撓性及剛撓印制板組件可制造性設計

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(貴州航天電器股份有限公司，貴州 貴陽，550009)

1 引言

隨著軍用電子設備微型化、小型化發展趨勢，軍用印制板及其組件模塊也向著高密度、輕量化方向快速發展。

撓性及剛撓印制板作為一種特殊的互連技術，能夠減少電子產品的組裝尺寸和重量，避免裝配連線錯誤，實現不同裝配條件下的三維組裝，并以其體積小、重量輕、可彎曲、裝配可靠等特點，目前已被廣泛應用于計算機、航空航天及軍用電子設備中[1]。剛撓印制板是剛性板與撓性板的結合，屬于撓性印制板中的一種，其可彎曲部位由單面或雙面撓性板實現互連，剛性層上的電路與撓性層上的電路通過金屬化孔相互連通[2]。剛撓板相比普通的剛性印制板加工工藝復雜、制作成本高，因此要求工程人員在設計之初必須考慮撓性印制板的可制造性。

本文主要針對撓性印制板組件的產品特點，結合目前軍用撓性印制板組件特別是剛撓板在設計過程中出現的一些問題，對撓性印制板組件的設計特點和設計流程進行了分析，重點對撓性印制板組件在可制造設計過程中的一些關鍵點進行了闡述。

2 撓性印制板可制造性設計的意義

撓性印制電路板可制造性設計主要是要解決印制板設計與制造之間的鴻溝問題，通過設計觀念的改變、設計方法的改進，從而提升產品設計以后的生產良品率[3]?？芍圃煨栽O計關鍵是設計信息的工藝性分析、制造合理性評價和改進設計的建議[4]。

軍用撓性印制板的特點是由生產廠家按照設計單位提供的圖紙進行生產，因此，一塊高質量的PCB板的產生應是設計和生產兩個方面共同努力的結果。所有的用戶都希望廠家能提供短周期、高質量、低價位的成品板，廠家也期望在制造階段，能以最短的時間周期、并以最低的成本達到最高的合格率。據統計，產品總成本的60%以上是由設計過程決定的，70%的缺陷可歸之于設計方面的問題，由于設計所引起的產品質量問題在生產中是很難克服的，因此說“產品質量是設計出來的”[5]。

因此，提高產品的設計質量和提高產品的可制造性設計對節約研發成本、加快產品研發周期、提高產品可靠性具有重要意義。

3 撓性印制板組件的設計特點和設計流程

3.1 撓性印制板組件的設計特點

撓性印制板組件即是由撓性印制板和電子元器件構成的具有一定電氣傳輸或電氣組合功能的組件產品。相對于普通的剛性印制板組件，撓性印制板組件的設計難度要更大一些。在設計時除了要考慮電氣性能互聯實現方式外，還要關注印制板的撓性、可靠性等要求。另外，撓性印制板材料的選擇、加工和精度等對最終成品的價格、供貨周期影響較大。因此，在撓性印制板設計時既需要考慮電氣性能，又需要考慮結構、裝配，還需要考慮價格和供貨周期等等，這些因素對設計人員提出了更高的要求。

3.2 撓性印制板組件的設計流程

產品設計人員在接收到撓性印制板組件的研制任務書或技術要求后，根據產品的技術要求和應用場合，提供恰當的設計方案，在進行PCB設計前，應當與原理圖、結構、工藝等相關環節的技術人員一起確定印制板的連線、結構要素和器件安裝要求。在生產首件產品時，需要對首件產品進行驗證。產品設計流程如下圖1所示。

圖1 撓性印制板設計流程

4 撓性印制板組件的可制造性設計 關鍵點

4.1 設計需求分析

進行設計需求分析，主要是了解產品的使用場合(彈上或地面)、環境指標、固定方式、折彎次數、彎曲半徑、器件組裝類型、傳輸信號類型、性能要求等，以便于撓性印制板組件的器件選型、結構設計、板材選擇、層壓結構和加工方式選擇等。在進行設計分析時，可從下列幾個方面進行考慮。

4.1.1 撓性要求

有些產品，在使用過程中需要頻繁彎曲撓性印制板，對撓性區域有一定的折彎次數要求；而另外一部分產品只是滿足不共面或立體安裝的需求，該類產品只是在安裝時彎曲一次，安裝好后就固定了。

因此，撓性印制板的彎曲要求不一樣，可選擇不同的設計方案、加工板材和加工方式。

4.1.2 導電能力要求

在進行撓性印制板設計時，應對撓性板上需要傳輸的信號電壓、電流大小進行估算。印制板走線的寬度、銅厚必須滿足載流能力及設計裕量的要求。特別是對有過大電流需求的信號，需要適當增加連接器的管腳個數和走線根數、寬度等。

對于印制板設計過程中導線的寬度與電氣間隙，根據產品所屬的質量等級在設計前最好能參照有關的標準。如GB/T4588.3《印制電路板設計和使用》、GJB4057《軍用電子設備印制電路板設計要求》、QJ3103《航天印制板設計規范》等。

