如何优化PCB设计中Rigid-flex软硬结合板的应用

PCB 设计正朝着轻薄小与高密度集成方向发展，刚柔结合板（Rigid-Flex PCB）作为 FPC 与传统硬板（PCB）的创新组合，通过层压工艺整合柔性与刚性区域，在节省空间、提升性能方面展现独特优势。其三维立体结构广泛应用于可穿戴设备、折叠屏及汽车电子等领域，满足小型化、高可靠性的需求。

一、柔性板基材（Base Material）

1. FCCL（柔性覆铜板）

核心材料：聚酰亚胺（PI）或聚酯（PET）薄膜 + 铜箔（电解铜箔 / 压延铜箔）。

分类：

有胶 FCCL：通过胶粘剂（如环氧树脂）将铜箔与基材粘合，成本较低，但厚度和柔软性受限。

无胶 FCCL：铜箔直接与基材化学结合，厚度更薄（如 12.5μm）、柔韧性更高，适合高密度设计（如折叠屏）。

2. 常用基材类型

聚酰亚胺（PI）

优点：耐高温（长期 260°C，短期 400°C）、抗撕裂性强、电气绝缘性优异、尺寸稳定性高（吸湿率 0.2-0.4%）。

缺点：成本较高（占 FCCL 成本的 30-40%），需注意吸湿后的尺寸膨胀。

应用：手机主板、汽车电子、航空航天（如 Kapton® HN 系列）。

聚酯（PET）

优点：成本低（仅为 PI 的 1/3-1/5）、柔韧性好、耐水性佳。

缺点：耐高温性差（熔点 250°C，短期耐温 150°C）、受热易收缩（收缩率 1-2%）。

应用：消费电子（如薄膜开关）、低成本传感器。

二、覆盖膜（Coverlay）

作用：保护电路、绝缘、增强机械强度。

材料选择：

PI 覆盖膜：与基材 PI 匹配，耐高温、抗腐蚀，适合长期可靠性要求高的场景。

环氧树脂（FR4）覆盖膜：成本低，但柔韧性和耐高温性较差，多用于硬板区域。

丙烯酸胶粘剂：透明性好，适合显示模组（如 OLED 屏连接）。

2. 材料分类与特性

材料类型	厚度范围	典型应用场景	优缺点
PI 覆盖膜	12.7-127μm (1/2-5mil)	高温、高可靠性场景（如汽车电子）	耐高温（260°C）、耐化学性强，但成本高（约为环氧树脂的 3-5 倍）。
环氧树脂膜	25-50μm	硬板区域或低成本产品（如薄膜开关）	成本低，但柔韧性差，长期耐温≤150°C。
丙烯酸胶膜	10-25μm	透明显示模组（如 OLED 屏连接）	光学透明性好，但耐候性较弱，易黄变。

3. 胶粘剂选择

热固性胶粘剂（如环氧树脂）：耐高温、粘结力强，适合回流焊工艺。

热塑性胶粘剂（如聚酯）：柔韧性好，但耐温性差（<120°C），多用于临时保护。

二、导电层（Conductive Layer）

1. 铜箔类型对比

类型	晶体结构	表面粗糙度	粘结力	典型厚度	应用场景
压延铜（RA 铜）	平滑致密	≤1.5μm	较弱	9-35μm	高频电路、高可靠性产品（如 5G 天线）
电解铜（ED 铜）	粗糙多孔	≥3μm	较强	12-70μm	普通柔性电路（如 FPC 排线）

2. 替代材料

银溅射 / 喷镀：

工艺：通过真空溅射或丝网印刷形成银层。

特点：导电性优异（电导率≈铜的 95%），但成本高、耐腐蚀性差，多用于高频器件（如 RF 天线）。

三、辅助材料与加强板（Additional Material & Stiffeners）

1. 补强材料选择

材料	特性	应用场景
FR4	刚性强、成本低	焊接区域补强（如 BGA 焊盘）
PI 树脂板	耐高温、尺寸稳定	高温环境下的结构支撑（如汽车 ECU）
金属片（钢 / 铝）	高导热性、高强度	散热要求高的模块（如电池管理系统）
感压胶（PSA）	临时固定、可拆卸	测试治具或临时组装

