刚柔结合PCB设计：机械约束、层叠结构与可靠性指南

刚挠结合 PCB 设计是将柔性电路材料与刚性区域集成在一起，以创建独特类型的设计。其目标通常是让设计适配复杂外壳、紧凑或可折叠的形态，或带有可动部件的外壳。刚挠结合 PCB 与标准刚性设计相比需要采用不同的方法，但在某些情况下它们能够提供更高的可靠性，并实现使用连接器和线缆难以达到的功能。

如果您从未设计过柔性 PCB 或刚挠结合 PCB，这些指南将帮助您创建具有独特功能、同时也符合大多数制造商 DFM 要求的柔性和刚挠结合电路板。刚挠结合设计中的 PCB 叠层也可能颇具挑战，因此我们还将针对各种叠层提供指导，包括补强板的正确使用方式。

刚挠结合设计类型与 PCB 叠层

各种刚挠结合设计类型始终由 PCB 叠层来定义，因为正是叠层决定了刚挠结合 PCB 中可实现的功能。下面我们简要列出几种不同类型的刚挠结合 PCB 设计，并配以一些展示其可能性的图片。

• 一体式刚挠结合：最常见的刚挠结合类型，其中柔性区域被层压进 PCB 叠层中
• 带补强板的刚挠结合：不是将柔性区域层压进叠层，而是使用一层半固化片在特定区域对柔性部分进行加固
• 全柔性 PCB，或 FPC：完全没有刚性区域的设计，通常用作线缆替代品
• 书本装订式刚挠结合：具有多个相互重叠的柔性区域、可彼此翻折的设计
• 动态弯折刚挠结合：一种在运行过程中需要反复弯折的刚挠结合设计
• HDI 刚挠结合：在刚性区域、柔性区域或两者中使用激光钻微孔的设计
• 透明刚挠结合：使用全透明柔性材料，并配合刚性叠层或补强板的设计
• 基于 PTFE 的刚挠结合：使用 PTFE 芯材和粘结片构建叠层刚性部分的刚挠结合设计

刚挠结合设计可以具有多个柔性分支区域。这些分支可能终止于连接器、另一个刚性区域、补强板、金手指，或装配在柔性区域上的电路。下面展示了一个复杂示例。

刚挠结合 PCB 组件可以具有多个分支和刚性区域。

刚挠结合设计中的机械约束

固定方式

刚挠结合设计通常需要固定到外壳中，这可以通过螺钉或卡扣式安装来实现。有些固定方式还会使用滑入式支架来固定柔性或刚性区域。这通常需要安装孔来保持刚挠结合组件的位置。

永久变形

在某些刚挠结合组件中，柔性带缆会在安装过程中被永久弯折或压出折痕，从而使最终电路板在外壳内保持其形状。这类应用属于静态柔性应用，即弯折只发生一次，之后在运行过程中带缆不再移动。当这种永久变形是预先规划好的，设计人员应在 PCB 布局中使用禁布区来定义折痕或折叠区域。这些禁布区可防止元件、过孔和走线被放置在将发生弯折的区域，因为折痕区域中的铜结构会承受集中的机械应力，随着时间推移可能导致走线开裂或焊点断裂。在布局早期定义这些禁布区，并最好结合外壳的 MCAD 模型，可确保柔性带缆能够折叠到最终位置，而不会出现意外干涉。

弯折极限

静态弯折与动态弯折的区别，是决定刚挠结合设计中最小允许弯曲半径的主要约束。静态弯折是指柔性带缆在安装过程中只弯折一次或少数几次，随后在产品整个寿命周期内保持固定位置。动态弯折则是指柔性带缆在正常运行期间持续反复弯曲，例如用于铰链、机器人关节或可穿戴设备中。最小弯曲半径定义为弯折区域内柔性部分总厚度的某个倍数。对于静态柔性应用，通常接受的最小弯曲半径为柔性厚度的 6 倍，而 10 倍则是更保守且更广泛推荐的起始值。对于动态柔性应用，所需弯曲半径会显著增加，通常达到柔性厚度的 100 倍，这取决于产品寿命期间预期的弯折循环次数。

作为一个计算示例，考虑一个厚度为 11 mil 的四层柔性区域，用于静态应用。采用保守的 10 倍准则：

Rmin = 10T = 10×11 mils = 110 mils

采用最低限度的 6 倍准则：

Rmin = 6T = 6×11 mils = 66 mils

如果同样这个 11 mil 厚的柔性区域用于要求长循环寿命的动态应用，则弯曲半径需要增加到大约：

Rmin = 100T = 100×11 mils = 1100 mils

这说明当柔性区域必须承受反复弯折时，机械包络尺寸会多么迅速地增大。更薄的铜厚（半盎司或三分之一盎司）、压延退火铜以及无胶层压材料都有助于提升弯折寿命，但它们并不能消除必须遵守弯曲半径约束这一要求。

