彭小琴
(貴州航天電器股份有限公司,貴州貴陽,550009)
柔性電路板(Flexible Printed Circuit,簡稱FPC)是以聚酰亞胺薄膜或聚酯薄膜為基制成的一種具有高度可靠性,絕佳的可撓性印刷電路板。具有的特點(diǎn)如下:
1)可撓曲性。這是FPC最顯著的優(yōu)勢。FPC可通過撓曲和折疊,方便地在三維空間進(jìn)行布線或立體安裝,只要不超過容許的撓曲半徑,F(xiàn)PC可進(jìn)行幾千次至幾萬次的撓曲而不會損壞。
2)體積小。由于設(shè)計(jì)不同,在組件裝連中,與使用電纜導(dǎo)線比,F(xiàn)PC的導(dǎo)體截面薄而扁平,減少了導(dǎo)線尺寸,而且導(dǎo)體介質(zhì)的輕薄和可彎曲性,使裝上FPC的設(shè)備整體結(jié)構(gòu)更加緊湊、合理。與剛性PCB比,空間可節(jié)省60%以上。
3)重量輕。FPC的材料決定了產(chǎn)品的重量輕。在相同體積內(nèi),與電纜導(dǎo)線相比,在相同載流量下,其重量可減輕月70%,與剛性PCB比,重量減輕月90%。
4)消除安裝出錯。采用電纜導(dǎo)線安裝接線,容易在安裝或維修過程中出現(xiàn)接錯,導(dǎo)致經(jīng)常返工或浪費(fèi)時間查找問題原因。FPC不存在這方面問題,只要設(shè)計(jì)圖紙經(jīng)過校對通過,生產(chǎn)出來的產(chǎn)品都符合一致性要求,不會接線出錯,使用FPC也消除了電纜導(dǎo)線,給設(shè)備提供清晰的外觀。
5)增加可靠性。使用FPC裝連,可在X、Y、Z三個平面上布線,減少了轉(zhuǎn)接互聯(lián),使整個系統(tǒng)的可靠性增加,且對故障的檢查,提供了方便。
6)可控制電氣參數(shù)。與電纜導(dǎo)線相比,F(xiàn)PC可通過設(shè)計(jì)控制線寬、線距、線厚、介質(zhì)厚度、介電常數(shù)等參數(shù),從面達(dá)到控制電容、電感、特性阻抗、延遲和衰減等元件特性,這是電纜導(dǎo)線難以辦到的。
7)可降低總成本。使用低成本的FPC,可降低設(shè)備的整體成本。FPC可避免同時使用多塊剛性板和大量的電纜導(dǎo)線組合,往往只需加工一塊撓性板便可取而代之;FPC可整體裝接,消除了電纜導(dǎo)線的裝連出錯,減少了返工和提高效率;另外,F(xiàn)PC可使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡化,能直接粘附到結(jié)構(gòu)件上,減少了線夾和固定件的成本。
柔性板在民用和軍工等各方面都有廣泛應(yīng)用,具體舉例如下:
1)商業(yè)電子產(chǎn)品。如:錄像機(jī)、攝像機(jī)、盒式錄音機(jī)、CD唱機(jī)、照相機(jī)、程控電話、傳真機(jī)、個人電腦、文字處理機(jī)、復(fù)印機(jī)、洗衣機(jī)、電鍋、空調(diào)、汽車、電子測距儀、臺式電子計(jì)算機(jī)等。
2)軍工、航天領(lǐng)域。如:飛機(jī)黑匣子、飛機(jī)燃料控制器、加速計(jì)、反坦克導(dǎo)彈、雷射陀螺儀、雷達(dá)高度計(jì)、人造衛(wèi)星、魚雷、紅外線觀測儀、太空穿梭控制儀、降落傘馬甲發(fā)射器等。
3)醫(yī)療器械領(lǐng)域。如:血液分析器、電擊去纖顫器、助聽器、藥移植泵、骨領(lǐng)感應(yīng)器、神經(jīng)刺激器、核磁共振儀、起搏器、屏蔽器、超聲探測器等。
柔性板的設(shè)計(jì)包含了器件選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣線路設(shè)計(jì)三個部分。如果將柔性板比作人,器件選型是柔性板設(shè)計(jì)的手、腳、眼睛,它是柔性印制板板對外的接口,可與外部世界接觸;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是柔性印制板的軀干,它是柔性印制板的堅(jiān)強(qiáng)的后盾;電氣線路設(shè)計(jì)是柔性印制板的大腦,它主宰著柔性印制板的靈魂。雖然它們主次分明,但又不可或缺。他們需要相輔相成,才能完成最終的柔性印制電路板設(shè)計(jì),滿足高速、射頻裝配、電氣等需求。
