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硬件設計實戰(zhàn)FPC柔性線路板設計全攻略

2017-02-08 02:42

  柔性印刷電路板(FPC Flexible Printed Circuit)是在柔性截至表面制作的一種電路形式,可以有覆蓋層也可以沒有(通常用來對FPC電路的保護)。由于FPC柔性線路板能以多種方式進行彎曲、折疊或重復運動,相對于普通硬板(PCB)而言,具有輕、薄、柔性等優(yōu)點,因此其應用越來越廣泛。
  FPC的基層(BaseFilm)材料一般采用聚酰亞胺(Polyimide,簡稱PI),也有用聚酯
  (Polyester,簡稱PET),材料厚度有12.5/25/50/75/125um,常用12.5和25um。如果FPC需要在高溫焊接條件,其材質(zhì)通常常選用PI,而PCB的基材通常選用FR4。
  FPC柔性線路板的覆蓋層(Cover Layer)材質(zhì)為介質(zhì)薄膜和膠的壓合體,或者是柔性介質(zhì)的涂層,具有避免沾染、潮濕、刮痕等保護作用,主要材料跟基層用料一致,即聚酰亞胺
  (Polyimide)和聚酯(Polyester),常用材料厚度為12.5um。
  FPC設計時需要將各層粘結(jié)起來,這個時候需要使用FPC膠(Adhesive)。柔性板常用膠有丙烯酸(Acrylic),改良環(huán)氧樹脂(Modified Epoxy),酚丁縮醛(Phenolic Butyrals),增強膠,壓敏膠等,而單層的FPC柔性線路板就不用使用膠進行粘合了。
  在有器件焊接等很多應用場合中,柔性板需要用補強板(Stiffener)來獲得外部支撐。主要用料有PI或Polyester薄膜,玻璃纖維,聚合物材料,鋼片,鋁片等等。PI或Polyester薄膜是柔性板補強常用材料,厚度一般為125um。玻璃纖維(FR4)補強板的硬度比PI或Polyester的高,用于要求更硬一些的地方,相對加工困難。
  相對于PCB焊盤的處理方式,F(xiàn)PC的焊盤處理也有多種方法,常見有如下幾種:
  ①化學鎳金又稱化學浸金或者沉金。一般在PCB銅金屬面采用的非電解鎳層厚度為2.5um-5.0um,浸金(99.9%的純金)層厚度為0.05um-0.1um(之前有新聞說一家PCB廠工人采用置換法來置換pcb池子里的金子)。該技術(shù)優(yōu)點:表面平整,保存時間較長,易于焊接;適合細間距元件和厚度較薄的PCB。對于FPC,因為厚度較薄所以比較適合采用。缺點:不環(huán)保。
  ②電鍍鉛錫(Tin-Lead Plating)優(yōu)點:可以直接給焊盤加上平整的鉛錫,可焊性好、均勻性好。對于某些加工工藝如HOTBAR,F(xiàn)PC上一定采用該方式。缺點:鉛容易氧化,保存時間較短;需要拉電鍍導線;不環(huán)保。
  ③選擇性電鍍金(SEG)選擇性電鍍金指PCB局部區(qū)域用電鍍金,其他區(qū)域用另外一種表面處理方式。電鍍金是指在PCB銅表面先用涂敷鎳層,后電鍍金層。鎳層厚度為2.5um-5.0um,金層的厚度一般為0.05um-0.1um。優(yōu)點:金鍍層較厚,抗氧化和耐磨性強。“金手指”一般采用此種處理方式。缺點:不環(huán)保,氰化物污染。
  ④有機可焊性保護層(OSP)此工藝是指在裸露的PCB銅表面用特定的有機物進行表層覆蓋。優(yōu)點:能提供非常平整的PCB表面,符合環(huán)保要求。適合于細間距元件的PCB。
  缺點:需要采用常規(guī)波峰焊和選擇性波峰焊焊接工藝的PCBA,不允許使用OSP表面處理工藝。
  ⑤熱風整平(HASL)該工藝是指在PCB最終裸露的金屬表面覆蓋63/37的鉛錫合金。熱風整平鉛錫合金鍍層厚度要求為1um-25um。熱風整平工藝對于控制鍍層的厚度和焊盤圖形較為困難,不推薦使用于有細間距元件的PCB,原因是細間距元件對焊盤平整度要求高;熱風整平工藝對于厚度很薄的FPC影響較大,不推薦使用此種表面處理方式。
  在設計中,F(xiàn)PC經(jīng)常需要和PCB配合使用,在兩者的連接中通常采用板對板連接器、連接器加金手指、HOTBAR、軟硬結(jié)合板、人工焊接的方式進行連接,針對不同的應用環(huán)境,設計者可以采用相應的連接方式。
  在實際的應用中,根據(jù)應用需要確定是否需要進行ESD屏蔽,當FPC柔性要求不高時可用實心銅皮、厚介質(zhì)實現(xiàn)。柔性要求較高時可采用銅皮網(wǎng)格、導電銀漿實現(xiàn)。
  由于FPC柔性線路板的柔軟性,在承受應力時容易斷裂,因此需要一些特殊的手段進行FPC保護,
  常用的方法有:
  1、柔性輪廓外形上內(nèi)角的最小半徑是1.6mm。半徑越大可靠性越高,防撕裂能力也越強。外形轉(zhuǎn)角的地方可增加一條靠近板邊的走線,防止FPC被撕裂。
  2、FPC上的裂縫或開槽的必須終止于一個不小于1.5mm直徑的圓孔,在相鄰兩部分的FPC需要單獨移動的情況下也有此要求。
  3、為了達到更好的柔性,彎曲區(qū)域需要選在寬度均勻的區(qū)域,盡量避免彎曲區(qū)域中FPC寬度變化、走線密度不均勻。
  4、補強板(Stiffener)又稱加強板,主要用來獲得外部支撐,使用的材料有PI,Polyester,玻璃纖維,聚合物材料,鋁片,鋼片等。合理設計補強板的位置,區(qū)域,材料對避免FPC撕裂有極大作用。
  5、在多層FPC設計時,對于產(chǎn)品使用過程中需要經(jīng)常彎折的區(qū)域需要進行氣隙分層設計,盡量使用薄材質(zhì)PI材料增加FPC柔軟度,防止FPC在反復彎折過程中折斷。
  6、空間允許的情況下應該在金手指與連接器連接處設計雙面膠固定區(qū)域,防止彎折過程中金手指與連接器脫落。
  7、在FPC與連接器連接處應設計FPC定位絲印線,防止FPC在組裝過程中發(fā)生偏斜、插入不到位等不良。有利于生產(chǎn)檢查。
  由于FPC的特殊性,其走線時需要注意以下幾點:
  走線規(guī)則:優(yōu)先保證信號走線順暢,以短、直、少打過孔為原則,盡量避免長、細和繞圈子的走線,以橫線、豎線和45度線為主,避免走任意角度線,彎折部分走弧度線,以上情況詳細說明如下:
  1.線寬:考慮到數(shù)據(jù)線和電源線的線寬要求不一致,預留走線空間按照平均0.15mm
  2.線距:按照目前大多數(shù)廠家的生產(chǎn)能力,設計線距(Pitch)為0.10mm
  3.線邊距:最外線的線距離FPC輪廓的距離設計為0.30mm,空間允許時越大越好
  4.內(nèi)圓角:FPC輪廓上內(nèi)圓角最小值設計為半徑R=1.5mm  

