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硬件設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)FPC柔性線路板設(shè)計(jì)全攻略
柔性印刷電路板導(dǎo)電銀箔(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(méi)有(通常用來(lái)對(duì)FPC電路的保護(hù))。由于FPC柔性線路板能以多種方式進(jìn)行彎曲、折疊或重復(fù)運(yùn)動(dòng),相對(duì)于普通硬板(pcb)而言,具有輕、薄、柔性等優(yōu)點(diǎn),因此其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
FPC的基層(BaseFilm)材料一般采用聚酰亞胺(Polyimide,簡(jiǎn)稱PI),也有用聚酯(Polyester,簡(jiǎn)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(hù)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(shè)計(jì)時(shí)需要將各層粘結(jié)起來(lái),這個(gè)時(shí)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(shù)脂(Modified Epoxy),酚丁縮醛(Phenolic Butyrals),增強(qiáng)膠,壓敏膠等,而單層的FPC柔性線路板就不用使用膠進(jìn)行粘合了。
在有器件焊接等很多應(yīng)用場(chǎng)合中,柔性板需要用補(bǔ)強(qiáng)板(Stiffener)來(lái)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(bǔ)強(qiáng)常用材料,厚度一般為125um。玻璃纖維(FR4)補(bǔ)強(qiáng)板的硬度比PI或Polyester的高,用于要求更硬一些的地方,相對(duì)加工困難。
相對(duì)于PCB焊盤(pán)的處理方式,FPC的焊盤(pán)處理也有多種方法,常見(jiàn)有如下幾種:
?、倩瘜W(xué)鎳金又稱化學(xué)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?wù)f一家PCB廠工人采用置換法來(lái)置換pcb池子里的金子)。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn):表面平整,保存時(shí)間較長(zhǎng),易于焊接;適合細(xì)間距元件和厚度較薄的PCB。對(duì)于FPC,因?yàn)楹穸容^薄所以比較適合采用。缺點(diǎn):不環(huán)保。
?、陔婂冦U錫(Tin-Lead Plating)優(yōu)點(diǎn):可以直接給焊盤(pán)加上平整的鉛錫,可焊性好、均勻性好。對(duì)于某些加工工藝如HOTBAR,FPC上一定采用該方式。缺點(diǎn):鉛容易氧化,保存時(shí)間較短;需要拉電鍍導(dǎo)線;不環(huán)保。
?、圻x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(diǎn):金鍍層較厚,抗氧化和耐磨性強(qiáng)?!敖鹗种浮币话悴捎么朔N處理方式。缺點(diǎn):不環(huán)保,氰化物污染。
?、苡袡C(jī)可焊性保護(hù)層(OSP)此工藝是指在裸露的PCB銅表面用特定的有機(jī)物進(jìn)行表層覆蓋。優(yōu)點(diǎn):能提供非常平整的PCB表面,符合環(huán)保要求。適合于細(xì)間距元件的PCB。
缺點(diǎn):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。
?、轃犸L(fēng)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(fēng)整平鉛錫合金鍍層厚度要求為1um-25um。熱風(fēng)整平工藝對(duì)于控制鍍層的厚度和焊盤(pán)圖形較為困難,不推薦使用于有細(xì)間距元件的PCB,原因是細(xì)間距元件對(duì)焊盤(pán)平整度要求高;熱風(fēng)整平工藝對(duì)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(shè)計(jì)中,FPC經(jīng)常需要和PCB配合使用,在兩者的連接中通常采用板對(duì)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(jìn)行連接,針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境,設(shè)計(jì)者可以采用相應(yīng)的連接方式。
在實(shí)際的應(yīng)用中,根據(jù)應(yīng)用需要確定是否需要進(jìn)行ESD屏蔽,當(dāng)FPC柔性要求不高時(shí)可用實(shí)心銅皮、厚介質(zhì)實(shí)現(xiàn)。柔性要求較高時(shí)可采用銅皮網(wǎng)格、導(dǎo)電銀漿實(shí)現(xiàn)。
由于FPC柔性線路板的柔軟性,在承受應(yīng)力時(shí)容易斷裂,因此需要一些特殊的手段進(jìn)行FPC保護(hù),
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(qiáng)。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(kāi)槽的必須終止于一個(gè)不小于1.5mm直徑的圓孔,在相鄰兩部分的FPC需要單獨(dú)移動(dòng)的情況下也有此要求。
3、為了達(dá)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(bǔ)強(qiáng)板(Stiffener)又稱加強(qiáng)板,主要用來(lái)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(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)板的位置,區(qū)域,材料對(duì)避免FPC撕裂有極大作用。
5、在多層FPC設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于產(chǎn)品使用過(guò)程中需要經(jīng)常彎折的區(qū)域需要進(jìn)行氣隙分層設(shè)計(jì),盡量使用薄材質(zhì)PI材料增加FPC柔軟度,防止FPC在反復(fù)彎折過(guò)程中折斷。
6、空間允許的情況下應(yīng)該在金手指與連接器連接處設(shè)計(jì)雙面膠固定區(qū)域,防止彎折過(guò)程中金手指與連接器脫落。
7、在FPC與連接器連接處應(yīng)設(shè)計(jì)FPC定位絲印線,防止FPC在組裝過(guò)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(shí)需要注意以下幾點(diǎn):
走線規(guī)則:優(yōu)先保證信號(hào)走線順暢,以短、直、少打過(guò)孔為原則,盡量避免長(zhǎng)、細(xì)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(xì)說(shuō)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(yù)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(shè)計(jì)線距(Pitch)為0.10mm
3.線邊距:最外線的線距離FPC輪廓的距離設(shè)計(jì)為0.30mm,空間允許時(shí)越大越好
4.內(nèi)圓角:FPC輪廓上內(nèi)圓角最小值設(shè)計(jì)為半徑R=1.5mm
5.導(dǎo)線與彎曲方向垂直
6.導(dǎo)線應(yīng)均勻的穿過(guò)彎曲區(qū)域
7.導(dǎo)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(guò)孔和金屬化孔
13.彎曲中心軸應(yīng)當(dāng)設(shè)置在導(dǎo)線的中心。導(dǎo)線兩邊的材料系數(shù)和厚度盡量一致。這一點(diǎn)在動(dòng)態(tài)彎曲的應(yīng)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(duì)于有EMI要求的產(chǎn)品,若有如USB、MIPI等高頻輻射信號(hào)線處于FPC上,則應(yīng)根據(jù)EMI測(cè)情況在FPC上增加導(dǎo)電銀箔層并且使導(dǎo)電銀箔接地,防止EMI。
隨著FPC應(yīng)用環(huán)境的擴(kuò)大,以上內(nèi)容會(huì)不斷得到充實(shí)或者不適用,但是只要在工作中用心設(shè)計(jì),多思考多總結(jié),相信設(shè)計(jì)起FPC也不是什么難事,也能輕易上手。
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