PCB多层板的刚挠结合设计与制造规范

刚性层材料：刚性层为电路板提供稳定的机械支撑和良好的电气性能。常用的刚性层材料有 FR - 4（阻燃型玻璃纤维增强环氧树脂），它具有较高的机械强度，能够承受电子元件安装和使用过程中的各种应力。在普通消费电子产品，如笔记本电脑的主板中，FR - 4 被广泛应用。对于一些对耐高温性能、高频信号传输性能有更高要求的领域，如 5G 通信基站设备、航空航天电子设备等，则会选用聚酰亚胺（PI）或高 Tg（玻璃化转变温度）材料。PI 材料具有卓越的耐高温性能，能在 - 200℃至 300℃的极端温度范围内稳定工作，同时具备良好的化学稳定性和电气性能。高 Tg 材料则具有更高的玻璃化转变温度，使其在高温环境下仍能保持良好的机械性能和电气性能，有效减少因温度变化导致的电路板变形和信号传输异常。

柔性层材料：柔性层赋予电路板可弯曲、折叠的特性。聚酰亚胺（PI）同样是柔性层的首选材料，其具有出色的柔韧性，能够承受反复弯折而不损坏。例如在可折叠手机的柔性屏幕连接部分，PI 柔性层确保了在多次折叠展开过程中电路的稳定连接。PI 还具有良好的绝缘性能和耐化学腐蚀性，能有效保护电路免受外界环境影响。此外，聚酯（PET）薄膜在一些对成本敏感且对柔韧性要求相对较低的应用中也有使用，如普通电子玩具中的简单柔性连接线路。但 PET 的耐热性和耐弯折性能不如 PI，在高温环境或频繁弯折的场景下适用性较差。

粘结层材料：粘结层用于连接刚性层和柔性层，确保两者之间牢固结合。常见的粘结层材料有环氧树脂（Epoxy）、聚酰亚胺胶（PI Adhesive）或低流动性的无胶层（Adhesiveless）。环氧树脂具有良好的粘结强度和工艺性，能够在一定温度和压力下与刚性层和柔性层紧密结合，形成稳定的结构。聚酰亚胺胶则与 PI 材料兼容性更好，在一些对粘结层性能要求较高，尤其是在高温环境下仍需保持良好粘结性能的应用中较为常用。无胶层技术通过特殊的工艺处理，使刚性层和柔性层之间实现直接粘结，减少了粘结层带来的厚度增加和潜在的分层风险，在高端电子产品的刚挠结合板制造中逐渐得到应用。

层数与对称布局：合理确定刚挠结合板的层数对于满足电路功能需求和确保产品性能至关重要。一般来说，层数的选择要综合考虑电路的复杂程度、信号传输要求以及成本因素。对于简单的电路，可能采用 4 层或 6 层的刚挠结合板即可满足需求；而对于复杂的高速信号传输和高密度集成的应用，如高端服务器的主板，则可能需要 10 层甚至更多层。在设计层数时，要尽量保持刚性部分的结构对称。以 8 层刚挠结合板为例，刚性段采用 4 + Flex + 4 的对称结构，这样可以有效平衡热应力，减少在制造和使用过程中因热膨胀不均匀导致的翘曲变形。对称布局还能使电路板在各个方向上的机械性能更加均衡，提高产品的可靠性。

过渡区域设计：刚性与柔性层的过渡区域是刚挠结合板设计的关键部位，也是应力集中的区域。为了减少应力集中，必须采用渐变过渡设计。一种常见的方法是采用阶梯式过渡（Staggered Transition），通过逐渐改变刚性层和柔性层的厚度，使过渡区域的结构变化更加平缓，避免出现突然的厚度突变。在过渡区域使用无胶 PI 材料，能够减少界面应力，因为无胶 PI 与 PI 柔性层和刚性层的结合更加紧密，且减少了因粘结剂存在而可能引发的分层问题。此外，要避免在过渡区域放置过多的过孔（Vias）或大面积铜箔。过孔和大面积铜箔在温度变化时会因热膨胀系数不同而产生较大的应力，容易导致过渡区域开裂。如果在过渡区域必须设置过孔，应尽量减小过孔的尺寸和数量，并采用特殊的处理工艺，如在过孔周围增加阻焊层或进行补强处理，以提高过渡区域的可靠性。

