柔性PCB

什么是柔性PCB？

柔性印刷电路板 (PCB) 是一种日益流行的电子互连方式。这种连接电路元件的方法提供了丰富的设计选择，并提高了电路的稳健性。柔性印刷电路板也被称为柔性电子元件、柔性电路板、柔性印刷电路 (FPC) 或柔性电路，其电路的导电路径构建在柔性塑料基板上（通常由聚酰亚胺、PEEK 或聚酯制成），元件则焊接到裸露的铜焊盘上。

柔性PCB可以具有单层、双层或多层导电铜电路。由于基板具有柔性，因此在封装方面比刚性PCB更具优势。

图 1：柔性印刷电路

了解柔性PCB的结构

柔性 PCB 由多层用于导电、绝缘或粘合的材料构成。根据导电层的数量，FPC 可分为单层、双层和多层类型。

除了这些层之外，柔性 PCB 的其他重要特征是去除外部覆盖层绝缘材料的区域，以露出用于层间导电的焊盘和镀铜孔（称为过孔）。

单层配置由柔性电介质基板、粘合剂层、导电层、另一个粘合剂层和柔性电介质覆盖层组成。

双层结构在基底电介质的两侧均堆叠有粘合剂、导体、粘合剂和电介质。添加用作过孔的镀通孔来连接导电层。

多层配置可根据需要堆叠此层压结构，并且可以采用直通或盲通孔的方式。

柔性 PCB 也可以通过在刚性 PCB 内部嵌入多层结构来连接到刚性 PCB。这种配置称为刚挠结合 PCB，通常可以同时利用每种结构的优势，或者用柔性电路（而非电线或线束）连接多个刚性 PCB。

柔性 PCB 的优势也使其非常适合使用高密度互连 (HDI) 的设计。HDI 允许工程师创建具有更紧凑电路、更薄层和微过孔的刚挠结合 PCB，同时在 PCB 设计中保留柔性部分。

更小的尺寸使 HDI 成为具有复杂或紧密封装需求的应用的理想选择。紧凑的封装不仅使柔性 PCB 成为提供更多设计选项的首选，而且通常是将 HDI 连接到其他组件的唯一方式。

相反，当配置需要刚性板来放置芯片或精密传感器等组件时，可以将这些组件放置在连接到 FPC 的 HDI 上。

以下是用于创建柔性 PCB 堆叠的组件的简要说明。

柔性介电层

这是柔性PCB的基材。它决定了组件的物理特性，尤其是最终结构的形状和刚度。由于其柔韧性、耐化学性和优异的热性能，基板通常由聚酰亚胺 (PI) 制成。 

另一种常用的材料是聚酯 (PET)，但当需要特殊性能时，也可以使用其他介电聚合物。该层的厚度通常为 12 μm 至 125 μm。层越厚，结构越坚固。基板充当核心层和绝缘层，类似于刚性 PCB 中的阻焊层，位于导电层之上。

粘合层

由于导电层并非直接粘合到基层，因此层压结构采用了粘合层。设计人员应注意粘合材料的粘合强度和最高温度，因为这些值会限制机械和热负荷。

导电层

层压板的导电层通常由铜制成。但必要时也可以使用其他导电金属。在大多数应用中，铜层由箔片制成，箔片粘合到基板上，然后进行蚀刻以形成所需的电路。金属箔片的厚度也有多种选择。铜箔通常通过轧制制成锻造铜箔或电解沉积铜箔。导电油墨也可用于印刷线路。

镀铜

当设计需要跨层连接时，需要在层压板上钻孔并镀铜以形成通孔。

表面处理

像铜这样的高导电金属的一个缺点是容易氧化。为了解决这个问题，人们会在表面涂上一层薄薄的材料。这些材料也有助于焊料的粘合。最常见的表面处理类型包括化学镀镍/浸金 (ENIG)、有机可焊性保护剂 (OSP)、浸银、浸锡和金。

加强筋

有时，柔性PCB的某个区域需要机械刚度。加强筋可以是一块FR4（刚性PCB的材料），也可以是一层较厚的聚酰亚胺。FR4加强筋的常见应用是支撑刚性连接器，或防止焊接到电路上的大型元件在下方弯曲，以减少焊点上的应力。

柔性PCB的优势

使用柔性 PCB 具有诸多优势。其基板的机械和热性能为设计和性能提供了多种可能性。大部分优势源于电路板材料的柔韧性以及通过激光切割轻松创建复杂形状的能力。此外，基板材料的热性能通常比刚性 PCB 所用材料更好。以下列出了最显著的优势。

