柔性印制电路板(FPC)设计方法的研究

彭小琴

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)

1 柔性板(FPC)概述

1.1 柔性板的简介

柔性电路板(Flexible Printed Circuit，简称FPC)是以聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜为基制成的一种具有高度可靠性，绝佳的可挠性印刷电路板。具有的特点如下：

1)可挠曲性。这是FPC最显著的优势。FPC可通过挠曲和折叠，方便地在三维空间进行布线或立体安装，只要不超过容许的挠曲半径，FPC可进行几千次至几万次的挠曲而不会损坏。

2)体积小。由于设计不同，在组件装连中，与使用电缆导线比，FPC的导体截面薄而扁平，减少了导线尺寸，而且导体介质的轻薄和可弯曲性，使装上FPC的设备整体结构更加紧凑、合理。与刚性PCB比，空间可节省60%以上。

3)重量轻。FPC的材料决定了产品的重量轻。在相同体积内，与电缆导线相比，在相同载流量下，其重量可减轻月70%，与刚性PCB比，重量减轻月90%。

4)消除安装出错。采用电缆导线安装接线，容易在安装或维修过程中出现接错，导致经常返工或浪费时间查找问题原因。FPC不存在这方面问题，只要设计图纸经过校对通过，生产出来的产品都符合一致性要求，不会接线出错，使用FPC也消除了电缆导线，给设备提供清晰的外观。

5)增加可靠性。使用FPC装连，可在X、Y、Z三个平面上布线，减少了转接互联，使整个系统的可靠性增加，且对故障的检查，提供了方便。

6)可控制电气参数。与电缆导线相比，FPC可通过设计控制线宽、线距、线厚、介质厚度、介电常数等参数，从面达到控制电容、电感、特性阻抗、延迟和衰减等元件特性，这是电缆导线难以办到的。

7)可降低总成本。使用低成本的FPC，可降低设备的整体成本。FPC可避免同时使用多块刚性板和大量的电缆导线组合，往往只需加工一块挠性板便可取而代之；FPC可整体装接，消除了电缆导线的装连出错，减少了返工和提高效率；另外，FPC可使结构设计简化，能直接粘附到结构件上，减少了线夹和固定件的成本。

1.2 柔性板的应用

柔性板在民用和军工等各方面都有广泛应用，具体举例如下:

1)商业电子产品。如：录像机、摄像机、盒式录音机、CD唱机、照相机、程控电话、传真机、个人电脑、文字处理机、复印机、洗衣机、电锅、空调、汽车、电子测距仪、台式电子计算机等。

2)军工、航天领域。如：飞机黑匣子、飞机燃料控制器、加速计、反坦克导弹、雷射陀螺仪、雷达高度计、人造卫星、鱼雷、红外线观测仪、太空穿梭控制仪、降落伞马甲发射器等。

3)医疗器械领域。如：血液分析器、电击去纤颤器、助听器、药移植泵、骨领感应器、神经刺激器、核磁共振仪、起搏器、屏蔽器、超声探测器等。

2 柔性板的设计思路

柔性板的设计包含了器件选型、结构设计和电气线路设计三个部分。如果将柔性板比作人，器件选型是柔性板设计的手、脚、眼睛，它是柔性印制板板对外的接口，可与外部世界接触；结构设计是柔性印制板的躯干，它是柔性印制板的坚强的后盾；电气线路设计是柔性印制板的大脑，它主宰着柔性印制板的灵魂。虽然它们主次分明，但又不可或缺。他们需要相辅相成，才能完成最终的柔性印制电路板设计，满足高速、射频装配、电气等需求。

2.1 柔性板元器件选型要求

作为柔性印制板对外的门户，柔性印制板的元器件配套选型，应该满足用户系统设备配套对接的基本要求。在选型过程中，需要根据用户系统设备上配套元器件的锁紧方式、安装方式、方向以及有限的结构空间，从装配、对接、锁紧、焊接走线等角度，考虑器件的大小、结构以及锁紧要求。

2.2 柔性板结构设计要求

柔性印制电路板的结构设计，决定了电气线路设计空间，也决定了产品物理结构是否能满足力学环境要求。作为柔性印制板的坚实基础，在设计过程中应考虑柔性印制板的弯折半径、固定位置、不可布线空间等要求，要结合产品应用的力学环境要求，在结构设计过程中将柔性印制板物理上的可靠性进行充分考虑。

