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硬件设计实战第一篇 FPC设计全攻略

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-02-06   浏览次数:315
内容摘要:     柔性印刷电路板(FPC Flexible Printed Circuit)是在柔性截至表面制作的一种电路形式,可以有覆盖层也可以没有(通常
    柔性印刷电路板(FPC Flexible Printed Circuit)是在柔性截至表面制作的一种电路形式,可以有覆盖层也可以没有(通常用来对FPC电路的保护)。由于FPC能以多种方式进行弯曲、折叠或重复运动,相对于普通硬板(PCB)而言,具有轻、薄、柔性等优点,因此其应用越来越广泛。

  FPC的基层(Base Film)材料一般采用聚酰亚胺(Polyimide,简称PI),也有用聚酯

  (Polyester,简称PET),材料厚度有12.5/25/50/75/125um,常用12.5和25um。如果FPC需要在高温焊接条件,其材质通常常选用PI,而PCB的基材通常选用FR4。

  FPC的覆盖层(Cover Layer)材质为介质薄膜和胶的压合体,或者是柔性介质的涂层,具有避免沾染、潮湿、刮痕等保护作用,主要材料跟基层用料一致,即聚酰亚胺

  (Polyimide)和聚酯(Polyester),常用材料厚度为12.5um。

  FPC设计时需要将各层粘结起来,这个时候需要使用FPC胶(Adhesive)。柔性板常用胶有丙烯酸(Acrylic),改良环氧树脂(Modified Epoxy),酚丁缩醛(Phenolic Butyrals),增强胶,压敏胶等,而单层的FPC就不用使用胶进行粘合了。

  在有器件焊接等很多应用场合中,柔性板需要用补强板(Stiffener)来获得外部支撑。主要用料有PI或Polyester薄膜,玻璃纤维,聚合物材料,钢片,铝片等等。PI或Polyester薄膜是柔性板补强常用材料,厚度一般为125um。玻璃纤维(FR4)补强板的硬度比PI或Polyester的高,用于要求更硬一些的地方,相对加工困难。

  相对于PCB焊盘的处理方式,FPC的焊盘处理也有多种方法,常见有如下几种:

  ①化学镍金又称化学浸金或者沉金。一般在PCB铜金属面采用的非电解镍层厚度为2.5um-5.0um,浸金(99.9%的纯金)层厚度为0.05um-0.1um(之前有新闻说一家PCB厂工人采用置换法来置换pcb池子里的金子)。该技术优点:表面平整,保存时间较长,易于焊接;适合细间距元件和厚度较薄的PCB。对于FPC,因为厚度较薄所以比较适合采用。缺点:不环保。

  ②电镀铅锡(Tin-Lead Plating)优点:可以直接给焊盘加上平整的铅锡,可焊性好、均匀性好。对于某些加工工艺如HOTBAR,FPC上一定采用该方式。缺点:铅容易氧化,保存时间较短;需要拉电镀导线;不环保。

  ③选择性电镀金(SEG)选择性电镀金指PCB局部区域用电镀金,其他区域用另外一种表面处理方式。电镀金是指在PCB铜表面先用涂敷镍层,后电镀金层。镍层厚度为2.5um-5.0um,金层的厚度一般为0.05um-0.1um。优点:金镀层较厚,抗氧化和耐磨性强。“金手指”一般采用此种处理方式。缺点:不环保,氰化物污染。

  ④有机可焊性保护层(OSP)此工艺是指在裸露的PCB铜表面用特定的有机物进行表层覆盖。优点:能提供非常平整的PCB表面,符合环保要求。适合于细间距元件的PCB。

  缺点:需要采用常规波峰焊和选择性波峰焊焊接工艺的PCBA,不允许使用OSP表面处理工艺。

  ⑤热风整平(HASL)该工艺是指在PCB最终裸露的金属表面覆盖63/37的铅锡合金。热风整平铅锡合金镀层厚度要求为1um-25um。热风整平工艺对于控制镀层的厚度和焊盘图形较为困难,不推荐使用于有细间距元件的PCB,原因是细间距元件对焊盘平整度要求高;热风整平工艺对于厚度很薄的FPC影响较大,不推荐使用此种表面处理方式。

