分享几个软硬结合板的实例

EDN电子技术设计 · 公众号 · · 2024-12-11 17:24

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越深入地了解软硬结合板技术，就越惊奇地发现更多超炫的应用。今天想分享几个我学到的简洁技巧和应用理念。

动态柔性的想法

在您的产品中设计柔性部分一般是基于如下两个原理：其一，构建一个结构紧凑和装配高效的设备；其二，使电路动态地机械结构融合起来。当然，也可以根据这两条原理来选择柔性电路的作用。现在，让我们来看看几个能够启发您的设计灵感的柔性电路例子。

机架结构

这是一个非常典型的动态柔性电路的应用，它可以装在3D打印机上或数控机床头的机械头上。通常，它会被沿着X方向安装，工具头会沿着z轴方向运动。这里显示出了2个轴向的运动，机架结构本身也会沿着Y轴方向移动。

柔性电路的总长度是运动头到达最末端的长度，再加上弯角和弯曲的长度。

弯角的部分是用于连接在Z轴移动的机械头后面，它与机械头一起沿着机架结构来回穿梭。柔性电路的终端必须留有足够的弯曲长度。

对于这种类型的应用，最好使用单层冷轧退火铜并使弯曲半径越大越好，这样的设计能够延长产品的寿命。

把柔性电路与不锈钢条粘贴在一起也可以延长产品的使用寿命。

图1：初始柔性电路设计。

制造考虑：拼板

上面的例子很好地引出了一个制造和成本的问题。如果根据理论使用直角L形的柔性电路，那么在一个拼板上我们可以制造6个相同的柔性电路，我们浪费了近50%面板空间。如果在它的上面再焊装元器件，我们还要支付额外的加工成本和时间。这个柔性电路的拼板图如图2显示。

图2：数控机架柔性电路的拼板。

使用柔性的另外一个好处是，如果我们使用合适的材料并且能够保证正确地安装，那么我们可以设计一个非常小半径的折痕。这是上个应用的一个很好的替代方案，不过要在特定环境中使用。

图3显示了另外的设计，它使用45°的折痕代替了前面设计的90°弯角。

在这个案例中，这个折痕是适合的，因为柔性电路的这部分将固定在大型刚性的机械体上，因此不会产生过度损耗。

这个方案会显著降低成本，拾放加工的工艺也简化了。然而，你可能会想到这点：由于折痕的缘故，元器件需要放置末端的对面层焊组装。

图4显示了在相同面板上，折痕方案的拼板，面板产量翻了一番！

图4：相同的面板尺寸——折痕曲方案的柔性设计使每个面板产量增加一倍！

规划层叠结构

相对软硬结合板，纯粹的柔性电层堆栈结构肯定简单。然而，我们仍然需要在面板放置锚定点。大多数柔性电路设计会要求，在安装的元器件或者终端区域要放加强板。图5显示了用于上述机架结构的柔性板的层栈结构，加强板的部分是“刚性”堆栈，在PCB编辑器中它固定以3D方式显示。

图5：机架结构例子中使用的柔性板的层栈结构定义。

图6：可旋转柔性设计的PCB外框。

旋转设备

看一下图6，在PCB编辑器中的我们使用了水平工作指南，它有助于基于柔性电路部分的弯曲圆周设计出精确的板形轮廓。同时，我们还能在PCB编辑器的板级规划模式下，规划和显示柔性电路的折痕位置，在3D模式下，准确模拟出柔性电路板弯曲程度。

图7和图8显示了这种设计的3D模式视图。

图7：旋转步进控制板级的3D视图。长“臂”可以使电机以及它的控制板板旋转的角度超过360°。

图8：装配好的完整折叠视图，包括3D步进电机。

在图8中，我标注了运动箭头及柔性电路的固定端，来给你一个直观的概念。

这种布局设计使得实现360°旋转更加容易。

这是一个假设的例子，对象是步进电机，这个设计应用于旋转传感器是非常合适的。

固定的柔性电路应用

平面磁性元件（变压器和电感器）

使用柔性板或者说软硬结合板做平面磁性元件的应用越来越多。一个月前，我自己维修了我家的43寸液晶电视。当我检查了背光逆变器板时，看到一排整齐的升压DC-DC稳压电路，在稳压电路中使用了由柔性电路做绕组的变压器。绕组是由旋转的柔性电路构成，如图9所示。结构的紧凑令人难以置信。

