撓性及剛撓印制板組件可制造性設(shè)計(jì)

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(貴州航天電器股份有限公司，貴州 貴陽，550009)

1 引言

隨著軍用電子設(shè)備微型化、小型化發(fā)展趨勢(shì)，軍用印制板及其組件模塊也向著高密度、輕量化方向快速發(fā)展。

撓性及剛撓印制板作為一種特殊的互連技術(shù)，能夠減少電子產(chǎn)品的組裝尺寸和重量，避免裝配連線錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)不同裝配條件下的三維組裝，并以其體積小、重量輕、可彎曲、裝配可靠等特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、航空航天及軍用電子設(shè)備中[1]。剛撓印制板是剛性板與撓性板的結(jié)合，屬于撓性印制板中的一種，其可彎曲部位由單面或雙面撓性板實(shí)現(xiàn)互連，剛性層上的電路與撓性層上的電路通過金屬化孔相互連通[2]。剛撓板相比普通的剛性印制板加工工藝復(fù)雜、制作成本高，因此要求工程人員在設(shè)計(jì)之初必須考慮撓性印制板的可制造性。

本文主要針對(duì)撓性印制板組件的產(chǎn)品特點(diǎn)，結(jié)合目前軍用撓性印制板組件特別是剛撓板在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的一些問題，對(duì)撓性印制板組件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了分析，重點(diǎn)對(duì)撓性印制板組件在可制造設(shè)計(jì)過程中的一些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了闡述。

2 撓性印制板可制造性設(shè)計(jì)的意義

撓性印制電路板可制造性設(shè)計(jì)主要是要解決印制板設(shè)計(jì)與制造之間的鴻溝問題，通過設(shè)計(jì)觀念的改變、設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，從而提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)以后的生產(chǎn)良品率[3]?？芍圃煨栽O(shè)計(jì)關(guān)鍵是設(shè)計(jì)信息的工藝性分析、制造合理性評(píng)價(jià)和改進(jìn)設(shè)計(jì)的建議[4]。

軍用撓性印制板的特點(diǎn)是由生產(chǎn)廠家按照設(shè)計(jì)單位提供的圖紙進(jìn)行生產(chǎn)，因此，一塊高質(zhì)量的PCB板的產(chǎn)生應(yīng)是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)兩個(gè)方面共同努力的結(jié)果。所有的用戶都希望廠家能提供短周期、高質(zhì)量、低價(jià)位的成品板，廠家也期望在制造階段，能以最短的時(shí)間周期、并以最低的成本達(dá)到最高的合格率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品總成本的60%以上是由設(shè)計(jì)過程決定的，70%的缺陷可歸之于設(shè)計(jì)方面的問題，由于設(shè)計(jì)所引起的產(chǎn)品質(zhì)量問題在生產(chǎn)中是很難克服的，因此說“產(chǎn)品質(zhì)量是設(shè)計(jì)出來的”[5]。

因此，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和提高產(chǎn)品的可制造性設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)約研發(fā)成本、加快產(chǎn)品研發(fā)周期、提高產(chǎn)品可靠性具有重要意義。

3 撓性印制板組件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)流程

3.1 撓性印制板組件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

撓性印制板組件即是由撓性印制板和電子元器件構(gòu)成的具有一定電氣傳輸或電氣組合功能的組件產(chǎn)品。相對(duì)于普通的剛性印制板組件，撓性印制板組件的設(shè)計(jì)難度要更大一些。在設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮電氣性能互聯(lián)實(shí)現(xiàn)方式外，還要關(guān)注印制板的撓性、可靠性等要求。另外，撓性印制板材料的選擇、加工和精度等對(duì)最終成品的價(jià)格、供貨周期影響較大。因此，在撓性印制板設(shè)計(jì)時(shí)既需要考慮電氣性能，又需要考慮結(jié)構(gòu)、裝配，還需要考慮價(jià)格和供貨周期等等，這些因素對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。

