撓性印制電路板耐彎折精細(xì)設(shè)計(jì)的研究

張麗秋 桂海燕 于曉輝

（珠海紫翔電子科技有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

撓性印制電路板（flexible printed circuit board，F(xiàn)PCB）輕便靈活，因其可彎折和撓曲的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越多。如何確保FPCB 的耐彎折性尤為重要，線的延伸、收縮及各種角度的旋轉(zhuǎn)撓曲都需要工程師設(shè)計(jì)靈活裝配。本文針對FPCB耐彎折性精細(xì)設(shè)計(jì)方法提出看法和建議。

1 影響FPCB彎折性能的因素

1.1 FPCB使用的原材料

普通的FPCB 主要由基材+銅箔+保護(hù)膜構(gòu)成?；闹饕芯埘啺罚╬olyimide，PI）或聚酯（polyester，PET），均為絕緣樹脂材料。PI特點(diǎn)為耐高溫，彎折性能佳，所生產(chǎn)的產(chǎn)品可靠性佳，為FPCB 主要材料，但價(jià)格是PET 的2 倍以上。PET 性能比PI 差，F(xiàn)PCB 已很少采用。銅是導(dǎo)電體，膠的作用就是將銅與PI 或PET 黏合在一起，制作成FPCB 的基板即撓性覆銅板（flexible copper clad laminate，F(xiàn)CCL）。本文主要闡述銅箔導(dǎo)體與PI 載體在耐彎折的FPCB 上，如何選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀?/p>

1.2 疊層結(jié)構(gòu)

按照FPCB 的導(dǎo)電銅箔的層數(shù)，可分為單面板、雙面板、多層板；另外有的多層板層間是分離狀態(tài)，稱為隔空多層板，還有剛撓結(jié)合板（rigid-flexible printed circuit board，R-FPCB）（又稱多層分層板、軟硬結(jié)合板）等。不同的應(yīng)用需要不同的FPCB 層疊，并非所有層疊都適合彎折扭曲，這需要設(shè)計(jì)初期就確定用途與彎折性能的要求，設(shè)計(jì)更合理的疊構(gòu)。

1.3 外形形狀

外形對彎折產(chǎn)生的影響主要由應(yīng)力引起，即應(yīng)力集中于材料某一部位的狀態(tài)。應(yīng)力是施加在材料單位截面積的荷載。另外，最大應(yīng)力與平均應(yīng)力之比為應(yīng)力集中系數(shù)，其在零件形狀發(fā)生急劇變化的部位會(huì)變大。因此應(yīng)力在面與面垂直交叉的角部較大。進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需事前了解容易發(fā)生應(yīng)力集中的形狀并注意預(yù)防破損。

1.4 線路設(shè)計(jì)

線路的形狀設(shè)計(jì)也直接影響彎折性能。由于FPCB是多層疊結(jié)構(gòu)，不但要充分考慮本層單根或單組線路設(shè)計(jì)的形狀，避免應(yīng)力集中，同時(shí)應(yīng)該縱向來考慮設(shè)計(jì)各層線路的配置和分布，減輕Z方向的受力。

1.5 彎折區(qū)域位置

在設(shè)計(jì)初期，要根據(jù)組裝件、機(jī)殼等組件，決定FPCB 的外形設(shè)計(jì)的寬度和長度，以及彎折區(qū)域和組件的焊接位置。FPCB 是多種材料復(fù)合、表面有多種元器件的綜合電子產(chǎn)品。彎折區(qū)設(shè)置在哪個(gè)區(qū)域，不但涉及各種材料的耐彎折性，而且也關(guān)系到各組件的耐受力。

1.6 彎折條件

根據(jù)IPC 2223，F(xiàn)PCB/FPCBA 的單面板最小彎曲直徑R=（C/2）［（100-EB）/EB］-D，雙面板最小彎曲直徑R=（d/2+C）［（100-EB）/EB］-D。其中，最小彎曲直徑R（mm），銅厚度C（mm），絕緣子厚度D（mm）。銅的變形值EB（%），柔性絕緣厚度d（mm）。銅箔的延展性（斷裂伸長率），壓延銅箔（rolled annealed copper，RA 銅）為16%，電解或電沉積銅箔（electro deposit copper，ED 銅）為11%。因此合理的設(shè)置條件是FPCB彎折設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 各影響因素分析和解決方案