弯曲半径设计：弯曲半径是刚挠结合板设计中需要重点考虑的参数之一，它直接影响到柔性层的使用寿命和电路性能。过小的弯曲半径会使柔性层材料承受过大的应力，可能导致材料疲劳、断裂，进而引发电路短路或断路等问题；而过大的弯曲半径则会增加产品的空间占用，不利于设备的小型化设计。确定弯曲半径时，要考虑多种因素。不同材料的柔性基板具有不同的弯曲性能，一般来说，材料的厚度越薄、弹性模量越小，其允许的最小弯曲半径就越小。例如，厚度为 12.5μm 的 PI 柔性基板，其允许的最小弯曲半径可能比厚度为 25μm 的 PI 基板更小。刚挠结合板的层数和导体结构也会影响弯曲半径的选择。多层板由于层间材料的相互作用，其弯曲性能通常比单层板差，因此在设计多层刚挠结合板时，需要适当增大弯曲半径以确保产品的可靠性。此外，产品的应用场景也是确定弯曲半径的重要依据。对于需要频繁弯曲的应用，如可穿戴设备，为了减少材料的疲劳损伤，应选择较大的弯曲半径；而对于偶尔弯曲的应用，可以适当减小弯曲半径。在一些可穿戴设备中，柔性电路板的弯曲半径可能设计在 5mm - 10mm 之间，以满足日常佩戴和活动中的弯曲需求。

元器件布局：在刚挠结合板上合理布局元器件对于提高电路性能和可靠性至关重要。要将发热量大的芯片靠近通风口或散热片放置，就像给怕热的电子元件安排了专属空调房，能有效避免因过热导致的性能下降甚至故障。在电脑主板设计中，CPU 与内存芯片相邻布局，数据传输速度显著提升，电脑运行也更加流畅。在刚挠结合板的设计中，也应遵循类似原则，将相互关联紧密的元件就近摆放，缩短信号传输路径，降低延迟和干扰，同时也便于布线。对于一些对电磁干扰敏感的元件，如射频芯片、高精度传感器等，要将它们与干扰源元件隔离开，并采取适当的屏蔽措施，如在敏感元件周围设置接地铜箔或金属屏蔽罩，以确保其正常工作。

走线设计：在挠性区（Flex）进行走线设计时，要遵循一系列规则以保护柔性板部分线路在弯折时不易折损。尽量避免一根线在顶层，另一根线在底层且处于相同路径，因为这样在软板弯折时，上下两层的走线铜皮受力不一致，容易造成线路的机械损坏。挠性区的走线最好走圆弧线，而非角度线，圆弧线能够均匀分散弯折应力，减少线路断裂的风险。线路要避免突然的扩大或缩小，粗细线之间采用泪滴形弧线连接，这样可以有效缓解因线路宽度突变而产生的应力集中问题。对于高速信号线路，布线时更是要格外谨慎。高速信号就像短跑运动员，一旦路径过长或曲折，就容易出现 “体力不支”，导致信号失真、衰减。工程师们通常会采用微带线或带状线的形式，并精确计算线路宽度、间距以及与参考平面的距离，确保信号能够 “一路畅通”。微带线适用于外层信号传输，它由一条信号线和一个参考平面组成，具有结构简单、易于加工的优点；带状线则适用于内层信号传输，它由两条参考平面夹着一条信号线组成，能够更好地屏蔽外界干扰，减少信号串扰。同时，要避免不同类型信号线路 “肩并肩”，防止它们 “互相干扰”，不同类型信号线路之间应保持足够的距离，或者采用接地隔离线进行隔离。

