刚柔结合PCB的优势及使用规则

本文将讨论什么是刚柔结合 PCB，使用它们的优势，以及使用它们设计应用程序的规则。

在电子领域，我们有时会遇到源自过去的看似新技术。刚柔结合 PCB 技术可以追溯到大约 50 年前，需要更换航天器中的线束。第一台商用移动计算机（重 25 磅多一点！）使用刚柔结合技术。

如今，笔记本电脑、可穿戴技术、医疗设备、测试设备和卫星是依赖刚柔结合 PCB 的应用中的一小部分。

什么是刚柔结合 PCB？

对于刚柔结合PCB，柔性电路基板和刚性电路基板层压在一起。刚性-柔性 PCB 跨越了传统刚性 PCB 的界限以及使用高延展性电沉积或轧制退火铜导体光刻在柔性绝缘膜上的柔性电路的独特特性。

柔性电路包括由 Kapton 或 Norton 等柔性聚酰亚胺制成的叠层，以及通过热、丙烯酸粘合剂和压力层压在一起的铜。

与传统 PCB 一样，您可以在刚性板的两侧安装组件。由于刚性和柔性电路之间发生集成，刚柔结合设计不使用连接器或部分之间的连接电缆。相反，柔性电路将系统电气连接在一起。

没有连接器和连接电缆可以完成几件事：

提高电路无损传输信号的能力

适应受控阻抗

消除冷接头等连接问题

减轻重量

为其他组件释放空间

每个刚柔结合 PCB 都被划分为具有不同材料和不同层数的区域。刚性区域可能比柔性区域具有更多层，并且材料在过渡区域中从 FR-4 转变为聚酰亚胺。

复杂的设计通常会多次从刚性转变为柔性，然后再转变为刚性。随着这些交叉点的​​出现，刚柔结合材料的重叠需要使孔远离过渡区以保持完整性。此外，许多刚柔结合设计包括不锈钢或铝加强件，可为连接器和组件提供额外支撑。

有关柔性 PCB 的更多信息，请查看我们关于项目设计的柔性与刚柔结合 PCB的文章。

不同的设计规则适用于刚柔结合 PCB 设计

不同的挑战抵消了允许您构建 3D 设计和产品的多功能性和灵活性。传统的刚柔结合 PCB 设计允许您将产品的组件、连接器和底盘安装到组件的物理强度更高的刚性部分。同样，就传统设计而言，柔性电路仅用作互连，同时降低了质量并提高了抗振性。

新产品设计与改进的柔性电路技术相结合，为刚柔结合 PCB 引入了新的设计规则。您的设计团队现在可以自由地将组件放置在柔性电路区域上。将这种自由度与刚柔结合设计的多层方法相结合，可以让您和您的团队在设计中构建更多电路。然而，获得这种自由在布线和孔方面增加了一些挑战。

柔性电路总是有影响布线的弯曲线。由于潜在的材料应力，您不能将元件或通孔放置在靠近弯曲线的位置。

渲染演示了刚柔结合 PCB 弯曲线的基本概念。

即使组件位置正确，弯曲的柔性电路也会在表面贴装焊盘和通孔上产生重复的机械应力。您的团队可以通过使用通孔电镀和通过额外的覆盖层来加强焊盘支撑来固定焊盘来减少这些压力。2

在设计走线布线时，请遵循减少电路压力的做法。在柔性电路上承载电源或接地层时，使用阴影多边形来保持灵活性。您应该使用弯曲的走线而不是 90° 或 45° 角，并使用泪珠图案来改变走线宽度。3

用于跟踪到跟踪连接的泪滴模式。

这些做法减少了压力点和弱点。另一种最佳做法是通过错开双面柔性电路的顶部和底部迹线来跨迹线分布应力。偏移走线可防止走线在同一方向上相互重叠并加强 PCB。

您还应该垂直于弯曲线布线以减少应力。当从刚性转变为柔性再回到刚性时，从一种介质到另一种介质的层数可能不同。您可以使用走线通过偏移相邻层的布线来增加柔性电路的刚度。1，2，5，6

机电因素影响设计

当您设计刚柔结合 PCB 时，请考虑影响柔性电路和刚性板的机电因素。在构建设计时，请关注弯曲半径与厚度的比率。对于柔性电路，弯曲区域的紧密弯曲或增加的厚度会增加失败的机会。制造商建议将弯曲半径保持在柔性电路材料厚度的至少十倍，并构建电路的“纸娃娃”以确定弯曲发生的位置。3，6

您应该避免沿着外弯拉伸柔性电路或沿着内弯压缩它。将弯曲角度增加到超过 90° 会增加柔性电路上某一点的拉伸和另一点的压缩。

刚柔结合可靠性的另一个关键问题是弯曲区域中导体的厚度和类型。您可以通过减少导体上的电镀量和使用仅焊盘电镀来降低厚度和机械应力。使用厚铜、金或镍镀层会降低弯曲处的柔韧性，并允许发生机械应力和断裂。

刚柔结合 PCB 设计需要团队合作

新的 PCB 设计工具使您的设计团队能够管理多层堆栈、可视化 3D 机电设计、检查设计规则以及模拟柔性电路的操作。即使手头有这些工具，刚柔结合 PCB 的成功设计也取决于您的团队和制造商之间的团队合作。

团队合作必须从项目的最早阶段开始，并在整个设计过程中持续进行，并取决于一致的沟通。