SI-list【中国】FPC原材料，设计，加工，组装终极解决方案----（二） 柔性板的设计

本文大纲

1. 柔性板材料介绍

2. 柔性板的设计

3. 柔性板的加工及表面处理

关于FPC

柔性电路板，又称挠性板，是由在柔性介质表面制作有导体线路来组成，可以包含或不包含覆盖层。一般导体与柔性介质之间是用胶粘接的，尽管目前也有无胶铜箔材料。柔性板介质的介电常数比较低，可以给导体提供良好的绝缘和阻抗性能。同时柔性介质很薄并具有柔性，它同样具有良好的抗拉力、多功能性和散热性能。

不像普通PCB（硬板），FPC 能够以很多种方式进行弯曲、折叠或重复运动。为了挖掘FPC 的全部潜能，设计者可以使用多种结构来满足各种需求，如单面板、双面板，多层板和软硬结合板等。

目前市场上存在两种类型的柔性板：印制（蚀刻）的和丝印的。丝印的柔性板又称聚合物厚膜（Polymer Thick Film，简称PTF）柔性板。与普通的印制蚀刻技术不一样，PTF 技术是采用其它工序直接在介质薄膜上丝印导电油墨作为导体。虽然PTF 柔性板的应用场合不断扩大（如很流行的薄膜开关），但是印制的柔性板还是这两种中使用最广的。本设计规范中主要关注印制的柔性电路板（Flexible Printed Circuit，简称FPC）的结构和设计方法。本文中提到的柔性板也就是指柔性印制电路板。

 柔性板的设计

       根据应用需要，确定适合的柔性要求。部分柔性板只是满足不共面连接等的需要，只需要在安装时弯曲一次，安装好以后就固定了。而在部分产品中，比如翻盖手机中通过转轴的柔性板，柔性板就要求一定的弯曲次数。而要求最高的是在硬盘磁头等场合中使用的柔性板，需要更长时间往复弯曲运动。综合起来看，柔性要求可以概括成下列四种：

  · 弯曲一次(flex one time)

  · 弯曲安装(flex to install application)

  · 动态柔性(dynamic flex application)

  · 碟机驱动头应用场合(disk driver application) 

柔性要求不一样，选择不同的设计方案、加工板材和加工方式。

2.1安装方式

柔性板与硬板之间的互连方式主要有下面几种：

  · 板对板连接器

  · 连接器加金手指

  · Hotbar

        · 软硬结合板

    考虑采用哪种方式时，需要综合考虑互连高度、有效面积和连接器、加工和组装等成本。还有不同的互连对加工精度的要求。

     一般最常用的是板对板连接器，连接器可用表贴、插件和压接型等等。但是该方式FPC 需要贴补强板；组装后比较高；而且连接器价格、组装成本也不低。连接器加金手指方式可以提高互连密度，一般也比较薄；但是金手指加工精度要求较高。而HOTBAR 尽管需要特殊的组装设备，它应用得也越来越普遍了。

2.2 叠层、阻抗、屏蔽要求

2.2.1叠层设计   

     在设计中常用到单面板、双面板、双面板＋银浆层等等。在需要进行阻抗控制时，双面板或双面板＋银浆层可以根据设计需要自行组合构成微带线和带状线。下面表中列举了用Dupont 公司“Pyralux® FR” 系列的基材和介质＋胶来构成的柔性板。表中所用基材的铜厚都是0.5oz，电镀后的厚度是1.2mil 。其它型号或其它公司的材料请根据设计需求来选择。

各层定义	层压材料描述	材料厚度(in inch):	杜邦板材型号
Coverlayer Top	Polyimide   Coverlayer	0.0010	FR0110
	Adhesive	0.0010
Artwork Top	Base+Plating Copper	0.0012	FR8510
	Adhesive	0.0010
Coverlayer Bottom	Polyimide Base   Material	0.0010
	Total Thickness	0.0052

 表一 单面FPC 层叠结构及材料厚度

各层定义	层压材料描述	材料厚度(in inch):	杜邦板材型号
Coverlayer Top	Polyimide   Coverlayer	0.0010	FR0110
	Adhesive	0.0010
Artwork Top	Base+Plating Copper	0.0012	FR8515
	Adhesive	0.0010
	Polyimide Base   Material	0.0010
	Adhesive	0.0010
Artwork Bottom	Base+Plating Copper	0.0012
	Adhesive	0.0010	FR0110
Coverlayer Bottom	Polyimide   Coverlayer	0.0010
	Total Thickness	0.0094

 表二 双面FPC 层叠结构及材料厚度

各层定义	层压材料描述	材料厚度(in inch):	杜邦板材型号
Coverlayer Top	Polyimide   Coverlayer	0.0010	FR0110
	Adhesive	0.0010
Silver Paste Top	Silver Shielding	0.0010	SILVER
Coverlayer02	Polyimide   Coverlayer	0.0020	FR0220
	Adhesive	0.0020
Artwork Top	Base Copper+ED   copper	0.0012	FR8515
	Adhesive	0.0010
	Polyimide Base   Material	0.0010
	Adhesive	0.0010
Artwork Bottom	Base Copper+ED   copper	0.0012
	Adhesive	0.0020	FR0220
Coverlayer03	Polyimide   Coverlayer	0.0020
Silver Paste Bottom	Silver Shielding	0.0010	SILVER
	Adhesive	0.0010	FR0110
Coverlayer Bottom	Polyimide   Coverlayer	0.0010
	Total Thickness	0.0194

 表三 双面FPC+ 双面银浆层叠结构及材料厚度

2.2.2阻抗设计

    柔性板的层压结构比较灵活。可以用双面板、三层板或它们表面再覆银浆的方式来构成微带线和带状线；具体结构可以参考前面表6～表9。确定层压结构以后，可以使用Polar 软件来计算走线阻抗。