这些弯折限制使刚挠结合 PCB 叠层与外壳机械设计之间形成了直接耦合关系。如果先定义外壳几何结构，那么柔性带缆可用于弯折的空间将决定 PCB 设计人员可采用的最大柔性厚度和最小弯曲半径。反过来，如果先根据层数、阻抗或铜厚等电气要求定义叠层，那么由此产生的柔性厚度就会施加一个最小弯曲半径要求，而机械设计人员必须在外壳中为其留出空间。

在实际中，这意味着 PCB 叠层与外壳几何结构必须协同开发。一个满足电气要求的四层柔性区域，可能由于太厚而无法在可用的外壳空间内弯折，从而迫使团队在层数、铜厚和机械间隙之间进行权衡。电气与机械设计团队之间尽早协作，最好借助同步的 ECAD-MCAD 协同工具，可以避免在后期才发现柔性带缆在不违反弯曲半径限制的情况下根本无法装入外壳的冲突。

刚挠结合 PCB 中的机械与可靠性测试

一旦机械约束被定义，通常就会对设计本身或整个产品提出典型的可靠性测试要求。随后便会出现一个问题：如何从机械角度验证刚挠结合设计。

EDA 软件并不直接提供这类验证。不过，可以通过两种方式来实现：

• 物理测试：可将组件置于振动测试、环境测试等条件下，以验证 PCB 和组件的可靠性
• 仿真：可使用机械仿真来了解组件在振动、机械冲击或其他极端条件下的行为

对于仿真部分，可以在不依赖文件交换的情况下将刚挠结合设计导入 MCAD 软件。商用 MCAD 软件 可以对在 Altium Develop 中创建的刚挠结合设计进行振动、应力/应变以及装配仿真。借助高级 MCAD CoDesigner 功能，用户可以在商用 MCAD 软件中创建其电气设计的数字孪生。随后，机械设计人员便可利用它来创建外壳、检查干涉，甚至放置主要元件或定义刚挠结合的机械约束。

高级 MCAD CoDesigner 功能允许 Altium 用户将其刚挠结合 PCB 布局即时导入常用的 MCAD 应用程序中。

如何纳入机械约束

刚挠结合设计中的机械约束通常涉及对特定元件进行锁定放置，以及使用禁布区。有时，禁布区还会基于元件高度来设置，以避免装配中的干涉。在 PCB 设计软件中，这些约束通过设计规则以及直接在 PCB 布局中绘制的禁布区定义来实现。

为机械约束定义设计规则

Altium Designer 提供了一个约束驱动的设计规则系统，可在布局过程中直接强制执行机械要求。间距规则、放置规则以及区域特定约束都可以限定到特定板区、层叠结构或元件类别，因此非常适合用于刚挠结合设计，因为这类设计中不同区域往往具有本质上不同的机械要求。以下步骤概述了如何设置支持刚挠结合布局中机械约束定义的设计规则。

• 设计工作流涵盖从以对象为中心的电子表格式界面到经典的基于查询的规则引擎，以实现灵活的约束范围定义。
• 诸如间距和区域样式约束之类的机械要求，可通过自动 DRC 和 Room 结构来实现强制检查。
• 信号完整性优化涉及精确端接、基于叠层的阻抗控制，以及使用眼图和脉冲响应评估通道损耗。
• 集中式库管理通过促进复用已验证的符号、封装和成熟电路模块来降低设计风险。
• 制造就绪性取决于尽早与制造商沟通材料可得性、铜厚和过孔纵横比等问题。
• 集成的 PLM 和 MRP 系统可提升可追溯性和供应链可视性，帮助团队管理复杂的产品生命周期和采购波动。

在 PCB 布局中使用禁布区

PCB 布局中的禁布区用于定义禁止放置特定对象（如走线、过孔、元件或覆铜）的区域。在刚挠结合设计中，禁布区除了标准间距约束之外还承担结构性作用：它们可防止在弯折区、折痕区或必须为外壳装配留空的区域放置铜和元件。禁布区可以绘制在特定层上，也可以作为多层限制来应用，并且会在 DRC 过程中依据当前启用的设计规则进行检查。以下步骤说明了如何在 Altium Designer 中为刚挠结合布局定义并应用禁布区。

• 定义范围：确定该禁布区是适用于所有信号层（使用 Keepout 层），还是仅适用于某一个特定铜层。
• 定义几何区域：在必须禁止布线和元件放置的刚性或柔性区域上放置一个 Keepout Region。
• 设置限制：在“属性”面板中配置限制，以阻止特定对象类型（例如过孔、走线、焊盘）出现在已定义区域内。
• 验证：确认自动布线和自动放置功能已按照规则被阻止，从而避免在受保护区域中出现设计违规。

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