设计刚柔结合印刷电路板

什么是刚柔结合？

顾名思义，柔性印制电路是在柔性绝缘薄膜上印制导体图形而成的电路。刚柔结合是指将柔性电路与刚性电路组合在一起的印制电路，如图所示。

柔性电路技术最初为航天计划开发，旨在节省空间和减轻重量。如今，这项技术广受欢迎，因为它不仅能节省空间和减轻重量，非常适合手机和平板电脑等便携式设备，还能降低封装复杂度、提高产品可靠性并降低成本。

柔性电路通常按用途分为两类：static柔性电路和 dynamic柔性电路。静态柔性电路（也称为 use A）是指在装配和使用过程中仅发生极少弯曲的电路。动态柔性电路（也称为 use B）则是专为频繁弯曲而设计的电路，例如磁盘驱动器磁头、打印头或笔记本电脑屏幕铰链中的电路。这一区别非常重要，因为它会影响材料选择和结构设计方法。刚柔结合板可采用多种层叠配置制造，每种配置在电气性能、物理特性和成本方面各有优势。

刚柔结合机械设计

柔性或刚柔结合电路的设计在很大程度上是一个机电协同过程。任何 PCB 的设计都是三维设计过程，但对于柔性或刚柔结合设计，三维要求尤为重要。为什么？因为刚柔结合板可能需要安装到产品外壳内的多个表面上，而安装和折叠操作通常在产品装配过程中完成。要实现可行的机电设计，机械工程团队与电子工程团队必须持续密切协作。确认折叠后的电路板是否能装入外壳，传统方法是制作机械模型，也就是所谓的纸样剪裁模型。这种方法本身的局限性使其难以达到所需的精度和逼真程度。

ECAD PCB 编辑器和 MCAD 中的一块电路板，包含两个由柔性区域连接的刚性区域。

Altium 借助 CoDesigner 帮助解决这一难题。CoDesigner 是一种先进的机械与电子设计接口技术，支持工程师直接在 ECAD 和 MCAD 设计软件中，在两个设计领域之间双向传递板形和元器件变更。

• Altium MCAD CoDesigner 技术概述

• 技术参考，详细了解 ECAD-MCAD 协同设计

• 详细了解如何将刚柔结合设计传递到 MCAD

设计刚柔结合 PCB

印制电路板由一系列相互堆叠的层组成。对于传统刚性印制电路板，板形定义电路板在 X-Y 平面上的形状，层叠则定义电路板在 Z 方向上的结构。X-Y 平面上的板形在 PCB 主编辑窗口中定义，各层则在层叠管理器中配置。对于刚柔结合 PCB，成品印制电路板包含多个区域，每个区域都可以使用不同的层组合。

设计刚柔结合板时，您需要：

• 启用所需的刚柔结合模式（层叠管理器中的 Tools » Features » Rigid-Flex 或 Tools » Features » Rigid-Flex (Advanced) 命令）

• 定义电路板各区域所需的子叠层，并配置这些子叠层在 Z 方向上的对齐方式。

• 定义各刚性区域和柔性区域在 X-Y 平面上的形状，并为每个区域分配正确的子叠层。

启用刚柔结合设计

为了支持现代刚柔结合印制电路板中的复杂结构，Z 方向编辑器——层叠管理器提供了不同的显示模式，用于编辑电路板结构。选择 Design » Layer Stack Manager 命令打开层叠管理器，即可启用所需的刚柔结合模式，并创建和对齐刚柔结合设计所需的子叠层。

层叠管理器打开后，会显示当前电路板的层叠结构。对于新建 PCB，显示的是简单的双层板。要启用设计刚柔结合板所需的功能，请打开 Tools » Features 子菜单或单击 Features 按钮（ ），选择标准 Rigid-Flex模式（也称为 RF1）或 Rigid-Flex (Advanced) 模式（也称为 RF2）。

