如何使您设计的PCB更利于制造并降低加工成本

第一部分 刚柔结合板

刚挠结合板并不是一种普通的电路板。将薄层状的挠性底层和刚性底层结合，再层压入一个单一组件中，这项工艺为我们带来了非同一般的挑战与机遇。当设计者开始设计第一块刚挠结合板印刷电路板（PCB）时，发现他们以前学到的大多数有关印刷电路板设计的知识都存在问题。他们设计的不再是两度空间的平面底层，而是三维立体的内部连线，可以弯曲折叠。我敢说，这将是一款性能更强的PCB。刚挠结合板的设计者利用单个组件替代由多个连接器、多条线缆和带状电缆连接成的复合印刷电路板，性能更强，稳定性也越高。他们将设计的范围限制在一个组件内，像叠纸天鹅一样通过弯曲、折叠线路来优化可用空间。

常用术语从字面上看，“挠性电路”给人的感觉就像是多重布线的带状电缆的替代品。在挠性扁平基底之上是线路层，它们彼此头尾相接。在喷墨打印机的打印头和控制板之间，常可以看到这种连接方式。在有关挠性电路的术语中，这种持续性的挠性被称作“动态挠性”(dynamic flex )。在动态挠性的应用中，挠性电路往往（但又不限于）单面板，目的是为了取得最好的效果和最强的可靠性。在各个子系统之间的互联，比如将打印头连接至控制板时，最好使用挠性电路。

在挠性电路的使用周期中，必须以最少的挠曲进行弯曲、折叠、组装，就称为“挠性安装”(flex-to-install )。挠性安装的结构有多种多样，从单层到多层，全凭应用的需求而定。在生命周期内有限的挠曲有利于限制导体所受到的应力，也有利于做更多的层数。

在挠性安装过程中，若要求进行单面组件安装，那么应对的策略就是，将刚性材料定位并层压入挠性电路中，用以加固特定的区域。此类型的挠性电路设计被称作“刚化挠性板”(rigidized flex )。刚性材料（典型的是FR4）不包含导体，主要用于加固组件的基底或连接区域。刚挠结合板兼具挠性电路和刚性材料的优点，但成本较高；刚化挠性板可以作为刚挠结合板的替代品。刚性材料无需蚀刻或电镀，只需要钻孔和按线路添加，便可减少印刷电路板的处理时间。

在挠性安装过程中，若要求进行双面组件安装，或者您需要超薄的印刷电路板，那么选择刚挠结合板可能是唯一可行的解决办法。刚挠结合板兼具刚性层与挠性层，是一种多层印刷电路板。典型的（四层）刚挠结合印刷电路板有一个聚酰亚胺核，它的上下两面都有覆着铜箔。外部刚性层由单面的FR4 组成，它们被层压入挠性核的两面，组装成多层的PCB。刚挠结合板应用广泛，但是由于多种材料的混合使用和多重的制作步骤，刚挠结合板的加工时间更长，制作成本更高。在制作多层刚挠结合板时，挠性层的加工工艺又与外部 FR4 层截然不同。由不同材料制作的各个层面必须通过层压聚集在一起，然后再钻孔、电镀。因此，制作一个典型的四层刚挠结合印刷电路板的时间，可能比制作一个标准的四层刚性印刷电路板长5至7倍

刚挠结合板的应用

刚挠结合板在消费类电子产品中常常能见到，比如数码相机、可携式摄相机和MP3 播放器。它还可以用于高端的飞机挂载武器导航系统。根据本人的研究，刚挠结合板最常用于制造军用飞机和医疗设备。刚挠结合板为军用飞机的设计带来了巨大的益处，因为它在提高连接可靠度的同时还减轻了重量。当然，由整体体积变小带来的收益也不可忽视。植入型医疗设备——比如起搏器和耳蜗植入——也因为刚挠结合板在狭小空间内的弯曲、折叠能力、以及它那大幅提高的可靠性而获益非浅。您不妨想象一下，如果起搏器因为连接电池的电线脱落而无法工作，那会是怎么的一个情景。有了刚挠结合板之后，电池可以直接连接至电路层，而且可以安装在组件的任何位置。

刚挠结合板的应用实例

刚挠结合板应用领域的设计师将刚挠结合板作为首选，因为它是实现产品目标唯一的方法。他们可能先以刚性设计为原型，用以检验自己的设计理念，然后再使用刚挠结合板创制出新产品。明尼苏达州普利茅斯的福禄克公司(Fluke Electronics)完成的项目便是很好的实例。。技术总监杰弗·魏斯泰德(Jeff Wisted)授命重新设计军用红外线显像技术。

红外系统将被安装在微型飞行器或无人的驾驶飞机上，要求该系统能覆盖一台5立方英寸、载荷不超过3盎司的手持型数码相机的监控范围。即在保持原有功能和可靠性水平的同时，减少50%的空间和减轻95%的重量。

其中最大的挑战是如何将总重量从3磅减少至3盎司以下。唯一的解决方案就是，撤下由多个连接器连接的刚性PCB组件，转用刚挠结合板。在设计过程的早期我就见到了杰弗，虽然这是他首次使用刚挠结合板，但每一步都做对了。在制作过程中，他将PCB设计项目外包给一位经验十足的刚挠结合板应用设计师，而且一早就让PCB制造商也参与进来。

权威人士认为:“刚挠结合板的成本尽管比传统刚性板昂贵，但是它为该项目提供了理想的解决方案。我们利用的是挠性基底的相互连接，而不是多个PCB的连接设备，这就是减少占用空间和降低重量的关键，这正是我们所需要的。”