3.2 撓性印制板組件的設(shè)計(jì)流程

產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在接收到撓性印制板組件的研制任務(wù)書或技術(shù)要求后，根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)要求和應(yīng)用場(chǎng)合，提供恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方案，在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)前，應(yīng)當(dāng)與原理圖、結(jié)構(gòu)、工藝等相關(guān)環(huán)節(jié)的技術(shù)人員一起確定印制板的連線、結(jié)構(gòu)要素和器件安裝要求。在生產(chǎn)首件產(chǎn)品時(shí)，需要對(duì)首件產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證。產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程如下圖1所示。

圖1 撓性印制板設(shè)計(jì)流程

4 撓性印制板組件的可制造性設(shè)計(jì) 關(guān)鍵點(diǎn)

4.1 設(shè)計(jì)需求分析

進(jìn)行設(shè)計(jì)需求分析，主要是了解產(chǎn)品的使用場(chǎng)合(彈上或地面)、環(huán)境指標(biāo)、固定方式、折彎次數(shù)、彎曲半徑、器件組裝類型、傳輸信號(hào)類型、性能要求等，以便于撓性印制板組件的器件選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、板材選擇、層壓結(jié)構(gòu)和加工方式選擇等。在進(jìn)行設(shè)計(jì)分析時(shí)，可從下列幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

4.1.1 撓性要求

有些產(chǎn)品，在使用過程中需要頻繁彎曲撓性印制板，對(duì)撓性區(qū)域有一定的折彎次數(shù)要求；而另外一部分產(chǎn)品只是滿足不共面或立體安裝的需求，該類產(chǎn)品只是在安裝時(shí)彎曲一次，安裝好后就固定了。

因此，撓性印制板的彎曲要求不一樣，可選擇不同的設(shè)計(jì)方案、加工板材和加工方式。

4.1.2 導(dǎo)電能力要求

在進(jìn)行撓性印制板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)撓性板上需要傳輸?shù)男盘?hào)電壓、電流大小進(jìn)行估算。印制板走線的寬度、銅厚必須滿足載流能力及設(shè)計(jì)裕量的要求。特別是對(duì)有過大電流需求的信號(hào)，需要適當(dāng)增加連接器的管腳個(gè)數(shù)和走線根數(shù)、寬度等。

對(duì)于印制板設(shè)計(jì)過程中導(dǎo)線的寬度與電氣間隙，根據(jù)產(chǎn)品所屬的質(zhì)量等級(jí)在設(shè)計(jì)前最好能參照有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。如GB/T4588.3《印制電路板設(shè)計(jì)和使用》、GJB4057《軍用電子設(shè)備印制電路板設(shè)計(jì)要求》、QJ3103《航天印制板設(shè)計(jì)規(guī)范》等。

4.1.3 信號(hào)類型及時(shí)序分析要求

根據(jù)撓性印制板上的傳輸信號(hào)類型(低速、高速、差分、大電流、高電壓等)來分配連接器上管腳排列，避免信號(hào)之間的相互干擾。

此外，當(dāng)撓性印制板走線較長時(shí)，需要對(duì)撓性印制板的走線延遲、信號(hào)衰減等進(jìn)行分析，有些時(shí)候需要通過增加驅(qū)動(dòng)、匹配、隔離等技術(shù)來保證信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

4.1.4 阻抗與屏蔽要求

根據(jù)撓性印制板的使用場(chǎng)合和信號(hào)傳輸類型，確定是否需要進(jìn)行阻抗控制和屏蔽抗干擾。阻抗設(shè)計(jì)與印制板材料的選擇、導(dǎo)線寬度、導(dǎo)線間距等有關(guān)，屏蔽性能的效果與撓性板覆銅方式有關(guān)，這些在設(shè)計(jì)時(shí)也需要進(jìn)行考慮。

4.2 成本分析

撓性印制板組件的成本構(gòu)成主要包括撓性印制板制板費(fèi)、設(shè)計(jì)費(fèi)、工藝費(fèi)、裝配費(fèi)、試驗(yàn)費(fèi)、測(cè)試費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)等，同時(shí)也與采購數(shù)量有關(guān)。以軍品用撓性印制板組件生產(chǎn)的小批量、多品種為例，由于撓性印制板制板費(fèi)用占整個(gè)產(chǎn)品成本比重較大，因此在保證產(chǎn)品的性能滿足設(shè)計(jì)要求的前提條件下，可盡量優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低產(chǎn)品成本，優(yōu)化設(shè)計(jì)可從以下方面入手。

