柔性印制電路板(FPC)設計方法的研究

彭小琴

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 柔性板(FPC)概述

1.1 柔性板的簡介

柔性電路板(Flexible Printed Circuit，簡稱FPC)是以聚酰亞胺薄膜或聚酯薄膜為基制成的一種具有高度可靠性，絕佳的可撓性印刷電路板。具有的特點如下：

1)可撓曲性。這是FPC最顯著的優勢。FPC可通過撓曲和折疊，方便地在三維空間進行布線或立體安裝，只要不超過容許的撓曲半徑，FPC可進行幾千次至幾萬次的撓曲而不會損壞。

2)體積小。由于設計不同，在組件裝連中，與使用電纜導線比，FPC的導體截面薄而扁平，減少了導線尺寸，而且導體介質的輕薄和可彎曲性，使裝上FPC的設備整體結構更加緊湊、合理。與剛性PCB比，空間可節省60%以上。

3)重量輕。FPC的材料決定了產品的重量輕。在相同體積內，與電纜導線相比，在相同載流量下，其重量可減輕月70%，與剛性PCB比，重量減輕月90%。

4)消除安裝出錯。采用電纜導線安裝接線，容易在安裝或維修過程中出現接錯，導致經常返工或浪費時間查找問題原因。FPC不存在這方面問題，只要設計圖紙經過校對通過，生產出來的產品都符合一致性要求，不會接線出錯，使用FPC也消除了電纜導線，給設備提供清晰的外觀。

5)增加可靠性。使用FPC裝連，可在X、Y、Z三個平面上布線，減少了轉接互聯，使整個系統的可靠性增加，且對故障的檢查，提供了方便。

6)可控制電氣參數。與電纜導線相比，FPC可通過設計控制線寬、線距、線厚、介質厚度、介電常數等參數，從面達到控制電容、電感、特性阻抗、延遲和衰減等元件特性，這是電纜導線難以辦到的。

7)可降低總成本。使用低成本的FPC，可降低設備的整體成本。FPC可避免同時使用多塊剛性板和大量的電纜導線組合，往往只需加工一塊撓性板便可取而代之；FPC可整體裝接，消除了電纜導線的裝連出錯，減少了返工和提高效率；另外，FPC可使結構設計簡化，能直接粘附到結構件上，減少了線夾和固定件的成本。

1.2 柔性板的應用

柔性板在民用和軍工等各方面都有廣泛應用，具體舉例如下:

1)商業電子產品。如：錄像機、攝像機、盒式錄音機、CD唱機、照相機、程控電話、傳真機、個人電腦、文字處理機、復印機、洗衣機、電鍋、空調、汽車、電子測距儀、臺式電子計算機等。

2)軍工、航天領域。如：飛機黑匣子、飛機燃料控制器、加速計、反坦克導彈、雷射陀螺儀、雷達高度計、人造衛星、魚雷、紅外線觀測儀、太空穿梭控制儀、降落傘馬甲發射器等。

3)醫療器械領域。如：血液分析器、電擊去纖顫器、助聽器、藥移植泵、骨領感應器、神經刺激器、核磁共振儀、起搏器、屏蔽器、超聲探測器等。

2 柔性板的設計思路

柔性板的設計包含了器件選型、結構設計和電氣線路設計三個部分。如果將柔性板比作人，器件選型是柔性板設計的手、腳、眼睛，它是柔性印制板板對外的接口，可與外部世界接觸；結構設計是柔性印制板的軀干，它是柔性印制板的堅強的后盾；電氣線路設計是柔性印制板的大腦，它主宰著柔性印制板的靈魂。雖然它們主次分明，但又不可或缺。他們需要相輔相成，才能完成最終的柔性印制電路板設計，滿足高速、射頻裝配、電氣等需求。

2.1 柔性板元器件選型要求

作為柔性印制板對外的門戶，柔性印制板的元器件配套選型，應該滿足用戶系統設備配套對接的基本要求。在選型過程中，需要根據用戶系統設備上配套元器件的鎖緊方式、安裝方式、方向以及有限的結構空間，從裝配、對接、鎖緊、焊接走線等角度，考慮器件的大小、結構以及鎖緊要求。

2.2 柔性板結構設計要求

柔性印制電路板的結構設計，決定了電氣線路設計空間，也決定了產品物理結構是否能滿足力學環境要求。作為柔性印制板的堅實基礎，在設計過程中應考慮柔性印制板的彎折半徑、固定位置、不可布線空間等要求，要結合產品應用的力學環境要求，在結構設計過程中將柔性印制板物理上的可靠性進行充分考慮。