2.1 FPCB使用的原材料

2.1.1 銅箔類型

根據(jù)彎曲性能（伸長率、拉伸強(qiáng)度、銅類型、厚度、硬度等）正確選擇材料。建議銅伸長率為12%或更高。對于機(jī)械彎曲壽命長的應(yīng)用，建議銅伸長率超過18%。銅皮晶粒方向?qū)υO(shè)計(jì)的撓曲壽命有明顯影響，當(dāng)采用壓延回火或傳統(tǒng)電鍍銅皮來制作FPCB 時(shí)，晶粒方向是最重要的設(shè)計(jì)與制造關(guān)注因子。

2.1.2 PI等載體厚度以及材料的柔韌性

盡量選擇薄的載體，同時(shí)考慮材料的彈性模量。彈性模量E是指材料在彈性變形范圍內(nèi)（即在比例極限內(nèi)），作用于材料上的縱向應(yīng)力與縱向應(yīng)變的比例常數(shù)。也常指材料所受應(yīng)力如拉伸、壓縮、彎曲、扭曲、剪切等力作用，與材料產(chǎn)生的應(yīng)變之比。

計(jì)算公式E=σ/ε，其中E即為彈性模量，σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變。一般來說，對彈性體施加一個(gè)外界作用，彈性體會(huì)發(fā)生形狀的改變，稱為應(yīng)變。通常FCCL 材料彈性模量要5.5 GPa 以上，覆蓋膜材料要3.3 GPa以上效果較好。

2.2 FPCB疊層結(jié)構(gòu)

2.2.1 彎折線路配置在單層上

導(dǎo)體應(yīng)配置在單層上以提升撓曲性。在受其他疊構(gòu)、電氣性能等限制時(shí)，可能不得不把多層級銅箔一起彎折，因此精細(xì)化的疊構(gòu)設(shè)計(jì)尤其重要。

2.2.2 細(xì)線路或應(yīng)力大的銅層線路放在幾何中心

幾何中心（即中立軸）如圖1 所示。理論上任何結(jié)構(gòu)的中心位置在彎折時(shí)都幾乎保持在不動(dòng)的狀態(tài)，這樣應(yīng)力就都被外層的材料所吸收。在遠(yuǎn)離中立軸的地方，會(huì)產(chǎn)生更大的拉力和壓縮力，容易導(dǎo)致FPCB 或零件撕裂和開裂，如圖2（a）所示。這會(huì)導(dǎo)致即時(shí)的連接故障，或者是使用一段時(shí)間后發(fā)生潛在故障。配線不在中立軸，受應(yīng)力斷裂的失敗案例如圖2（b）所示。

圖1 幾何中心

圖2 受應(yīng)力斷裂的案例

2.2.3 彎折區(qū)的基材和絕緣層都要盡可能薄

疊層后，如能去除中間膠則更佳，即隔空多層板。將FPCB 彎折區(qū)域的各層分開，每層經(jīng)受彎折作用時(shí)可以保持良好的耐彎折性，降低由于板材增厚形成的整體結(jié)構(gòu)對耐彎折性的影響。多層板每一層線路耐折性各不相同，處于外層的線路耐折性較中間層差，并且隨著層數(shù)的增加，表現(xiàn)越發(fā)明顯。

為了提高多層板外層線路的耐折性，將相鄰層線路錯(cuò)開，進(jìn)行交叉分布以避免線路疊加累積厚度的影響，以及避免相鄰線路硬對硬的加速破壞，各層線路耐折性能得到明顯提高。相鄰層線路如圖3所示。

圖3 相鄰層線路

2.2.4 FPCB 層厚度變化的交界處盡量避免彎曲

如果在這樣的位置彎曲是不可避免的，則還需要另外制作樣本，進(jìn)行詳細(xì)研究和驗(yàn)證，本文不做闡述。

2.3 FPCB外形形狀

2.3.1 避免外形變化區(qū)域

彎折FPCB 的設(shè)計(jì)，應(yīng)避免外形變化區(qū)域，防止應(yīng)力造成撕裂。盡量使彎折線或區(qū)域垂直于外形，如圖4所示。

圖4 彎折區(qū)域

2.3.2 避免彎折在角部以及FPCB 的局部區(qū)域

如果由于組裝或空間限制，必須設(shè)計(jì)在FPCB外形的角部以及局部區(qū)域，可通過改變外形形狀使應(yīng)力方向分散的方式緩解。如圖5 所示，將應(yīng)力切線或局部應(yīng)力軸向圓弧垂直應(yīng)力方向分散。

圖5 局部區(qū)域

2.4 彎折性能產(chǎn)品的線路設(shè)計(jì)

