刚柔结合 PCB 设计配置如何发展

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目前,刚柔结合电路板材料、叠层和结构的进步使得各种先进的设计配置成为可能。这些选择为在给定设计中实现更高水平的设计集成和封装密度创造了重要机会。

本文将介绍和讨论电子工业中越来越流行的一些更常见的高级刚柔结合结构的优点和应用。

柔性电路的未来

目前正在制造的许多新设计都大大增加了挠性层数。一些更普遍的设计包括盲孔和埋孔结构、集成 ZIF 连接,甚至在柔性区域和刚性部分都安装元件的设计。

某些刚柔结合印刷电路板(PCB)设计的柔性区域可能需要屏蔽电磁干扰(EMI)或射频(RF)。还有一些设计在不同的刚性区域和非对称结构之间具有不同的厚度。

本文介绍的是一些比较常见的配置和组合类型,这些类型引起了原始设备制造商的兴趣。不过,还有许多其他配置和组合可用于柔性和刚柔结合电路板叠层。这里介绍的更先进的结构包括奇数层数结构、非对称结构、不同挠性层数设计、集成 ZIF 连接、盲孔和埋孔、气隙挠性层结构、多刚性区域厚度和屏蔽挠性层。

标准刚柔结合印刷电路板结构

图 1 是标准刚柔结合印刷电路板结构的示例。后面的示例将以此为基准。一般来说,标准刚柔结合印刷电路板设计采用对称结构。这种对称设计还允许进行阻抗控制。

如图 1 所示,挠性层位于结构中心,刚性和挠性区域的层数均匀。在两个较厚的区域,即刚性区域,层数为偶数。本例中有六层,但也有四到十六层或更多层。这种设计的关键因素是柔性层位于结构的中心。

奇数层数的刚挠结合电路板结构

图 2 显示了奇数层数结构的一个示例。大多数工程师都熟悉刚性电路板设计,其中偶数层数是一项要求。虽然奇数层数是一种鲜为人知的设计,但它是可以制造的,而且有自己的一系列优点。

图 2 显示了一块七层刚性电路板,其中有三层柔性电路。这种奇数层结构主要用于需要在柔性区域进行双面屏蔽的设计,而双面屏蔽主要由带状线阻抗控制驱动。有些设计可能需要考虑射频和 EMI 问题。接地/信号/接地结构包含在三层挠性层中。它还允许在刚性部分之间进行大量互连。

图 3 所示的堆叠示例较为简单。这种刚柔结合的结构在刚性区域设计了五层,而对于刚性与刚性之间互连数量极少的零件编号,只设计了一层柔性结构。它还提供了高度的灵活性并降低了成本。

如前两个示例所示,奇数层数结构既适用于柔性区域,也适用于刚性区域,并且相互独立。如果设计需要,您可以在一端使用偶数层数,而在另一端使用奇数层数。其主要优点是最大限度地减少了挠性区域的厚度,从而提高了柔韧性,增强了机械弯曲能力,并因此提高了机械弯曲可靠性。

弯曲可靠性和结构符合 IPC 2223C,确保零件具有短期和长期可靠性。最后,在一定程度上,奇数层数可以最大限度地减少设计中所需的柔性层总数,从而有助于降低设计成本。

非对称刚柔结合印刷电路板结构

下一种刚柔结合电路板结构是非对称设计。非对称结构的应用通常是由一些非常复杂的阻抗要求驱动的,在这种情况下,设计中的介质厚度要求差异很大。这也可能是盲孔结构造成的,非对称设计结构可以降低盲孔的纵横比,从而提高零件的可制造性和可靠性。

由于是不平衡结构,装配阵列内可能会出现一些翘曲和扭曲。这可能需要一个固定夹具,以便在装配过程中运输装配阵列。

图 4 是八层刚柔印刷电路板非对称结构的示例。柔性层不再位于设计中心,而是向下移动到底部。这种堆叠方式仍然是一种可制造的配置。除了在组装阵列中可能会产生一些翘曲和扭曲之外,没有其他重大的制造问题。

不同的挠性层数

另一种常见的结构类型是刚性部分之间的挠性层数不同。例如,如果有三个刚性部分,则第一个和第二个刚性部分之间可能有三或四个挠性层连接,但第二个和第三个刚性部分之间可能只有一或两个挠性层连接。这种结构有多种配置可供选择,但建议在这种设计中使用气隙挠性层结构,以最好地满足 IPC 2223C 设计准则的要求。

图 5 显示了不同挠性层数的示例。第一和第二刚性部分之间有四层挠性层,但第二和第三刚性层只有两层挠性层。第 2 层和第 3 层是挠性层,虽然它们出于布线目的延伸到刚性部分,但并不在两个部分之间。这样做的主要好处是减少了挠性部分,由于互连的数量不需要额外的层数,因此减少到只有两层挠性层可以显著提高这种结构的弯曲能力。

集成 ZIF 尾翼结构

另一种非常常见的柔性电路板堆叠方式是在柔性电路板上集成 ZIF 尾端。这反过来消除了将 ZIF 连接器安装到刚性电路板上的需要,并消除了单独柔性电路的需要。这种结构减少了对刚性区域的占用。如果零件是高密度设计(空间有限),或者是非常薄的设计,无法满足 ZIF 的高度要求。