2. 设计注意事项

厚度匹配：补强板厚度需与软板基材厚度梯度过渡，避免应力集中。

散热设计：金属补强需配合导热胶，防止局部过热导致材料失效。

四、低流胶半固化片（Low Flow PP）

1. 关键参数

型号	厚度（mil）	树脂含量	流动性	应用场景
106	2	65%	低流动	超薄软硬结合板（≤0.4mm）
1080	3.0-3.5	60%	中低流动	常规软硬结合板（0.5-0.8mm）
2116	5.6	55%	高流动	厚板层压或填充空隙

2. 工艺作用

控制层间粘结：通过低流动性减少溢胶，避免污染电路。

尺寸稳定：树脂固化后收缩率 < 1%，确保结合部平整。

刚柔结合板的结构形式

刚柔结合板是在柔性板上再粘一个或两个以上的刚性层，是的刚性层上的电路与柔性层上的电路通过金属化相互连通。每块刚柔结合板有一个或多个刚性区和一个柔性区。如下所示为简单的刚性与挠性板的结合，层数多于一层。

另外，一块挠性板与几块刚性板的结合，几块挠性板与几块刚性板的结合，采用钻孔，镀覆孔，层压工艺方法实现电气互连。根据设计需要，使得设计构思更加适合器件的安装和调试以及焊接作业。确保更好地发挥刚柔结合板的优点与灵活性。这种情况比较复杂，导线层多于两层。如下所示：

层压是将铜箔，P片，内存挠性线路，外层刚性线路压合成多层板。刚挠结合板的层压与只有软板的层压或刚性板的层压有所不同。纪要考虑挠性板在层压过程中的形变又要考虑刚性板的表面平整性。因此，除材料选择之外，在设计的过程中需要考虑到刚性板的厚度合适，为保证刚挠部分的涨缩率一致不会出现翘曲。实验证明0．8~ 1．0mm厚度较为适宜。同时，要注意刚性板和柔性板离开结合部位的一定距离放置过孔，以便不会对刚挠结合部分产生影响。

一、软硬结合板基础结构分类

刚柔结合板通过刚性层与柔性层的层压组合实现功能集成，常见结构形式如下：

类型	结构描述	典型应用
单面刚柔结合	柔性层单侧压合刚性层（如 FCCL + FR4），通过金属化孔连接。	简单传感器、医疗设备
双面刚柔结合	柔性层两侧均压合刚性层，形成对称结构，适合双面焊接。	手机主板、平板电脑
多层刚柔结合	柔性层与多个刚性层交替层压（如 FR4/PI/FR4），支持复杂电路。	汽车 ECU、航空电子

二、复杂结构组合方式

多挠性板 + 多刚性板组合

结构示例：2 挠性层 + 3 刚性层（如 FCCL/FR4/FCCL/FR4）。

工艺难点：需分步层压，控制各层收缩率差异，避免分层。

应用场景：高密度封装（如服务器背板）。

三维立体结构

技术：通过预折叠柔性层后再层压刚性层，形成 L 型、U 型等立体形态。

典型案例：折叠屏手机的铰链连接结构。

三、层压工艺与结构设计

层压顺序选择

先柔后刚：先压合柔性层，再叠加刚性层。

优点：柔性层定位精准，适合超薄结构。‘

先刚后柔：先压合刚性层，再层压柔性层。

优点：刚性层提供支撑，减少褶皱风险。

关键材料匹配

膨胀系数（CTE）：刚性层（FR4 的 CTE≈18ppm/°C）与柔性层（PI 的 CTE≈30ppm/°C）需通过低流胶 PP 缓冲应力。

半固化片（PP）：选择 106/1080 型低流动性 PP，减少溢胶污染柔性电路。

四、结构设计要点

刚性区域布局

优先将 BGA、连接器等重器件放置在刚性层，便于焊接和支撑。

刚性层厚度建议≥0.4mm，确保机械强度。

柔性区域过渡设计

阶梯式过渡：刚性层边缘削薄（如斜边处理），减少应力集中。

圆角设计：柔性区转角处采用 R≥0.5mm 的圆弧，避免折痕断裂。

补强板应用

在柔性层与刚性层结合处增加 PI 或 FR4 补强，防止层间剥离。

金属补强需预留膨胀空间，避免热应力导致开裂。

五、典型结构示例与技术参数

结构类型	层数	最小线宽 / 线距	最小钻孔孔径	应用领域
单面刚柔结合	2 层	75μm/75μm	0.2mm	消费电子（如耳机）
双面刚柔结合	4 层	50μm/50μm	0.15mm	智能手机主板
多层刚柔结合	6 层	35μm/35μm	0.1mm	汽车 ADAS 系统
三维立体结构	8 层	25μm/25μm	0.075mm	折叠屏设备、可穿戴医疗设备

