第10节- PCB设计:挠性电路
这是第十个部分在返校系列PCB设计师和那些可能想要了解更多的人。
内容
Flex电路
这是完全不同的事情。很多柔性印刷电路(FPCs)只不过是一种带有定制结构的带状电缆的替代品，可以将总线从一个板连接到另一个板。在每一端都有一个连接器和一些走线，可能在连接器之间有一条电源线。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-一个自己的世界
很容易，刚性板和挠性板之间的最大区别在于材料的呼出。聚酰亚胺是电介质的标准，但也会有其他的电介质材料在使用相同的挠性。堆叠图详细介绍了这些元素。
粘合剂用于粘合各种层压材料。压敏胶(PSA)通常用于粘贴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，通常会使用热固性粘合剂(TSA)。在这种情况下，粘合剂也是导电的，因为它形成了热路径的一部分。金属加强筋从轮廓边缘有回拉，而聚酰亚胺或FR4加强筋将是相同的尺寸，其余的材料。金属的优点是单位厚度更硬，但也增加了成本。
覆盖层是指聚酰亚胺材料，它可以保护痕迹不受元素的影响。它有助于防止因磨损而抬起或损坏痕迹。黑色是一种流行的颜色焊接掩模。阻焊片只用于挠性电路中需要焊接的硬化部分。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，需要仔细控制材料的重叠。
图1所示。图片来源:Hirose -什么时候两层不是真正的两层?当它是Flex时。
零插入力(ZIF)连接器是将柔性板连接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排列的矩形。典型的情况是两行错开。配合连接器有一个铰链锁定机制，以保持ZIF连接器到位。
25微米(1密耳)厚的聚酰亚胺基膜是很常见的。两杯也可以。FPC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，请注意，覆盖层在刚性部分下折叠，并在过渡区结束。重叠的地方有0.4毫米。当连接器或其他组件焊接时，阻焊片与覆盖层重叠0.2毫米。当然，这些数字和材料类型会因不同的制造商而有所不同。更重要的是，当涉及到屈曲时，走在前面。
采购产品聚酰亚胺，铜，粘合剂，覆盖层，加强板和阻焊板
另一个胶粘覆盖可以添加到覆盖的顶部为EMI抑制。高速/高频走线将辐射穿过地面网格。当你使用电磁干扰抑制膜时，覆盖层必须有缺口，以显示地面网格暴露的区域。把一块固体铜与通孔是有用的，以创造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应有一个暴露区域。一个较长的弯曲拉伸会有一些开口，但在弯曲区域没有。
另一种技术是使用双面胶带而不是硬件来保持弯曲的位置。粘接泡沫是另一种可以填补空隙的材料。这两种材料都有一层可剥离的薄膜，覆盖在外向的粘合剂上，这样当需要将弯曲物粘到最终位置时，就可以将其去除。
“…一个显示所需半径和前后弯曲次数的弯曲表将成为制造图纸的一部分。”
当谈到导体时，刚性板可以通过电镀(ED)铜。晶粒结构是垂直的，所以表面粗糙，镀层太脆，无法可靠地弯曲。轧制退火(RA)铜具有光滑的水平晶粒，这可能有利于大约10,000次弯曲循环。汽车行业看到了很多潜在的振动，迫使他们在材料堆叠部分呼唤“超柔性”HA铜。在任何情况下，一个弯曲表，显示所需的半径和次数的面积将被前后弯曲将是制造图纸的一部分。
按钮电镀vs.面板电镀
不像刚性层叠的时候，弯曲的叠板会把铜板作为一个单独的项目。镀板总是作为一种手段电镀通过桶，无论是刚性或柔性设计。这意味着我们可能不希望在柔性区域的痕迹上电镀铜，无论弯曲与否。
为了让铜进入过孔而不让它到处都是，一个特殊的制造步骤包括，他们掩盖了除过孔以外的一切。这是按钮电镀，而在蚀刻之前做所有金属的镀板被称为面板电镀。
弯曲区域——柔韧的要点
一些fpc在安装和使用方面保持不变。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。根据它是要安装的一次性flex还是动态flex，需要遵循一些设计注意事项。任何笔记本电脑上的铰链都将是解决方案中非常复杂的一部分，因为电源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顶部都有一个摄像头模块，可能还有一个闪光灯或其他传感器，包括用于转换为平板电脑的笔记本电脑的触摸传感器。不同的比特流必须从外壳的一侧流到另一侧。每次打开或关闭盖子时，反复弯曲会产生机械应力。360度转弯是压力最大的。必须反复被驱动的特定区域称为动态弯曲区。特殊的规则在起作用。
