高循环柔性电路的材料

本文由 PCB Direct 知识中心出品，讲解高循环柔性电路的材料选型与设计考量，包括基材、铜箔、弯折半径、线路布局、覆盖膜及可选配置。

在柔性电路中，最常见的应用之一就是反复弯折电路。正如其名所示，电路必须能够弯折，在整个使用寿命期间，有时弯折数十次，有时数百次甚至数千次。

然而，这往往难以在设计中提前规划，有时需要对材料选型进行周密规划，包括铜厚（铜箔重量与厚度）、基材、覆盖膜，偶尔还需要选择和使用可选材料（如应力释放与补强），同时还要考虑会影响弯折的设计选择。

基材（Base Material）

材料选型是柔性电路设计的关键环节之一。在此方面，通常有两种选择：有胶结构（adhesive-based）与无胶结构（adhesiveless）。

有胶结构，顾名思义，即使用胶粘剂将铜箔贴附在聚酰亚胺芯层的两侧。这可以降低芯层的制造成本、使材料更便宜，代价是芯层变厚、阻碍弯折。

无胶结构则选择将铜箔直接贴合在聚酰亚胺芯层上，其本质是将聚酰亚胺芯层熔化后把铜箔直接置于芯层上。由于工艺更为复杂，成本会增加，但换来的是更好的柔韧性。

铜箔（Copper）

铜箔是影响弯折的第二大因素，在某些情况下，如果铜箔足够厚，其对弯折的影响甚至超过芯层材料。铜箔主要分为两类：电沉积铜（ED，electrodeposited）与压延退火铜（RA，rolled annealed）。压延退火铜通常最适合动态弯折应用，尤其是弯折次数高的应用，因为其铜箔经过处理，晶粒结构沿弯折轴（bend axis）方向排列。

另一个关键考量是，设计是否需要多层铜箔，以及是否可以减少层数。根据 IPC-2223，为延长使用寿命，动态弯折建议仅包含 1～2 层铜箔。

弯折半径与线路布局（Bend Radius and Circuit Layout）

仅靠材料选型并不能决定柔性电路在高循环应用中的表现。弯折半径、电路总厚度和导体布局在降低反复运动时的机械应力方面也起着重要作用。较小的弯折半径会给铜箔和介质材料带来更大应变，从而缩短电路的使用寿命。

在动态弯折区域，导体应尽可能以直线且一致的方式穿过弯折区走线，而过孔、焊盘、急剧的走线转折及其他应力集中点，在可行的情况下应置于反复弯折区域之外。所选材料与电路结构应结合预期的弯折半径和弯折次数一并评估，以确保长期可靠性。

覆盖膜（Coverlay）

覆盖膜是下一个重要的因素。为了保护电路免受暴露、环境影响以及选择性表面处理电镀（selective finish plating），覆盖膜被应用于整个电路。与芯层类似，覆盖膜是在线路顶部用胶粘剂将聚酰亚胺贴合而成。然而，其厚度并不那么容易确定，因为随着铜厚增加，所需胶粘剂的用量也会增加。为了平衡设计的厚度并提高柔韧性，铜箔在保持薄型设计方面起着至关重要的作用——既能避免增加额外厚度，也能避免增加额外的覆盖膜。

虽然有些人可能认为阻焊层（solder mask）是一个不错的替代方案，因为它能随形且整体更薄，但阻焊层并不适合长期弯折应用。因此，阻焊层应仅在必要时用于元器件区域。

可选配置（Extra Options）

根据应用和弯折位置的不同，可能还需要选择许多其他项目，例如：

应力释放（Strain relief），用于设计需要在刚性或补强区附近弯折的场合，从而允许渐变弯折而不是可能损坏电路的急弯。

补强（Stiffeners），可用于标示元器件区域，以防止弯折造成焊点断裂，或用于控制设计中哪些区域会发生弯折。

总结（Summary）

柔性电路本身的设计难度就很高。刚性电路板固然困难，但柔性电路增加了额外的复杂性，因为它需要在柔韧性与保持可靠性之间取得平衡，同时实现最终目标。

除了柔韧性之外，维持数十次弯折循环的更长寿命则更加困难。因此，在设计阶段始终最好咨询制造商，以确保你的设计能够承受实际应用的要求。