PCB设计之Rigid-flex刚柔结合板应用

      PCB设计趋势是往轻薄小方向发展。除了高密度的电路板设计之外，还有软硬结合板的三维连接组装这样重要而复杂的领域。软硬结合板又叫刚柔结合板。随着FPC的诞生与发展，刚柔结合线路板（软硬结合板）这一新产品逐渐被广泛应用于各种场合。因此，软硬结合板，就是柔性线路板与传统硬性线路板，经过诸多工序，按相关工艺要求组合在一起，形成的同时具有FPC特性与PCB特性的线路板。它可以用于一些有特殊要求的产品之中，既有一定的挠性区域，也有一定的刚性区域，对节省产品内部空间，减少成品体积，提高产品性能有很大的帮助。

 

柔性板的材料

   俗话说：“工欲善其事，必先利其器”，所以在考虑一个软硬结合板的设计及生产工艺时，做好充分的准备是非常重要的。但这需要一定专业知识以及对所需物料特性的了解，软硬结合板所选用的材料直接影响后续生产工艺及其性能。

对于硬板（Rigid）的材料大家都比较熟悉，经常会用到FR4类型的材料。但用于软硬结合的硬板材料也需要考虑到诸多要求。需要宜于粘牢，良好的耐热性，以保证受热后刚挠结合部分伸缩度一致而不变形。一般厂商采用树脂系列的刚性板材料。

对于软板（Flex）材料，选择尺寸涨缩较小的基材和覆盖膜。一般采用较硬的PI制造的材料，也有直接使用无胶基材进行生产的。软板材料如下所示：

基材（Base Material）：FCCL(Flexible Copper Clad Laminate)

聚酰亚胺PI。Polymide：Kapton(12.5um/20um/25um/50um/75um)。柔曲度好，耐高温（长期使用温度为260°C，短期内耐400°C），高吸湿性，良好的电气特性和机械特性，抗撕裂性好。耐气候性和化学药品性好，阻燃性好。聚酯亚胺(PI)的使用最广泛。其中80%都是美国DuPont公司制造。

聚酯PET。Polyester(25um/50um/75um)。廉价，柔曲度好，抗撕裂。抗拉强度等机械特性和电气特性好，良好的耐水性和吸湿性。但受热后收缩率大，耐高温性欠佳。不适合于高温锡焊，熔点250°C，比较少用。

覆盖膜(Coverlay)

覆盖膜主要作用是对电路起保护作用，防止电路受潮，污染以及防焊。覆盖膜厚度From1/2mil to 5 mils（12.7 to 127um）。

       导电层(Conductive Layer）分压延铜(Rolled Annealed Copper)，电解铜(Electrodeposited Copper）和银溅射/喷镀(Silver Ink)这几种方式。其中电解铜晶体结构粗糙，不利于精细线路良率。压延铜晶体结构平滑，但与基膜粘结力差。可从外观上区分点解和压延铜箔。电解铜箔呈铜红色，压延铜箔呈灰白色。

辅助材料和加强板(Additional Material&Stiffeners)。软板上局部区域为了焊接元器件或增加补强以便安装而另外压合上去的硬质材料。补强胶片可用FR4，树脂板，感压胶，钢片铝片补强等。

不流动/低流胶的半固化片(Low Flow PP)。用于软硬结合板的层压(Rigid and Flex Connection)，通常是非常薄的PP。一般有106(2mil)，1080(3.0mil/3.5mil)，2116(5.6mil)这些规格。

刚柔结合板的结构形式

刚柔结合板是在柔性板上再粘一个或两个以上的刚性层，是的刚性层上的电路与柔性层上的电路通过金属化相互连通。每块刚柔结合板有一个或多个刚性区和一个柔性区。如下所示为简单的刚性与挠性板的结合，层数多于一层。

      另外，一块挠性板与几块刚性板的结合，几块挠性板与几块刚性板的结合，采用钻孔，镀覆孔，层压工艺方法实现电气互连。根据设计需要，使得设计构思更加适合器件的安装和调试以及焊接作业。确保更好地发挥刚柔结合板的优点与灵活性。这种情况比较复杂，导线层多于两层。如下所示：

       层压是将铜箔，P片，内存挠性线路，外层刚性线路压合成多层板。刚挠结合板的层压与只有软板的层压或刚性板的层压有所不同。纪要考虑挠性板在层压过程中的形变又要考虑刚性板的表面平整性。因此，除材料选择之外，在设计的过程中需要考虑到刚性板的厚度合适，为保证刚挠部分的涨缩率一致不会出现翘曲。实验证明0．8~ 1．0mm厚度较为适宜。同时，要注意刚性板和柔性板离开结合部位的一定距离放置过孔，以便不会对刚挠结合部分产生影响。

刚柔结合板生产流程

       大家都知道软硬结合板是FPC与PCB的组合，软硬结合板的生产应同时具备FPC生产设备与PCB加工设备。首先，由电子工程师根据需求画出软性结合板的线路与外形，然后，下发到可以生产软硬结合板的工厂，经过CAM工程师对相关文件进行处理、规划，然后安排FPC产线生产所需FPC、PCB产线生产PCB，这两款软板与硬板出来后，按照电子工程师的规划要求，将FPC与PCB经过压合机无缝压合，再经过一系列细节环节，最终制程软硬结合板。