1)材料的選擇。撓性印制板在制造過程中除了會(huì)用到剛性板常用的材料外，還有一些撓性專用材料，主要有撓性板材、覆蓋膜、撓性綠油、膠粘劑、補(bǔ)強(qiáng)板、銅箔。不同廠家的材料價(jià)格相差較大；

2)產(chǎn)品設(shè)計(jì)布線時(shí)，在滿足層數(shù)要求的前提下，盡可能增加線寬、線距、過孔焊盤等，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)難度，可降低產(chǎn)品的成本；

3)表面處理工藝在滿足可焊性的前提下，應(yīng)盡可能選擇質(zhì)量易控制的水平線表面處理，如沉金、沉錫等，可降低產(chǎn)品成本；

4)特殊工藝或特殊材料要求會(huì)使撓性板成本增加，如盲埋孔工藝、樹脂塞孔、阻抗控制、高TG板材等；

5)設(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)體銅厚盡量采用0.5oz或1oz標(biāo)準(zhǔn)厚度，增加銅厚或成品板厚度，產(chǎn)品制作工藝加大，成本會(huì)增加；

6)設(shè)計(jì)時(shí)盡可能避免在撓性區(qū)域設(shè)計(jì)焊盤、過孔等，撓性部分打孔會(huì)導(dǎo)致?lián)锨宰儾?，加工費(fèi)用也會(huì)增加。

4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)撓性印制板組件所裝配的設(shè)備空間進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般需要確定以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

1)對(duì)于產(chǎn)品的外形尺寸，一是要準(zhǔn)確，二是要明確。對(duì)于使用剛撓結(jié)合的印制板組件，需要確定剛性區(qū)域與撓性區(qū)域，標(biāo)注需要彎折的區(qū)域，以便與后續(xù)PCB的布局與布線設(shè)計(jì)。

2)當(dāng)撓性區(qū)域線路尺寸較長時(shí)，為實(shí)現(xiàn)撓性區(qū)域的固定，一種方式可在撓性區(qū)域增加剛性安裝孔，通過安裝螺釘實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品固定；另外一種方式則可通過加寬柔性區(qū)域，通過線束綁扎的形式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品固定。

3)當(dāng)產(chǎn)品為多層撓性印制板，且撓性區(qū)域有多種外形時(shí)，建議采用不同機(jī)械層來區(qū)分不同的外形。如機(jī)械1層表示剛性區(qū)，機(jī)械2層表示第一張撓性板外形，機(jī)械3層表示第二張撓性板外形。

4.4 電路原理圖設(shè)計(jì)

在電路原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，最關(guān)鍵的是確保電氣連接的準(zhǔn)確性。印制板上印制導(dǎo)線的連接關(guān)系應(yīng)與電原理圖導(dǎo)線關(guān)系相一致，尤其是沒有提取網(wǎng)絡(luò)表的用戶，比較容易產(chǎn)生飛線、交叉線或焊盤與線短路等，使電氣連接不正確。

對(duì)于需要差分布線的差分對(duì)，在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)一定要標(biāo)注，避免后續(xù)PCB布線時(shí)有遺漏。電路原理圖設(shè)計(jì)完成后，利用電路設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行電氣規(guī)則檢查，避免原理圖中出現(xiàn)低級(jí)錯(cuò)誤現(xiàn)象。

總之，原理圖設(shè)計(jì)的正確性，是后續(xù)PCB成功設(shè)計(jì)的前提。

4.5 產(chǎn)品PCB設(shè)計(jì)

撓性印制板電路設(shè)計(jì)與普通剛性板電路設(shè)計(jì)要求及方法類似。以下主要針對(duì)撓性印制板的特點(diǎn)，對(duì)該類產(chǎn)品在PCB設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)注意的設(shè)計(jì)事項(xiàng)進(jìn)行闡述。