这种结构还可以通过消除刚性部分的连接器及其相关的互连点来提高可靠性。有多种配置可供选择。

图 6 是一个非常简单的三层 PCB 集成 ZIF 尾部结构示例。ZIF 尾部向右延伸,这就需要额外的聚酰亚胺加强筋,以达到 ZIF 连接器所要求的 ZIF 手指接触区域的特定厚度。

这种配置还可以与多层挠性层(两层、三层甚至四层)相结合。四层是最大的实际限制,因为它很难满足 ZIF 厚度要求。最常见的是一层和两层柔性电路配置。

盲孔和埋孔刚挠性电路

下一种刚柔结合电路板结构使用盲孔和埋孔。其应用与刚性电路板非常相似。它通常由需要焊盘内通孔的高密度 BGA 应用驱动。如果盲孔需要与柔性电路层互连,这种结构也可能需要非对称结构。

配置可能会受到设计所需的连续层压周期数量的限制。多层刚柔结合印刷电路板只能容纳有限次数的层压循环,然后材料的尺寸公差和制造方法会阻碍层与层之间的有效连接,因此存在一些限制。与刚性印刷电路板一样,对于焊盘中的通孔应用,也可以进行通孔填充和封盖。

图 7 显示了一个利用盲孔和埋孔的结构示例。在叠加图中,盲孔和埋孔以黑色显示。盲孔从第一层通向第二层,埋孔从第三层通向第七层。最后,一个盲孔从底部从第 8 层通向第 7 层。此示例为对称结构,柔性层位于材料堆叠的中心。

带气隙结构的柔性电路

气隙结构将挠性层配置为独立的一对。其主要优点之一是大大提高了挠性部分的柔性。这仅适用于具有两层以上挠性层的设计,而且是四层或更多挠性层的首选结构方法,因为它使设计符合 IPC 2223C 准则。这种结构使刚性区域内没有挠性粘合剂,从而确保了通孔结构的可靠性,并在元件组装和设计的长期运行中提供了最高程度的可靠性。

图 8 显示了六个挠性层的气隙配置。每对挠性层两侧都有覆盖层,然后有一个小的气隙。下一对挠性层也是同样的结构,两侧有两个挠性层覆盖层,依此类推,直到第三对挠性层–这被认为是首选配置。

如果尝试将所有六层都粘合在一起,这种设计将不符合 IPC 2223C。可能会出现一些非常严重的可靠性问题,而且挠性部分的灵活性也会受到限制,几乎无法发挥作用。

多刚性区域厚度结构

具有多个刚性区域厚度的零件是一种非常复杂的结构类型。虽然可以制造,但强烈建议在可能的情况下,与供应商商讨替代方案。在这种结构中,您实际上最多只能采用两种刚性区域厚度。由于结构所需的材料,刚性厚度也可能受到限制。归根结底,这是一种成本高昂的堆叠方式,因为它相当于制造两块电路板来获得一块电路板。

图 9 显示了一个左侧刚性部分比右侧部分厚很多的例子。两个部分都有电镀孔和通孔(虽然左侧部分没有显示)。较薄的部分的成品厚度会受到一些限制,因为材料必须有一定程度的共性。左侧和右侧的预浸料厚度必须相同。如果右侧有额外的芯材,那么左侧也必须与之相同。

最终,该部件将首先以四层结构制造。这将包括第二层到第五层,一直到制造流程结束(钻孔、电镀、表面处理、阻焊、电气测试等),但不包括创建外部轮廓。然后,设计实际上又回到了流程的起点,在那里添加第一层和第六层,然后再次完成整个流程,最后添加外部轮廓。这是一种非常昂贵的工艺,但有些应用领域需要这种工艺。有一些潜在的设计替代方案仍能满足设计要求,而且成本可能更低。

屏蔽柔性层结构

最后一种结构需要 EMI 或射频屏蔽柔性电路部分。在这种情况下,使用的不是铜层,而是专门为柔性电路屏蔽而开发的专用薄膜。我们使用的比较常见的品牌是日本的 Tatsuta 和中国的 APlus。这些薄膜可实现非常有效的电磁干扰和射频屏蔽,而无需增加铜层的成本,同时还可降低成本,使柔性电路结构更薄,从而提高灵活性。

挠性区域覆盖层有多个选择性开口,露出接地电路。薄膜具有导电性粘合剂,因此一旦层压,粘合剂就会伸入覆盖层开口,并粘合到暴露的接地点,从而将屏蔽层接地。

图 10 显示了带有两层挠性层的四层设计示例。仅在挠性区域,可以看到屏蔽层被层压在覆盖层的外侧。同样,与增加额外的铜层相比,这是一种更具成本效益的解决方案,而且它大大提高了挠性层的柔韧性和机械弯曲能力。

总结

当今刚柔结合的印刷电路板和挠性电路技术创造了多种多样的结构,可以为设计增加大量功能、实现设计集成和减少整体封装。我们在这篇技术文章中介绍的大多数特定结构还可以组合在一起,创造出几乎无穷无尽的柔性和刚柔结合电路板配置。

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