选择相应命令以启用所需的刚柔结合模式。

选择标准或高级刚柔结合模式

Altium 的 PCB 设计软件提供两种刚柔结合设计模式。最初的模式（即标准模式）称为刚柔结合模式（或刚柔结合 1），支持包含单个或多个刚性及柔性层叠定义的刚柔结合设计。要使用标准刚柔结合模式，从上方俯视时，整个电路板必须能够定义为一个没有重叠区域的平面形状。这就是刚柔结合 1 模式采用的方法：先定义一个完整的板形，再放置分割线，将该形状划分为各个刚性和柔性区域。完成后，即可为每个区域分配层叠。 

详细了解如何在标准模式下设计刚柔结合板。

如果您的设计对刚挠结合板有更复杂的要求，例如柔性区域重叠，则需要使用高级刚挠结合模式（也称为刚挠结合 2.0）。除了支持柔性区域重叠外，高级模式还提供以下功能：以可视化方式定义子叠层的 Z 平面、独立定义电路板的各个刚性和柔性区域、在嵌套挖空区域上设置弯折、使用自定义形状的分割线、定义书脊式结构、在柔性区域添加覆盖膜，以及支持纯柔性板设计。

了解有关在高级模式下设计刚挠结合板的更多信息。

从标准模式切换到高级模式

您可以在 Layer Stack Manager 中从标准模式切换到高级模式，如上图所示。当您在 Tools » Features 菜单中选择 Rigid-Flex (Advanced) 选项时，软件会自动将单个板形状转换为多个板区域对象，并根据需要分配层叠。下面的视频演示了此过程。

从标准刚挠结合模式切换到高级模式的概述。

使用板区域

板区域是指电路板上由用户定义、需要为其分配独立层叠的各个区域，这是刚挠结合 PCB 的一项标准要求。在下图中，板形状已划分为三个独立的板区域：上方的圆形区域、中间的细长条区域和下方的圆形区域。

在板规划模式下查看的刚挠结合板。请注意，板形状已划分为三个独立的板区域，每个区域都显示其区域名称和分配给它的层叠。

新建电路板时，默认只有一个板区域。如果电路板设计需要多个区域，您可以：

• 将单个板区域切分为多个区域（标准刚挠结合模式或高级刚挠结合模式），或者
• 放置多个板区域，构成整体形状（高级刚挠结合模式）。

板区域在板规划模式（View 菜单）下定义和编辑。

使用弯折线

弯折线在板规划模式（View 菜单）下定义和编辑。

弯折线的属性

弯折线具有以下相互关联的属性：

• Bend Angle (a) - 柔性区域表面要弯折的角度。
• Radius（r）- 弯折中心点到弯折表面的距离。
• Width（w）- 在给定 Radius 和 Bend Angle 时，将发生弯折的表面区域宽度。

Bend Angle、Radius 和 width 之间的关系可表示为：

• w = a/360 * 2*Pi*r
• 或者用文字表述为：width = Fraction of the circumference being bent * Circumference

浏览层叠区域和弯折线

在 PCB 面板的 Layer Stack Regions 模式下，其三个主要区域会相应变化，从上到下依次显示以下内容：

• 可用的 Layer Stacks 的名称。
• 电路板上定义的 Stackup Regions，或分配给所选层叠的 Stackup Regions。
• 所选叠层区域中的 Bending Lines 列表。

使用 PCB 面板的 Layer Stack Regions 模式时，可通过 View » Board Planning Mode 菜单切换到板规划模式视图，或使用 1 快捷键。

电路板可以分割为不同的区域（叠层区域），并为各区域分配特定的层叠结构（层叠）。折叠区域（弯折线）定义在电路板的柔性区域中。

在 PCB 面板的 Layer Stacks 区域中选择某个层叠名称后，将以该层叠为范围应用筛选。因此，分配给该层叠的所有板区域都会列在面板的 Stackup Regions 区域中。相应地，在所选叠层区域中定义的所有弯折线都会列在 Bending Lines 列表区域中。