4.5.1 清晰的各層圖形設(shè)計(jì)

提供給印制板生產(chǎn)廠家的加工文件中，各層圖形應(yīng)完整、清晰。

1) 對(duì)于有多層結(jié)構(gòu)的撓性印制板，其疊層結(jié)構(gòu)應(yīng)清晰。剛撓板，應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成對(duì)稱的疊層結(jié)構(gòu)，撓性層設(shè)計(jì)在中間位置，可增加產(chǎn)品的撓性性能，降低加工難度；

2) 對(duì)于撓性板的機(jī)械層，剛性區(qū)域和撓性區(qū)域等應(yīng)標(biāo)識(shí)清楚；

3) 各導(dǎo)電層、字符層、阻焊層、鉆孔層等應(yīng)清晰正確，便于后續(xù)印制板生產(chǎn)廠家的理解，縮短溝通時(shí)間，加快產(chǎn)品加工和生產(chǎn)進(jìn)度。

圖2 撓性印制板(6層)對(duì)稱層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

4.5.2 撓性層走線設(shè)計(jì)

1)撓性板中走線和過孔的焊盤一般都需要進(jìn)行淚滴處理(Tear Drop)，這樣可提高產(chǎn)品的可靠性。

圖3 撓性區(qū)域走線設(shè)計(jì)

2)撓性板中需要折彎的導(dǎo)線，拐角應(yīng)設(shè)計(jì)為圓弧形，避免出現(xiàn)角度，減少撓曲存在的應(yīng)力，提高產(chǎn)品互聯(lián)的可靠性。

3)撓性彎折區(qū)域有覆銅要求的，網(wǎng)格狀的設(shè)計(jì)比整塊實(shí)心覆銅可靠性高。

4.5.3 彎折區(qū)域設(shè)計(jì)

為了得到最大的動(dòng)態(tài)彎曲次數(shù)，或得到彎曲安裝最高的可靠性，在彎折區(qū)域的導(dǎo)體需符合以下要求。

1)導(dǎo)體與彎曲方向垂直，均勻的穿過彎曲區(qū)域；

2)彎曲區(qū)域的層數(shù)盡量減少；

3)彎曲區(qū)域不能有過孔和金屬化孔，動(dòng)態(tài)彎折容易造成折裂；

4)彎曲區(qū)域疊層應(yīng)設(shè)計(jì)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可增強(qiáng)產(chǎn)品的彎折強(qiáng)度，導(dǎo)體兩邊的材料系數(shù)和厚度盡量要一致，雙面板彎曲區(qū)域兩面的走線不能重疊；

5)雙面或多層撓性板，上下層銅層走向應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)為交錯(cuò)型，避免平行，可提高撓性性能；

6)多層撓性板或剛撓結(jié)合板中有多層撓性的，為保證有較高的彎曲性能，撓性區(qū)域可設(shè)計(jì)為分層結(jié)構(gòu)(即撓性層不粘合在一起)，如圖4所示。

圖4 多層撓性板粘合結(jié)構(gòu)與分層結(jié)構(gòu)

4.5.4 撓性層外形輪廓防撕裂設(shè)計(jì)

目前，撓性印制板的撓性區(qū)所用材料大多為聚酰亞胺、聚酯或聚四氟乙烯等，由于這些材料強(qiáng)度沒有剛性板的FR4材料高，故存在易撕裂和易折損等弱點(diǎn)。為了避免撓性印制板在后續(xù)裝配和使用過程中受損，在外形設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮撓性板的防撕裂設(shè)計(jì)。

1)撓性彎折區(qū)域外形應(yīng)避免設(shè)計(jì)有增大應(yīng)力的角度，代替設(shè)計(jì)平滑的圓弧；

2)撓性板曲率半徑小的內(nèi)外長槽，為了分散曲率應(yīng)力，應(yīng)在末端加上曲率半徑大的圓??；

3)撓性印制板轉(zhuǎn)角處可以增加一處靠近板邊的走線，防止被撕裂。

撓性外形輪廓防撕裂設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 撓性區(qū)域防撕裂設(shè)計(jì)