以Motorola 1+2F+1 Mobile Display&Side Keys这款4层板（两层硬板两层软板）为例。该板制版要求是HDI设计，BGA间距0.5mm。软板厚度25um有IVH(Interstitial Via Hole局部层间导通孔)孔设计。整板厚度：0.295+/-0.052mm。内层LW/SP为3/3mil。

 

刚柔结合版的设计规则注意事项

       刚柔结合板在设计方面比传统意义的PCB设计要复杂得多，并且，需要注意的地方也特别多。特别是刚挠过渡区域，以及相关的走线，过孔等设计方面，都需要遵循相应的设计规则的要求。

1.过孔位置

     在动态使用情况下，特别是经常对软板进行弯折的时候，软板上的过孔是尽量需要避免的，这些过孔很容易被损坏折裂。不过在软板上的加强区域还是可以打孔的，但也要避开加强区域的边沿线附近。因此，在软硬结合板设计中打孔的时候要避开结合区域一定的距离。如下图所示。   

       对于过孔与软硬结合区的距离要求，设计上需遵循的规则为：

应保存至少50mil的距离，高可靠性应用场合要求至少70mil。

绝大多数加工厂家不会接受低于30mil的极限距离。

对于软板上的过孔遵循同样规则。

此为软硬结合板中最重要的一条设计规则必须遵守。  

2.  焊盘和过孔的设计

      焊盘和过孔在符合电气要求的情况下，赢取最大值，焊盘与导体之间连接处采用圆滑的过渡线，避免直角。独立的焊盘应加盘趾，以加强支撑作用。

在软硬结合板设计中，过孔或焊盘很容易被损坏。要减少这种风险需要遵循的规则：

焊盘或过孔的助焊层露铜圈，越大越好。

过孔走线尽量添加泪滴，增加机械支撑作用。

添加盘趾，加固作用。

3.  走线设计

       在挠性区(Flex)若有不同层上的走线，尽量避免一根线在顶层，另一根线在底层它的相同路径。这样在软板弯折的时候，上下两层的走线铜皮的受力不一致，容易造成线路的机械损坏。而应该错落开来，将路径交叉排列。如下图所示。

 

       在挠性区(Flex)的走线设计要求最好走圆弧线，而非角度线。与硬板(Rigid)区的建议相反。这样可以保护柔性板部分线路在弯折时不易折损。线路也要避免突然的扩大或缩小，粗细线之间采用泪滴形弧线连接。

4.  铺铜设计

       对于增强柔性板的灵活弯折来讲，铺铜或平面层最好采用网状结构。但是对于阻抗控制或其他的应用来讲，网状结构在电气质量上又差强人意、所以，设计师在具体的设计中需要根据设计需求两害取其轻合理判断，是使用网状铜皮还是实心铜。不过对于废料区，还是尽可能设计多的实心铺铜。如下图所示。  

5.  钻孔与铜皮的距离

       这个距离是指一个孔与铜皮之间的距离，我们叫“孔铜距”。软板材料与硬板所用材料不同，以至于太紧的孔铜距离很难处理。一般的说，标准的孔铜距应该是10mil。

对于刚柔结合区来说，最重要的两个距离一定不能忽视。一个是这里所说的孔铜距(Drill to Copper)，遵循10mil的最低标准。另一个是之前所说的孔到软板边沿的距离(Hole to Flex)，一般推荐50mil。

6.  刚柔结合区的设计

       在刚柔结合区，软板最好设计在层栈的中间与硬板进行连接。而软板的过孔在刚柔结合区就被认为是埋孔。刚柔结合区需要注意的地方如下：

线路要平缓过渡，线路的方向应与弯曲的方向垂直。

导线应在整个弯曲区内均匀分布。

在整个弯曲区内，导线的宽度应达到最大化。

刚挠过渡区尽量不采用PTH设计。

7.  刚柔结合板弯折区的弯折半径

       刚柔结合板的挠性弯折区应能耐100,000次挠曲而无断路、短路、性能降低或不可接受的分层现象。耐挠曲性采用专用设备，也可采用等效的仪器测定，被测试样应符合有关技术规范要求。在设计上，弯折半径应如下图所示为参考。弯折半径的设计应该与挠性弯折区的软板厚度，软板层数有关。简单的参考标准为R=WxT。T为软板总厚。单面板W为6，双面板12，多层板24。所以单面板的最小弯折半径为6倍板厚，双面板为12倍板厚，多层板为24倍板厚。统统不应小于1.6mm。

      总之，对于软硬结合板的设计方面，特别重要的是关于挠性电路板设计。挠性板设计时要求考虑挠性板的基材、粘结层、铜箔、覆盖层和增强板及表面处理的不同材质、厚度和不同的组合，还有其性能，如剥离强度、抗挠曲性能、化学性能、工作温度等。特别要考虑所设计的挠性板的装配和具体的应用。这方面设计规则具体可参考IPC标准：IPC-D-249和IPC-2233。

另外对于软板加工精度，国外加工精度：线宽：50μm，孔径：0.1mm，层数10层以上。 国内：线宽：75μm，孔径：0.2mm，层数4层。这些都需要在具体设计时加以了解和参考。