2.3 柔性板电气线路设计要求

柔性印制电路板的电气线路设计，可谓是柔性印制电路板的血液或灵魂，是柔性印制电路板设计中的重中之重。

对柔性印制电路板进行电气线路设计的依据，来源于接线关系表和QJ 3103-99《印制电路板设计规范》。在开始电气线路设计之前，要先将产品接线关系分析明白，产品的接线表中有哪些信号，是数字信号还是模拟信号，是差分信号还是电源信号等，需要弄清每种信号的要求。只有在弄清楚各种信号特点的情况下，才能满足产品真正的电气性能要求。

3 柔性板的设计方法

3.1 柔性板元器件选型方法及实例

锁紧方式的选择，根据用户设备端的元器件，选用相应的锁紧方式，尽量满足锁紧要求。可防止柔性印制板使用过程中出现对接端脱落、信号断开等问题。

组装方式的选择，根据设备系统空间结构考虑连接器与印制板的组装方式、组装方向，结合接线关系确定。如直插印制板式、弯插印制板式、跨骑式、表贴式。考虑后期印制板设计，一般优先选用过孔焊接的方式。相对于表贴焊接方式而言，过孔焊接等能保证产品焊接后的可靠性。

引脚排布的选择，元器件的引脚排布有多种。如J30J连接器，有N型(直插式，引脚排列尺寸为2.54mm*2.54mm)、N-J型(直插式，引脚排列尺寸为1.27mm*2.54mm)、W型(弯插式，引脚排列尺寸为2.54mm*2.54mm)、W-J型(弯插式，引脚排列尺寸为1.27mm*2.54mm)。一般优先选用引脚排布较宽的，但也需考虑空间布局。

以上各器件方面的选择，最终组成某一种型号的元器件，元器件应该优先选用通用型号，避免改型造成的设计周期和生产周期延误。

柔板中元器件组装方式的不同、安装方向的不同，都会影响柔性板的结构设计以及电气线路设计。如下图1与图2所示两图中位置1与位置2处的对比结果，图1中1处选用的器件为直插印制板式连接器，2处底面安装，图2中1处选用的器件为弯插连接器，2处表面安装，最终柔性板的结构及性能将受到连接器选型的影响型的影响。

图1 方案1的选型

图2 方案2的选型

如图3所示，通过与设备装配，可知图1的选型方案将存在多处潜在性能危害。由于图1中1处的位置处空间限制，且需要弯折，采用直插印制板方式装配元器件，装后柔板需弯折90度后与设备组装，且需永久成型，易出现疲劳损伤。图1中2处位置由设备空间决定安装面，由于设备上对接端所处位置远离圆心，底面安装的方式极有可能导致柔性印制板与设备上其他结构干涉，最终造成装配不上。

图3 方案1与方案2选型的对比

3.2 柔性板结构设计方法及实例

在柔性板元器件选型完成后，可根据产品接线关系、产品系统设备进行整体结构的初步规划，可从以下三方面进行：

1)观察产品设备结构特点，对柔性印制板结构的设计先做整体结构规划，明确可用区域和不可用区域，应尽可能避开不可用区域。

2)了解柔性印制板的接线关系，明确每个元器件之间的走线要求，对于两相关联的元器件，尽量直接结构相连走线，避免增加设计走线，同时还可简化无接线关系的元器件，可减少或避免走线结构。

3)进一步完善细节，对于元器件数量较多，接线关系较复杂的柔性印制板，在结构设计时应考虑安装固位位置的设计以增加产品的可靠性，同时根据选用元器件的装配焊接方式考虑是否需要设置刚性区域作为表贴焊盘点之间的中转位置。