作為柔性印制板對外的門戶,柔性印制板的元器件配套選型,應(yīng)該滿足用戶系統(tǒng)設(shè)備配套對接的基本要求。在選型過程中,需要根據(jù)用戶系統(tǒng)設(shè)備上配套元器件的鎖緊方式、安裝方式、方向以及有限的結(jié)構(gòu)空間,從裝配、對接、鎖緊、焊接走線等角度,考慮器件的大小、結(jié)構(gòu)以及鎖緊要求。
柔性印制電路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),決定了電氣線路設(shè)計(jì)空間,也決定了產(chǎn)品物理結(jié)構(gòu)是否能滿足力學(xué)環(huán)境要求。作為柔性印制板的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮柔性印制板的彎折半徑、固定位置、不可布線空間等要求,要結(jié)合產(chǎn)品應(yīng)用的力學(xué)環(huán)境要求,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中將柔性印制板物理上的可靠性進(jìn)行充分考慮。
柔性印制電路板的電氣線路設(shè)計(jì),可謂是柔性印制電路板的血液或靈魂,是柔性印制電路板設(shè)計(jì)中的重中之重。
對柔性印制電路板進(jìn)行電氣線路設(shè)計(jì)的依據(jù),來源于接線關(guān)系表和QJ 3103-99《印制電路板設(shè)計(jì)規(guī)范》。在開始電氣線路設(shè)計(jì)之前,要先將產(chǎn)品接線關(guān)系分析明白,產(chǎn)品的接線表中有哪些信號,是數(shù)字信號還是模擬信號,是差分信號還是電源信號等,需要弄清每種信號的要求。只有在弄清楚各種信號特點(diǎn)的情況下,才能滿足產(chǎn)品真正的電氣性能要求。
鎖緊方式的選擇,根據(jù)用戶設(shè)備端的元器件,選用相應(yīng)的鎖緊方式,盡量滿足鎖緊要求??煞乐谷嵝杂≈瓢迨褂眠^程中出現(xiàn)對接端脫落、信號斷開等問題。
組裝方式的選擇,根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)考慮連接器與印制板的組裝方式、組裝方向,結(jié)合接線關(guān)系確定。如直插印制板式、彎插印制板式、跨騎式、表貼式。考慮后期印制板設(shè)計(jì),一般優(yōu)先選用過孔焊接的方式。相對于表貼焊接方式而言,過孔焊接等能保證產(chǎn)品焊接后的可靠性。
引腳排布的選擇,元器件的引腳排布有多種。如J30J連接器,有N型(直插式,引腳排列尺寸為2.54mm*2.54mm)、N-J型(直插式,引腳排列尺寸為1.27mm*2.54mm)、W型(彎插式,引腳排列尺寸為2.54mm*2.54mm)、W-J型(彎插式,引腳排列尺寸為1.27mm*2.54mm)。一般優(yōu)先選用引腳排布較寬的,但也需考慮空間布局。
以上各器件方面的選擇,最終組成某一種型號的元器件,元器件應(yīng)該優(yōu)先選用通用型號,避免改型造成的設(shè)計(jì)周期和生產(chǎn)周期延誤。
柔板中元器件組裝方式的不同、安裝方向的不同,都會影響柔性板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電氣線路設(shè)計(jì)。如下圖1與圖2所示兩圖中位置1與位置2處的對比結(jié)果,圖1中1處選用的器件為直插印制板式連接器,2處底面安裝,圖2中1處選用的器件為彎插連接器,2處表面安裝,最終柔性板的結(jié)構(gòu)及性能將受到連接器選型的影響型的影響。
圖1 方案1的選型
圖2 方案2的選型
如圖3所示,通過與設(shè)備裝配,可知圖1的選型方案將存在多處潛在性能危害。由于圖1中1處的位置處空間限制,且需要彎折,采用直插印制板方式裝配元器件,裝后柔板需彎折90度后與設(shè)備組裝,且需永久成型,易出現(xiàn)疲勞損傷。圖1中2處位置由設(shè)備空間決定安裝面,由于設(shè)備上對接端所處位置遠(yuǎn)離圓心,底面安裝的方式極有可能導(dǎo)致柔性印制板與設(shè)備上其他結(jié)構(gòu)干涉,最終造成裝配不上。
圖3 方案1與方案2選型的對比