2.4.1 避免彎折區(qū)域附近線路的劇烈變化

如果彎折區(qū)域附近的線路形狀發(fā)生劇烈變化，彎折時(shí)變化區(qū)域的承受力不同，發(fā)生形變的方向不夠穩(wěn)定，則細(xì)線或交界處應(yīng)力更大。如圖6 所示，在線路形狀設(shè)計(jì)上，應(yīng)避免形狀在彎折區(qū)的劇烈變化，以免造成應(yīng)力集中。

【國際原子能機(jī)構(gòu)網(wǎng)站2018年9月14日報(bào)道】 2018年9月，國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)發(fā)布《2018年氣候變化與核電》報(bào)告，并在報(bào)告中表示，核電可以在為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供所需電力的同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)氣候變化目標(biāo)做出重要貢獻(xiàn)。該報(bào)告是2016年版報(bào)告的更新版，在其中加入了有關(guān)能源生產(chǎn)與氣候變化之間聯(lián)系的最新科學(xué)信息和分析結(jié)果。原子能機(jī)構(gòu)希望這份報(bào)告能為參與《聯(lián)合國氣候變化框架公約》等論壇活動(dòng)的決策者提供有用信息。

圖6 彎折區(qū)域線路

2.4.2 層間配線要均勻

彎折時(shí)形變相對于X、Y方向，Z方向的受力更大，形變量也更大。因此FPCB 層與層之間線路配置要設(shè)計(jì)妥當(dāng)，盡量交叉錯(cuò)開，如圖7 所示，可以有效緩解層間干擾帶來的應(yīng)力不均，有效避免線路裂紋甚至斷裂。

圖7 層間配線

2.4.3 彎折區(qū)避免配置大銅皮

FPCB 的設(shè)計(jì)不但要考慮組裝和彎折性的情況，還要考慮屏蔽、信號(hào)完整性等電氣性能。電源和地層線在表面，對EMI 有屏蔽作用。綜合考慮彎折性能，不能使用剛性較強(qiáng)的實(shí)銅，要用相對柔軟的網(wǎng)格鋪銅替代。

2.4.4 線路的設(shè)計(jì)不能太細(xì)

因?yàn)殂~箔的線路是通過藥液蝕刻而成的，所以線路截面往往不是矩形，而是上底窄、下底寬的梯形。通常講的線路寬幅是指線路的下底面，微細(xì)線路的上底面更加細(xì)窄，彎折或動(dòng)態(tài)撓曲時(shí)，易受力斷線。

2.5 彎折區(qū)域位置的設(shè)定

2.5.1 遠(yuǎn)離厚度變化的區(qū)域

作為FPCB 使用的基本材料，設(shè)計(jì)中不可避免需要使用補(bǔ)材與覆蓋膜等材料，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮這些補(bǔ)材的位置與彎折影響區(qū)域的距離。具體遠(yuǎn)離多少，取決于補(bǔ)材、覆蓋膜等材料的貼合精度、彎折的設(shè)備精度?？傊_保彎折區(qū)域與其厚度變化的疊層區(qū)有效分離。

FPCB都會(huì)經(jīng)過表面涂覆處理，其主要目的為防止氧化，與元器件之間有可靠的焊接性。現(xiàn)在普遍使用的工藝有電鎳金、鎳鈀金、沉鎳金、OSP、鍍錫等，與載體PI 等耐折性差異大，使得彎折時(shí)應(yīng)力集中在焊盤表面，易造成焊盤裂紋。

2.5.3 彎折區(qū)域要避開阻焊層和文字符號(hào)等

阻焊劑和文字符號(hào)油墨主要成分由樹脂、感光功能粉劑、色粉、無機(jī)/有機(jī)填充劑、添加劑等構(gòu)成；多數(shù)的阻焊油墨和油墨文字不耐彎折。阻焊層受到彎折會(huì)剝離，進(jìn)而導(dǎo)致不能有效絕緣，電氣性能受到破壞；油墨文字則易脫落，不能起到有效識(shí)別的作用。

2.5.4 彎折區(qū)域要遠(yuǎn)離元器件或點(diǎn)膠區(qū)域

FPCB可彎折是建立在銅箔整體被拉伸的基礎(chǔ)上的。FPCB焊接面不能被拉伸，以避免元器件脫落，點(diǎn)膠開裂。彎折區(qū)一定要遠(yuǎn)離元器件和點(diǎn)膠區(qū)域，以免斷裂影響FPCB 其他電氣性能或造成外觀不良。