由于刚挠结合板具有可弯曲、可折叠的特点，因此可以用于制作的定制电路，最大化地利用室内的可用空间。杰弗利用这一点，降低了整个系统所占用的空间。由于此设计并不会大量生产，因此尽管生产成本较高，但相比之下收益仍高于成本。

设计考虑在设计刚挠结合板时，必须考虑制造过程的特点以及使用的多种材料。设计者不能简单地创建四层刚性PCB上所使用的典型线路类型，然后期望获得与刚挠结合板同样的效果。由于聚酰亚胺的空间稳定性比 FR4 要差3倍以上。一旦铜蚀刻掉，挠性材料就会大幅皱缩。大多数制造商都了解该材料的这种特性，都准确地估计到这样的情况，因此当PCB进入机械加工过程时（钻孔和按线路添加），他们尽可能使电路板接近尺寸公差。如果设计者不考虑可能出现的制造问题，那么很可能要到最后一刻才意识到，必须更新设计才能适应制造商的特殊加工过程。要达到最理想的结果，就要考虑通过在挠性层上尽可能扩大电镀过孔的最小环孔，并且确保所有的线到焊盘和线到线(trace-to-trace)结点添加泪滴。如果要使用挠性内层连接刚性电路的各个区域，就必须仔细考虑在制造过程中如何支撑浮动的板内刚性区域，因为刚性层的区域将要被移除以露出下面的挠性层。但是，移除太多的刚性材料可能使板变得脆弱。图2是一个多层的刚挠结合板，在刚性层上开有“窗口”。

我们通常对挠性层进行冲切，因为冲切更适合于薄的聚酰亚胺。挠性层上的区域也有可能被移除，从而在最终的布线中减少与布线点的接触（参看图3）。在设计工具中，必须将这些“无层”区域考虑进去，另外在设计中可能需要放置无布线和/或无组件区域，防止一些组件或线路悬挂在刚性区域的边缘。

设计建议由于挠性电路可弯曲、可折叠，避免创建不良的线路，因为不良的线路会增加导体受压裂开的可能性。以下是减少折弯区域导体受压的几条建议：

通过折弯区域向弯曲轴垂直布线

保持线路倒角、宽度改变和过孔取道在折弯区域之外

采用网格形铺铜而不是实心铺铜

交叉相邻层的并排布线，“I-Beaming”（参看图4）

围绕挠性电路的设计还很多类似的建议，恕不在此一一列举。请查看推荐阅读书目中的公开出版物，那里有更多的细节和设计要点。

结论一些制造商的意见，他们中的大多数人都建议客户放弃刚挠结合板而转用刚化挠性板，因为前者使PCB的制作成本增加，满足不了顾客的价格要求。要实现高量产的刚挠结合板，最关键的步骤之一是让制造商尽早参与生产。

同时，我们认为：“导致刚挠结合板成本上升的三个主要因素是原材料、板的利用以及产量。如果我们能够在项目开始时就与设计师进行合作，我们就可以帮助他们实现低成本的设计和避免一些代价高昂的错误。”

在选择挠性板和/或刚挠结合板的供应商时，看一看他们在这方面的主要项目数量。对于他们的平均技术水平要有一个精确的了解，从而确定他们的大多数板处于哪个技术层次。你设计的板应该处于他们加工能力的中游而不是高端，这一点对于刚挠结合板的选择特别适用。

一个理想的刚挠结合板设计评估小组应由机械与电子工程师、PCB设计师和PCB加工工程师组成。机械工程师了解系统组件中的机械限制。小组中的PCB工艺工程师能够调查改变弯度和添加加固材料等，最大化拼板的实际数量和生产成本的最小化。请切记，每个PCB的成本与板上的图像数成反比。如果一个刚挠印刷电路结合板看起来像一个多腿蜘蛛并且不能很好地嵌在板上，那么每个组件的成本就会大幅增加。如果决定要用刚挠结合板制作PCB，那么设计人员就应该在思维上更灵活以提升量产和减少投资。

第二部分 刚性板

分别从“线”“孔”“面”几个大的方面来看，以下参数应该特别注意：

线

线路成品铜厚控制在0.07mm以内

线宽/线距控制在0.10/0.10mm以上

线到焊盘距离控制在0.10mm以上

线宽/线距公差控制在+/-20%

SMT 焊盘宽度控制在0.50mm以上，间距控制在0.20mm 以上

BGA焊盘直径控制在0.30mm以上

孔

成品孔径控制在0.30mm以上

内层孔边到线距离控制在0.20mm以上

孔壁最小铜厚控制在0.02mm以内

成品孔径公差：PTH:+/-0.08mm, NPTH:+/-0.05mm

成品孔位置精度控制在+/-0.08mm以上

每平米板面积的总孔数控制在50000个以内

板厚与最小成品孔径的比值控制在8:1以内

面

各层表面底铜控制在0.035mm以内

表面铺铜应尽量均匀，不要有间距大于1mm的无铜区

工艺边须铺铜,且工艺边须设计工具孔和光学点

不要有间距小于0.13mm的删格设计

导体距板边距离：外层大于0.25mm,内层大于0.38mm

层对位精度控制在0.08mm以上

其他

层压结构设计，各层铜厚要对称

单元尺寸小于60x60mm的，一定要设计拼版，加工艺边

BGA过孔一定要设计为两面塞孔，为需测试的位置单独牵引测试焊盘

阻焊设计，尽量不要有一面开窗，一面塞孔的设计

白字线宽一定要大于0.13mm

表面处理工艺优选喷锡、OSP、沉金

成品板厚宜在0.8~1.6mm之间