双击列表中的叠层区域（或双击设计空间中的板区域本身），将打开板区域对话框 （标准刚挠结合模式）或 Properties 面板的板区域模式（高级刚挠结合模式）。使用此对话框/面板可重命名区域、为其分配层叠，或锁定其 3D 属性。

双击面板的 Bending Line 区域列表中的弯折线，将打开弯折线对话框，您可以在其中详细编辑该弯折线的属性。

以 3D 方式显示和折叠刚挠结合设计

PCB 编辑器内置强大的 3D 渲染引擎，可为加载的电路板呈现高度逼真的三维效果。该引擎还支持刚挠结合电路，结合 PCB 面板中的 Fold State 滑块，设计人员可以检查刚挠结合设计的展平状态（不应用任何弯折线设置）、完全折叠状态（应用所有弯折线设置），以及两者之间的任意状态。

要切换到 3D 显示模式，请按 3 快捷键（按 2 返回 2D，或按 1 返回板规划模式）。电路板将以 3D 方式显示。如果元件封装包含用于定义所安装元件的 3D 实体对象，这些对象也会显示出来。在下图中，您可以看到电路板上包含一块电池和一个电池夹。

要应用所有弯折线，请将 PCB 面板设为 Layer Stack Regions 模式，然后拖动 Fold State 滑块，如下图中突出显示的部分所示。请注意，各弯折将按其序号定义的顺序应用。多条弯折线可以使用相同的序号；这仅表示使用 Fold State 滑块时，这些弯折将同时进行。也可以运行 View » 3D View Control » Fold/Unfold 命令（或按 5 快捷键）来折叠/展开电路板。

使用 Fold State 滑块（或 5 快捷键），按序号值（折叠索引）定义的顺序应用所有弯折线。

3D 视频制作工具对刚柔结合设计的支持

刚柔结合设计的折叠过程也可以录制为 3D 视频。操作非常简单，而且在折叠过程中无需使用视频关键帧。

有关如何制作 3D 视频的详细说明，请参阅准备 3D PCB 视频页面。基本步骤如下：

1. 将 PCB 编辑器切换到 3D 模式。
2. 打开 PCB 3D Movie Editor 面板，然后单击 New 按钮创建新视频。单击 Movie Title 区域中新建的视频，然后为其指定一个合适的名称。
3. 创建初始 Key Frame，显示电路板的展开状态。
4. 拖动 Fold State 滑块，使刚柔结合设计呈现折叠状态，然后根据需要调整折叠后电路板的位置。
5. 现在为此视图创建第二个 Key Frame 并设置时间。考虑您希望刚柔结合设计的折叠过程持续多长时间（Duration 设置）；通常设为几秒。

6. 要检查视频是否正确呈现了折叠过程，请单击播放按钮（位于面板底部的播放器控件中）。

   

7. 要生成视频文件，请在输出作业文件中添加 PCB 3D Video 文档输出。请记得在视频设置对话框中配置视频格式选项。
8. 单击输出作业文件中的 Generate Content 链接以创建视频文件。