  5.導線與彎曲方向垂直
  6.導線應均勻的穿過彎曲區(qū)域
  7.導線盡量布滿彎曲區(qū)域面積
  8.在彎曲區(qū)域不能有額外的電鍍金屬(彎曲區(qū)域?qū)Ь€不電鍍)
  9.線寬保持一致
  10.雙面板的走線不能重疊一起構(gòu)成“I”狀
  11.在彎曲區(qū)域的層數(shù)盡量減少
  12.彎曲區(qū)域不能有過孔和金屬化孔
  13.彎曲中心軸應當設置在導線的中心。導線兩邊的材料系數(shù)和厚度盡量一致。這一點在動態(tài)彎曲的應用下非常重要。
  14.水平面扭轉(zhuǎn)遵循以下原則----減小彎曲截面以增加柔性,或部分增大銅箔面積以增加韌性。
  15.垂直面彎折采取增大彎折半徑,彎折中心區(qū)域減少層數(shù)等辦法
  16.對于有EMI要求的產(chǎn)品,若有如USB、MIPI等高頻輻射信號線處于FPC上,則應根據(jù)EMI測情況在FPC上增加導電銀箔層并且使導電銀箔接地,防止EMI。
  隨著FPC應用環(huán)境的擴大,以上內(nèi)容會不斷得到充實或者不適用,但是只要在工作中用心設計,多思考多總結(jié),相信設計起FPC也不是什么難事,也能輕易上手。

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