我們很多從業(yè)者都知道，F(xiàn)PC設(shè)計(jì)領(lǐng)域根本不存在正式的培訓(xùn)，有時(shí)候甚至都不會(huì)存在完美的解決方案。IPC設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)——例如IPC-2223《撓性/剛撓性印制電路設(shè)計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)》，以及IPC-6013《撓性/剛撓性印制板的鑒定及性能規(guī)范》，提供了不可或缺的設(shè)計(jì)指南，而且也是合理的首選起點(diǎn)。但這些標(biāo)準(zhǔn)的制定者很謹(jǐn)慎地區(qū)分了要求和指南，而且他們承認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)不可能囊括所有實(shí)際應(yīng)用案例。

隨著微型化要求我們在越來越小的封裝空間內(nèi)加入更多的功能，這些標(biāo)準(zhǔn)的不適用程度也日益凸顯，而且也越來越難以滿足IPC推薦的結(jié)構(gòu)要求。想要得到穩(wěn)定的FPC結(jié)構(gòu)，公司內(nèi)部的機(jī)械、電氣和PCB設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就必須不斷地溝通協(xié)作，同時(shí)也要和制造商以及組裝廠保持密切聯(lián)系。供應(yīng)商和組裝廠越早參與到設(shè)計(jì)中，就能越好地實(shí)現(xiàn)FPC穩(wěn)定的功能。

本文將詳細(xì)介紹3個(gè)早期樣品設(shè)計(jì)失敗的案例分析，以及我們從中吸取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，讓大家了解我們面臨的難題以及如何克服這些難題的方法步驟。

1.彎曲半徑推薦值——你不會(huì)是在開玩笑吧？

IPC-2223推薦的彎曲半徑（表1）是勇敢挑戰(zhàn)的起始點(diǎn)。但漸漸地我們超越了這些指南，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)會(huì)問我們這些建議的參數(shù)是不是在開玩笑。現(xiàn)在超越這些推薦值的情況更常見了。漸漸地，我們掌握了如何適應(yīng)那些比IPC推薦值更小的彎曲半徑。但在這個(gè)過程中我們吸取了慘痛教訓(xùn)，意識(shí)到這些推薦值有其存在的理由。

表1：《IPC-2223撓性/剛撓性印制電路分設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》建議的彎曲半徑值

圖1展示了一個(gè)非常尷尬的案例。這是一個(gè)3層電路（為了能夠簡化展示圖樣，圖中僅展示了第2層），在彎折區(qū)域?qū)訑?shù)減少為兩層。彎折區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)體在組裝過程中非常容易出現(xiàn)開裂。事后人們才意識(shí)到，這些設(shè)計(jì)錯(cuò)誤是顯而易見的：

· 小的彎曲半徑是不受控的：兩個(gè)彎曲半徑分別是電路厚度的1倍和1.5倍，或者說比IPC標(biāo)準(zhǔn)推薦值大約小10倍。這些都會(huì)產(chǎn)生實(shí)實(shí)在在的折痕。彎折2層撓性電路是可能的，但彎折操作必須嚴(yán)格可控，而且只能彎折一次——有折痕的電路絕對(duì)不可以再次打開。人們在組裝過程中并沒有注意到這一點(diǎn)。

· 彎折恰好出現(xiàn)在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域：這種做法會(huì)將應(yīng)力集中到導(dǎo)體上，所以不建議采用。理想情況下，補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域旁要留出0.5 mm到1.0 mm的距離再進(jìn)行彎曲。

· 彎折區(qū)域內(nèi)有阻焊層：阻焊層（3）延伸到了補(bǔ)強(qiáng)板（1），進(jìn)入撓性區(qū)域來適應(yīng)第1層電路上的走線（未在圖中顯示）。阻焊層應(yīng)該始終由補(bǔ)強(qiáng)板支撐，兩者之間的重疊至少為0.2 mm，這樣才能適應(yīng)阻焊層圖像和補(bǔ)強(qiáng)板位置的對(duì)準(zhǔn)公差。盡管大多數(shù)FPC制造商使用的阻焊層配方可以算得上是具備“撓性”特性，但其實(shí)這些阻焊層的設(shè)計(jì)并不可彎折，尤其不能銳角彎折。彎折區(qū)域出現(xiàn)阻焊層，在彎曲時(shí)會(huì)增加彎折區(qū)域的電路硬度。

圖1：走線開裂而造成FPC失效的一個(gè)設(shè)計(jì)效果圖，包括小彎曲半徑的3D展示圖（左側(cè)）和第2層布線的快照（右側(cè)），展示了一些導(dǎo)致失效的特征

好在這些失效情況發(fā)生在樣品早期運(yùn)行階段，所以有時(shí)間來解決問題。設(shè)計(jì)師重新設(shè)計(jì)了電路來逐一解決；后續(xù)沒有再發(fā)生失效。圖2所示是修改后的電路設(shè)計(jì)，經(jīng)過重新布置，彎折遠(yuǎn)離了帶有SMT元件的補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域。此外，外殼也做了相應(yīng)修改來配合所要求的彎折半徑。修改后的設(shè)計(jì)在運(yùn)行過程中沒有再出現(xiàn)任何問題。