2.3 柔性板電氣線路設計要求

柔性印制電路板的電氣線路設計，可謂是柔性印制電路板的血液或靈魂，是柔性印制電路板設計中的重中之重。

對柔性印制電路板進行電氣線路設計的依據，來源于接線關系表和QJ 3103-99《印制電路板設計規范》。在開始電氣線路設計之前，要先將產品接線關系分析明白，產品的接線表中有哪些信號，是數字信號還是模擬信號，是差分信號還是電源信號等，需要弄清每種信號的要求。只有在弄清楚各種信號特點的情況下，才能滿足產品真正的電氣性能要求。

3 柔性板的設計方法

3.1 柔性板元器件選型方法及實例

鎖緊方式的選擇，根據用戶設備端的元器件，選用相應的鎖緊方式，盡量滿足鎖緊要求?？煞乐谷嵝杂≈瓢迨褂眠^程中出現對接端脫落、信號斷開等問題。

組裝方式的選擇，根據設備系統空間結構考慮連接器與印制板的組裝方式、組裝方向，結合接線關系確定。如直插印制板式、彎插印制板式、跨騎式、表貼式?？紤]后期印制板設計，一般優先選用過孔焊接的方式。相對于表貼焊接方式而言，過孔焊接等能保證產品焊接后的可靠性。

引腳排布的選擇，元器件的引腳排布有多種。如J30J連接器，有N型(直插式，引腳排列尺寸為2.54mm*2.54mm)、N-J型(直插式，引腳排列尺寸為1.27mm*2.54mm)、W型(彎插式，引腳排列尺寸為2.54mm*2.54mm)、W-J型(彎插式，引腳排列尺寸為1.27mm*2.54mm)。一般優先選用引腳排布較寬的，但也需考慮空間布局。

以上各器件方面的選擇，最終組成某一種型號的元器件，元器件應該優先選用通用型號，避免改型造成的設計周期和生產周期延誤。

柔板中元器件組裝方式的不同、安裝方向的不同，都會影響柔性板的結構設計以及電氣線路設計。如下圖1與圖2所示兩圖中位置1與位置2處的對比結果，圖1中1處選用的器件為直插印制板式連接器，2處底面安裝，圖2中1處選用的器件為彎插連接器，2處表面安裝，最終柔性板的結構及性能將受到連接器選型的影響型的影響。

圖1 方案1的選型

圖2 方案2的選型

如圖3所示，通過與設備裝配，可知圖1的選型方案將存在多處潛在性能危害。由于圖1中1處的位置處空間限制，且需要彎折，采用直插印制板方式裝配元器件，裝后柔板需彎折90度后與設備組裝，且需永久成型，易出現疲勞損傷。圖1中2處位置由設備空間決定安裝面，由于設備上對接端所處位置遠離圓心，底面安裝的方式極有可能導致柔性印制板與設備上其他結構干涉，最終造成裝配不上。

圖3 方案1與方案2選型的對比

3.2 柔性板結構設計方法及實例

在柔性板元器件選型完成后，可根據產品接線關系、產品系統設備進行整體結構的初步規劃，可從以下三方面進行：

1)觀察產品設備結構特點，對柔性印制板結構的設計先做整體結構規劃，明確可用區域和不可用區域，應盡可能避開不可用區域。

2)了解柔性印制板的接線關系，明確每個元器件之間的走線要求，對于兩相關聯的元器件，盡量直接結構相連走線，避免增加設計走線，同時還可簡化無接線關系的元器件，可減少或避免走線結構。

3)進一步完善細節，對于元器件數量較多，接線關系較復雜的柔性印制板，在結構設計時應考慮安裝固位位置的設計以增加產品的可靠性，同時根據選用元器件的裝配焊接方式考慮是否需要設置剛性區域作為表貼焊盤點之間的中轉位置。

