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博客作者：Tara Dunn
柔性和剛?cè)峤Y(jié)合電路通常是 PCB 設(shè)計(jì)師在需要節(jié)省空間、減輕重量或消除笨重連接器時(shí)的首選。它們推動(dòng)了微型電子設(shè)備的蓬勃發(fā)展，從醫(yī)療可穿戴設(shè)備和無人機(jī)系統(tǒng)到堅(jiān)固的航空航天應(yīng)用。但隨著應(yīng)用需求不斷提高，即使是設(shè)計(jì)最優(yōu)的柔性電路也開始面臨壓力。
在許多情況下，問題并非源于布線或信號(hào)流，而是 EMI（電磁干擾）、局部熱量積聚以及使用過程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，這些往往決定了設(shè)計(jì)是“能工作”還是能在實(shí)際環(huán)境中可靠運(yùn)行。
今天，我們將探討三種能顯著提升柔性和剛?cè)峤Y(jié)合電路設(shè)計(jì)的強(qiáng)大工具：EMI 屏蔽、散熱管理和機(jī)械加強(qiáng)筋。每一種都會(huì)增加一定復(fù)雜性，但如果合理使用，它們能在性能、耐用性和可靠性方面帶來顯著改善。
- 即使布線和信號(hào)流在紙面上看起來沒問題，柔性和剛?cè)峤Y(jié)合電路仍面臨 EMI、熱量積聚和機(jī)械應(yīng)力等現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。
- EMI 屏蔽（銅網(wǎng)、銀墨或屏蔽膜）可控制電磁輻射，但會(huì)增加厚度和剛性，因此必須合理布局、接地，并與制造商協(xié)同設(shè)計(jì)。
- 有效的熱管理依賴于堆疊規(guī)劃，以及散熱通孔、導(dǎo)熱界面材料（TIM）和帶鋁背的加強(qiáng)筋等工具，將熱量從密集元件區(qū)域?qū)С觥?/li>
- 機(jī)械加強(qiáng)筋（FR4、聚酰亞胺或金屬）是可靠性和可制造性的關(guān)鍵，能加強(qiáng)元件/連接器區(qū)域，改善組裝操作，同時(shí)避免影響彎曲區(qū)域。
屏蔽通常用于設(shè)計(jì)存在電磁輻射風(fēng)險(xiǎn)的情況，這在缺乏完整接地平面的柔性設(shè)計(jì)中可能發(fā)生。為設(shè)計(jì)的特定區(qū)域添加屏蔽有助于抑制這些區(qū)域的過度輻射。
柔性電路可采用多種屏蔽方法：
- 交叉網(wǎng)格銅層：可在柔性堆疊中作為屏蔽。網(wǎng)格開口越大，屏蔽效果越差，但柔性越好，反之亦然。
- 銀墨屏蔽：通過絲網(wǎng)印刷在表面，重量輕、柔性好，但導(dǎo)電性略低。
- 屏蔽膜：預(yù)制吸收材料，內(nèi)含金屬顆粒并帶有粘性背膠，可直接貼在柔性電路表面，適用于空間受限的設(shè)計(jì)。
請(qǐng)注意，屏蔽并非解決輻射問題的唯一方法，最好先定位問題根源并嘗試解決。
用于仿真的網(wǎng)格平面圖像。
但屏蔽仍有優(yōu)勢(shì)，選擇哪種方法取決于應(yīng)用的電氣性能和機(jī)械要求。無論采用哪種技術(shù)，都必須確保屏蔽良好接地，并在設(shè)計(jì)中均勻集成。
同時(shí)要記住，屏蔽會(huì)增加厚度和剛性，限制彎曲范圍和半徑。因此最好將屏蔽應(yīng)用在靠近元件的區(qū)域，因?yàn)楹更c(diǎn)附近本就不能彎折。務(wù)必在早期建模這些影響，并與制造商緊密合作，避免在生產(chǎn)或組裝階段出現(xiàn)意外。
過去，熱性能只在電力電子中被關(guān)注，但現(xiàn)在情況不同。隨著元件密度增加、外殼縮小，即使低功耗柔性電路也可能面臨散熱問題，尤其是在剛?cè)峤Y(jié)合板中，活躍元件集中在剛性部分，但熱量會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)元器件中。
設(shè)計(jì)師可采用多種工具實(shí)現(xiàn)有效散熱：
- 散熱通孔：幫助將熱量從關(guān)鍵元件傳導(dǎo)至內(nèi)部銅層或外部散熱結(jié)構(gòu)。
- 導(dǎo)熱界面材料（TIM）：將熱量從元件傳遞到散熱器或外殼。
- 帶鋁背的加強(qiáng)筋：不僅增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還能作為被動(dòng)散熱器。
柔性設(shè)計(jì)中的熱管理往往更棘手。聚酰亞胺和薄膠粘劑在熱穩(wěn)定性方面表現(xiàn)良好，但導(dǎo)熱性差。即使能耐高溫，它們也無法有效散熱。
因此，正確的堆疊規(guī)劃至關(guān)重要。增加銅厚、調(diào)整元件位置或添加被動(dòng)散熱片都能緩解熱點(diǎn)。務(wù)必在設(shè)計(jì)階段與制造商溝通熱要求，因?yàn)椴牧虾穸群蛯訅汗に嚂?huì)影響散熱性能。
在柔性或剛?cè)峤Y(jié)合電路中，最容易被忽視的改進(jìn)就是加強(qiáng)筋，但它對(duì)性能影響顯著，尤其是在組裝和實(shí)際使用過程中。
加強(qiáng)筋用于機(jī)械強(qiáng)化需要支撐的區(qū)域，例如：
- 安裝元件的區(qū)域，如 BGA 或 QFN
- 插接 ZIF 連接器或壓入式接觸件的區(qū)域
- 經(jīng)受貼片或回流工藝的區(qū)域
- 安裝或操作時(shí)應(yīng)避免彎折的區(qū)域
常用加固材料包括：
- FR4：常見，機(jī)械性能與硬板兼容。
- 聚酰亞胺：重量輕，柔性更高，但仍能增加剛性。
- 金屬（鋁或不銹鋼）：強(qiáng)度高，還能輔助散熱。
加強(qiáng)筋的布局很重要。避免放在彎曲區(qū)域，并確保與阻焊層或覆蓋膜開口對(duì)齊（如果使用膠粘劑）。還可以在不同區(qū)域采用不同厚度的加強(qiáng)筋，以實(shí)現(xiàn)柔性與強(qiáng)度的最佳組合。
加強(qiáng)筋還能提升組裝工藝。例如，帶加固的柔性區(qū)域適合真空貼片，而未加固的區(qū)域在貼裝時(shí)會(huì)卷曲。
屏蔽、散熱管理和機(jī)械加強(qiáng)筋往往決定了設(shè)計(jì)能否在實(shí)際環(huán)境中可靠運(yùn)行，而不僅僅是紙面達(dá)標(biāo)。它們不是事后補(bǔ)救，而是確保長期性能和可靠性的設(shè)計(jì)要素。
在設(shè)計(jì)柔性或剛?cè)峤Y(jié)合電路時(shí)，不妨多問自己幾個(gè)問題：
電路是否會(huì)經(jīng)歷高電磁干擾或高邊沿速率？
外殼尺寸或元件重量是否帶來散熱問題？
是否易于制造并能長期穩(wěn)定運(yùn)行？
這些問題的答案將引導(dǎo)你采用上述一種或多種改進(jìn)措施。
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