刚柔结合板（Rigid-Flex PCB）生产流程与典型案例解析

一、生产流程总览

刚柔结合板整合 FPC 与 PCB 工艺，需同步控制柔性层与刚性层的制造精度，核心流程如下：

设计与CAM处理 → FPC制造 → 刚性板制造 → 层压结合 → 钻孔与金属化 → 表面处理 → 测试与终检

二、关键工艺步骤详解

1. 设计与 CAM 处理

输入文件：Gerber 文件（含刚性层、柔性层、层压区域）、IPC-2581 格式数据。

工艺规划：

柔性层：划分 PI 基材区域（如 25μm 厚），标注 IVH（层间导通孔）位置。

刚性层：确定 HDI 结构（如 0.5mm BGA 间距），规划激光盲孔（φ0.1mm）。

层压控制：计算 PP 厚度（如 106 型 2mil），确保整板厚度 0.295±0.052mm。

2. FPC 制造（以 25μm PI 基材为例）

步骤：

PI 钻孔：CO2 激光钻 IVH 孔（φ0.075mm），定位精度 ±5μm。

化学镀铜：沉积 1-2μm 铜层，确保孔壁均匀。

图形转移：干膜曝光显影，形成 3/3mil（76μm/76μm）线路。

蚀刻与退膜：酸性蚀刻液（FeCl₃）控制线宽精度 ±10%。

覆盖膜压合：PI 覆盖膜 + 热固胶，180℃固化 1 小时。

3. 刚性板制造（FR4 基材）

步骤：

激光盲孔：UV 激光钻 φ0.1mm 孔，深度控制在 1/3 板厚。

黑化处理：增加铜面粗糙度（Ra≥2.5μm），提升层间结合力。

内层图形：干膜曝光形成 3/3mil 线路，蚀刻精度 ±5%。

层压：预叠合 + 真空压合（180℃/30min），使用 1080 型 PP。

4. 层压结合（以 1+2F+1 结构为例）

工艺：

预对位：Fiducial Mark 视觉对准，精度 ±10μm。

真空层压：

温度：180℃（PI 软化点以下）

压力：3-5MPa（避免柔性层褶皱）

时间：45min（确保 PP 完全固化）

冷却定型：梯度降温（5℃/min），减少内应力。

5. 钻孔与金属化

步骤：

机械钻孔：φ0.2mm 通孔（刚性层），采用 0.1mm 微钻（柔性层）。

PTH（化学沉铜）：

活化处理：胶体钯催化，确保铜层附着力≥1.5N/cm。

全板电镀：电流密度 2-3A/dm²，沉积 25-35μm 铜层。

图形电镀：选择性加厚孔铜至≥30μm，满足 BGA 焊盘要求。

6. 表面处理

刚性区域：ENIG（化学镍金），金厚 0.05-0.1μm。

柔性区域：OSP（有机保焊剂），厚度≤0.5μm，确保可挠性。

三、典型案例：Motorola 1+2F+1 Mobile Display

1. 设计参数

2. 技术难点与解决方案

层间对准精度：

问题：柔性层易拉伸变形，导致孔位偏移。

方案：使用无胶 FCCL（如 DuPont Pyralux®），层压前预烘烤 PI 基材（120℃/2h）消除内应力。

超薄板厚度控制：

问题：0.295mm 厚度需避免 PP 溢胶。

方案：采用真空层压机，压力分段控制（先 2MPa 预压，再 5MPa 保压）。

BGA 焊盘可靠性：

问题：0.5mm 间距易短路。

方案：使用负性干膜（如 Dupont Riston®），曝光能量优化至 120-150mJ/cm²，确保线宽一致性。

刚柔结合板（Rigid-Flex PCB）设计规则与注意事项

一、过孔位置设计

1. 核心规则

动态弯折区域：避免在柔性区布置过孔，尤其是 BGA 焊盘密集区或高频信号线区域。

安全距离：

普通应用：过孔距刚柔结合区边缘 ≥50mil（1.27mm）。

