柔性PCB技术解析

大多数电子设备都需要印刷电路板 (PCB)，包括智能手机、电视、家电等。复合电路板是导电绝缘层的层压结构，具有两种不同的功能：将电子元件放置在外层的指定区域，并在元件端子和导电焊盘之间提供可靠的电气连接。

这些电子元件（电阻器、电容器、微控制器、接口等）使用化学蚀刻工艺通过迹线、平面和其他特征进行连接，该工艺将铜层层压到非导电基板的薄片上。

PCB演变

PCB 是在 20 世纪初开发的，虽然随着新技术的出现而不断发展，但它们的基本设计基本保持不变——一个装有电子元件的刚性板。

PCB 技术的进步和广泛采用与半导体封装技术的快速发展同步，使行业专业人士能够开发更小、更高效的电子产品。它导致了可穿戴技术的发展，例如 AR/VR 眼镜、智能手表，甚至是可交互的服装。

它也迎来了一个贴身医疗设备的时代，该设备能够通过使用折叠显示器等技术与皮肤和智能手机直接接触来监测佩戴者的健康状况。为了实现这些设备，需要开发一种新型 PCB，它可以拉伸和弯曲超过直角。工程界正在使用各种技术和材料制造柔性电路板，包括聚酰亚胺、透明聚酯等（图 1）。

1. 超薄、柔性电路使许多应用变得实用。

柔性PCB的类型

制造商为当今的设备采用了两种可延展板：柔性和刚柔结合的PCB。柔性 PCB 或FCB的功能与其刚性对应物类似，其中电子设备放置在柔性基板而不是刚性平台上。这使得可以形成不同形状和配置。根据层和配置，这些可以分为前面提到的两种最常见的类型。

刚柔结合 PCB 是混合电路板，既具有刚性部分又具有柔性部分，以适应 SMD（表面贴装设备，又称电子设备）和连接器的排列。在这种配置中，SMD 安装在柔性基板上，而连接器位于刚性基板上，以保持稳定的连接并减轻重复使用造成的损坏。刚柔结合配置还允许增加 SMD的生产率，因为连接终端放置在刚性表面上。

高密度互连 (HDI)  PCB 的布线密度高于其刚性对应物，并提供更精细的线路和空间、更小的通孔和捕获焊盘以及更高的连接焊盘密度。这些 PCB 在与柔性基板一起应用时是有益的，因为它们可以利用更薄的层，或者在某些情况下，消除了 PCB 设计中对多层的需求。

FCB 的分类可以按层数进行细分。例如，单层板是使用单个聚酰亚胺基板和薄铜层制成的，可以从板的一侧访问。此外还有具有双通道的单面 FCB、在基板两面都有导电铜的双面 FCB，以及具有多面和单面通道功能的多层 FCB。

灵活的PCB设计

设计柔性 PCB（图 2）时会遇到许多问题，其中最重要的是它会弯曲多少次以及弯曲到什么程度。它可以弯曲的次数决定了板子是静态的还是动态的。

2. 不同的材料将提供增加或减少的灵活性水平，并表示它们的操作环境。 （来源：维基百科的 Miraco）

静态板被认为是弯曲安装，并且在其使用寿命内弯曲少于 100 次。动态板的设计需要更加坚固，因为会定期进行弯曲，并且可能需要根据应用承受数万次弯曲。当然，弯曲半径（弯曲区域的最小曲率）也会发挥作用，并且必须在设计早期适当地确定。这确保了设计能够承受必要数量的弯曲而不损坏铜。

焊接

在设计阶段还必须考虑覆盖 FCB 导电层的掩模和其他材料，以及用于支撑电路不同部分的加强板，可用于电路板的两侧。重要的是要注意，应用的加强筋的数量会增加设计的刚度，减少部分或所有区域的弯曲。

与传统 PCB 一样，FCB 具有分层设计，因此在设计阶段也必须考虑使用的材料。例如，薄膜层提供导体载体并在电路中充当绝缘体，但它也必须是柔性的。聚酰亚胺和 PET（聚酯）作为绝缘体效果很好，通常用于这些类型的基材。PEN（聚邻苯二甲酸乙二醇酯）、PTFE 和芳纶也被使用。

聚酰亚胺柔性芯也适用于 FCB 设计。它们覆有电沉积或轧制退火铜，超薄，适用于动态和静态应用。

FCB 利用两种类型的材料：基于粘合剂的，其中铜通过丙烯酸粘合剂粘合到聚酰亚胺上；无粘合剂，将铜直接浇铸到聚酰亚胺基板上。当然，粘合材料也有其缺点，包括在受热时会形成裂缝。它们还使铜层压板更厚并且容易吸收水分，从而影响它们在某些环境中使用。

这就是无粘合剂材料发挥作用的地方。它们可以处理恶劣的环境并提供其他好处，包括减少弯曲厚度、提高柔韧性和更好的温度额定值。

灵活的 PCB 堆栈

PCB 堆栈是在设计电路板的最终布局之前构成 PCB 的铜层和绝缘体层的排列（图 3）。虽然叠层级允许您通过其各个层在单个板上组装多个电子电路，但 PCB 叠层设计的结构提供了许多其他优势，包括减少外部噪声、提高电磁兼容性和降低制造成本。使用多层增加了电路板的能量分配能力，减少了交叉干扰，消除了电磁干扰，并支持高速信号。

3. 单层柔性PCB叠层看起来很像传统的PCB叠层，但材料层不同。 （图片来源：PCBWay）

与传统 PCB 一样，FCB 可以使用一层或多层设计，并表示铜迹线、粘合剂、层压板和聚酰亚胺材料的数量。这些数字取决于层数。例如，四层电路将具有四条铜迹线、四层粘合剂（或非粘合剂）、层压板和相应的基板材料。许多制造商会将柔性材料放置在叠层的中心，以保持灵活性并减轻操作过程中的任何损坏。

在决定层数时，在进行设计之前必须考虑几个因素，包括需要路由的电路信号数量、工作频率、是否需要额外的屏蔽和其他指标。这些将有助于表示所需层的确切数量，并确保 FCB 按预期运行。

结论

随着新技术的出现，柔性印刷电路板将继续发展。想象一下，能够清洁洗衣房中的医疗监控设备或在海洋中潜水时佩戴生物识别贴片，而无需担心腐蚀。

依赖柔性电子设备的设备已经可以从人体内获取数据，因此看看这项技术将在哪里实施将会很有趣。同样重要的是要注意，这只是对柔性 PCB 设计的基本介绍，提供了用于创建它们的材料和工艺的概述。