在柔性板元器件選型完成后,可根據(jù)產(chǎn)品接線關(guān)系、產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的初步規(guī)劃,可從以下三方面進(jìn)行:
1)觀察產(chǎn)品設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對柔性印制板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)先做整體結(jié)構(gòu)規(guī)劃,明確可用區(qū)域和不可用區(qū)域,應(yīng)盡可能避開不可用區(qū)域。
2)了解柔性印制板的接線關(guān)系,明確每個元器件之間的走線要求,對于兩相關(guān)聯(lián)的元器件,盡量直接結(jié)構(gòu)相連走線,避免增加設(shè)計(jì)走線,同時還可簡化無接線關(guān)系的元器件,可減少或避免走線結(jié)構(gòu)。
3)進(jìn)一步完善細(xì)節(jié),對于元器件數(shù)量較多,接線關(guān)系較復(fù)雜的柔性印制板,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮安裝固位位置的設(shè)計(jì)以增加產(chǎn)品的可靠性,同時根據(jù)選用元器件的裝配焊接方式考慮是否需要設(shè)置剛性區(qū)域作為表貼焊盤點(diǎn)之間的中轉(zhuǎn)位置。
4)在柔性印制板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)盡量避開元器件出口位置與其他走線位置重合的方式,可降低設(shè)計(jì)難度和制作成本,同時也提高可加工性。
如一款5個元器件,裝配于某設(shè)備上的柔性印制電路板,接線關(guān)系的特點(diǎn)是1個元器件對應(yīng)多個元器件,元器件類型多為J63A跨騎表貼型,引腳排布尺寸較小。根據(jù)以上特點(diǎn),在觀察了產(chǎn)品配套設(shè)備上各種對接器件所處的位置及空間結(jié)構(gòu)后,選定了柔性印制板柔的元器件型號。同時開始進(jìn)行柔性印制電路板的結(jié)構(gòu)布局。由于表貼型元器件的走線只能被限制在某一層,因此需要設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)區(qū)域,同時考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)固定要求,將中轉(zhuǎn)區(qū)域作為固定區(qū)域,還增加其他地方的固定安裝支耳,這樣即增加了產(chǎn)品的可靠性,又減少了電氣線路設(shè)計(jì)時的層數(shù)。最終的5頭柔性印制電路板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。
圖4 5頭柔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在進(jìn)行柔性印制電路板電氣線路設(shè)計(jì)之前,應(yīng)先將產(chǎn)品接線表弄清楚,需要弄明白的問題如下:
1)產(chǎn)品中的信號有哪些?根據(jù)接線表中的點(diǎn)位信號定義或與用戶溝通聯(lián)系,確認(rèn)產(chǎn)品要處理的點(diǎn)位信號類型。
2)產(chǎn)品中信號的要求是什么?根據(jù)接線表中的點(diǎn)位信號要求或與用戶溝通聯(lián)系,確認(rèn)產(chǎn)品要處理的點(diǎn)位信號具體要求,是否需要差分,是否要求阻抗匹配,信號的過電流大小以及電源信號的壓降要求等。
3)線路設(shè)計(jì)規(guī)則定義。在明確前2步的信號類型及要求后,我們可根據(jù)QJ3103-99《印制電路板設(shè)計(jì)規(guī)范》確認(rèn)信號的布線線寬、線距及銅厚,在考慮降額等級的情況下一句定制好的設(shè)計(jì)規(guī)則,可開始電氣線路設(shè)計(jì)。
4)柔性印制電路板的疊層設(shè)計(jì)。由于柔性印制電路板都是依據(jù)設(shè)備系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的異形的走線結(jié)構(gòu),因此還需依據(jù)柔性印制板的三維結(jié)構(gòu)布局確定其疊層結(jié)構(gòu),以保證生產(chǎn)加工出的柔性印制電路板可滿足實(shí)際產(chǎn)品的裝配需求。