圖2：與圖1電路的外形對(duì)比，左邊是出現(xiàn)失效的原始設(shè)計(jì)，右邊是修改后的設(shè)計(jì)，沒有再出現(xiàn)失效

2.在第一個(gè)裝置生產(chǎn)完成之前，一切都非常順利

三維CAD模型中的撓性電路似乎可預(yù)測，而且不會(huì)出現(xiàn)任何差錯(cuò)（圖3）。一切都很好，不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械干擾，而且指定的公差也足夠大。當(dāng)然，實(shí)際情況可就大不相同了。例如，機(jī)械夾具可能沒有預(yù)想中的那樣精確，操作員進(jìn)入外殼凹槽可能會(huì)受限，點(diǎn)涂設(shè)備可能會(huì)受阻等。再加上操作員的不一致性和變化性，撓性電路的制造過程可能會(huì)和預(yù)想中的情況存在很大差異。

圖3：3D CAD效果圖，圖中所示是安裝好的FPC

圖3中顯示的設(shè)計(jì)彎曲與組裝過程中實(shí)際所要求的彎曲有很大差異。

圖4所示是圖3在組裝過程中出現(xiàn)了開裂的實(shí)際電路，組裝要求FPC在插入過程中穿過一個(gè)孔腔。CAD模型沒有預(yù)測到這一點(diǎn)是因?yàn)椴僮鬟^程中的復(fù)雜分層情況直到第一次組裝才顯現(xiàn)出來。因?yàn)閺澢霃叫?，所以需要預(yù)先彎曲FPC，但組裝過程必然意味著要反轉(zhuǎn)預(yù)先彎曲的位置然后再次進(jìn)行彎曲，這種情況很明顯足以損壞電路。

幸運(yùn)的是，這種情況發(fā)生在產(chǎn)品開發(fā)階段初期，所以有足夠的時(shí)間解決這個(gè)問題。對(duì)外殼做出調(diào)整之后可以很大程度地讓操作變得更方便，同時(shí)還能降低彎曲要求。我們與FPC制造商合作一同更改了材料堆疊結(jié)構(gòu)，大幅提升了電路的撓折性。

圖4：黃色箭頭指出了電路中的斷裂位置，因未預(yù)測到的彎曲和重復(fù)彎曲情況而在組裝過程中導(dǎo)致斷裂

3.了解雙排ZIF連接器

細(xì)間距雙排零插拔力（ZIF）連接器變得越來越普遍，這是因?yàn)楹蛦闻臵IF連接器（圖5）相比它們可以大幅減少互連結(jié)構(gòu)的占用空間。但雙排ZIF印制插頭的一些固有特性會(huì)導(dǎo)致這種結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)斷裂（圖6）：

· 焊盤導(dǎo)體過渡：相鄰焊盤之間的過渡點(diǎn)會(huì)變窄，這個(gè)位置很容易出現(xiàn)斷裂

· 脆性鎳底層：ZIF連接點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)表面涂層是化鎳浸金（ENIG），但鎳底層非常脆，表面的開裂會(huì)進(jìn)一步延伸至底下的銅層

· 薄補(bǔ)強(qiáng)板：為了滿足微型化的要求，連接器供應(yīng)商的做法是減少連接器插座的托高高度；因此，ZIF印制插頭另一側(cè)的“補(bǔ)強(qiáng)板”就變得更薄，所以它們更像是墊片而不是補(bǔ)強(qiáng)板，幾乎起不到支撐作用

圖5：ZIF連接器被廣泛用于FPC與其他電路互連的端接方法

傳統(tǒng)的單排結(jié)構(gòu)（圖中左側(cè)）漸漸被雙排結(jié)構(gòu)（圖中右側(cè)）代替，這種方式可以大大減少連接器的占用空間。

圖6：雙排ZIF連接器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)導(dǎo)致這種部件很容易開裂

這些因素導(dǎo)致的結(jié)果就是插入過程中任何導(dǎo)致邊緣折疊或偏斜的對(duì)準(zhǔn)失誤（即使是輕度失準(zhǔn)）都會(huì)導(dǎo)致印制插頭斷裂。某些情況下，銅導(dǎo)體上的裂痕可能非常小，出現(xiàn)了部分連接或間歇連接導(dǎo)致電氣測試過程中無法檢測到失效——這是最糟糕的情況，因?yàn)槭Мa(chǎn)品會(huì)進(jìn)入下一個(gè)生產(chǎn)階段。