过孔与焊盘设计：在刚挠结合板的设计中，过孔和焊盘的设计也有特殊要求。在动态使用情况下，特别是经常对软板进行弯折的时候，软板上的过孔是尽量需要避免的，这些过孔很容易被损坏折裂。不过在软板上的加强区域还是可以打孔的，但也要避开加强区域的边沿线附近。对于过孔与软硬结合区的距离要求，设计上需遵循的规则为：应保存至少 50mil 的距离，高可靠性应用场合要求至少 70mil，对于软板上的过孔遵循同样规则。这是软硬结合板设计中最重要的一条设计规则，必须严格遵守。焊盘和过孔在符合电气要求的情况下，应取最大值，焊盘与导体之间连接处采用圆滑的过渡线，避免直角，独立的焊盘应加盘趾，以加强支撑作用。为了减少焊接过程中出现虚焊、短路等问题的风险，焊盘或过孔的助焊层露铜圈越大越好，这样可以提高焊接的可靠性。

阻抗匹配设计：在刚挠结合板中，尤其是对于高速信号传输线路，阻抗匹配至关重要。阻抗不匹配会导致信号反射，使信号失真、衰减，严重影响电路性能。为了实现阻抗匹配，需要精确控制线路的特性阻抗。特性阻抗与线路的线宽、线距、介质厚度以及材料的介电常数等因素密切相关。通过合理设计这些参数，并结合实际的信号频率和传输线类型，调整线路的阻抗，使其与信号源和负载的阻抗相匹配。在 5G 通信设备的刚挠结合板设计中，要求高速信号线路的阻抗误差控制在 ±10% 以内，以保障信号的稳定传输。为了满足这一要求，工程师们会使用专业的电路设计软件进行精确计算和仿真分析，在设计阶段就对线路阻抗进行优化，确保实际制作出来的电路板能够满足高速信号传输的要求。

电源完整性设计：良好的电源完整性是刚挠结合板正常工作的基础。合理规划电源和地平面，能够降低电源阻抗，减少电源噪声对电路的影响。在多层刚挠结合板设计中，通常将一层或多层专门用作电源层和地层，并且使电源层和地层紧密相邻，利用层间电容实现电源滤波。对于不同电压等级的电源，要进行合理分割，避免相互干扰。在电源输入和关键元件的电源引脚处，要添加合适的去耦电容，滤除高频噪声，为芯片等元件提供稳定、纯净的电源。在计算机主板的电源设计中，通过多层电源层和地层的合理布局，以及大量去耦电容的使用，确保了 CPU、内存等核心元件能够获得稳定的供电，保证了计算机系统的稳定运行。在刚挠结合板设计中，同样需要遵循这些原则，根据电路的具体需求，合理设计电源和地平面，选择合适的去耦电容，以提高电源完整性，确保电路的可靠性。

电磁兼容性（EMC）设计：随着电子产品数量的增加和电磁环境的日益复杂，EMC 设计成为刚挠结合板设计中不可或缺的一部分。为了减少刚挠结合板对外界的电磁辐射，同时提高其自身的抗干扰能力，在设计中要采取一系列措施。将高速信号线路尽量缩短，并避免其靠近板边，减少辐射源；对敏感信号线路进行屏蔽，如采用接地屏蔽线或在其周围设置接地过孔，形成屏蔽环；合理设计接地系统，确保接地路径短而粗，降低接地电阻，提高抗干扰能力。在一些对 EMC 要求极高的电子产品，如医疗设备、航空航天设备中，刚挠结合板的 EMC 设计更是经过精心优化，以满足严格的电磁兼容性标准。例如，在医疗监护设备中，刚挠结合板的 EMC 设计需要确保设备在复杂的医院电磁环境下能够准确采集和传输人体生理信号，不受其他设备的电磁干扰，同时也不会对周围的医疗设备产生干扰。

