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刚柔电路Rigid-Flex能够轻松地弯曲、折叠和扭曲。

折叠和扭曲也是特殊的弯曲。

如果弯曲半径很小,并且弯曲180度,就如同电路折叠在一起,谓之折叠;如果弯曲轴向并非垂直于基板边沿,多个弯曲组合在一起,电路如同扭曲一般,谓之扭曲。

下面的解释来自ChatGPT:

弯曲(Bending)是指在平面内使物体弯曲的形变。在杆件或梁上施加力使其发生弯曲时,通常会在杆件的顶部和底部出现压缩和拉伸区域,而在中心则会出现弯曲区域。

折叠(Folding)是指将物体沿着折痕或折线弯曲或叠叠起来。它通常涉及将物体的一个部分压在另一个部分上,使其沿着一个明显的线条弯曲,通常是沿着一个折痕线或者是沿着一个平面上的折线。

扭曲(Twisting)是指物体沿其长度轴线旋转,从而发生扭曲变形。当物体沿其长度轴线受到扭矩时,它会沿着它的轴线旋转,并且不同的区域会扭曲到不同的程度。如果扭曲太强,物体可能会折断或断裂。

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感觉如何? ChatGPT是不是解释的还比较到位!

01

Bending Parameters

弯 曲 参 数

首先,我们了解一下,定义弯曲需要哪些参数。

一般定义一个弯曲需要7个参数,我们逐一阐述。

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1. Bend line,弯曲轴线,定义了弯曲的位置和方位,由Start point (x,y)和End point (x,y)确定,两点确定一条直线。

2. Inner side,弯曲内侧,对于基板来说,分为顶层Top和底层Bottom,内侧为顶层则向上弯曲,内侧为底层则向下弯曲。

3. Radius,弯曲半径,这个需要着重注意的是以基板的那一层作为基准来测量半径,例如向上弯曲,顶层测量的为内径,底层测量的为外径。一般定义为inner side,即内径,但从笔者的实践经验来看,多数EDA软件实际遵循的并非内径或者外径,而是中心径,即以基板的截面的物理中心线Central line为基准进行测量。

4. Angle,弯曲角度,一般可从0到180度,但基于前文提到的空间不干涉原则,角度的范围其实会更小一些。

5. Order,弯曲顺序,因为是Multi-bending,因此需要定义弯曲的先后顺序。

6. Via keepout,过孔避让,弯曲的区域一般是禁止放置过孔,此外为了保险起见,可以设置在弯曲区域之外的额外空间也不放置过孔。

7. Component keepout,器件避让,弯曲的区域一般是禁止放置器件,此外为了保险起见,可以设置在弯曲区域之外的额外空间也不放置器件。

下图所示①② 为弯曲轴线,a为弯曲区域,由弯曲角度和半径确定,b为过孔避让区域,c为器件避让区。

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下图显示为弯曲后的3D视图,两个弯曲都是向上弯曲,弯曲轴线、方位和2D一致,2D视图实际是3D在平面上的投影。

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02

Bending Radius

弯 曲 半 径

前面我们提到,Radius弯曲半径,需要着重注意的是以基板的那一层作为基准来测量半径。

从笔者的实践经验来看,多数EDA软件虽然名义上定义为inner side,而实际却是Central line 中心半径,即以基板的截面的物理中心线为基准进行测量。

下面我们做一下分析。

如果以inner side为基准来测量内径,那么以哪一层作为内层呢?因为金属层之上还有Mask层,对于刚柔电路,这些Mask层种类很多,并且都有一定的厚度,因此内层实际上很难确定。

而选用Central line 中心半径则要稳定的多,因为大多数基板的板层都是对称的,表面层的变化并不太影响中心线的位置。

以下图为例,R1为内径,R2为外径,R为中心半径,T为弯曲所在区域的基板厚度,我们可以得出:R=R1+T/2。

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R1的最小极限为0,此时R=T/2,实际中,这种极限不太可能出现,因为在此之前材料已经永久变形或者损坏。R>T/2则是弯曲的最最基本的前提条件。

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实际情况中,R >>T/2,弯曲多呈现薄壁状态,R1≈ R2 ≈ R,如果在3D预览中发现弯曲非薄壁状态,则需要多加小心,确认参数是否有误,以及材料是否有永久变形和损坏的可能。

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03

Bending rules

弯 曲 规 则

Rigid-Flex能够轻松地弯曲、折叠和扭曲,并且通常都是Multi-bending(多弯曲)复杂的Multi-bending可以多达数十个弯曲,弯曲的半径、角度、方位、顺序等等都需要合理的设计。

无论弯曲如何复杂多变,有一个原则不可违背,电路的各个部分在空间不能出现干涉。此外,基板断裂和焊接开裂的问题,在弯曲的区域一般是禁止放置过孔和元器件的,我们称之为Via keepout(过孔避让)和Component keepout(器件避让),保险起见,这些区域通常需要在弯曲区域外扩一定的空间。

最后,我们再请ChatGPT给出弯曲设计规则:

在Rigid-Flex刚柔电路的弯曲设计中,需要遵循以下要求:

弯曲半径:在Rigid-Flex电路板的弯曲部分,需要考虑弯曲半径。一般情况下,弯曲半径不应小于电路板的厚度的5倍,以避免线路受到过度弯曲而导致断裂或损坏。

弯曲方向:电路板的弯曲方向应该尽量保持一致,以保证线路的连续性和信号的稳定性。如果需要改变弯曲方向,应该采用渐进式弯曲,即逐渐将线路弯曲到新的方向,避免直接转弯。

弯曲角度:电路板的弯曲角度应该尽量小,以避免线路受到过度拉伸和弯曲而导致损坏。一般来说,弯曲角度不应超过180度。

弯曲部分长度:Rigid-Flex电路板的弯曲部分长度应该尽量短,以避免线路受到过度弯曲和拉伸。在设计时应该尽量缩短弯曲部分的长度,避免过度弯曲。

弯曲区域与刚性部分过渡:在弯曲区域和刚性部分的过渡处,需要采用逐渐变细的方式过渡,以避免线路受到过度拉伸和弯曲而导致断裂或损坏。

弯曲区域与柔性部分过渡:在弯曲区域和柔性部分的过渡处,需要采用逐渐变宽的方式过渡,以避免线路受到过度弯曲和拉伸而导致损坏。

弯曲区域的覆铜:在Rigid-Flex电路板的弯曲区域,需要对覆铜进行特殊处理,以避免覆铜被过度弯曲而导致断裂或损坏。

总的来说,在Rigid-Flex刚柔电路的弯曲设计中,需要遵循上述规则,确保线路的连续性和信号的稳定性。同时,在具体设计中还需要考虑弯曲区域的实际情况,根据具体情况进行细化和具体化。

(文章来源:SiP与先进封装技术)

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