  在设计中,FPC经常需要和PCB配合使用,在两者的连接中通常采用板对板连接器、连接器加金手指、HOTBAR、软硬结合板、人工焊接的方式进行连接,针对不同的应用环境,设计者可以采用相应的连接方式。

  在实际的应用中,根据应用需要确定是否需要进行ESD屏蔽,当FPC柔性要求不高时可用实心铜皮、厚介质实现。柔性要求较高时可采用铜皮网格、导电银浆实现。

  由于FPC的柔软性,在承受应力时容易断裂,因此需要一些特殊的手段进行FPC保护,

  常用的方法有:

  1、柔性轮廓外形上内角的最小半径是1.6mm。半径越大可靠性越高,防撕裂能力也越强。外形转角的地方可增加一条靠近板边的走线,防止FPC被撕裂。

  2、FPC上的裂缝或开槽的必须终止于一个不小于1.5mm直径的圆孔,在相邻两部分的FPC需要单独移动的情况下也有此要求。

  3、为了达到更好的柔性,弯曲区域需要选在宽度均匀的区域,尽量避免弯曲区域中FPC宽度变化、走线密度不均匀。

  4、补强板(Stiffener)又称加强板,主要用来获得外部支撑,使用的材料有PI,Polyester,玻璃纤维,聚合物材料,铝片,钢片等。合理设计补强板的位置,区域,材料对避免FPC撕裂有极大作用。

  5、在多层FPC设计时,对于产品使用过程中需要经常弯折的区域需要进行气隙分层设计,尽量使用薄材质PI材料增加FPC柔软度,防止FPC在反复弯折过程中折断。

  6、空间允许的情况下应该在金手指与连接器连接处设计双面胶固定区域,防止弯折过程中金手指与连接器脱落。

  7、在FPC与连接器连接处应设计FPC定位丝印线,防止FPC在组装过程中发生偏斜、插入不到位等不良。有利于生产检查。

  由于FPC的特殊性,其走线时需要注意以下几点:

  走线规则:优先保证信号走线顺畅,以短、直、少打过孔为原则,尽量避免长、细和绕圈子的走线,以横线、竖线和45度线为主,避免走任意角度线,弯折部分走弧度线,以上情况详细说明如下:

  1.线宽:考虑到数据线和电源线的线宽要求不一致,预留走线空间按照平均0.15mm

  2.线距:按照目前大多数厂家的生产能力,设计线距(Pitch)为0.10mm

  3.线边距:最外线的线距离FPC轮廓的距离设计为0.30mm,空间允许时越大越好

  4.内圆角:FPC轮廓上内圆角最小值设计为半径R=1.5mm

  5.导线与弯曲方向垂直

  6.导线应均匀的穿过弯曲区域

  7.导线尽量布满弯曲区域面积

  8.在弯曲区域不能有额外的电镀金属(弯曲区域导线不电镀)

  9.线宽保持一致

  10.双面板的走线不能重叠一起构成“I”状

  11.在弯曲区域的层数尽量减少

  12.弯曲区域不能有过孔和金属化孔

  13.弯曲中心轴应当设置在导线的中心。导线两边的材料系数和厚度尽量一致。这一点在动态弯曲的应用下非常重要。

  14.水平面扭转遵循以下原则----减小弯曲截面以增加柔性,或部分增大铜箔面积以增加韧性。

  15.垂直面弯折采取增大弯折半径,弯折中心区域减少层数等办法

  16.对于有EMI要求的产品,若有如USB、MIPI等高频辐射信号线处于FPC上,则应根据EMI测情况在FPC上增加导电银箔层并且使导电银箔接地,防止EMI。

  随着FPC应用环境的扩大,以上内容会不断得到充实或者不适用,但是只要在工作中用心设计,多思考多总结,相信设计起FPC也不是什么难事,也能轻易上手。
 
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