有效利用空间

柔性 PCB 更薄，易于切割成复杂形状，并且可以弯曲以适应其所放置设备的形状。此外，尤其是在刚挠结合电路中，元件可以以不同的方向放置，并且仍然保持连接。

生产柔性PCB

在恶劣环境下依然坚固耐用

柔性设计中使用的聚合物材料能够耐受刺激性化学物质，还能耐高温，并且散热能力比刚性PCB更好。

提高耐用性

如果设计得当，柔性电路可以承受大量的弯曲循环，而不会导致导电电路故障。

抗冲击和振动

较低的刚度和质量导致进入和传输通过采用柔性PCB的电子组件的能量更少。此外，该材料能够承受冲击和振动引起的较大应变。

质量较小

在重量至关重要的应用中，柔性 PCB 提供的电子电路的质量比刚性板要小。

简化装配

柔性 PCB 取代传统电线或线束时，可大幅降低组装成本。它们无需用螺钉或夹具固定，可以粘合固定或悬空放置在外壳内。

柔性PCB面临的挑战

乍一看，使用柔性或刚挠结合 PCB 的理由有很多。然而，标准刚性电路板仍然是电子电路的主要平台，因为许多应用无法从柔性基板中获益。以下是柔性 PCB 面临的主要挑战的分析。

成本

柔性PCB的材料和制造成本高于普遍存在的刚性PCB。随着柔性电路的普及，这些成本最终会下降。然而，柔性材料堆叠的难度以及基材的价格将使成本居高不下。

元器件和走线下的弯曲

柔性PCB的最大优势也可能是其劣势。在刚性元件下方弯曲材料会对将元件连接到导电层的焊料造成很大的应变。加强筋是解决这个问题的好方法，但增加加强筋会增加成本。

如果走线布线时未考虑应力集中，同样的弯曲不仅会使焊点变形，还可能导致导电电路故障。正确使用电子可靠性仿真可以识别设计中的问题区域，并有助于改进PCB设计，避免过度弯曲导致故障。

柔性PCB制造挑战

刚性PCB的构建和装配自动化非常容易。而薄的柔性电路则更难控制在制造公差范围内，元件的自动化放置和焊接也更加困难。

信号完整性问题

信号完整性是指电信号在电路中传输时不衰减或失真的能力。柔性PCB中使用的薄材料可能会使电磁干扰（EMI）从一个电路传播到另一个电路。此外，基板的弯曲也会导致信号反射和阻抗失配的变化。这些挑战可以通过遵循良好的设计实践并基于信号完整性仿真进行合理的布线来克服。

柔性PCB的常见应用

柔性 PCB 正在被广泛应用于各种应用中，其中该技术的优势大于较高的成本，而优化的设计可以避免这些挑战。 

柔性PCB最常见的应用是消费类电子设备，这类设备的形状和尺寸要求电路能够贴合设备的形状，同时尽可能保持其尺寸小巧。从计算器到手机，设计师们都在通过合理使用柔性电子产品来平衡性能和美观度。

用耐振动、耐热且能适应狭窄角落的柔性 PCB 取代昂贵的线束，使该技术成为众多汽车应用的理想选择。对于汽车设计师来说，另一个优势是能够连接不在同一平面且连接器角度不规则的组件。同样的优势也促使工业传感器开发人员使用柔性 PCB 高效连接组件，并使其能够承受传感器所监测的工业机械的高温和振动。

医疗设备，尤其是可穿戴设备，也依赖于柔性PCB。这是应对可穿戴设备重量和尺寸限制以及适应人体有机形状需求的理想方法。随着医疗设备体积越来越小、功能越来越强大，企业将选择柔性或刚柔结合的PCB。

柔性PCB的未来

电子行业的多种趋势正在推动柔性PCB的广泛应用。人们不断追求在更小的封装中实现更大的容量，这将使设计师不再使用扁平的刚性PCB，而是更倾向于将电路简单地安装在设备内部。 

柔性技术供应商正在研发新材料，以提升性能。随着制造商部署更先进的制造工艺和更高的自动化程度，柔性技术的应用范围不断扩大，也将降低价格并加快生产速度。更多供应商将提供柔性PCB制造服务，而合同制造商也将提升其将柔性PCB组装到设备中的产能。

推动柔性显示屏和越来越小尺寸的工业及消费电子产品应用范围扩大的一个领域是柔性显示屏的普及。这项技术需要使用柔性电路。同样，对功能更强大的计算机和移动设备以及越来越薄的机身的需求也将继续推动该技术的发展。最后，汽车电气化将需要在更狭窄、更恶劣的环境下使用更灵活的电路。