2.6 彎折條件

2.6.1 盡量保持最小曲率半徑

為了保持FPCB 最大撓曲壽命，最佳方式是保持撓曲曲率半徑（彎曲弧度）在比較小的范圍，或者讓總運(yùn)動(dòng)角度較小。這對于磁盤驅(qū)動(dòng)器等高速旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用相當(dāng)關(guān)鍵，可以達(dá)到相當(dāng)高的撓曲循環(huán)壽命。

2.6.2 提供最大可能的彎折半徑

建議設(shè)計(jì)者提供最大的工作半徑給彎折區(qū)，一般彎折半徑與FPCB 厚度有直接關(guān)系。利用有限元分析可以模擬預(yù)估建議的彎折極限，有一些普遍使用的指南可以作為參考。一般彎折設(shè)計(jì)可以參考表1 數(shù)據(jù)。對于非常高撓曲壽命的動(dòng)態(tài)FPCB設(shè)計(jì)，有必要利用制造測試樣品來驗(yàn)證，再設(shè)置合適的彎折半徑。

表1 FPCB最小彎折半徑設(shè)計(jì)指南

對于多層FPCB 設(shè)計(jì)，彎曲區(qū)域中的最大銅層數(shù)推薦4層。對于涉及2個(gè)或更多銅層的所有彎曲，彎曲半徑最好達(dá)到FPCB總厚度的20倍。

3 試驗(yàn)方法和判斷

參考IPC TM-650.2.4_3 耐撓曲試驗(yàn)方法和JIS C6471 耐折性測試裝置要求，以及從業(yè)人員制造經(jīng)驗(yàn)，來驗(yàn)證FPCB 的彎折性能，判斷該性能是否符合機(jī)械外觀以及電氣性能。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）準(zhǔn)備待測樣品，用20 倍顯微鏡確認(rèn)外觀無斷線及裂紋，然后對樣本進(jìn)行四線電氣檢查線路電阻，并記錄，以便試驗(yàn)前后進(jìn)行對比。

（2）測試目的：檢測FPCB的耐彎曲性。

（3）測試裝置：耐折試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)MK-NZ-S/W/C。

（4）裝置要求：夾頭與折曲裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸應(yīng)垂直，安裝試樣面和轉(zhuǎn)動(dòng)軸應(yīng)在同一水平面上，施加拉力范圍為0～14.7 N，施加拉力時(shí)，夾頭與轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離為50～70 mm。

具有可平行平滑的彎曲面且轉(zhuǎn)動(dòng)軸始終保持對稱，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置應(yīng)位于2 個(gè)折曲面正切的平面上，且在其位置，折曲裝置應(yīng)配有夾頭，并且能在無折曲位置的左右作135°±5°的折曲運(yùn)動(dòng)。折曲面的曲率半徑分別為0.38、1.0、2.0、1.5、3.0 mm，有特殊R也可以作為有荷重合頁試驗(yàn)機(jī)使用，寬度為19 mm 以下，折曲面的間隙應(yīng)略大于試樣厚度，但不應(yīng)超過無壓縮時(shí)試樣厚度。

3.2 試驗(yàn)操作

耐折試驗(yàn)機(jī)如圖8 所示。調(diào)節(jié)和固定柱塞，使之能對試樣施加必要的張力。安裝試樣，試樣應(yīng)成一平面，且勿與折曲裝置安裝面接觸。在安裝試樣時(shí)，不可用手觸摸折曲部位。若拉力指示器的讀數(shù)出現(xiàn)變化，應(yīng)作調(diào)正。試樣在4.9 N 張力條件下作175 次/min 來回折曲。測定試樣出現(xiàn)斷線時(shí)的折曲次數(shù)，取平均值作為耐折曲性（次數(shù)）。

圖8 耐折試驗(yàn)機(jī)

3.3 試驗(yàn)判斷基準(zhǔn)

（1）所有測試線路無開路、短路。

（2）20 倍顯微鏡下和X 射線（100 倍）確認(rèn)無機(jī)械損傷。

（3）四線電氣檢查線路，電阻變化率＜10%。

4 結(jié)語

隨著終端客戶需求的不斷發(fā)展，F(xiàn)PCB產(chǎn)品的設(shè)計(jì)呈現(xiàn)多樣化、創(chuàng)新化和復(fù)雜化，F(xiàn)PCB撓曲彎折要求也多樣化，包括可折疊、撓曲、反射彎折、窗簾式、大半徑或折疊型、線圈型等。本文通過FPCB材料、結(jié)構(gòu)、外形設(shè)計(jì)、線路設(shè)計(jì)、彎折區(qū)域、彎折條件、試驗(yàn)方法等幾個(gè)方面，結(jié)合實(shí)例開展研究，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和方向。