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適應不同產品構型的電路板設計 彈性搭配軟板、印刷電路板

發布時間 :2018-06-07 17:37 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCBA加工部
FPC的可撓曲特性,可用于連接不同電路的彈性設計。
FPC的可撓曲特性,可用于連接不同電路的彈性設計。
 
3C產品尺寸越做越薄,可用的內部結構空間有限,在電路板的設計方面必須朝向3D化的結構發展,利用軟板、印刷電路板的彈性搭配,設計可適應不同產品構型的電路板設計,同時利用軟板的優勢達到電路設計的最佳化狀態...
 
現今電子產品設計,PCB(Printed Circuit Board)的演化,呼應終端產品越變越小的趨勢,已朝向多層化、高密度化的方向發展,而硬式結構的載板變得再小,仍無法因應多元的產品構型設計方案,此時,搭配軟式電路板FPC(Flexible Print Circuit)進行整體設計,針對產品構型做最佳化彈性設計,已成為現在消費性電子產品重要的設計模式。
 
FPC可設計的電路復雜度與密度,比PCB遜色,但可適應結構的彈性結構,成為電子產品設計重點。
FPC可設計的電路復雜度與密度,比PCB遜色,但可適應結構的彈性結構,成為電子產品設計重點。
 
針對消費性電子產品的外型設計,FPC可以做任意形狀的適應性線路設計。
針對消費性電子產品的外型設計,FPC可以做任意形狀的適應性線路設計。
 
現今電子產品,大多以軟?硬板整合設計要求,達到適應各種產品ID設計的目標。
現今電子產品,大多以軟?硬板整合設計要求,達到適應各種產品ID設計的目標。
 
PBC與HDI等硬質載板因應不同構型的結構組裝需求,能做的彈性設計有限,必須搭配FPC軟板進行整合設計。
PBC與HDI等硬質載板因應不同構型的結構組裝需求,能做的彈性設計有限,必須搭配FPC軟板進行整合設計。
 
而要進行多重板材的設計方案時,首先要先理解不同板材的特性與目前發展趨勢,同時,板材與板材間的連接方式,使用連接器還是利用軟硬結合板,都有不同的產品特性與使用限制,這些都必須先確認評估后,再進行設計用料的選擇。
 
了解不同板材特性 整合產品設計
首先,在硬板方面,PCB印刷電路板可以說是目前最大量使用的載板型式,早期要構成電子回路,為利用導線在電子元件引腳上進行電路連接,若是一般布局簡單的類比電路,可能用導線進行線路連接還算可以應付,但若是針對多接腳IC就會讓線路變得過于復雜,而印刷電路板的設計型態,即為解決這種設計困境所衍生的開發方案。
 
PCB印刷電路板可將零件和零件之間的繁復電路銅線,經由完整的線路規劃運用蝕刻方式,在一塊載板進行銅箔蝕刻,形成電子電路,而PCB為提供電子零組件進行安裝、互相連接的主要基板,同時也有支撐、固定電子零件的效用,相較早期利用導線的架構方式可讓電子電路的穩定性更高、壽命更長,也可減少電路誤動作或短路問題,PCB的設計樣式已經成為不可或缺的基礎元件。
 
印刷電路板基本上是采用絕緣材料制成的平板,搭配預鉆孔位來進行晶片金屬引腳的安裝布設,而電子元件經由引腳伸入預鉆孔位再搭配焊接使元件與PCB載板進行結合。至于元件預設的預鉆孔,可作為元件定位使用,但預鉆孔的設計型態,大量產線制造時必須使用人工插件,造成制造成本較高、同時手工插件也容易造成制造錯誤,甚至也不易進行產品微縮設計。
 
PCB電路高密度化、多層設計 因應產品微縮設計趨勢
而印刷電路板因應縮小載板尺寸需求,也利用雙面、多層結構來進行電路密度的改良,尺寸可以呈現倍數縮小,而為了因應大量生產目的,電子零件逐步改成可自動送料、焊制的表面粘著制作流程,PCB原有的預鉆孔改成預留焊墊處理,讓生產中原有的插件程序減少至打件、上料即完成組裝,大幅增加元件排布密度。
 