高可靠性场景（如汽车电子）：≥70mil（1.78mm）。

加工极限：部分厂商可接受 ≥30mil（0.76mm），但需提前确认。

2. 加强区域处理

允许在补强板（如 FR4）覆盖的柔性区打孔，但需距补强板边缘 ≥20mil（0.5mm）。

示例：在 BGA 焊盘下方的柔性区添加 PI 补强，过孔位于补强中心区域。

二、焊盘与过孔设计

1. 尺寸与形状优化

焊盘直径：在满足电气连接的前提下尽可能大（如 BGA 焊盘直径 ≥0.3mm）。

过渡设计：

焊盘与导线连接处采用 45° 斜边或 R≥0.1mm 的圆弧，避免直角应力集中。

添加盘趾（Pad Teardrop），宽度 ≥0.1mm，增强机械强度。

2. 工艺增强

助焊层露铜圈：直径 ≥焊盘直径 + 2mil（0.05mm），便于焊接。

过孔泪滴：在过孔与导线连接处添加泪滴（长度 ≥0.2mm），防止孔裂。

三、走线设计

1. 层间布局

避免层间重叠：同一位置的上下层走线需错开至少 10mil（0.25mm），防止弯折时应力集中。

交叉排列：相邻层走线方向垂直（如顶层水平、底层垂直），减少层间剪切力。

2. 路径优化

圆弧走线：柔性区采用 R≥0.5mm 的圆弧，避免锐角（硬板区可保留直角）。

线宽渐变：粗细线过渡处使用泪滴形弧线（渐变长度 ≥3 倍线宽差），防止阻抗突变。

四、铺铜设计

1. 结构选择

网状铜皮：适用于高频信号或需要高挠性的场景，网格间距 ≥0.5mm。

实心铜皮：用于屏蔽或散热，但需在弯折区预留切割槽（宽度 ≥0.2mm）。

2. 优化建议

非功能区域（如边框）尽量填充实心铜，增强整体刚性。

铜皮边缘倒圆角（R≥0.3mm），减少毛刺引发的短路风险。

五、钻孔与铜皮间距

1. 孔铜距（Drill to Copper）

最低标准：≥10mil（0.25mm），确保电镀时孔壁与铜皮无间隙。

高可靠性场景：≥15mil（0.38mm），避免湿热环境下的电迁移。

2. 孔到柔性区边缘（Hole to Flex）

推荐值：≥50mil（1.27mm），防止钻孔应力导致柔性层分层。

六、刚柔结合区设计

1. 层栈布局

柔性层位于层栈中间，刚性层对称分布（如 1+2F+1 结构），减少弯曲时的扭矩。

2. 走线规则

方向垂直：导线方向与弯折方向垂直（如横向走线对应纵向弯折）。

均匀分布：弯曲区导线间距 ≥0.2mm，避免局部密集导致断裂。

最大线宽：信号线宽 ≥0.1mm，电源线宽 ≥0.3mm。

3. 过孔限制

禁止在结合区使用 PTH（金属化通孔），优先采用激光盲孔（如 IVH）。

七、弯折半径设计

1. 计算公式

最小弯折半径（R）= 线宽（W） × 板厚（T）

单面板：R ≥6T（T=0.1mm 时，R≥0.6mm）。

双面板：R ≥12T（T=0.15mm 时，R≥1.8mm）。

多层板：R ≥24T（T=0.2mm 时，R≥4.8mm）。

2. 特殊要求

折叠屏等高频弯折场景：R ≥3mm，配合 UTG 玻璃增强耐折性。

测试标准：通过 10 万次循环弯折测试（IPC-TM-650 2.4.22F）。

八、设计参考标准与加工能力

九、设计验证与可靠性测试

仿真分析：

使用 ANSYS 或 ABAQUS 进行热应力与机械弯曲仿真，优化层栈结构。

物理测试：

冷热冲击：-40℃~125℃，500 循环（IPC-TM-650 2.6.7）。

剥离强度：≥1.5N/cm（IPC-TM-650 2.4.8）。

DFMEA：

重点分析刚柔结合区、BGA 焊盘及过孔密集区域的失效风险。