4.5.5 加固設(shè)計(jì)

當(dāng)撓性區(qū)域線路尺寸較長時(shí)，為實(shí)現(xiàn)撓性區(qū)域的固定，滿足振動(dòng)、沖擊等力學(xué)環(huán)境要求，可采取以下方式進(jìn)行固定。

1)產(chǎn)品撓性區(qū)域增加剛性安裝支耳，通過安裝螺釘實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品固定；

2)在撓性區(qū)域設(shè)計(jì)綁線槽，通過線束綁扎的形式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品固定；

3)通過膠體對(duì)撓性區(qū)域進(jìn)行固定，如GD414、GD3140等硅橡膠；

4)通過單獨(dú)的加固條進(jìn)行固定。

a)撓性區(qū)域增加螺釘安裝支耳

b)撓性區(qū)域增加綁線槽

c)撓性區(qū)域點(diǎn)膠固定和用加固條固定圖6 撓性印制板加固設(shè)計(jì)

4.5.6 補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

補(bǔ)強(qiáng)板的主要作用是為了增加撓性板焊接部位的硬度，一般設(shè)計(jì)在元器件焊接部分的底部，補(bǔ)強(qiáng)材料有PI(聚酰亞胺)、FR4等。

由于剛撓結(jié)合板的加工工藝難度大，所以其制作費(fèi)用也相對(duì)較高。對(duì)于一些使用撓性板組件的場(chǎng)合，如果剛性部分只起到提高硬度作用，則可考慮設(shè)計(jì)成撓性板+補(bǔ)強(qiáng)板，這種形式的剛撓結(jié)合成本較低。

4.5.7 其他設(shè)計(jì)控制

1)覆蓋膜壓焊盤設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方式的目的是為了增強(qiáng)焊盤的附著力，提高可靠性。撓性區(qū)域的焊盤，一般覆蓋膜單邊能夠蓋過焊盤0.2mm以上，如圖7所示。

2)屏蔽設(shè)計(jì)。當(dāng)撓性板有EMI控制要求時(shí)，可以增加屏蔽層來實(shí)現(xiàn)屏蔽需求。屏蔽層可以是電磁屏蔽膜，實(shí)心銅皮，網(wǎng)格銅皮等。屏蔽層需要與接殼或接地孔進(jìn)行連接。

a)焊盤孔覆蓋膜設(shè)計(jì)

b)金手指焊盤覆蓋膜設(shè)計(jì)圖7 覆蓋膜壓焊盤設(shè)計(jì)

3)阻抗設(shè)計(jì)。撓性板線路的阻抗主要由印制線的寬度、厚度、介質(zhì)層厚度以及相對(duì)介電常數(shù)決定。在進(jìn)行布線之前，可借助阻抗計(jì)算軟件(如Polar)進(jìn)行估算。此外，在撓性區(qū)域布阻抗線，則必須注意在制定阻抗結(jié)構(gòu)圖時(shí)，撓性區(qū)布線層在每個(gè)單片上必須有對(duì)應(yīng)參考平面。

4)串?dāng)_控制?？刂拼?dāng)_可采取加大電氣間隙、在信號(hào)層之間增加地層、在信號(hào)之間插入地隔離等措施。

5 總結(jié)

撓性印制板組件可制造性設(shè)計(jì)過程是一個(gè)信息的綜合處理過程，要求設(shè)計(jì)人員既要了解產(chǎn)品的功能、性能、裝配、測(cè)試，又需要掌握撓性印制板的生產(chǎn)技術(shù)、材料、加工工藝等。在撓性印制板設(shè)計(jì)過程中，若設(shè)計(jì)人員能夠在工作中熟悉相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、工藝規(guī)范，并結(jié)合企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況加以靈活應(yīng)用，必將能減少產(chǎn)品制造過程中的質(zhì)量缺陷，達(dá)到縮短研制周期、減小研制成本的目的，最終使企業(yè)制造出高質(zhì)量、低成本、高可靠的電子產(chǎn)品。