電子產品的構型越來越多元,也令PCB的設計出現許多限制,因為PCB為硬質絕緣材料,有一定程度的塑型難度,尤其是因應彎曲、具角度的立體結構,基本上會形成大量重工與高復雜組裝,對于產品開發的成本會暴增許多,也不利產品的微縮設計,即便可利用排線、連接器進行多PCB的整合設計,但這也形成增加產制復雜度與提高不良率問題。
 
針對不同角度、非平整電路的PCB設計需求,也發展出FPC軟式電路板的可撓曲電路板材,與硬式的多層PCB結構不同,FPC的絕緣基材改用可撓式的絕緣塑料,利用絕緣塑料為基材、再于基材上附著導電線路,成為可撓式的電路型態,而PBC搭配FPC可以整合適應不同結構的電路設計需求,應用彈性也較僅有PCB的方案來得更好,而FPC也漸漸如PCB般,成為電子產品設計不可或缺的關鍵材料。
 
FPC軟性結構 可改善原有PCB設計限制
軟式印刷電路板與PCB同樣采行銅箔為導電線路設計,相較硬式PCB不同的是,其印刷電路為在可撓式的基材進行電路排布,由銅箔作為電子元件訊號傳輸媒介,由于FPC具可連續大量進行自動化生產、線路設計可提高配線密度、FPC材料重量輕、材料的厚度與體積相當小,也可減少配線錯誤的狀況發生,甚至可以適應不同的材料或結構外型做適應性設計,目前在數位相機、手機、筆記型電腦等電子產品相當常見。
 
檢視軟板的主要結構,主要由壓延銅箔、絕緣塑料基材(PET或PI)、接著劑(壓克力膠、環氧樹脂)等組成,外層的應用材料多稱為Coverlay,為使用PET或PI包覆保護內部壓延銅箔結構,避免銅箔受外部水氣影響,出現材料劣化或氧化問題。FPC生產的關鍵在于必須利用精密涂布程序搭配生產壓合銅箔結構體,生產過程的環境潔淨度要求高,而觀察其材料的成本結構,PI約佔總成本的5成,其馀為壓延銅箔35%,與制造成本約10%,少部分為人工必要的處理成本,可說FPC最大的成本在于PI材料。
 
較PCB發展至HDI的多層型態不同,FPC在制程與材料先天限制下,不容易發展多層結構設計,一般仍以3L(Layer)上下為主,多數作為部分如外部機械開關的連接軟板、攝影機模組的連接板材,大量使用FPC的效益不若HDI為高,大多數的狀況都是核心電路為由HDI多層板結構完成主元件的架構,其馀如周邊模組利用軟板進行整合。FPC的作用相當多,可以作為多PCB結構彼此間硬板的資料、電路傳輸中介,達到符合產品構型的彈性設計方案,而異質板材的連接方式,可以選用軟板排線搭配專用連接器,也可以選用如軟硬結合板設計,讓終端產品的厚度可以因為減省連接器的高度,而獲得更微縮終端產品尺寸的使用效益。
 
FPC應用優點多
而FPC軟板整合優點相當多,因為硬質PCB的產品設計,對于摔落或高G值撞擊應力,因為材料結構使然,會使得板材對于沖擊力的緩沖幾乎沒有,應力會直接對板材上的元件同時受到影響,對于發展需高耐沖擊的產品,全使用硬板將會使耐沖擊的效果減少。反之,使用軟板搭配,可以讓整體電路可依重點功能區隔模塊式整合,彼此搭配FPC連接,使終端產品的沖擊應力可以部分由軟板吸收,或是預留彈性設計。
 
但FPC軟板也不是樣樣都優于PCB,像是FPC發展多層結構設計時,就未能如PCB的進階型HDI(High Density Interconnection)高密度多層板般,可以發展出多層堆迭的設計方案,因為FPC本身的絕緣塑料基材搭配銅箔,基本上銅箔與軟性基材雖可彈性撓曲,但兩種材質的撓曲設計彈性仍有限制,過度撓曲仍會造成內部線路的斷路問題,而當FPC多層化發展,異質結構的板材內部更容易出現撓曲斷裂問題,也失去FPC的應用價值。
 
而FPC另一大罩門在耐溫表現,FPC使用的軟質塑料基材,大多具一定程度的耐熱極限,即便目前材料科技大幅改善耐熱表現,但實際上仍與硬板PCB或HDI有段差距,因此不能使用大量加熱的設計方案進行生產,即便是軟硬結合板的設計方案,都是預先在特定程序下進行,與一般大量生產的流程區隔。


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