4)在柔性印制板结构设计过程中，应尽量避开元器件出口位置与其他走线位置重合的方式，可降低设计难度和制作成本，同时也提高可加工性。

如一款5个元器件，装配于某设备上的柔性印制电路板，接线关系的特点是1个元器件对应多个元器件，元器件类型多为J63A跨骑表贴型，引脚排布尺寸较小。根据以上特点，在观察了产品配套设备上各种对接器件所处的位置及空间结构后，选定了柔性印制板柔的元器件型号。同时开始进行柔性印制电路板的结构布局。由于表贴型元器件的走线只能被限制在某一层，因此需要设计中转区域，同时考虑产品的结构固定要求，将中转区域作为固定区域，还增加其他地方的固定安装支耳，这样即增加了产品的可靠性，又减少了电气线路设计时的层数。最终的5头柔性印制电路板结构设计如图4所示。

图4 5头柔板结构设计

3.3 柔性板电气线路设计方法及实例

在进行柔性印制电路板电气线路设计之前，应先将产品接线表弄清楚，需要弄明白的问题如下：

1)产品中的信号有哪些？根据接线表中的点位信号定义或与用户沟通联系，确认产品要处理的点位信号类型。

2)产品中信号的要求是什么？根据接线表中的点位信号要求或与用户沟通联系，确认产品要处理的点位信号具体要求，是否需要差分，是否要求阻抗匹配，信号的过电流大小以及电源信号的压降要求等。

3)线路设计规则定义。在明确前2步的信号类型及要求后，我们可根据QJ3103-99《印制电路板设计规范》确认信号的布线线宽、线距及铜厚，在考虑降额等级的情况下一句定制好的设计规则，可开始电气线路设计。

4)柔性印制电路板的叠层设计。由于柔性印制电路板都是依据设备系统空间结构设计的异形的走线结构，因此还需依据柔性印制板的三维结构布局确定其叠层结构，以保证生产加工出的柔性印制电路板可满足实际产品的装配需求。

以5头柔性印制电路板的电气线路设计为例，产品接点主要有电源信号、普通模拟信号、地信号；普通模拟信号过电流要求为0.2A；电源信号要求过电流为1.3A，导通压降越小越好；地信号为接壳地；产品走线设计依据 QJ3103-99及柔板结构尺寸，确认普通模拟信号线宽为10mil，电源信号线宽为80mil，铜厚为1Oz，经计算，电源压降最小为0.3Ω。由于布线结构的排序，还对柔性印制板进行了叠层设计，从上至下依次为J30J跨骑表贴元器件所在层、J63A(1)跨骑表贴元器件所在层、J63A(2)跨骑表贴元器件所在层、J63A(3)跨骑表贴元器件所在层。5头柔性印制电路板的电气线路设计如图所示。

图5 Signal Layer 1/2 图6 Signal Layer 3/4

图7 Signal Layer 5/6 图8 Signal Layer 7/8

4 实际应用

以上所述的设计思路包括元器件选型、结构设计、电气线路设计，三者是柔性印制电路板设计的核心三步，但并非所有的柔性印制电路板的设计都要按照这样的三部曲进行。柔性印制电路板的产品设计都是以用户输入为准，可能会出现以下几种情况：

1)元器件型号确定，柔性印制板结构确定。此时只需做好最后一步，将接线关系确认清楚，弄清走线规则，进行电气线路设计即可。

2)元器件型号确定。需要继续第二步与第三步，根据产品设备系统结构进行柔性印制电路板三维结构布局，再在此基础上进行电气线路设计。

3)柔性印制板结构确定。此时，需要再重新核实元器件是否需要选型，或已选型的元器件是否与结构匹配，若不满足要求，应及时更改。最后再进行电气线路设计。

4)什么都不明确。此时需要三步曲依次奏响，对从选型到电气设计上的问题进行逐个击破，最终呈现一幅完美的作品。

综上所述，以上各种情况均是以用户输入作为牵引，以满足产品设计需求为目的，在器件选型、结构布局、电气设计等各方面，做到考虑周全，尽善尽美。从设计角度出发，将产品的装配、调试和力学实验情况了然于心。

5 结束语

柔性印制电路板设计是从结构到电路的比较全面的一个设计体系，要求设计人员应从力学角度、电气角度等多个方面同时思考，同时也要求设计人员应熟练掌握三维结构设计软件和电气线路设计软件的应用。

实践出真知。虽然熟悉掌握了设计技巧，但还应在实际产品设计过程中总结经验与教训，不断完善设计方法，使柔性板(FPC)的设计方法更成熟，能设计出满足机械和电气性能的完美产品。