技术资讯 I 刚柔结合印刷电路板设计

将柔性电路的所有特性与充分利用高密互连（HDI）技术的刚性电路板相结合，堪称当代重大技术突破。该设计可成功避开板对板堆叠连接器或典型的柔性电路。如果我们曾尝试将柔性电路与堆叠连接器进行对插，就会发现这是整个工艺中的一个瓶颈——这种“盲插”操作极度考验手感，稍有不慎就可能因对准偏差而导致连接器损坏。

刚柔结合设计既集二者之长，亦纳二者之短。首先，如果团队采取这种方式，就表明他们非常重视所有可能的集成。虽然这两种技术本身认可度都很高，但目前刚性阵营规模更大，认可度更高。

柔性电路的独立应用

柔性印刷电路（Flexible Printed Circuits, FPC）所需要的不仅仅是改变材料，而是改变更坚固的同类产品。必须在数据中设计额外容差。其中一个重要原因是制造过程中会有各种不同类型的材料堆叠。在大多数情况下，柔性板也会有刚性部分，用于安装连接器。此外，强化区域还可以扩展，以安装静电放电（ESD）保护装置、发光二极管（LED）或麦克风等，非常灵活。

图 1：具有交错引脚的印刷连接器。图片来源：Hirose

可印在柔性板上的零插入力（Zero Insertion Force, ZIF）连接器就是一个很好的例子。如果采用这种方法，在柔性板尾端有一个加强筋，为引脚提供支撑。将加强筋插入配对连接器，然后按下连接器上的操纵杆，将柔性电路板尾翼锁定到位。无论是纯柔性板还是刚柔结合板，比起堆叠连接器，使用 ZIF 连接器组装会更加简单。

刚柔结合用例举例

柔性电路板应用非常广泛，例如，在可穿戴技术的设计方案中，如果在柔性板中间粘上一个加强筋，随即将出现一些圆形岛屿。器件如小群落般聚集在加强筋岛屿上方，而电路则从四周经过。刚性区域被集成到增强现实头盔中，分布在耳朵等位置。

像眼球追踪这类应用需要更复杂的设计方案。无论选用什么样的介质材料，12 层板都无法做成纯柔性板。半柔性板（Semi-flexible boards）可以考虑；同时，刚柔结合板（Rigid-Flex）的优势在于能让我们在需要的局部区域实现多达十几层的复杂布线。

此外，柔性芯板（Flex core）从硬板中延伸出来，专门用于处理特定的一组信号线。常见的配置是在 8 层或 10 层板中嵌入 3 层柔性层。采用奇数层设计也并不罕见，比如为了追求极致的柔韧性，可以从单面柔性层开始构建叠层。

图 2：注意柔性芯材从刚性部分延伸出来的半径；该设计与环氧树脂磁珠一起为柔性板尾翼释放应力。图片来源：Cadence

刚柔结合的优势

聚酰亚胺芯材堆叠让刚性区具备了双面贴片的能力。通常情况下，这类产品的外形尺寸要求是“越小越好”；既然选择了这种高精尖方案，说明我们所面对的设计问题必定非常复杂。于是，球栅阵列（BGA）封装及其相关的各类微型元器件便登场了。小型 BGA 通常作为大型 BGA 的辅助电路，它们可能会分布在刚挠结合板中不同位置的其他硬板区域。

延续增强现实（A/R）主题，其中一个用例是柔性天线延长线，天线的位置和方向是整个产品轮廓的一部分。无线电芯片位于刚柔结合电路板上，因此远程天线为柔性附属物的一部分。此类特殊情况可能还需要配备专门的电磁干扰（EMI）屏蔽层。

这种 EMI 抑制材料必须焊接到为此专门铺设的接地网上。由于 EMI 薄膜是最后贴上去的，因此需要在覆盖膜上切割一系列小槽，以露出这些区域。在设计时，必须在额外的物理层充分考虑并体现这些细节。

追求共存

共存始终是首要考虑的问题，尤其是在设计初期阶段。一旦有了可行的解决方案，就可以尝试取消保障措施，看看是否仍然符合设计标准。这就是我们所说的精益设计，即通过迭代减少元件数量。但实际上，在设计初期也很可能需要更多滤波器或其他改进，从而导致元件数量增加。

如果您已经熟悉柔性板工艺，就会知道从强化区域到柔性区域过渡正是痛点之一。退出刚性区域也是如此。聚酰亚胺贯穿整个刚性区域，并延伸出柔性分支到达目的地。这些目的地既可以是结构与主硬板区完全一致的全新电路板，也可以采用常见的加强筋和连接器方案。

图 3：与刚柔结合设计相比，分段电子元件拥有无尽的选择。图片来源：Cadence

我们无法在同一个设计中实现一处是 4 层板、另一处是 10 层板。因为所有部分都是像“层压蛋糕”一样同时压合而成的，所有多层刚性区域的层压工艺必须完全一致；只有在柔性板末端的出线端，我们才能应用各种常规的柔性板几何结构。虽然通常习惯在那端放一个连接器，但实际上它可以是任何能够实现在单面柔性电路组件（Flexibe Printed Circuit Assembly, FPCA）上实现的器件组合。

在刚柔结合印刷电路板（PCB）上

布设受控阻抗线路

这种情况经常出现：我们希望将一些差分对从刚性区域延伸到柔性区域。假设采用 3 层柔性电路板，外层为接地网，信号位于法拉第笼内；这是实现受控阻抗的前提条件。信号位于柔性叠层的中心位置，处于柔性叠层的中性层，可减少信号所受应力。相比之下，若采用双层结构，弯折区域则会对走线产生严重的拉伸或挤压。

我们希望对刚性区域从内到外保持阻抗一致。具体做法就是在聚酰亚胺的外层继续伴随走线铺设网格。超出受控阻抗布线区域之后，柔性板外层更有可能使用实心铺地；此举虽牺牲了一定的柔韧性，但能为传输线提供更稳定的上下参考平面。

如果想减少因连接器固有的失效模式和组装挑战带来的问题，刚柔结合板或许是个不错的选择。虽然无论是在布局规划，还是适应制造商局限方面都需要更多时间投入，但在组装方面的优势足以弥补前期投入。可靠性的提升只是锦上添花，同时实现刚板的稳固和柔板的灵活才是重点。