以下视频就是使用此流程创建的。它包含上述两个关键帧，并在末尾额外添加了一个关键帧，使最终位置保持一秒。

使用三个关键帧创建的简单 3D 视频；折叠行为由弯折线的序号值定义。

► 进一步了解准备 3D PCB 视频

设计注意事项

以下概述了设计刚柔结合 PCB 时必须考虑的关键设计要点：

• 导线布线——跨越柔性区域的走线，其拐角样式的选择非常重要；应避免尖角，使用圆弧可最大限度地减小应力。
• 焊盘形状和面积——对于单面柔性板，应使用带兔耳（锚固凸耳）的圆角过渡（泪滴）。目的是让覆盖膜覆盖部分焊盘轮廓。
• 通孔——尽量避免在弯折区域设置通孔，尤其是在动态弯折应用中。
• 覆盖膜——避免应力集中点（使进入焊盘的走线暴露）；将覆盖膜开口缩小至 250 μm。
• 平面——尽可能使用网格填充。
• 错开长度——为避免弯折时各层屈曲（书本装订效应），将各层长度错开，错开量约为该层厚度的 1.5 倍。
• 维修余量——将柔性区域稍微加长，以便于装配/拆卸，并适应产品尺寸的变化（这段额外长度称为维修余量）。
• 节省铜材——考虑柔性电路的拼板方式；适当调整设计可能有助于提高材料利用率。
• 拼板——根据材料纹理方向布置柔性区域（沿纹理方向弯折）。
• 抗撕裂——采用圆弧拐角；在拐角处钻孔；在狭缝中设置孔；在拐角处保留金属。
• 布线——双层板上的走线应交错布置，以避免工字梁效应，并加宽弯折区域内的走线（这对于永久性弯折尤为重要）。
• 静态弯折比——设定弯曲半径与电路厚度的比值。理想情况下，多层电路的弯折比应至少为 15:1。双面电路的最小比值应至少为 10:1。单层电路的最小比值应至少为 5:1。对于动态弯折应用，目标弯折比应为 20–40:1。
• 压延退火铜的延展性更好；电镀铜并非柔性区域的最佳选择。

文档和图纸要求

通常建议包含以下文档要求：

1. 柔性 PCB 应按照 IPC-6013 标准的相应等级（在此填写您的要求）制造。
2. 柔性 PCB 的结构应满足最低 V-0 阻燃等级要求（如有要求）。
3. 柔性 PCB 应符合 RoHS 要求（如有要求）。
4. 刚性材料应采用符合 IPC-4101/24 的 GFN 材料（如果使用环氧树脂材料）。
5. 刚性材料应采用符合 IPC-4101/40 的 GIN 材料（如果使用聚酰亚胺材料）。
6. 柔性覆铜材料应符合 IPC 4204/11（柔性无胶覆铜介质材料）。
7. 覆盖涂层材料应符合 IPC 4203/1。
8. 完成所有层压和电镀工艺后，电路板的最大厚度不得超过（在此填写您的要求）。该厚度应在成品电镀表面之间测量。
9. 拼板刚性部分中的丙烯酸胶黏剂厚度不得超过整体结构厚度的 10%。请参阅上文对此的说明。
10. 可使用袋装辅助材料以便于制造，但必须在出货前将其从电路板的柔性部分去除。
11. 柔性部分的厚度应为（在此填写您的要求）。如果此厚度并非关键要求，请勿添加此备注。
12. 金属化通孔的孔壁铜层最小厚度应为（在此填写您的要求；建议平均厚度为 .001 英寸），最小环宽应为（在此填写您的要求；建议为 .002 英寸）。
13. 仅在电路板刚性区域的两面裸铜上涂覆绿色 LPI 液态感光阻焊膜（如有要求）。所有外露金属均应采用（在此指定您的表面处理要求）。
14. 使用白色或黄色（最常用）的非导电环氧油墨，在电路板两面进行丝网印刷（如有要求）。
15. 标记和标识要求。
16. 电气测试要求。
17. 包装和运输要求。
18. 阻抗要求。

其他图纸细节

1. 钻孔表，详细列出成品孔径、相应公差以及是否为金属化孔。
2. 尺寸图，包括参考基准、关键尺寸、刚挠交界处、弯折位置 及方向标记。
3. 拼板细节（如有要求）。
4. 结构和叠层细节，详细注明每层使用的材料、厚度和铜重。

参考资料

《挠性和刚挠结合电路技术工程指南》 - Epec Engineering Technologies

《挠性电路技术》 - Joe Fjelstad

《挠性电路设计指南》 - Minco Products Inc

Minco Products 挠性电路资源

Machine Design 网站：

• 《挠性电路设计基础》 - Robert Repas
• 《保持柔性》 - Mark Finstad，应用工程师