材料质量检验：在制造刚挠结合板之前，对所使用的材料进行严格的质量检验是确保产品质量的第一步。对于刚性层材料，如 FR - 4、PI 等，要检查其外观是否平整，有无气泡、杂质等缺陷，同时要检测其机械性能、电气性能是否符合标准要求。对于柔性层材料，除了外观检查外，还要重点检测其柔韧性、耐弯折性能以及与粘结层材料的兼容性。粘结层材料要检查其粘结强度、固化特性等。例如，对于 PI 柔性基板，要通过专业的测试设备检测其在一定次数弯折后的电阻变化情况，以评估其耐弯折性能是否满足要求。对于粘结层材料，要进行粘结强度测试，将粘结好的刚性层和柔性层样品进行拉伸试验，检测其粘结界面的强度是否达到设计标准。

材料存储条件：不同的材料对存储条件有不同的要求，严格控制材料的存储条件能够保证材料的性能在使用前不受影响。刚性层材料如 FR - 4，应存储在干燥、通风的环境中，避免受潮，因为受潮会影响其电气性能和机械强度。聚酰亚胺（PI）材料对温度和湿度也较为敏感，一般应存储在温度为 20℃ - 25℃，相对湿度为 40% - 60% 的环境中。粘结层材料，尤其是一些对温度和湿度敏感的胶粘剂，更要严格按照其产品说明要求的存储条件进行保存，如某些环氧树脂胶粘剂需要在低温下存储，以延长其保质期和保证其粘结性能。

材料预处理：在使用材料之前，通常需要进行一些预处理工作。对于刚性层材料，可能需要进行表面清洁、粗化处理，以增强与粘结层的附着力。对于柔性层材料，如 PI 柔性基板，可能需要进行表面活化处理，提高其与粘结层的粘结效果。在进行表面清洁时，可采用化学清洗、超声波清洗等方法去除材料表面的油污、灰尘等杂质。表面粗化处理可以通过化学蚀刻或机械打磨等方式进行，使材料表面形成微观的粗糙结构，增大表面积，从而提高粘结力。

内层制作工艺：内层制作是刚挠结合板制造的核心步骤之一。首先是开料环节，这就像裁缝师傅按照图纸裁剪布料，只不过这里的 “布料” 是覆铜板，“剪刀” 是高精度的开料设备。在这个过程中，必须将尺寸误差控制在 ±0.1mm 以内，稍有偏差，后续加工就会 “失之毫厘，谬以千里”。切割完成后，还要对基材边缘进行打磨，去除毛刺，防止这些 “小刺头” 在后续工序中划伤其他部件或影响电气性能。钻孔工序就像为 PCB 打通 “任督二脉”，先进的数控钻孔机能够将孔径公差控制在 ±0.05mm 以内，确保孔位精准无误。沉铜和电镀工序则是赋予孔壁导电性并加厚铜层，这个过程中，电流密度、电镀时间等参数的精确控制，就像厨师把握烹饪火候一样关键，稍有不慎，铜层就可能出现不均匀、不牢固的情况。最后通过光刻技术进行线路图形转移，如今先进的光刻技术能够实现线宽 / 线距达到 3mil（0.0762mm）甚至更小，将设计图上的电路精准地 “复制” 到铜箔表面。在刚挠结合板的内层制作中，对于柔性层的处理需要特别注意，要避免在柔性层钻孔、蚀刻等过程中对其造成过度损伤，影响其柔韧性和电气性能。

层压工艺：层压工序可以看作是将多层 “原料” 融合成一体的魔法时刻。把制作好的内层芯板、半固化片和外层铜箔按顺序堆叠，放入层压机中。在 180 - 220℃的高温和 3 - 5MPa 的高压下，半固化片的树脂融化流动，填充各层之间的空隙，使它们紧密粘结。但如果温度、压力或时间控制不当，就可能出现层间粘结不牢、气泡或分层等问题，就像制作蛋糕时没掌握好火候和时间，导致蛋糕失败一样。在刚挠结合板的层压过程中，由于涉及刚性层和柔性层的结合，难度更大。需要精确控制层压参数，确保刚性层和柔性层能够牢固结合，同时要尽量减少因层压过程中热应力和机械应力导致的柔性层变形或损伤。在层压前，要对各层材料进行预压，确保它们紧密贴合，减少层间气泡的产生。在层压过程中，要实时监测温度、压力和时间等参数，根据实际情况进行调整，以保证层压质量。