柔-刚性印刷电路板设计技术分析

  
   目前,有了柔性电路板这种基板,工程师可以设计出能够弯曲、扭曲的电子子系统,甚至可以用活动连接的方法把电子子系统连接起来。不仅如此,还能够提高整个相互连接的刚性印刷电路板的可靠性,并且不降低系统性能。翻盖式电话就是柔性电路板应用的一个典型例子。
  对于一部翻盖式电话来说,最大的优点是不会因为使用了大显示屏而去缩小键盘的尺寸。对它来说,最大的问题是要保证显示屏和键盘之间的连接是可靠的。电路板组装件使用柔-刚性电路板技术,它不是用柔性连接件把多块刚性板连接在一起,而是用一种包含刚性部分和柔性部分的复合电路板。刚性部分安装键盘和显示屏,可弯曲的柔性部分用来进行连接,上面是印制连接线。使用柔-刚性印刷电路时,可以用线缆把多块刚性印刷电路板重新组合成一整块电路板。
  图1印刷电路板编辑器显示了连接到两个固定部件的柔性电路。在此,我们可以清楚地看到这个弯曲的部分。
  
  为什么选择柔-刚性电路技术?
  使用柔-刚性印刷电路板的优点非常明显;有所了解后,就可以知道它是否适合你的产品。以下是它的一些优点:
  ● 使用动态柔性电路技术,可以省去连接界面,提高产品的可靠性;
  ● 只用一块电路板,减少了装配工作,从而降低制造成本,在装配过程中也不容易出错;
  ● 不需要使用连接器,减轻重量;
  ● 更好地控制阻抗;
  ● 用一种CAD设计来取代各种印刷电路板数据库。
  然而,在考虑使用柔-刚性印刷电路板时,工程师和设计人员首先必须解决一些难题。例如,不能像标准印刷电路板那样来进行柔-刚性电路板的设计。因此,我们必须彻底了解柔-刚性印刷电路板是怎么做出来的,以及在产品的使用时间内柔-刚性印刷电路板是如何工作的。
  柔性技术的应用
  在确定设计要求时,很重要的一点是考虑使用柔性技术,包括静态柔性技术和动态柔性技术。使用静态柔性技术时,电路是平放着装在产品中,组装时只弯一次,产品使用期间不再弯曲。使用动态柔性技术时,柔性电路板通常是连接到产品中的一个活动件,在产品使用期间,会不断地进行弯曲。
  一旦决定要使用柔-刚性技术,那么,我们强烈建议制造商要尽早确认是否正确地遵照设计指南进行设计。同样重要的是,制造商应当充分了解它是用在什么地方和如何使用的。
  柔性电路板的设计
  对电路板设计人员来讲,有许多问题需要解决--不仅是设计复杂性方面的问题,而且包括使用的CAD工具。
  CAD系统必须支持柔-刚性电路板所需要的特殊功能,例如:
  ● 用于多层叠合起来的材料(柔性材料、覆盖层和开孔)。
  ● 真正的弧形印制线--不是分段形成的弧形印制线。使用弧形可以减轻印制线上的应力。
  ● 对于动态柔性连接应用,线宽逐渐减少,拐弯处设计成圆角,这可以提高柔性,避免线宽突然改变,从而减小应力。
  ● 在弯曲的地方事先确定弯曲程度和折起来的线,包括滑盖式产品。
  CAD结构必须充分考虑到设计上的约束,能够在刚性和柔性区域之间提供很好的相互配合,并且支持上述的这些特性条件。
  不同类型约朿的区域。柔-刚性电路既受到电路层间的约束,同时,也受到区域的约束。如果我们要从电路一端的一个元件的管脚引出印制线, ,它经过柔刚重叠的部分,并且沿着柔性电路层到终端元件,这样,我们会遇到不同类型的约束--它对相互连接的印制线作了规定。例如,设计人员从刚性电路板A上的一个元件管脚引出一个信号,经由柔性连接线B,再连接到在电路板C上的连接部位(图1)。实际的线路是很简单的;然而,印制线的设计规则有很大的差别。从键盘开始(键盘上的基板是刚性的),根据印制线的约束,在电路板正面的印制线可以是90°和45°转弯。在经过柔刚重叠部分后,就是软线,而它的设计规则变了。
  无论这个主板在生产时有多么的小心,在装配生产过程中,容差必须符合柔性材料的要求。在装配之前,铜印制线的任何锐角都有可能会造成的材料碎裂或损伤。为了避免这种情况出现,所有锐角都要设计成圆角,把锐角变成圆弧状,两条印制线之间的距离增大,而且印制线宽呈锥形变化,越来越窄。这种布线工具必须识别出用在软线上的不同约束。甚至在软线是夹在刚性层中间的情况下,当印制线伸到刚性部件的外面、处于裸露的软线上时,在这个区域里,机械应力更大,特别是通过像滑动键盘这类动态转轴时。
  基板的柔性部件在滑盖式机构中的作用非常重要。由于键盘在主机板和显示板之间来回滑动,柔性弯曲部分可以从一个柔性材料的延伸展开。为了确保电路部件不受影响,在排列设计要非常细心。
  与机械设计配合。柔-刚性印刷电路板与刚性电路板相比,具有一个不同寻常的优点,这就是,设计人员可以在三维状态下工作。电路板可以随着机壳或者转动机构的外形弯卷、折起、扭曲,甚至可以裹起来。从传统的角度来看,要费很多工夫作机械装配图。现在可以直接从MCAD系统中读出布局设计数据,用这个办法,得到刚性板的外形、柔性板的外形和贴片方面的约束条件。首先,输出电路板外形和贴装方面的约束数据,对MCAD设计的数据进行转换;然后,印刷电路板设计人员把电路板设计数据交给机械设计人员(图2)。
  如果两种CAD工具之间的相互作用非常少,那么这个过程一般也不会成为问题。但是,当设计时间压缩到只有短短的几个星期时,这个设计方法无法进行,由于需要掌握许多版本的文件,要想让两个设计保持同步,显得问题重重。
  图2:用一个三维观察器来观察柔-刚性数据库,电路板设计人员就可以把可弯曲布线当作一个拉平的平面(如图所示)或者按照机械外壳形状迭成装配后的状态进行检查.
  
  两个设计之间要透彻了解与互动合作,并在整个项目的设计期间,频繁地交换数据。作了变更的地方需要在系统之间传送,这不是很复杂,也不需要花费很多的时间。有了这样一个适合的设计工具,电路板设计人员也可以用一个三维观察器来查看设计;从ECAD系统直接读取柔性电路的数据,而且从MCAD数据库里得到机械外壳的数据。通过实时同步,电路板设计人员可以把三维观察器作为一个贴片助手和工具,用来检查元件的贴装、走线或者柔性的线路。这个观查器还可以读取在机械组合数据,并显示,柔曲部位的状况。这不是取代MCAD工具,而是一个简单易用的目视工具。
  
 

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