什么是柔性PCB？它们是如何制造的？

柔性印刷电路板（PCB）是一种日益普及的电子互连技术。这种连接电路组件的方法，可提供更多设计选项和更高的稳健性。柔性PCB也被称为柔性电子、柔性电路板、柔性印刷电路（FPC）或柔性电路，其电路传导路径构建在柔性塑料基板上（通常由聚酰亚胺、PEEK或聚酯制成），而器件被焊接到裸露的铜焊盘上。

柔性PCB可以具有单层、双层或多层导电铜层。由于基板是柔性的，因此其在封装方面比刚性PCB更具优势。

2023年，所有类型PCB的市场收入为730亿美元，而柔性PCB市场收入增长到了218亿美元，占比为30%。柔性电路支持与刚性电路板相同的电子组件，而且与刚性电路板（该技术目前更受欢迎）一样，柔性电路板的设计由电子装配体的制造流程、材料和封装决定。

二者区别在于基板的可弯曲性。设计人员必须了解这些因素，以避免相关挑战，并充分利用这种（名副其实的）灵活的电路设计方法。

柔性PCB由用于导电、绝缘或键合的材料层构成。根据导电层的数量，FPC可以分为单层、双层或多层类型。

除了这些层之外，柔性PCB的其他重要特征包括去除绝缘材料的外盖层，以裸露出用于在各层之间导电的焊盘和镀铜孔（被称为过孔）。

单层结构由柔性介电基板、粘合剂层、导电层、另一个粘合剂层和柔性介电盖层组成。

双层结构则在介电基板的两侧均采用粘合剂、导体以及粘合剂和电介质的层堆叠，而且还添加了用作过孔的镀通孔，以连接导电层。

多层结构则根据需要将这种层压结构堆叠为多层，过孔可以是通孔或盲孔。

此外，柔性PCB还可以通过在刚性PCB内部嵌入层来连接到刚性PCB。这种配置被称为刚柔结合PCB，它通常是一种取两者之长的方法，或者可以利用柔性电路而不是导线或线束来连接多个刚性PCB。

柔性PCB的优势还使其非常适合采用高密度互连（HDI）的设计。HDI使工程师能够创建具有更紧凑电路、更薄的层和微型过孔的刚柔结合PCB，同时在PCB设计中具有柔性部分。

HDI凭借更小的外形尺寸，成为了具有复杂或紧凑封装需求的应用的理想选择。紧凑封装不仅使柔性PCB成为了提供更多设计选项的首选，而且通常其也是将HDI连接到其他组件的唯一方法。

反之，如果芯片或精密传感器等器件需要刚性电路板时，这些器件可以放置在连接到FPC的HDI上。

以下简要介绍了用于创建柔性PCB层堆叠的组件。

柔性介质层

这是柔性PCB的基础材料。它定义了装配体的特征物理属性，尤其是最终结构的形状和刚度。基板通常由聚酰亚胺（PI）制成，因为其具有柔性、耐化学侵蚀性和有利的热属性。 

另一种常用的材料是聚酯（PET），但在需要特殊属性时也可以使用其他介电聚合物。该层的厚度通常介于12 μm到125 μm之间。这个层越厚，结构的刚性就越大。在导电层上方，基板用作芯层和绝缘层，就像刚性PCB中的阻焊剂。

键合粘合剂层

因为导电层不会直接键合到底层，因此层压结构会使用粘合剂层。设计人员应关注粘合剂材料的键合强度和最高温度，因为这些值会限制机械和热载荷。

导电层

层压堆叠的导电层通常由铜制成，也可以在必要时使用其他导电金属。在大多数应用中，铜层由键合到基板上的箔片创建而成，然后被蚀刻以创建所需的电路。金属箔片也可以具有多种厚度。铜箔通常经过轧制，以生产锻造铜箔或电沉积物。另外，还可以使用导电油墨打印走线。

镀铜

当设计需要实现层间连接时，可在层压板上钻孔，并镀铜以形成过孔。。

表面处理（Surface Finish）

高导电金属（如铜）的一个缺点是，它们容易氧化。为了解决这个问题，会在铜表面涂覆一层薄薄的材料，作为表面处理。这些材料还有助于焊接键合。最常见的表面处理材料类型，包括无电镀镍/浸金（ENIG）、有机保焊剂（OSP）、浸银、浸锡和金。

加强筋（Stiffener）

有时，柔性PCB的某个区域需要机械刚度。加强筋可以是一块FR4（制作刚性PCB的材料），也可以是一层更厚的聚酰亚胺。FR4加强筋的常见应用是支撑刚性连接器或在焊接到电路的大型组件下方停止弯曲，以减小焊点上的应力。

使用柔性PCB具有许多优势。基板的机械和热属性为设计和性能提供了多种可能性。其大多数优势得益于电路板材料的柔性，以及通过激光切割轻松创建复杂形状的能力。与刚性PCB中使用的材料相比，基板材料通常还具有更好的热属性。最显著的优势如下所示。

高效利用空间

柔性PCB更薄，易于切割成复杂的形状，并且可以弯曲，以适应其所在设备内部的形状。此外，特别是在刚柔结合电路中，器件可以放置在不同的方向上，并且仍然保持连接。

在恶劣环境中具有稳健性

柔性设计中使用的聚合物材料对刺激性化学品具有耐腐蚀性。与刚性PCB相比，其还可以承受高温，并具有更好的散热能力。

提高耐久性

如果设计得当，柔性电路可以承受大量弯折次数，而不会导致导电电路失效。

抗冲击和振动

对于使用柔性PCB的电子装配体，由于刚度和质量较低，进入和通过该装配体传输的能量就更少。这种材料还可以承受冲击和振动引起的巨大应变。

减轻重量

在以重量为关键考量因素的应用中，柔性PCB可提供比刚性电路板更轻的电子电路。

简化装配体

当使用柔性PCB取代传统的导线或线束时，可大幅降低装配成本。此外，柔性PCB不需要用螺钉或夹具固定，可以通过粘合剂固定，或者直接悬浮在外壳内部。

乍看起来，使用柔性或刚柔结合PCB的理由有很多，但标准刚性电路板仍然是电子电路的主要平台，这是因为许多应用无法从柔性基板中受益。以下列出了柔性PCB面临的一些最重大挑战。

