避免设计Flex PCB时常见的陷阱

引言

Flex和Rigid-Flex板，可通过替代体积庞大的线束，有效减小电子设备的尺寸与重量。为适配设备的活动需求，导线会布设在柔性或刚挠结合板的弯折区域，以实现弯曲或扭转功能；其独特的 “装订式” 结构（见图 1），能够支持电路板沿特定轴线反复弯折。

图 1：装订式刚挠结合板在弯折处堆叠多层柔性 PCB，可沿特定轴线轻松开合。通过双轴、双弯折的结构设计，能实现电路板不同部位的多向弯折。

凭借在尺寸与重量上的优势，Flex和Rigid-Flex板被广泛应用于军工、航空航天、机器人以及消费电子等领域。但需要注意的是，习惯设计刚性电路板的工程师必须明确，这类柔性板的设计遵循另一套规则，且需要在设计前与设计过程中仔细研读。本文将梳理柔性与刚挠结合 PCB 设计中的部分常见误区。

叠层结构与材料概述

刚性板与刚挠结合板的叠层设计会选用不同材料，以最大化提升柔性性能。柔性及刚挠结合板的生产制造需遵循 MIL-P-50884 与 IPC 6013 标准；IPC-2221 至 IPC-2225 系列文件可作为设计参考准则；IPC 4202、4203、4204 标准则明确了这类电路板所用的柔性介质材料、覆金属介质材料、覆盖层材料及粘结材料的技术要求。所有电路板均需按照 IPC-A-600 2 级（部分场景为 3 级） 标准进行验收与最终检测。

叠层结构类型

根据 IPC 6013 标准的定义，Flex和Rigid-Flex板可分为以下 5 类：

1 类：单面柔性印制板，包含一层导电层，可带或不带加强板。

2 类：双面柔性印制板，包含两层导电层，带有金属化过孔，可带或不带加强板。

3 类：多层柔性印制板，包含三层及以上导电层，带有金属化过孔，可带或不带加强板。

4 类：多层刚柔结合印制板，包含三层及以上导电层，带有金属化过孔，由刚性与柔性材料复合而成。

5 类：柔性或刚挠结合印制板，包含两层及以上导电层，无金属化过孔。

表 1 列出了Flex和Rigid-Flex板的部分技术规格。

表 1：柔性及刚挠结合板技术规格

材料构成

柔性及刚挠结合板的材料组成包括覆盖涂层 / 覆盖膜、基底覆铜材料、粘结片与胶粘剂（或半固化片） 以及刚性覆铜板。

覆盖涂层是一种液态光成像（LPI）材料，功能与覆盖膜一致，但无需预先开槽。基底材料分为含胶型与无胶型两类。

覆盖膜通常是带有胶粘剂层的聚酰亚胺薄膜，作用是包覆并保护外层电路。覆盖膜需要预先开槽，使其形状与柔性 PCB 的表面结构匹配，以实现对外层电路的精准覆盖。

粘结片与胶粘剂用于实现板层间的粘合：柔性板所用的粘结片是双面涂胶的聚酰亚胺薄膜；刚挠结合板则会选用不流动半固化片。

常见误区与最佳实践

1.  柔性 PCB 基础参数计算

柔性电路的应用场景分为静态弯折与动态弯折两类。

静态应用下，电路仅在安装阶段进行一次弯折或折叠，后续仅在维护等特殊情况时少量弯折；动态应用则要求电路能够间歇性或持续性弯折，因此需要选用经过严格筛选的材料制作柔性互连结构。例如，装甲车辆后门的开合机构就采用了这类柔性板，以满足士兵进出时的频繁弯折需求。

IPC 2223 标准规定，最小弯折半径为柔性板厚度的倍数。铜层厚度增加、胶粘剂涂覆量偏大等因素，都会导致这个倍数数值上升（详见表 2）。

表 2：单、双面柔性板最小弯折半径要求

设计师容易忽略的一点是：弯折区域的应力会传递到元件焊点，引发焊点疲劳失效。为规避这一问题，需确保弯折点与焊盘之间留有足够的距离。柔性 PCB 的其他推荐计算参数与公差要求详见表 3。

表 3：柔性及刚挠结合板推荐公差

2.  制造工艺相关注意事项

若制造过程中污染物侵入电路板，导致柔性区域滞留多余水分，会引发板面起泡与分层缺陷。

针对覆铜箔结构的柔性板，可在加工时采用 “凹槽工艺” 隔绝污染物 —— 具体做法是采用铜箔而非刚性覆铜介质制作外层板。

此外，在对覆盖膜进行预先开槽时，必须考虑外层铜导线的厚度，确保覆盖膜与 PCB 表面贴合时不会产生气泡（见图 2）。

图 2：使用覆盖膜时，需考虑外层铜导线厚度，以实现对 PCB 表面的精准覆盖。

另一项制造注意事项是：刚挠结合板的刚柔过渡区需要涂覆柔性环氧 “封边胶”。这种封边胶的作用是防止刚性板的不流动半固化片溢入柔性区域。半固化片溢料会形成锋利的 “刃口”，电路板弯折时，刃口会割伤柔性导线。封边胶呈锥形，能够使刚柔过渡区形成平滑的衔接，让柔性板层弯折更顺畅（见图 3）。

图 3：刚柔过渡区涂覆的环氧封边胶，可防止刚性板半固化片溢料割伤柔性导线。图中过渡区的黑色线条即为封边胶。

3.  边缘圆角处理

开展刚挠结合板设计工作时，必须将弯折特性纳入考量，这意味着在特定区域应避免设计直角与直边结构。例如，板边开槽处应采用圆角替代直角，导线与电路图形的边角也需做圆滑处理。图 4 展示了焊盘连接、焊盘与导线的过渡，以及高焊盘密度区域与导线连接的电路图形设计示例，这些设计均体现了圆角处理的原则。

图 4：柔性 PCB 需对 “尖锐” 边角做圆滑处理，摒弃刚性 PCB 导线中常见的交叉线与尖角设计。注：考虑到压合阶段覆盖膜树脂的流动特性，焊盘区域的尺寸需适当增大，以提升覆盖膜的附着力。

4.  弯折区域设计要点

导线的布设方式至关重要。刚挠结合板与柔性板的弯折区域，需遵循专属的设计与布局准则，以最大程度降低元件、焊点及刚柔过渡区承受的应力。

弯折区域的所有导线，必须垂直于弯折轴线布设。这样能确保弯折时所有导线承受的机械应力均匀一致。

在刚柔过渡区，导线进入刚性区域后应采用45° 弧形过渡，而非尖锐的 45° 角弯折。具体布设方式可参考图 5。

图 5：柔性板区域至刚性板区域的推荐导线布设方式。

此外，严禁在刚柔过渡区与弯折区域密集布置金属化过孔。所有元件与孔位特征，需与过渡区保持至少 100 密耳的距离，避免产生额外应力。

对于电路密度较高的双面柔性 PCB，需充分考量弯折产生的机械应力对板层间导线的影响。若相邻板层的导线出现重叠，会形成 “工字梁效应”—— 该效应虽能增强结构强度，却会大幅降低电路板的柔性，最终导致弯折失效（见图 6）。

图 6：导线层叠布设会引发 “工字梁效应”，导致电路板柔性显著下降。

结论

由于涉及设计、布局与制造等多方面的特殊要求，柔性及刚挠结合 PCB 在制作原型前，就需要全面考量电路的各项特性。本文仅梳理了这类电路板设计中的部分常见误区。