当Coverlayer 采用覆盖膜形式而不用绿油时，微带线模型应该采用“Coated Microstrip”形式。否则，计算的阻抗值就会相差较大。

上图采用“Coated Microstrip”微带线模型计算阻抗FPC 常用的介质是Polyimide ，它的介电常数是3.5（1MHz）。如采用上面“表7”的双面板结构来构成微带线的话，5mil 线宽阻抗可以控制在49 欧左右。与硬板相比，柔性板各层之间的介质一般比较薄，使得走线更加靠近参考平面。这样对阻抗的影响就是阻抗值偏低。如按照表9 所示的层压结构，假设银浆和铜箔都是实心时，线宽6mil 的带状线的阻抗计算是33 欧。如下表所示： 表10 带状线阻抗计算例子

     更大的线宽需要达到同样的阻抗要求时，可以采用两种方式来实现，一是增加介质厚度或胶厚， 二是采用网格形状的参考平面。前者会影响FPC 的柔软性。采用网格参考平面，即可实现相应的阻抗要求，柔性也得到改善，但是阻抗的计算就会很复杂。网格对阻抗的影响是在厚度一定的情况下网格孔越大（含铜量越少）阻抗越大，而在实心参考平面时的阻抗最小。目前可以用HFSS 等软件仿真得到阻抗值，或者提出要求请厂家根据经验或专利来控制。

一般可控制的单线阻抗为：25-100 ohm 

                     差分阻抗为：75-125ohm 

2.2.3屏蔽控制

      当柔性板有EMI 控制要求时，可以增加屏蔽层来实现要求。屏蔽层可以是实心铜皮、铜皮网格和银浆网格等。

实心铜皮：是最普通的屏蔽方式。铜皮可以在FPC 的一边或者两边都有，也可以只覆盖了需要屏蔽的那部分区域。当以实心铜皮为参考层时阻抗控制比较简单，可以直接用软件计算。但是实心铜皮会增加FPC 的层数，使得FPC 加工难度变大；它还增加FPC 的硬度，柔性变差；铜皮屏蔽层也会使得FPC 变厚，影响最小弯曲半径。

铜皮网格：铜皮可以在FPC 的一边或者两边都有，也可以只覆盖了需要屏蔽的那部分区域。当使用铜皮网格时，因为铜量变少，比实心铜皮时的柔性提高了；但是铜皮网格一样会增加FPC 的层数，使得FPC 加工难度变大；铜皮屏蔽层也会使得FPC 变厚，影响最小弯曲半径。当以实心铜皮为参考层时阻抗控制比较简单，可以直接用软件计算。

网格屏蔽层示意图

银浆或银浆网格：当频率高于1MHz 时，银浆的屏蔽效果等效于铜箔的。银浆采用丝印的方式印刷在单面板或多层板的表面（可以只单面印刷）。另外银浆的表面需要有覆盖膜来绝缘。采用银浆的好处是电路的层数没有增加，制造方便，成本低廉。但是银浆比较脆，它不适合动态弯曲要求高或者弯曲半径很小的场合。

2.3 时序分析、信号质量，串扰要求

     当柔性板中走线长度足够长时，就需要分析柔性板的走线延迟；或者因为信号传输过程引起的衰减、失真等问题。有些时候需要增加驱动、匹配或均衡、隔离等技术来保证信号质量要求。

    在安排连接器上管脚的信号排序时，需要考虑大电流信号、高速信号、高压信号等对其它信号的影响。同时需要合理安排地管脚，使得回流路径合理。

      关键网络的串扰，可通过搭建模型进行仿真，得出满足器件串扰要求的最小信号线间距。在设计时可设网络的间距规则，或设Max Parallelism（信号线平行多长的则间距应多大的列表），作为规则输入到软件中。

控制串扰的主要手段：加大线间距，包地隔离等。

2.4 导电能力要求

   设计FPC 时，需要对信号的电流大小进行充分的评估。FPC 走线宽度、铜皮厚度必须满足载流能力及其裕量要求。特别是电源、地等大电流，需要适当安排连接器管脚个数和走线根数、宽度等。当FPC 上导线或器件温升较高时，可以考虑把FPC 贴到铝基板、钢片等上面，使其充分散热。

线宽（mil）			4		5		6		7		8		9		10		18		28
0.5oz	10°C 温升电流（A)	0.342		0.397		0.449		0.498		0.545		0.59		0.633		0.941		1.267
1.0oz	10°C 温升电流（A)	0.545		0.663		0.716		0.794		0.869		0.941		1.01		1.5		2.0
	该电流下直流压降（mV/inch)	70.2		65.2		61.5		58.4		55.9		53.8		52.0		42.9		37.3

其它情况的载流能力可以参考下图：

FPC 载流能力的计算方法与硬板的一样。只是从柔性考虑FPC 用的铜箔比较薄；而且在柔性要求高的场合，FPC 表层铜箔采用局部电镀方式。当采用局部电镀方式时FPC 表层铜箔厚度就不用补偿了。

2.5 PCB设计细节

2.5.1关于走线及弯折处的设计

2.5.2关于Cover layer的设计

2.6 环保要求

欧盟2003 年1 月27 日正式颁布RoHS 指令(Restriction of Hazardous Substances)，限制了相关产品对有毒材料的使用。并将于2006 年7 月1 日要求制造商开始执行。针对FPC 设计来说，要求使用到的介质不能使用有卤素成分。目前有些板材供应商已经生产出无卤素材料。如Dupont 公司的“Pyralux® LF”系列板材。

-----本节完----