以5頭柔性印制電路板的電氣線路設(shè)計(jì)為例,產(chǎn)品接點(diǎn)主要有電源信號、普通模擬信號、地信號;普通模擬信號過電流要求為0.2A;電源信號要求過電流為1.3A,導(dǎo)通壓降越小越好;地信號為接殼地;產(chǎn)品走線設(shè)計(jì)依據(jù) QJ3103-99及柔板結(jié)構(gòu)尺寸,確認(rèn)普通模擬信號線寬為10mil,電源信號線寬為80mil,銅厚為1Oz,經(jīng)計(jì)算,電源壓降最小為0.3Ω。由于布線結(jié)構(gòu)的排序,還對柔性印制板進(jìn)行了疊層設(shè)計(jì),從上至下依次為J30J跨騎表貼元器件所在層、J63A(1)跨騎表貼元器件所在層、J63A(2)跨騎表貼元器件所在層、J63A(3)跨騎表貼元器件所在層。5頭柔性印制電路板的電氣線路設(shè)計(jì)如圖所示。
圖5 Signal Layer 1/2 圖6 Signal Layer 3/4
圖7 Signal Layer 5/6 圖8 Signal Layer 7/8
以上所述的設(shè)計(jì)思路包括元器件選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣線路設(shè)計(jì),三者是柔性印制電路板設(shè)計(jì)的核心三步,但并非所有的柔性印制電路板的設(shè)計(jì)都要按照這樣的三部曲進(jìn)行。柔性印制電路板的產(chǎn)品設(shè)計(jì)都是以用戶輸入為準(zhǔn),可能會出現(xiàn)以下幾種情況:
1)元器件型號確定,柔性印制板結(jié)構(gòu)確定。此時只需做好最后一步,將接線關(guān)系確認(rèn)清楚,弄清走線規(guī)則,進(jìn)行電氣線路設(shè)計(jì)即可。
2)元器件型號確定。需要繼續(xù)第二步與第三步,根據(jù)產(chǎn)品設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行柔性印制電路板三維結(jié)構(gòu)布局,再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電氣線路設(shè)計(jì)。
3)柔性印制板結(jié)構(gòu)確定。此時,需要再重新核實(shí)元器件是否需要選型,或已選型的元器件是否與結(jié)構(gòu)匹配,若不滿足要求,應(yīng)及時更改。最后再進(jìn)行電氣線路設(shè)計(jì)。
4)什么都不明確。此時需要三步曲依次奏響,對從選型到電氣設(shè)計(jì)上的問題進(jìn)行逐個擊破,最終呈現(xiàn)一幅完美的作品。
綜上所述,以上各種情況均是以用戶輸入作為牽引,以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求為目的,在器件選型、結(jié)構(gòu)布局、電氣設(shè)計(jì)等各方面,做到考慮周全,盡善盡美。從設(shè)計(jì)角度出發(fā),將產(chǎn)品的裝配、調(diào)試和力學(xué)實(shí)驗(yàn)情況了然于心。
柔性印制電路板設(shè)計(jì)是從結(jié)構(gòu)到電路的比較全面的一個設(shè)計(jì)體系,要求設(shè)計(jì)人員應(yīng)從力學(xué)角度、電氣角度等多個方面同時思考,同時也要求設(shè)計(jì)人員應(yīng)熟練掌握三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件和電氣線路設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用。
實(shí)踐出真知。雖然熟悉掌握了設(shè)計(jì)技巧,但還應(yīng)在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn),不斷完善設(shè)計(jì)方法,使柔性板(FPC)的設(shè)計(jì)方法更成熟,能設(shè)計(jì)出滿足機(jī)械和電氣性能的完美產(chǎn)品。