4)在柔性印制板結構設計過程中，應盡量避開元器件出口位置與其他走線位置重合的方式，可降低設計難度和制作成本，同時也提高可加工性。

如一款5個元器件，裝配于某設備上的柔性印制電路板，接線關系的特點是1個元器件對應多個元器件，元器件類型多為J63A跨騎表貼型，引腳排布尺寸較小。根據以上特點，在觀察了產品配套設備上各種對接器件所處的位置及空間結構后，選定了柔性印制板柔的元器件型號。同時開始進行柔性印制電路板的結構布局。由于表貼型元器件的走線只能被限制在某一層，因此需要設計中轉區域，同時考慮產品的結構固定要求，將中轉區域作為固定區域，還增加其他地方的固定安裝支耳，這樣即增加了產品的可靠性，又減少了電氣線路設計時的層數。最終的5頭柔性印制電路板結構設計如圖4所示。

圖4 5頭柔板結構設計

3.3 柔性板電氣線路設計方法及實例

在進行柔性印制電路板電氣線路設計之前，應先將產品接線表弄清楚，需要弄明白的問題如下：

1)產品中的信號有哪些？根據接線表中的點位信號定義或與用戶溝通聯系，確認產品要處理的點位信號類型。

2)產品中信號的要求是什么？根據接線表中的點位信號要求或與用戶溝通聯系，確認產品要處理的點位信號具體要求，是否需要差分，是否要求阻抗匹配，信號的過電流大小以及電源信號的壓降要求等。

3)線路設計規則定義。在明確前2步的信號類型及要求后，我們可根據QJ3103-99《印制電路板設計規范》確認信號的布線線寬、線距及銅厚，在考慮降額等級的情況下一句定制好的設計規則，可開始電氣線路設計。

4)柔性印制電路板的疊層設計。由于柔性印制電路板都是依據設備系統空間結構設計的異形的走線結構，因此還需依據柔性印制板的三維結構布局確定其疊層結構，以保證生產加工出的柔性印制電路板可滿足實際產品的裝配需求。

以5頭柔性印制電路板的電氣線路設計為例，產品接點主要有電源信號、普通模擬信號、地信號；普通模擬信號過電流要求為0.2A；電源信號要求過電流為1.3A，導通壓降越小越好；地信號為接殼地；產品走線設計依據 QJ3103-99及柔板結構尺寸，確認普通模擬信號線寬為10mil，電源信號線寬為80mil，銅厚為1Oz，經計算，電源壓降最小為0.3Ω。由于布線結構的排序，還對柔性印制板進行了疊層設計，從上至下依次為J30J跨騎表貼元器件所在層、J63A(1)跨騎表貼元器件所在層、J63A(2)跨騎表貼元器件所在層、J63A(3)跨騎表貼元器件所在層。5頭柔性印制電路板的電氣線路設計如圖所示。

圖5 Signal Layer 1/2 圖6 Signal Layer 3/4

圖7 Signal Layer 5/6 圖8 Signal Layer 7/8

4 實際應用

以上所述的設計思路包括元器件選型、結構設計、電氣線路設計，三者是柔性印制電路板設計的核心三步，但并非所有的柔性印制電路板的設計都要按照這樣的三部曲進行。柔性印制電路板的產品設計都是以用戶輸入為準，可能會出現以下幾種情況：

1)元器件型號確定，柔性印制板結構確定。此時只需做好最后一步，將接線關系確認清楚，弄清走線規則，進行電氣線路設計即可。

2)元器件型號確定。需要繼續第二步與第三步，根據產品設備系統結構進行柔性印制電路板三維結構布局，再在此基礎上進行電氣線路設計。

3)柔性印制板結構確定。此時，需要再重新核實元器件是否需要選型，或已選型的元器件是否與結構匹配，若不滿足要求，應及時更改。最后再進行電氣線路設計。

4)什么都不明確。此時需要三步曲依次奏響，對從選型到電氣設計上的問題進行逐個擊破，最終呈現一幅完美的作品。

綜上所述，以上各種情況均是以用戶輸入作為牽引，以滿足產品設計需求為目的，在器件選型、結構布局、電氣設計等各方面，做到考慮周全，盡善盡美。從設計角度出發，將產品的裝配、調試和力學實驗情況了然于心。

5 結束語

柔性印制電路板設計是從結構到電路的比較全面的一個設計體系，要求設計人員應從力學角度、電氣角度等多個方面同時思考，同時也要求設計人員應熟練掌握三維結構設計軟件和電氣線路設計軟件的應用。

實踐出真知。雖然熟悉掌握了設計技巧，但還應在實際產品設計過程中總結經驗與教訓，不斷完善設計方法，使柔性板(FPC)的設計方法更成熟，能設計出滿足機械和電氣性能的完美產品。