Rigid-Flex弯曲设计详解

刚柔电路Rigid-Flex能够轻松地弯曲、折叠和扭曲。

折叠和扭曲也是特殊的弯曲。

如果弯曲半径很小，并且弯曲180度，就如同电路折叠在一起，谓之折叠；如果弯曲轴向并非垂直于基板边沿，多个弯曲组合在一起，电路如同扭曲一般，谓之扭曲。

下面的解释来自ChatGPT:

弯曲（Bending）是指在平面内使物体弯曲的形变。在杆件或梁上施加力使其发生弯曲时，通常会在杆件的顶部和底部出现压缩和拉伸区域，而在中心则会出现弯曲区域。

折叠（Folding）是指将物体沿着折痕或折线弯曲或叠叠起来。它通常涉及将物体的一个部分压在另一个部分上，使其沿着一个明显的线条弯曲，通常是沿着一个折痕线或者是沿着一个平面上的折线。

扭曲（Twisting）是指物体沿其长度轴线旋转，从而发生扭曲变形。当物体沿其长度轴线受到扭矩时，它会沿着它的轴线旋转，并且不同的区域会扭曲到不同的程度。如果扭曲太强，物体可能会折断或断裂。

感觉如何? ChatGPT是不是解释的还比较到位！

01

Bending Parameters

弯 曲 参 数

首先，我们了解一下，定义弯曲需要哪些参数。

一般定义一个弯曲需要7个参数，我们逐一阐述。

1. Bend line，弯曲轴线，定义了弯曲的位置和方位，由Start point (x,y)和End point (x,y)确定，两点确定一条直线。

2. Inner side，弯曲内侧，对于基板来说，分为顶层Top和底层Bottom，内侧为顶层则向上弯曲，内侧为底层则向下弯曲。

3. Radius，弯曲半径，这个需要着重注意的是以基板的那一层作为基准来测量半径，例如向上弯曲，顶层测量的为内径，底层测量的为外径。一般定义为inner side，即内径，但从笔者的实践经验来看，多数EDA软件实际遵循的并非内径或者外径，而是中心径，即以基板的截面的物理中心线Central line为基准进行测量。

4. Angle，弯曲角度，一般可从0到180度，但基于前文提到的空间不干涉原则，角度的范围其实会更小一些。

5. Order，弯曲顺序，因为是Multi-bending，因此需要定义弯曲的先后顺序。

6. Via keepout，过孔避让，弯曲的区域一般是禁止放置过孔，此外为了保险起见，可以设置在弯曲区域之外的额外空间也不放置过孔。

7. Component keepout，器件避让，弯曲的区域一般是禁止放置器件，此外为了保险起见，可以设置在弯曲区域之外的额外空间也不放置器件。

下图所示①② 为弯曲轴线，a为弯曲区域，由弯曲角度和半径确定，b为过孔避让区域，c为器件避让区。

下图显示为弯曲后的3D视图，两个弯曲都是向上弯曲，弯曲轴线、方位和2D一致，2D视图实际是3D在平面上的投影。

02

Bending Radius

弯 曲 半 径

前面我们提到，Radius弯曲半径，需要着重注意的是以基板的那一层作为基准来测量半径。

从笔者的实践经验来看，多数EDA软件虽然名义上定义为inner side，而实际却是Central line 中心半径，即以基板的截面的物理中心线为基准进行测量。

下面我们做一下分析。

如果以inner side为基准来测量内径，那么以哪一层作为内层呢？因为金属层之上还有Mask层，对于刚柔电路，这些Mask层种类很多，并且都有一定的厚度，因此内层实际上很难确定。

而选用Central line 中心半径则要稳定的多，因为大多数基板的板层都是对称的，表面层的变化并不太影响中心线的位置。

以下图为例，R1为内径，R2为外径，R为中心半径，T为弯曲所在区域的基板厚度，我们可以得出：R=R1+T/2。

R1的最小极限为0，此时R=T/2，实际中，这种极限不太可能出现，因为在此之前材料已经永久变形或者损坏。R>T/2则是弯曲的最最基本的前提条件。

实际情况中，R >>T/2，弯曲多呈现薄壁状态，R1≈ R2 ≈ R，如果在3D预览中发现弯曲非薄壁状态，则需要多加小心，确认参数是否有误，以及材料是否有永久变形和损坏的可能。

03

Bending rules

弯 曲 规 则

Rigid-Flex能够轻松地弯曲、折叠和扭曲，并且通常都是Multi-bending（多弯曲）复杂的Multi-bending可以多达数十个弯曲，弯曲的半径、角度、方位、顺序等等都需要合理的设计。

无论弯曲如何复杂多变，有一个原则不可违背，电路的各个部分在空间不能出现干涉。此外，基板断裂和焊接开裂的问题，在弯曲的区域一般是禁止放置过孔和元器件的，我们称之为Via keepout（过孔避让）和Component keepout（器件避让），保险起见，这些区域通常需要在弯曲区域外扩一定的空间。

最后，我们再请ChatGPT给出弯曲设计规则：

在Rigid-Flex刚柔电路的弯曲设计中，需要遵循以下要求：

弯曲半径：在Rigid-Flex电路板的弯曲部分，需要考虑弯曲半径。一般情况下，弯曲半径不应小于电路板的厚度的5倍，以避免线路受到过度弯曲而导致断裂或损坏。

弯曲方向：电路板的弯曲方向应该尽量保持一致，以保证线路的连续性和信号的稳定性。如果需要改变弯曲方向，应该采用渐进式弯曲，即逐渐将线路弯曲到新的方向，避免直接转弯。

弯曲角度：电路板的弯曲角度应该尽量小，以避免线路受到过度拉伸和弯曲而导致损坏。一般来说，弯曲角度不应超过180度。

弯曲部分长度：Rigid-Flex电路板的弯曲部分长度应该尽量短，以避免线路受到过度弯曲和拉伸。在设计时应该尽量缩短弯曲部分的长度，避免过度弯曲。

弯曲区域与刚性部分过渡：在弯曲区域和刚性部分的过渡处，需要采用逐渐变细的方式过渡，以避免线路受到过度拉伸和弯曲而导致断裂或损坏。

弯曲区域与柔性部分过渡：在弯曲区域和柔性部分的过渡处，需要采用逐渐变宽的方式过渡，以避免线路受到过度弯曲和拉伸而导致损坏。

弯曲区域的覆铜：在Rigid-Flex电路板的弯曲区域，需要对覆铜进行特殊处理，以避免覆铜被过度弯曲而导致断裂或损坏。

总的来说，在Rigid-Flex刚柔电路的弯曲设计中，需要遵循上述规则，确保线路的连续性和信号的稳定性。同时，在具体设计中还需要考虑弯曲区域的实际情况，根据具体情况进行细化和具体化。

审核编辑：刘清