柔性装配
根据弯曲的最小半径，指导方针有些放松。在一个小的180度弧线上的一次弯曲是典型的，这样弯曲电路可以自己翻倍以节省空间。这种弯道比大半径的温和弯道要花更多的力气。
的制造商可以预弯曲弯曲所以它有一种自然的倾向，向要求的方向弯曲。在任何情况下，都有一个弯曲厚度与最小内弯曲半径的比值。最安全的数字是10比1，最激进的数字是21比1。这将取决于具体的堆栈。包括顶部和底部覆盖层在内的三层FPC厚度的大致估计为200微米或0.2毫米。从曲线内侧开始测量的安全弯曲半径为2mm。
弯曲区域的第一条规则是在该区域甚至邻近区域没有通孔。过孔就像穿过z轴的小工字梁，起到加强弯曲的作用。强迫他们违背自己的意愿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。有些东西必须要放弃。路由最可靠的位置是在堆栈的中间。
图2。图片来源:作者-一个USB C型连接器在弯曲的末端。
一个非常长的弯曲区域可能需要一些“冗余”接地过孔，以抑制电磁干扰。可以添加特殊涂层来代替过孔。问题是材料越多，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。宽的痕迹应该向下或分成多个细的痕迹，在弯曲后重新连接在一起。实体形状通常不鼓励在弯曲中使用，但如果使用，应该通过弯曲区域转换为网格。
为了控制阻抗，通常使用具有一定金属与开口面积比例的网格。交叉舱口通常类似于链环围栏。根据轮廓的不同，移动的方向可以使轨迹与网格线对齐。如果flex有一个分支在45度角，明智的做法是考虑将弯曲旋转到22度角或任何适合轮廓几何形状的角度。
对于flex中的多个跟踪层也是如此。迹线不应该运行在其他迹线的正上方。错开一层，使其在另一层的空隙中运行，即使两者之间有网格。高速或任何其他控制阻抗在挠性电路通常涉及三层。外层为接地网，内层为信号网。地网格的故障不太可能导致整个挠曲失效。外层是受力层，而中心层没有拉伸或压缩那么多。
为了获得更高的信号密度，使用窄条弯曲材料，走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，甚至一侧的痕迹，而另一侧什么也没有。如果这些痕迹要像那样暴露出来，这个装置的外壳就必须考虑到进出盒子的辐射。
动态展示
对于运动中的关节，需要更多的测量。显然，你想要最大的弯曲半径，可以管理。想象一下笔记本电脑铰链内部的区域，就知道我们面对的是什么了。选择宽的柔韧度，而不是厚的多层柔韧度。不粘剂覆盖是稍微薄-和一个赢家!
线宽的变化是逐渐变细的，发生在弯曲区域之前和之后，而不是刚好在边界。只要对动态伸缩区的过孔说不就行了。它可能有助于在FPC中切割槽，以减少挠曲看到很多弯曲的质量。
弯曲材料的边缘应该有一个铜线，作为一个撕裂停止，以防止任何裂纹传播到信号的踪迹。这对轮廓的任何内部弯曲都是特别重要的。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连接器。这会在错误的地方造成一个内弯。所有的痕迹都流入了弯曲区。
部件的刚性区域和弯曲区域之间的边界是一个高应力点。无论在那个位置是否存在弯曲区域，这都是正确的。将这些边界视为动态弯曲区域。沿加劲板边缘涂上一层环氧树脂，起到缓解应力的作用。
刚性弯曲设计
上面的设计准则仍然适用，层越少越好。铜越少越好。模拟更少层的一种方法是不要将所有层粘合在一起。当在弯曲区有四个或更多的层时，考虑在弯曲区采用活页方法进行堆叠。对于高层数的一个解决方案是在多个层面上创建柔性芯，以便在刚性材料之间嵌入两到三块柔性。当涉及到柔韧性时，使用三层堆叠的两层或三层弯曲区比六层弯曲区更好。
图3。图片来源:Polar Instruments -刚性/柔性，具有两个堆叠的柔性子部分。
我会小心过孔相对于刚性到柔性过渡区域的位置有多近。与普通的伸缩管类似，将通孔从过渡区两侧向后拉0.4毫米，这样你就不会接到供应商的电话或问题。还要注意的是，覆盖下的刚性部分，因为它做了加强。
图4。图片来源:OrCAD -过渡区的细微差别。
当您在弯曲区域的网格层上/下/之间运行跟踪时，网格应该继续进入刚性部分。不是为了使刚性部分更灵活，而是为了保持沿走线路径相同的阻抗几何。你可以在这些层上做全局网格，但实际上只需要在挠性体上的可控阻抗线上下。如果你知道如何制作柔性板和刚性板，那么刚性-柔性就是将两者结合在一起，并管理从一种板转向另一种板的空间。
相关文件:
- 柔性/刚柔性印制板的鉴定和性能规范
- 柔性印制板分设计标准