柔性电路设计指南：柔性电路入门

最近在对一群学生讲解印刷电路板制造时，我询问了有多少人设计过刚性印刷电路板。大约75%的人举手。紧接着的问题是请那些设计过柔性电路的人举手。举手的数量骤减。这应该不足为奇。虽然柔性电路是印刷电路板行业的一个增长领域，但许多经验丰富的PCB设计师尚未与柔性材料打过交道。回想我大学时代，我对柔性电路的了解仅限于“那条在我打印机里来回移动的白色带子”。

那些基于聚酯材料的柔性电路无疑占据了柔性市场的重要部分。无法否认的是，RFID标签所驱动的量，这些标签通常使用铝材料在柔性聚酯材料上。然而，当我被要求谈论柔性电路的制造或设计时，几乎总是针对使用柔性聚酰亚胺材料的市场细分。这些材料在柔性和刚柔结合板世界中是标准的，因为它们能与PCB堆叠结构集成，允许在刚性和柔性区域之间使用标准互连简化布线。在这份指南中，我们将看看柔性PCB是如何制造的，从设计开始，覆盖各种材料和制造过程。

柔性PCB设计流程

柔性PCB和刚柔结合PCB的设计和布局是相互关联的；柔性和刚柔结合之间的主要区别是一个跨越到板子刚性端部的互连。就像标准的刚性PCB一样，柔性设计流程从设计堆叠结构开始，放置组件，规划和布线路径，最后清理布局以准备制造。为了确保柔性部分具有所需的机械属性，需要一些额外的步骤，如添加加固片，选择覆盖层或光成像焊膏屏蔽材料，或在设计中设置一个静态弯曲。

因为柔性带设计过程很大程度上集中在堆叠设计以及其与任何刚性部分的集成上，堆叠设计是柔性/刚柔复合PCB设计过程中的关键部分。此外，像铜重量和某些板区域的元件/布线密度这样的因素会限制灵活性，使得刚柔复合板更受青睐。要开始进行柔性或刚柔复合设计，请考虑以下最终组装的方面以及设计将如何集成到其外壳中：

• 平面规划：柔性带需要在PCBA中弯曲的位置以及设计将如何安装到其外壳中？弯曲和安装区域需要避开元件，而且你可能想要在某些高引脚计数的IC或高密度电路区域使用刚性部分。决定柔性带相对于板上元件计数高的区域的位置。
• 层数：需要多少层来进行布线，其中有些层是否需要在刚性部分使用？如果有刚性部分，柔性带需要安装在堆叠的中心位置，这在需要较多平面层的情况下（例如，在高速设计中）可能会使布线变得困难。
• 硬度：你能接受较硬的电路板，还是需要高度灵活的组装？这可以通过控制元件密度、铜厚度或在柔性带的某些部分添加加固片来实现。如果你需要非常硬的聚酰亚胺部分，可能值得直接使用完全刚性的部分。加固片可以用来支撑柔性带上更高的元件密度，而且它们的成本会比集成刚性部分更低。
• 高引脚密度组件：较小的SMD组件，如无源元件，可以轻松地放置在聚酰亚胺柔性带上。而BGA封装的其他组件则需要更高级的通孔结构，以及更多的内层来支持布线。对于高速或RF设计，可能需要采用镂空的平面层来提供所需的阻抗或地面连续性（例如，对于单端信号），以及隔离。

您的应用需求可能需要在众多要求中寻求平衡。与此同时，设计师需要确保他们的刚柔结合或柔性设计是可制造的，并且在实际应用中能够可靠。

• 了解更多关于在设计工具中设计刚柔结合PCB堆叠的信息

柔性/刚柔结合PCB的材料

一旦您决定继续进行柔性电路设计，需要记住哪些关键事项呢？我们将在未来的博客中更详细地回顾这些内容，但您需要考虑您的材料集，以开始这个过程。柔性PCB所需的材料包括基材（聚酰亚胺、铜箔）、覆盖层材料（聚酰亚胺或液态光成像材料）以及最后的加强材料。

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柔性基材和覆盖层材料

理解基材本身以及覆盖层是至关重要的。您的应用是否需要无胶材料？还是基于胶粘剂的材料？应用是否有任何UL要求需要考虑？什么铜重量和聚酰亚胺厚度最适合您的应用？您的制造商通常备有哪些材料？（提示：如果您在材料上有灵活性，通常备有的柔性材料可以帮助降低成本）

某些应用最适合使用灵活的液态光成像覆盖膜，它能够形成非常紧密的焊盘开口。如果设计需要动态弯曲，应用应使用基于膜的聚酰亚胺覆盖膜材料。基于膜的覆盖膜可以有激光切割开口或钻孔开口，这取决于所需的焊盘大小。

