提升柔性和刚柔结合电路性能的关键要点

博客作者：Tara Dunn

柔性和刚柔结合电路通常是 PCB 设计师在需要节省空间、减轻重量或消除笨重连接器时的首选。它们推动了微型电子设备的蓬勃发展，从医疗可穿戴设备和无人机系统到坚固的航空航天应用。但随着应用需求不断提高，即使是设计最优的柔性电路也开始面临压力。

在许多情况下，问题并非源于布线或信号流，而是 EMI（电磁干扰）、局部热量积聚以及使用过程中产生的机械应力，这些往往决定了设计是“能工作”还是能在实际环境中可靠运行。

今天，我们将探讨三种能显著提升柔性和刚柔结合电路设计的强大工具：EMI 屏蔽、散热管理和机械加强筋。每一种都会增加一定复杂性，但如果合理使用，它们能在性能、耐用性和可靠性方面带来显著改善。

关键要点

即使布线和信号流在纸面上看起来没问题，柔性和刚柔结合电路仍面临 EMI、热量积聚和机械应力等现实挑战。

EMI 屏蔽（铜网、银墨或屏蔽膜）可控制电磁辐射，但会增加厚度和刚性，因此必须合理布局、接地，并与制造商协同设计。

有效的热管理依赖于堆叠规划，以及散热通孔、导热界面材料（TIM）和带铝背的加强筋等工具，将热量从密集元件区域导出。

机械加强筋（FR4、聚酰亚胺或金属）是可靠性和可制造性的关键，能加强元件/连接器区域，改善组装操作，同时避免影响弯曲区域。

屏蔽

屏蔽通常用于设计存在电磁辐射风险的情况，这在缺乏完整接地平面的柔性设计中可能发生。为设计的特定区域添加屏蔽有助于抑制这些区域的过度辐射。

柔性电路可采用多种屏蔽方法：

交叉网格铜层：可在柔性堆叠中作为屏蔽。网格开口越大，屏蔽效果越差，但柔性越好，反之亦然。

银墨屏蔽：通过丝网印刷在表面，重量轻、柔性好，但导电性略低。

屏蔽膜：预制吸收材料，内含金属颗粒并带有粘性背胶，可直接贴在柔性电路表面，适用于空间受限的设计。

请注意，屏蔽并非解决辐射问题的唯一方法，最好先定位问题根源并尝试解决。

用于仿真的网格平面图像。

但屏蔽仍有优势，选择哪种方法取决于应用的电气性能和机械要求。无论采用哪种技术，都必须确保屏蔽良好接地，并在设计中均匀集成。

同时要记住，屏蔽会增加厚度和刚性，限制弯曲范围和半径。因此最好将屏蔽应用在靠近元件的区域，因为焊点附近本就不能弯折。务必在早期建模这些影响，并与制造商紧密合作，避免在生产或组装阶段出现意外。

散热管理

过去，热性能只在电力电子中被关注，但现在情况不同。随着元件密度增加、外壳缩小，即使低功耗柔性电路也可能面临散热问题，尤其是在刚柔结合板中，活跃元件集中在刚性部分，但热量会扩散到整个元器件中。

设计师可采用多种工具实现有效散热：

散热通孔：帮助将热量从关键元件传导至内部铜层或外部散热结构。

导热界面材料（TIM）：将热量从元件传递到散热器或外壳。

带铝背的加强筋：不仅增加结构强度，还能作为被动散热器。

柔性设计中的热管理往往更棘手。聚酰亚胺和薄胶粘剂在热稳定性方面表现良好，但导热性差。即使能耐高温，它们也无法有效散热。

因此，正确的堆叠规划至关重要。增加铜厚、调整元件位置或添加被动散热片都能缓解热点。务必在设计阶段与制造商沟通热要求，因为材料厚度和层压工艺会影响散热性能。

加强筋

在柔性或刚柔结合电路中，最容易被忽视的改进就是加强筋，但它对性能影响显著，尤其是在组装和实际使用过程中。

加强筋用于机械强化需要支撑的区域，例如：

安装元件的区域，如 BGA 或 QFN

插接 ZIF 连接器或压入式接触件的区域

经受贴片或回流工艺的区域

安装或操作时应避免弯折的区域

常用加固材料包括：

FR4：常见，机械性能与硬板兼容。

聚酰亚胺：重量轻，柔性更高，但仍能增加刚性。

金属（铝或不锈钢）：强度高，还能辅助散热。

加强筋的布局很重要。避免放在弯曲区域，并确保与阻焊层或覆盖膜开口对齐（如果使用胶粘剂）。还可以在不同区域采用不同厚度的加强筋，以实现柔性与强度的最佳组合。

加强筋还能提升组装工艺。例如，带加固的柔性区域适合真空贴片，而未加固的区域在贴装时会卷曲。

综合考虑

屏蔽、散热管理和机械加强筋往往决定了设计能否在实际环境中可靠运行，而不仅仅是纸面达标。它们不是事后补救，而是确保长期性能和可靠性的设计要素。

在设计柔性或刚柔结合电路时，不妨多问自己几个问题：

电路是否会经历高电磁干扰或高边沿速率？

外壳尺寸或元件重量是否带来散热问题？

是否易于制造并能长期稳定运行？

这些问题的答案将引导你采用上述一种或多种改进措施。

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