柔性与硬性-柔性印制电路设计

一 个硬性-柔性电路，设计用来更紧凑地集成到它的外壳内。

什么是硬-柔板？

如其名暗示的，一个硬性的印制电路是一个半导体印制到一个柔性的绝缘胶卷体上。而硬-柔板则是给那些既包含硬性电路又包含柔性印制电路 的取的名，如 下图所示，这个合成体对能够得到灵活-和刚性电路二者优点而言是个好主意 - 硬性电路可以承载大块的元件，而柔性部分可以扮演连接硬性电路部分的角色。

柔性电路技术初始目的是为了节约空间和重量。今天，该技术非常受欢迎，不仅仅是因为她能帮助节约空间和重量 - 这会使得便携式的设备比如移动电话和平板电脑- 她还能通过大量减少内部连线的需要从而减低包装的复杂度；还能提高产品可靠性，因为减少了硬件连接以及改善了装配领域的工作；当考虑到整体生产和制造成 本，她还帮助减少了成本。

柔性电路通常被分为两类：静态柔 性电路以及动态柔性电路。 静态柔性电路（暂且称为A） 一般指在组装和维修期间只需最小程度的弯折。动态柔性电路（暂且称为B） 一般用于经常性的弯折；如磁盘驱动头，打印头，或者是笔记本屏幕铰链的一部分。这个区别很重要因为它不光影响的是材料选择还有结构方法。有许多层堆栈 （layer stack-up）配置可用来制造硬性-柔性电路。每个都有她自身电路的、物理的以及成本的优势。

硬性- 柔性电路设计

设计一个柔性的或者硬性-柔性电路是一个非常机电化的过程。设计任何一个PCB都是一个3维设计过程，但对于一个柔性的或者硬性-柔性 设计，3维的 设计要求更加重要。为什么？因为硬性-柔性板可能在产品的外壳内需要贴近多个表面，而这个贴近将可能会作为组装过程的一部分。为了确保成板的所有部分在折 叠位置匹配外壳，强烈建议需要创建一个机械实体模型（比较有名的是纸娃娃裁剪）。这个过程必须是越精确越好，越实际越好，所有可能的及机械和硬件元素都包 含进来，而且两个环节必须仔细分析，即装配时间阶段与完成装配。

柔性电路生产用到的材料

柔性电路由柔性基板材料和铜皮经过粘合剂、加热加压叠层而建。

最普通的基板是聚酰亚胺，一种牢固且柔性热硬化的聚合物（热固性塑料）。经常用于生产柔性电路的聚酰亚胺的例子包括： Apical, Kapton, UPILEX, VTEC PI, Norton TH 和Kaptrex。注意，这些都是注册的商品名称，由各自商标的拥有者拥有。

铜皮层典型地被卷曲和退火（RA）铜皮，或者有时候用锻造铜皮。这些形式的铜皮被生产成铜箔，它可以提供极好的柔韧性。这类铜箔有延长 晶粒，此特性 使得它能适应在动态柔性电路中获得最大的使用寿命。这可通过将动态柔性电路沿着卷状定位（所以电路同铜箔盘绕卷的方式一样弯曲）。柔性生产商通常在制造嵌 板的准备期间处理该过程，如果设计师执行他们自己的电路处理（指嵌套柔性电路设计），那么这才会变成问题。铜箔一般都披上感光层，该感光层会被曝光和侵蚀 以提供想要的导体和终端焊盘。

粘合剂典型为丙烯酸，作为结构上最软的材料，介绍大量生产挑战，他们包括：溢胶，这里粘合剂溢出到开放的挖空区进入到覆盖层到铜皮层； 由于丙烯酸的 更高的CTE (coefficient of thermal expansion) ，即热膨胀系数，Z轴膨胀；由于较高的水分吸收率导致水分挥发，这会导致流胶，在镀通孔处吹出和分层。替代粘合剂和需求较少粘合剂的进程是可获得的，这更 适合于对成本敏感度较少的应用。

柔 性电路制造简易图，材料经过高温高压后沉积。

柔性和硬性-柔性层堆栈类型

有不少标准的堆栈用于柔性和硬-柔性电路，参考Types。 如下概述：

类型1 - 单层

单面柔性连线包含一个导电层和一个或两个聚亚酰胺外覆盖层。

• 一个导电层，要么是两个绝缘层积压的或者在另一面的开放层；
• 到导电体的孔可以是一边或者是两边；
• 元件孔没有电镀；
• 元件，加强筋、管脚和连接器可以使用；
• 适用静态或者动态柔性电路。