加固片

您的应用是否需要支撑较重的组件，并且可以从增加加固片的坚固性中受益？不同的组件和应用需要不同的加固片来支持柔性带或PCBA中的机械行为。常见的加固片包括：

• FR4加固片： 硬质FR4环氧浸渍玻璃纤维可能是最简单的加固片，作为层压材料有效地应用于柔性区域。
• 硬质聚酰亚胺： 通过简单堆叠额外的聚酰亚胺片来增加局部厚度，可以使用硬化的聚酰亚胺层来加固区域。这通常用于与ZIF（零插入力）连接器终止时，其中使用聚酰亚胺加固片来达到适当的厚度。
• 连接器/组件加固片： 此应用的材料选项包括金属、FR4或聚酰亚胺，它们通过柔性粘合剂或压敏粘合剂进行热键合。

柔性和刚柔结合堆叠

柔性和刚柔结合PCB堆叠将上述材料混合到柔性和刚性区域中，可以是单层板也可以是多层板。基于柔性基板构建的多层PCB在如何与刚性部分接口、如何在柔性部分布线以及哪里可以放置元件方面，遵循有些不同的设计规则。柔性PCB堆叠通常通过使用覆盖粘合剂-铜-粘合剂层建立层堆叠，然后通过预浸料层压成刚性堆叠，或者用覆盖层顶层来保护下面的柔性聚酰亚胺层。下面展示了一个包括两端刚性部分的柔性PCB堆叠示例。

• 了解更多关于柔性PCB层堆叠过程

在上述图片中，我们可以构建相同类型的柔性堆叠，但不包括刚性部分，遵循大致相同的过程。不同之处在于省略了将柔性区域绑定在一起的刚性部分。相反，我们会有所有柔性材料顶部覆盖覆盖层。甚至还有可以用在柔性PCB上的阻焊，以在焊接过程中保护顶部/底部的覆盖层。

制造商的能力

您现有的首选制造商是否经常处理柔性材料？您的设计复杂性是否与首选制造商的能力相匹配，或者您是否超出了他们的专业领域？这当然不是要考虑的所有事项的全面列表，但旨在开始考虑使用柔性电路设计的思考过程。您的PCB制造商将是一个重要资源，您应该与他们联系，提出一个预期的堆叠顺序，以确保它可以被可靠地制造。他们了解材料和制造过程，并且总是乐于帮助客户在学习柔性PCB的过程中指导。

• 了解更多关于柔性/刚柔混合PCB制造过程

柔性PCB和刚柔混合PCB设计的好处

对于那些在柔性电路设计方面没有经验的人来说，让我们看看一些驱使设计师使用柔性材料的关键好处。尽管需要一些特定的设计考虑，以确保柔性或刚柔混合PCB设计按预期可制造，但这些设计提供了许多在刚性电路板中看不到的好处。

• 空间和重量： 当今的许多电子设计面临着减小最终产品的尺寸和重量的挑战。灵活材料可以替代更加笨重的导线和焊接连接，而且经常引用的统计数据显示，在适当的情况下，这种节省可以高达60%。这是非常显著的。
• 包装优势：不可否认，能够弯曲和折叠灵活电路绕过角落以及提供三轴连接的能力，给了PCB设计师相比传统导线和电缆以及刚性印刷电路板材料显著的优势。实际上，最大限度地利用这些优势的能力更多地受到想象力的限制，而不是其他任何因素。
• 简化组装：与笨重的导线和电缆相比，一个简单的灵活电路可以大幅度缩短组装工作。一个灵活电路可以替代材料清单上的多个项目。
• 热管理：聚酰亚胺材料可以承受高热应用，而且薄聚酰亚胺比较厚、热传导性较差的材料更能有效散热，使其成为高功率、高频设计的首选。
• 生物相容性： 聚酰亚胺和LCP是两种柔性材料，它们在生物相容性方面是极佳的选择，并且常因此在医疗和可穿戴应用中被使用。有趣的是，我发现越来越多的人对使用金作为导体的柔性电路感兴趣，而不是铜，提供了一个完全生物相容的选项。

在制造完成后，柔性电路板组件的柔性部分可以静态弯曲地放置在其外壳中，或者可以允许它与外壳或其他机械元件动态弯曲。有时，柔性电路被设计为“安装时弯曲”，换句话说，意图在电路安装到最终电子产品中后保持静止状态时被弯曲或折叠。其他时候，应用要求电路能够弯曲数百次、数千次，甚至数百万次。磁盘驱动器是一个常被提及的动态弯曲应用的例子，就像我们笔记本电脑铰链中的柔性电路一样。静态和动态弯曲组件的设计过程略有不同，主要考虑的是弯曲过程中可能发生的变形。

• 了解更多关于设计静态和动态柔性带线

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