*它的终端连接到贴片保险丝上，保险丝烧断了。现在回想起来，我当时真应该拍张照片，给你们瞧瞧……

使用柔性电路做平面磁性元器件有明显的优势，非常薄的聚酰亚胺薄膜就可以实现非常高的安全隔离。而且在很高的的温度下聚酰亚胺薄膜还保持性能稳定，这使得它适用于热搪瓷灌封工艺。从损耗的角度来看，使用蚀刻铜线固然需要更宽的走线，但是因为它如肌肤的薄度，可以非常容易地减少涡流损耗。

图9：未卷曲的四绕组电感。

更精致的入口和出口设计，能够把它们重叠起来，这个的出口对应下一个的入口。这样的设计会比在平面上设计多个独立的绕组，会更加容易增加线圈的匝数，如图10所示。

由2层柔性板构成的18层绕组

将这一概念进一步地延展，我们可以在转换器的设计中使用中更多的柔性层，然后把它们重叠起来。如图11中所示的2层柔性电路变压器设计，E18平面铁氧体磁芯穿过PCB上的切口。这种做法可以任意延伸下去，它的实际限制取决于最终折叠后板的厚度。如图11，双面柔性板最终构成了18层的变压器绕组。

每个切口的中心，都可以有单圈电感绕组。弯曲轨道周围的侧边可以旋转半圈，由于磁路面积的侧边实际有效性只有一半，因此，你可能无法完全覆盖所有面积，但通过添加一个或两个额外的半圈匝数，就可以实现全覆盖。

图11：自上向下看下柔性电路变压器。单一大电流绕组安装在顶部，六个小电流绕组安装在底部，可以使用Altium Designer总线布线工具实现。

这可能会造成混乱，因为你必须记录恰当的铁氧体磁芯缠绕方向轨道。由于整个柔性电路将垂直折叠，我在机械1层添加了箭头，与各相邻绕组相对，同时提醒我，哪条需要铺铜路径。为解释得更加清楚，请参加图12。

图12：机械1层显示板层轮廓以及绕组方向箭头指引。

核心的柔性部件安装如下图所示。请注意，它将与连接到软硬结合板，通常电路都是在2层刚性印刷电路板上，柔性部分通常是所有核心绕组所需的附加层。当然，是使用大面积的柔性层，还是在硬性板设计中加入更多地层，这需要权衡成本来决定。

图13 ：完全折叠的变压器，通过切口连接3D飞磁E18铁氧体磁芯。

多层软硬结合板

如何保持多层柔性板的灵活性和耐用性

许多军事、航空航天或类似的高密度设计，它们需要在狭小的空间内实现紧凑布局和可靠装配。这样就很难在硬板之间使用多层柔性电路。这在高速数字设计中同样需要，因为当总线电路在柔性板上走过时需要添加屏蔽或者平面层。

现在的问题是：为了保持良好的灵活性，柔性电路层的数量必须尽可能的少。通常的结构是一层PI基板、附着在基板两侧的铜皮层以及PI保护膜。

在“普通”的设计中，重叠的柔性电路的长度是相同的。如图14展示的情形，一旦装配完成，那么在硬质板间的柔性部分的弯曲会产生很大的张力。

图14：当多个柔性电路重叠并有相同的长度，那么在外部的柔性电路上会产生张伸，在内部的柔性电路上会产生挤压。请注意，在柔性电路与刚性电路接触部分要使用胶珠。

有经验的软硬结合板制造商，会建议使用“装订术”。“装订术”是一个可行的方法，根据使用柔性电路弯曲半径来确定其他个柔性电路和基板的长度。如图15中所示。

图15：装订术（来源：IPC-2223B，2008 P26）

你可能会说这钟方法十分费钱，而且对设计来说是个挑战。通常更好的替代方法是使用相同的长度和半径的柔性电路，但将不同的柔性电路层分隔开，彼此不重叠。见下图16所示。

图16：替代的装订术结构。

不损失走线层数的超紧密弯曲

如果之前没有看见过它，这绝对是一个神奇的东西！在PCB西部展会时，我从供应商那儿，拍了几张软硬结合板和柔性电路板的照片。图17显示了在我大拇指和食指间，是一个小型的电路板，它使用了几个S形叶状连接，提高了各部分之间的最小弯曲半径。在这张照片中可能看不太清楚清楚，元器件安装在背面有加强板的部分。

图17：具有多个铜皮层并且保持180°的弯曲。

这一概念当然可以延伸到多个用途。如图18所示，这是一个超灵活的显示板。在更宽广的、有加强板的部分上排列着一个的LED矩阵。整个装配过程会更加严格，因为它是由很多的铜皮层和PI膜层压在一起的。同样，使用了S弯可以使整个设计放置进弧形的外壳。我相信，矩阵中的每个LED都是单独控制的，所以在这个设计中有很多独立的走线。