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FPC柔性電路板的PCB設計

time : 2019-08-10 10:25       作者:凡億pcb

基于我們一個產品,因為這個FPC需要經常彎折,導致使用了一段時間后就會出現接觸不良,或者直接折斷情況,所以對于FPCPCB設計,需要注意一些問題,在這里總結一下。
 1、采用電解銅(ED)還是碾壓銅(RA)
 其中來說,使用ED的抗彎折性要弱于RA,在單面FPC表現的尤為突出,在雙面板時,即使是RA,實際做出來抗彎折性同ED差不了太多。
 根據板廠的工藝來分析:對于過孔基本都是使用電鍍銅的方式來處理的,所以即使是RA,做出來的也是RA+ED。  參考:
  假如使用1/3盎司的銅箔,其原材銅箔的厚度只有12um左右,一般FPC電鍍前銅箔必須黑化處理,將銅箔的表面做刨除粗糙化處理,然后再在其粗糙的銅箔表面電鍍上大約10um的電鍍銅厚度,所以原本有12um的RA銅,因為刨除處理,可能只會剩下2~6um的RA銅,再加上電鍍的作業,會讓原來壓碾銅的晶格排列發生重新排列趨向于電解銅的垂直方向,也就是說原來壓碾銅再經過電鍍后,其壓碾銅耐彎折的特性幾乎所剩無幾了,所以雙層線路以上的FPC不論采用壓延銅或電鍍銅為材質,最后的FPC特性其實都與電鍍銅差異無幾。   當然,或許有人會使用1/2盎司的銅箔,厚度大概在18um左右,既使刨除后再電鍍,其原來的壓碾銅水平晶格排列應該會殘留比較多,但缺點就是越厚的銅箔就越硬。
柔性電路板(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、柔性等優點,因此其應用越來越廣泛。
FPC
FPC的基層(Base Film)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,其材質通常常選用PI,而PCB的基材通常選用FR4。
FPC的覆蓋層(Cover Layer)材質為介質薄膜和膠的壓合體,或者是柔性介質的涂層,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 環氧樹脂(Modified Epoxy),酚丁縮醛(Phenolic Butyrals),增強膠,壓敏膠等,而單層的FPC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,FPC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)。 該技術優點: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:不環保。
②電鍍鉛錫(Tin-Lead Plating) 優點: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,FPC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;不環保。
③ 選擇性電鍍金(SEG) 選擇性電鍍金指PCB局部區域用電鍍金,其他區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。 優點:能提供非常平整的PCB表面,符合環保要求。適合于細間距元件的PCB。
缺點:需要采用常規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,FPC經常需要和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 合板、人工焊接的方式進行連接,針對不同的應用環境,設計者可以采用相應的連接方式。
在實際的應用中,根據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 實現。柔性要求較高時可采用銅皮網格、導電銀漿實現。
由于FPC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,彎曲區域需要選在寬度均勻的區域,盡量避免彎曲區域中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,對于產品使用過程中需要經常彎折的區域需要進行氣隙分層設計, 盡量使用薄材質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在組裝過程中發生偏斜、插入不 到位等不良。有利于生產檢查。
柔性電路板
由于FPC的特殊性,其走線時需要注意以下幾點:
走線規則:優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: 考慮到數據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:按照目前大多數廠家的生產能力,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.內圓角:FPC輪廓上內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域
7.導線盡量布滿彎曲區域面積
8.在彎曲區域不能有額外的電鍍金屬(彎曲區域導線不電鍍)
9.線寬保持一致
10. 雙面板的走線不能重疊一起構成“I”狀
11.在彎曲區域的層數盡量減少
12.彎曲區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和厚度盡量一致。這一點 在動態彎曲的應用下非常重要。
14.水平面扭轉遵循以下原則----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,彎折中心區域減少層數等辦法
16.對于有EMI要求的產品,若有如USB、MIPI等高頻輻射信號線處于FPC上,則應根據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。