ZIF連接器供應(yīng)商在生產(chǎn)時(shí)就確定了ZIF觸點(diǎn)的固有特性，所以修改這些特性是不可能或不切實(shí)際的。因此，終端用戶一定要對(duì)FPC設(shè)計(jì)和外殼采取措施，確保ZIF印制插頭在組裝和現(xiàn)場運(yùn)行過程中受到恰當(dāng)保護(hù)。圖7突出顯示了最近一個(gè)剛撓性電路早期樣品上出現(xiàn)的ZIF觸點(diǎn)失效的關(guān)鍵要素。

· A盲插入：這個(gè)圖像展示了安裝就位的剛撓性電路。組裝過程難度很大，需要操作員在看不到位置的情況下將剛撓性電路板（右側(cè)）ZIF一端插入PCB下方ZIF插座（左側(cè)）內(nèi)。在鎖定ZIF插座后，操作員再手動(dòng)彎折剛撓性電路板成形；

· B實(shí)芯接地層：為了保證信號(hào)完整性，電氣設(shè)計(jì)師倡導(dǎo)在撓性層底部采用實(shí)芯接地層。但這會(huì)導(dǎo)致?lián)闲詤^(qū)域撓折性差，而手動(dòng)彎折操作會(huì)造成鎖定的ZIF印制插頭要承受很大應(yīng)力；

· C彎折區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)通孔：彎折區(qū)域內(nèi)絕不可以布局電鍍通孔，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域會(huì)集中應(yīng)力，而撓性區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)通孔會(huì)讓這個(gè)區(qū)域變得更剛硬；

· D開裂的印制插頭：這個(gè)剖面圖清晰地顯示了貫穿鎳層和銅層的開裂。這個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)出現(xiàn)了多個(gè)失效情況，而且都是同樣的失效模式。

圖7：這些圖像突出顯示了帶有ZIF端接（A、B和C）剛撓性電路的結(jié)構(gòu)和配置，以及完成組裝后一個(gè)開裂ZIF印制插頭的橫截面（D）

和前兩個(gè)案例一樣，好在這些ZIF失效狀況出現(xiàn)在產(chǎn)品開發(fā)早期，所以有足夠的時(shí)間進(jìn)行修改。在經(jīng)過以下修改之后，所有問題都解決了：

· 電氣團(tuán)隊(duì)確定適當(dāng)?shù)膱D形可以保證信號(hào)完整性后，將實(shí)芯接地層改為十字交叉圖形；

· 重新布局了剛撓性電路板，將電鍍導(dǎo)通孔移動(dòng)到了剛性區(qū)域；

· 調(diào)整了組裝工藝，不再需要操作員將ZIF盲插入PCB一端的插座內(nèi)；

· 團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了可以預(yù)彎折的夾具，為人工彎曲提供了一致、可重復(fù)的替代方案（圖8）。

在做出這些修改之后，后續(xù)沒有再出現(xiàn)失效情況。

圖8：開發(fā)并使用了一種預(yù)彎曲夾具，確保帶有ZIF印制插頭的撓性尾部可以重復(fù)彎曲

圖8的右側(cè)所示是預(yù)彎曲后的剛撓性電路。

總結(jié)

本文介紹的三個(gè)案例分析讓各大佬可以吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，強(qiáng)調(diào)了撓性印制電路的一些常見失效模式，并給出了可得到穩(wěn)定可靠FPC的重要概念和最佳操作方法。本文要點(diǎn)包括：

1. IPC-2223中彎曲半徑的推薦值為FPC設(shè)計(jì)提供了良好的開端，但對(duì)于很多應(yīng)用而言，這些推薦值過于保守；

2. 實(shí)際操作中的彎曲半徑可以大于推薦的彎曲半徑，但一定要在（a）材料選擇、（b）導(dǎo)體設(shè)計(jì)和支撐結(jié)構(gòu)布局，以及（c）組裝制程方面格外謹(jǐn)慎，以確保組裝和現(xiàn)場運(yùn)行過程中彎曲是可控且可預(yù)測的；

3. 撓性阻焊層并不能彎曲，需要補(bǔ)強(qiáng)板給予其良好的支撐或與撓性部分隔離；

4. 工程設(shè)計(jì)工具提出的彎曲結(jié)構(gòu)是理想化的，而在組裝和應(yīng)用過程中，實(shí)際的電路彎曲操作可能會(huì)存在很大差異甚至更難彎曲；

5. 雙排ZIF連接器固有的特性導(dǎo)致其非常易于開裂，所以要保護(hù)ZIF印制插頭在組裝和使用過程中不會(huì)受到應(yīng)力的影響。

如前所述，面對(duì)已知的FPC設(shè)計(jì)難題，通常不存在完美的解決方案。穩(wěn)定、可靠的FPC設(shè)計(jì)需要各個(gè)職能團(tuán)隊(duì)之間密切合作，包括公司內(nèi)部的電氣、機(jī)械和PCB設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以及FPC制造和組裝的合作伙伴。通常情況下，成功是不斷重復(fù)的結(jié)果，所以最好在開發(fā)的早期階段就讓公司內(nèi)部和外部的相關(guān)團(tuán)隊(duì)參與進(jìn)來。