类 型1两层覆盖的柔性结构，两边开孔，元件孔无电镀。

类型2 - 双层

双层柔性印制连线包含两个导电层，带有镀通孔，有或无加强筋。

• 两个导电层间有一个绝缘层；外层有覆盖或敞开的焊盘；
• 镀 通孔提供层间的连接；
• 孔 或敞开的焊盘可在一面或两面；过孔两面皆可覆盖；
• 元 件，加强筋，管脚和连接器可用；
• 适 用静态和动态柔性应用。

类 型2两面带孔和镀通孔的柔性机构。

类型 3 - 多层

多层柔性印制连线包含3层或更多的带有镀通孔的导电层，可带或不带有加强筋。

• 三层或更多柔性导电层中与柔性绝缘层分隔开；外层有覆盖的或裸露的焊盘。
• 镀 通孔提供层间的连接。
• 通 孔或外露焊盘可在一面或者两面都有。
• 过 孔可以是盲孔也可以是埋孔。
• 可 用元件、加强剂、管脚和连接器。
• 典 型用于静态柔性电路。

第 三类柔性结构拥有两边的通孔以及镀通孔。

类型 4 - 多层硬-柔电路

多层硬-柔材料合成板（硬-柔电路）包含三个或更多带镀通孔的导电层。硬-柔电路在硬性板层上有半导体，这不同于带有加强筋的多层电 路。

• 两个或更多之间带有柔性或硬性材料作为隔离的导电层；外层有覆盖或曝露焊盘。
• 镀通孔延伸穿越硬性和柔性层（与盲埋孔不同）。
• 通孔或外露焊盘可在一面或者两面都有。
• 过孔或者互联插头可被全覆盖以获得最大绝缘。
• 元件、加强筋、管脚、连接器、加热槽和安装支架可用。

第 四类硬-柔结构，硬的部分通过添加硬性层到柔性结构的外部来加工形成。

Altium Designer如何支持硬-柔电路

Altium Designer的PCB编辑器是一个层设计环境，支持32个信号层以及32个内电层。这些铜皮层用绝缘层分隔。通常来讲，一个典型的硬性PCB会用 FR4和半固化片作为绝缘层，尽管有很多可用的材料，但每种材料都有不同的适用环境。对于传统的硬性PCB，这些铜皮和绝缘层存在于整个PCB，因此，一 个层堆栈就可以定义整个板卡范围。

8 层硬性电路的层堆栈，如Altium Designer较早版本。

硬-柔设计不会作用于整个电路设计，硬体部分会不同于柔体部分的设置。如果一个硬-柔设计有多个柔体部分，那么可能会每个部分的设置都 不一样。单一 层堆栈的PCB编辑器无法支持这样的设计环境。要支持这个功能，Altium Designer的层堆栈管理系统已得到加强并支持多堆栈的定义，如下图：

层 堆栈管理器支持多个层堆栈的定义。

多个层堆栈

Main article: PCB Layer Stack Management

为了支持在板卡不同地方设置不同层，Altium Designer支持多个层堆栈的概念。这要求板卡设计师必须能掌控整个板卡的层堆栈定义，应用该堆栈内可获得的层，任何数量的子堆栈都可以定义。每个子 堆栈都可悲定义、命名以准备用于硬-柔体设计。

板卡外形

Main Articles: Creating and Modifying the Board Shape, Defining Board Regions and Bending Lines

层堆栈定义了板卡设计垂直方向的空间，或者说Z平面。在Altium Designer中，板卡空间由板卡外形中的X和Y平面定义。板卡外形是人以外形的多边区域，带有直线或者任意角度的玩曲线，还可包含任意形状的挖孔（内 部孔）。板卡外形是Altium Designer 的PCB编辑器的基础概念，它定义了设计可及的区域，即元件和布线可放置的范围，Altium Designer的智能分析引擎，如设计规则检查或者自动布线器，将作用于该板卡外形边界内。

注意，整个电路设计有一个单一的完整的板卡外形，包含硬性-柔性部分。在该板卡外形内，通过放置分割线（Split Lines ） 可形成任意数量的板卡区域。如下图所示的是板卡被分割成了3部分，这由2根水平蓝色分割线完成。使用上面的链接学习如何将板卡分割成多个区域。

