通常像一个链状栅栏。根据轮廓的不同，移动的方向可以使轨迹与网格线对齐。因此，如果flex有一个在45度角，它将是明智的考虑旋转到22度角或任何适合的轮廓几何。
对于flex中的多个跟踪层也是如此。跟踪不应该运行在其他跟踪的正上方。错开一个图层，这样即使在两个图层之间有一个网格，它也可以在另一个图层的间隙中运行。柔性电路上的高速阻抗或任何其他可控阻抗通常包括三层。外层是接地网，内层是信号。接地网的故障不太可能导致整个伸缩失败。外层是受力层，而中心层没有被拉伸或压缩。
为了获得更高的信号密度使用窄条的柔性材料，迹线可以运行在外层与它们之间的网格。最终，网格可以被删除，你将只有两个层，甚至是一边的痕迹，而另一边什么都没有。如果痕迹像那样暴露在外面，机组的外壳必须考虑到盒子内外的辐射。
动态展示
对于正在运动的柔性，需要采取更多的措施。显然，你想要的是可以控制的最大弯曲半径。想象一下笔记本电脑铰链里面的区域，就知道我们面对的是什么了。选择宽的弯曲而不是厚的多层弯曲。无粘合剂的覆盖物稍微薄一点——而且是赢家!
线宽的变化有一个逐渐的锥度和前后的挠性区域，而不是在边界。在动态弹性区域内对过孔说不。它可能有助于削减槽在FPC，以减少质量的挠性看到很多弯曲。
柔性材料的边缘应该有铜线，作为一个撕裂停止，以防止任何裂缝从传播到信号痕迹。这对任何内弯的轮廓尤其重要。通常在连接器之后有一个灵活的区域，其中轮廓变宽以适应连接器．这会在错误的地方产生一个内弯。所有的痕迹都被汇集到伸缩区。
构件的刚性区域和挠性区域之间的边界是一个高应力点。无论那个位置是否有弯曲区域，这都是正确的。把这些边界看作是动态弯曲区域。沿加强筋边缘的环氧树脂珠将作为应力释放。
刚性Flex设计
以上的设计准则仍然适用，层数越少越好。铜越少越好。模拟更少图层的一种方法是不将所有图层粘在一起。当弯曲处有四层或四层以上时，考虑在弯曲区域使用活页方法堆叠。一个解决高层数的方法是在多层上创建柔性核心，这样两到三个柔性块嵌入到刚性材料之间。就柔韧性而言，使用三个堆叠的、每个有两层或三层的flex区域要比使用六层的flex区域好。
图3。图片来源:Polar Instruments -一个刚性/挠性的两个堆叠的挠性子部分。
我会小心的是，通孔是如何接近的位置，相对于刚性到挠性过渡区域。类似于一个普通的弯曲，拉通从过渡区域的任何一边0.4毫米应该使你从供应商的电话/问题。也请注意，覆盖物在刚性部分下，因为它做了加劲。
图4。图片来源:OrCAD -过渡区的细微差别。
当你在弹性区域的网格层上/下/之间有一个轨迹运行时，网格应该继续进入刚性部分。不是为了使刚性部分更灵活，而是为了沿着轨迹的路径保持相同的阻抗几何形状。你可以在这些层上使网格全局化，但它实际上只需要在贯穿挠性的受控阻抗轨迹之上和之下。如果你知道如何做柔性板和刚性板，那么刚性-柔性板就是将两者组合在一起堆叠，并管理从一个到另一个的空间。
相关文件:
- 挠性/刚性-挠性印制板鉴定和性能规范
- 柔性印制板设计分标准