4.1.3 信號類型及時序分析要求

根據撓性印制板上的傳輸信號類型(低速、高速、差分、大電流、高電壓等)來分配連接器上管腳排列，避免信號之間的相互干擾。

此外，當撓性印制板走線較長時，需要對撓性印制板的走線延遲、信號衰減等進行分析，有些時候需要通過增加驅動、匹配、隔離等技術來保證信號的傳輸質量。

4.1.4 阻抗與屏蔽要求

根據撓性印制板的使用場合和信號傳輸類型，確定是否需要進行阻抗控制和屏蔽抗干擾。阻抗設計與印制板材料的選擇、導線寬度、導線間距等有關，屏蔽性能的效果與撓性板覆銅方式有關，這些在設計時也需要進行考慮。

4.2 成本分析

撓性印制板組件的成本構成主要包括撓性印制板制板費、設計費、工藝費、裝配費、試驗費、測試費、運輸費等，同時也與采購數量有關。以軍品用撓性印制板組件生產的小批量、多品種為例，由于撓性印制板制板費用占整個產品成本比重較大，因此在保證產品的性能滿足設計要求的前提條件下，可盡量優化設計，降低產品成本，優化設計可從以下方面入手。

1)材料的選擇。撓性印制板在制造過程中除了會用到剛性板常用的材料外，還有一些撓性專用材料，主要有撓性板材、覆蓋膜、撓性綠油、膠粘劑、補強板、銅箔。不同廠家的材料價格相差較大；

2)產品設計布線時，在滿足層數要求的前提下，盡可能增加線寬、線距、過孔焊盤等，降低產品的生產難度，可降低產品的成本；

3)表面處理工藝在滿足可焊性的前提下，應盡可能選擇質量易控制的水平線表面處理，如沉金、沉錫等，可降低產品成本；

4)特殊工藝或特殊材料要求會使撓性板成本增加，如盲埋孔工藝、樹脂塞孔、阻抗控制、高TG板材等；

5)設計時，導體銅厚盡量采用0.5oz或1oz標準厚度，增加銅厚或成品板厚度，產品制作工藝加大，成本會增加；

6)設計時盡可能避免在撓性區域設計焊盤、過孔等，撓性部分打孔會導致撓曲性變差，加工費用也會增加。

4.3 結構設計

根據撓性印制板組件所裝配的設備空間進行結構設計，一般需要確定以下幾個方面的內容：

1)對于產品的外形尺寸，一是要準確，二是要明確。對于使用剛撓結合的印制板組件，需要確定剛性區域與撓性區域，標注需要彎折的區域，以便與后續PCB的布局與布線設計。

2)當撓性區域線路尺寸較長時，為實現撓性區域的固定，一種方式可在撓性區域增加剛性安裝孔，通過安裝螺釘實現產品固定；另外一種方式則可通過加寬柔性區域，通過線束綁扎的形式實現產品固定。

3)當產品為多層撓性印制板，且撓性區域有多種外形時，建議采用不同機械層來區分不同的外形。如機械1層表示剛性區，機械2層表示第一張撓性板外形，機械3層表示第二張撓性板外形。

4.4 電路原理圖設計

在電路原理圖設計時，最關鍵的是確保電氣連接的準確性。印制板上印制導線的連接關系應與電原理圖導線關系相一致，尤其是沒有提取網絡表的用戶，比較容易產生飛線、交叉線或焊盤與線短路等，使電氣連接不正確。

對于需要差分布線的差分對，在原理圖設計時一定要標注，避免后續PCB布線時有遺漏。電路原理圖設計完成后，利用電路設計軟件進行電氣規則檢查，避免原理圖中出現低級錯誤現象。