一 个不规则板卡外形，注意水平蓝色虚线分割线，这将板卡分割成了3个区域。

指定一个层堆栈到某一板卡域

Main Article: 定义板卡区域与弯折线

如所提到的，传统的硬制PCB，铜皮和绝缘层存在于整个PCB内，于是一个单一的层堆栈可用于定义整个板卡外形。对于一个包含数个硬区 域、软区域的 硬性-柔性设计，每个区域都需要一个不同的层堆栈。Altium Designer中这可通过获得支持指定一个层子堆栈到某一板卡外形区域的能力来达到此目的。若要指定，则双击该区域以打开板卡区域（Board Region ）对 话框，然后于下拉列表中选择所需的层堆栈， 如下图所示：

双 击一个板卡区域以打开Board Region对 话框并指定所需的层堆栈。

放置并管理弯曲线（Flex Bend Lines）

Main article: 定义板卡区域与弯折线

如果一个区域有一个层堆栈被指定，而且此堆栈使能了Flex选 项，那么弯曲线（Bending Lines ）可被放置到该区域。每个弯曲线有一个：半径、弯曲角度和一个影响范围宽度属性，允许他们在折叠状态内显 示，就如它们将在一个真实产品中一样的情况。

2 根弯曲线已被定义，允许此硬-柔板呈现折叠状态。

设计注意事项

• 导体布线 - 拐角；
• 焊盘形状和范围 - 嵌逢法，兔耳单向折叠；
• 覆盖层 - 避免应力集中（曝露传入轨道），覆盖层减少张开250um；
• Planes
• 交叉长度 - 装订；
• 循环服务；
• 保护铜皮；
• 处理 - 让弯折区域的方向匹配材料纹理的重要性；
• 撕裂强度 - 弯角，角落钻孔，分割孔，角落离开金属；
• 在一个柔性地带 - 避免镀通孔，90度布线，两层板上交叉轨迹（避免辐射），材料纹理在折叠的正确角度，最大可能的弯曲半径，最小可能的弯曲弧（弯曲总弧），通过弯折区加宽 线宽（特别重要的是永久弯折）；
• 静 态弯折率是弯折半径与电路厚度的比，理想情况下，多层电路的弯折率至少为20:1.而一个双层电路，最小弯折率为10:1。对于单层电路，最小弯折率应该 至少10:1；
• 镀 铜不适合弯折电路。

文档以及绘制要求

需 要深入探讨.... 

典 型文档要求包括：

1. 柔 性PCB需要制造成IPC-6013，类（你所需）标准。
2. 柔 性PCB需构建成最小可燃率V-0（如果需要）。
3. 柔 性PCB应为RoHS（如果需要）。
4. 硬 体材料应为GFN 按照IPC-4101/24(如果使用环氧树脂材 料)。
5. 硬 体材料应为GIN按照PC-4101/40(若采用聚酰亚胺材 料)。
6. 弯 折铜外皮材料应为IPC4204/11（弯折粘合铜外皮电子材料）。
7. 外 敷材料应按照IPC 4203/1。
8. 最 大板卡厚度不应超过（你的要求值），层压与电镀处理。在表面电镀结束后测量。
9. 硬 体部分丙烯酸粘合剂的厚度不能超过整个架构的10%，见上方的注释。
10. 袋 装材料可被用于方便制造，运输之前必须从板卡折叠部分移除。
11. 柔 体部分的厚度须为(你的所需值，如果厚度不需很严格则不必标注本条)。
12. 镀 通孔的最小铜皮墙厚度（你的所需值）{建议平均.001”}，最小环轮（你的所需值）{建议.002}。
13. 在 板卡硬体部分两面裸露的铜皮上应用绿色LPI阻焊（若需要），所有曝露的金属将是（你的表面完成要求）。
14. 板 面丝印（若需要）使用白色或黄色（最普通的）非导电环氧树脂。
15. 此 处你的标记与鉴别要求。
16. 此 处你的电子测试要求。
17. 此 处你的包装和运输要求。
18. 阻 抗要求。

额外绘图细节

1. 一 张钻孔表详列已完成的孔尺寸，相关容差以及是否电镀。
2. 尺 寸化的绘图包含参考基准面，严格的尺寸，硬体到软体界面，弯折位置以及方向标记。
3. 处 理细节，如过有要求。
4. 结 构与层细节，每层所用材料细节，厚度以及铜皮重量。

参考

Joe Fjelstad, Flexible Circuit Technology

http://flexiblecircuittechnology.com/flex4/

Minco Products Inc - Flex Circuits Design Guide

http://www.minco.com/~/media/WWW/Resource%20Library/Flex/Minco_FullFlexDesignGuide.ashx

Minco Products Inc

http://machinedesign.com/archive/staying-flexible - Mark Finstad, Applications Engineer

http://machinedesign.com/archive/basics-flex-circuit-design