成本

柔性PCB的材料和制造成本比广为应用的刚性PCB要更高。这些成本最终会随着柔性电路的普及而下降，然而，创建柔性材料层堆叠的难度和基础材料的价格，仍会导致成本较高。

器件下方的弯曲和走线弯曲

此外，柔性PCB的最大优势也可能成为其劣势。在刚性器件下弯曲材料，可能会对将器件连接到导电层的焊料造成显著应变。添加加强筋可以很好地解决这个问题，但这意味着会增加成本。

如果走线的布线未考虑应力集中，则使焊点产生应变的弯曲也会导致传导电路失效。合理使用电子可靠性仿真可以识别设计中的问题区域，并有助于优化PCB设计，以避免因过度弯曲而导致故障。

柔性PCB制造挑战

刚性PCB的构建和填充非常容易实现自动化。较薄的柔性电路更难保持在制造公差范围内，而要想实现器件的布局和焊接自动化将更加困难。

信号完整性问题

信号完整性是指电信号在电路中传输而不会发生性能劣化或失真的能力。柔性PCB中使用的薄材料会导致电路之间的电磁干扰（EMI）。此外，基板的弯曲可能导致信号反射的变化和阻抗不匹配。通过遵循良好的设计实践和由信号完整性仿真驱动的正确布线，可以解决这些挑战。

柔性PCB正在被广泛应用于各种领域——在这些应用中，柔性PCB的技术优势大于其高成本带来的劣势，而其优化的设计可以克服相关挑战。 

柔性PCB最常见的应用是消费类电子设备，在该类应用中，电路形状和尺寸需符合设备的形状，同时要保持尽可能小的尺寸。从计算器到手机，设计人员通过明智地使用柔性电子设备，在性能和美观之间取得平衡。

利用能够适应紧凑封装的抗振动和耐热型柔性PCB取代昂贵的线束，使该技术成为了许多汽车应用的理想选择。对于汽车设计人员而言，其另一个优点是能够利用相互呈不同角度的连接器来连接不在同一平面上的组件。工业传感器的开发人员也可以充分利用这一优势，使用柔性PCB高效地连接器件，其能够承受由传感器监控的工业机械的热和振动影响。

医疗设备，尤其是可穿戴设备，也依赖于柔性PCB。这是满足可穿戴设备的重量和尺寸约束以及适应人体有机形状需求的理想方法。因此，随着医疗设备变得越来越小型化、功能越来越强大，企业将选择柔性或刚柔结合PCB。

电子行业中的多种趋势正在推动柔性PCB的普及。在不断推动以更小的封装实现更高性能的过程中，设计人员将不再使用扁平的刚性PCB，而只需将合适的电路轻松安装到设备内部。 

柔性技术的供应商正在研发能够提高性能的新材料。此外，随着制造商部署更好的制造工艺和更高的自动化程度，应用的普及还将降低价格并加速生产。更多的供应商将提供柔性PCB制造服务，产品制造商也将提高把柔性PCB装配到设备中的能力。

柔性显示器以及尺寸越来越小的工业和消费类电子产品的需求增长，是推动柔性PCB更广泛应用的一项因素，因为该技术需要使用柔性电路。同样地，随着对更薄且更强大计算机和移动设备的需求不断增加，该趋势也将持续推动柔性PCB技术的发展。最后，汽车的电气化也需要更柔性的电路来适应更紧凑和严苛的环境。

实现这些发展，将需要负责开发柔性和刚柔结合PCB封装的工程师在通常相互冲突的特性中取得平衡。部署Ansys仿真工具套件，以探索各种设计选项并推动实现最佳设计。一部分支持柔性PCB设计的最常用的Ansys工具包括： 

• Ansys Maxwell®：低频电磁仿真的黄金标准。PCB设计人员和消费类电子工程师使用Maxwell软件来解决电磁感应的机械振动和电感耦合的EMI/EMC等问题。
• Ansys HFSS™：高频电磁仿真的黄金标准，工程师使用HFSS软件开发基于柔性PCB的具有成本效益、高性能的电路布局和天线。 
• Ansys SIwave™：SIwave软件专门用于PCB电磁仿真，为用户提供了快速而强大的几何结构导入和信号完整性（SI）、电源完整性（PI）、电磁干扰（EMI）、阻抗和串扰建模方法。  
• Ansys Icepak®：PCB热仿真和散热设计的行业标准，其专为PCB仿真构建的用户界面中包含了业界领先的多物理场求解器。 
• Ansys Sherlock™：Sherlock让您可以导入各种柔性PCB文件格式，并提供多个可用选项对材料、几何结构、部件信息等文件进行前处理。常见的场景是将编辑过的柔性PCB文件从Sherlock软件导出到Ansys Mechanical™软件中，以进行深入的热机械分析。
• Ansys Mechanical：该软件与Sherlock工具结合使用，提供了可靠的解决方案，可用于分析柔性PCB的可靠性和热机械方面。

众多最具挑战性的柔性PCB设计都采用了Ansys仿真，其原因在于：这些工具易于使用，协同高效，并能提供更具实用价值的信息。访问本文中的链接或联系我们，说明您的需求和挑战，我们的工程师将帮助您找到合适的解决方案。

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