總之，原理圖設計的正確性，是后續PCB成功設計的前提。

4.5 產品PCB設計

撓性印制板電路設計與普通剛性板電路設計要求及方法類似。以下主要針對撓性印制板的特點，對該類產品在PCB設計過程中應當注意的設計事項進行闡述。

4.5.1 清晰的各層圖形設計

提供給印制板生產廠家的加工文件中，各層圖形應完整、清晰。

1) 對于有多層結構的撓性印制板，其疊層結構應清晰。剛撓板，應盡可能設計成對稱的疊層結構，撓性層設計在中間位置，可增加產品的撓性性能，降低加工難度；

2) 對于撓性板的機械層，剛性區域和撓性區域等應標識清楚；

3) 各導電層、字符層、阻焊層、鉆孔層等應清晰正確，便于后續印制板生產廠家的理解，縮短溝通時間，加快產品加工和生產進度。

圖2 撓性印制板(6層)對稱層疊結構設計圖

4.5.2 撓性層走線設計

1)撓性板中走線和過孔的焊盤一般都需要進行淚滴處理(Tear Drop)，這樣可提高產品的可靠性。

圖3 撓性區域走線設計

2)撓性板中需要折彎的導線，拐角應設計為圓弧形，避免出現角度，減少撓曲存在的應力，提高產品互聯的可靠性。

3)撓性彎折區域有覆銅要求的，網格狀的設計比整塊實心覆銅可靠性高。

4.5.3 彎折區域設計

為了得到最大的動態彎曲次數，或得到彎曲安裝最高的可靠性，在彎折區域的導體需符合以下要求。

1)導體與彎曲方向垂直，均勻的穿過彎曲區域；

2)彎曲區域的層數盡量減少；

3)彎曲區域不能有過孔和金屬化孔，動態彎折容易造成折裂；

4)彎曲區域疊層應設計為對稱結構，可增強產品的彎折強度，導體兩邊的材料系數和厚度盡量要一致，雙面板彎曲區域兩面的走線不能重疊；

5)雙面或多層撓性板，上下層銅層走向應盡可能設計為交錯型，避免平行，可提高撓性性能；

6)多層撓性板或剛撓結合板中有多層撓性的，為保證有較高的彎曲性能，撓性區域可設計為分層結構(即撓性層不粘合在一起)，如圖4所示。

圖4 多層撓性板粘合結構與分層結構

4.5.4 撓性層外形輪廓防撕裂設計

目前，撓性印制板的撓性區所用材料大多為聚酰亞胺、聚酯或聚四氟乙烯等，由于這些材料強度沒有剛性板的FR4材料高，故存在易撕裂和易折損等弱點。為了避免撓性印制板在后續裝配和使用過程中受損，在外形設計過程中應考慮撓性板的防撕裂設計。

1)撓性彎折區域外形應避免設計有增大應力的角度，代替設計平滑的圓弧；

2)撓性板曲率半徑小的內外長槽，為了分散曲率應力，應在末端加上曲率半徑大的圓??；

3)撓性印制板轉角處可以增加一處靠近板邊的走線，防止被撕裂。

撓性外形輪廓防撕裂設計如圖5所示。

圖5 撓性區域防撕裂設計

4.5.5 加固設計

當撓性區域線路尺寸較長時，為實現撓性區域的固定，滿足振動、沖擊等力學環境要求，可采取以下方式進行固定。

1)產品撓性區域增加剛性安裝支耳，通過安裝螺釘實現產品固定；

2)在撓性區域設計綁線槽，通過線束綁扎的形式實現產品固定；

3)通過膠體對撓性區域進行固定，如GD414、GD3140等硅橡膠；

4)通過單獨的加固條進行固定。

a)撓性區域增加螺釘安裝支耳

b)撓性區域增加綁線槽

c)撓性區域點膠固定和用加固條固定圖6 撓性印制板加固設計

4.5.6 補強設計

補強板的主要作用是為了增加撓性板焊接部位的硬度，一般設計在元器件焊接部分的底部，補強材料有PI(聚酰亞胺)、FR4等。

由于剛撓結合板的加工工藝難度大，所以其制作費用也相對較高。對于一些使用撓性板組件的場合，如果剛性部分只起到提高硬度作用，則可考慮設計成撓性板+補強板，這種形式的剛撓結合成本較低。

4.5.7 其他設計控制

1)覆蓋膜壓焊盤設計。這種設計方式的目的是為了增強焊盤的附著力，提高可靠性。撓性區域的焊盤，一般覆蓋膜單邊能夠蓋過焊盤0.2mm以上，如圖7所示。

2)屏蔽設計。當撓性板有EMI控制要求時，可以增加屏蔽層來實現屏蔽需求。屏蔽層可以是電磁屏蔽膜，實心銅皮，網格銅皮等。屏蔽層需要與接殼或接地孔進行連接。

a)焊盤孔覆蓋膜設計

b)金手指焊盤覆蓋膜設計圖7 覆蓋膜壓焊盤設計

3)阻抗設計。撓性板線路的阻抗主要由印制線的寬度、厚度、介質層厚度以及相對介電常數決定。在進行布線之前，可借助阻抗計算軟件(如Polar)進行估算。此外，在撓性區域布阻抗線，則必須注意在制定阻抗結構圖時，撓性區布線層在每個單片上必須有對應參考平面。

4)串擾控制。控制串擾可采取加大電氣間隙、在信號層之間增加地層、在信號之間插入地隔離等措施。

5 總結

撓性印制板組件可制造性設計過程是一個信息的綜合處理過程，要求設計人員既要了解產品的功能、性能、裝配、測試，又需要掌握撓性印制板的生產技術、材料、加工工藝等。在撓性印制板設計過程中，若設計人員能夠在工作中熟悉相關的行業標準、工藝規范，并結合企業的實際生產情況加以靈活應用，必將能減少產品制造過程中的質量缺陷，達到縮短研制周期、減小研制成本的目的，最終使企業制造出高質量、低成本、高可靠的電子產品。