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博客作者：Tara Dunn
柔性和剛柔結合電路通常是 PCB 設計師在需要節省空間、減輕重量或消除笨重連接器時的首選。它們推動了微型電子設備的蓬勃發展，從醫療可穿戴設備和無人機系統到堅固的航空航天應用。但隨著應用需求不斷提高，即使是設計最優的柔性電路也開始面臨壓力。
在許多情況下，問題并非源于布線或信號流，而是 EMI（電磁干擾）、局部熱量積聚以及使用過程中產生的機械應力，這些往往決定了設計是“能工作”還是能在實際環境中可靠運行。
今天，我們將探討三種能顯著提升柔性和剛柔結合電路設計的強大工具：EMI 屏蔽、散熱管理和機械加強筋。每一種都會增加一定復雜性，但如果合理使用，它們能在性能、耐用性和可靠性方面帶來顯著改善。
- 即使布線和信號流在紙面上看起來沒問題，柔性和剛柔結合電路仍面臨 EMI、熱量積聚和機械應力等現實挑戰。
- EMI 屏蔽（銅網、銀墨或屏蔽膜）可控制電磁輻射，但會增加厚度和剛性，因此必須合理布局、接地，并與制造商協同設計。
- 有效的熱管理依賴于堆疊規劃，以及散熱通孔、導熱界面材料（TIM）和帶鋁背的加強筋等工具，將熱量從密集元件區域導出。
- 機械加強筋（FR4、聚酰亞胺或金屬）是可靠性和可制造性的關鍵，能加強元件/連接器區域，改善組裝操作，同時避免影響彎曲區域。
屏蔽通常用于設計存在電磁輻射風險的情況，這在缺乏完整接地平面的柔性設計中可能發生。為設計的特定區域添加屏蔽有助于抑制這些區域的過度輻射。
柔性電路可采用多種屏蔽方法：
- 交叉網格銅層：可在柔性堆疊中作為屏蔽。網格開口越大，屏蔽效果越差，但柔性越好，反之亦然。
- 銀墨屏蔽：通過絲網印刷在表面，重量輕、柔性好，但導電性略低。
- 屏蔽膜：預制吸收材料，內含金屬顆粒并帶有粘性背膠，可直接貼在柔性電路表面，適用于空間受限的設計。
請注意，屏蔽并非解決輻射問題的唯一方法，最好先定位問題根源并嘗試解決。
用于仿真的網格平面圖像。
但屏蔽仍有優勢，選擇哪種方法取決于應用的電氣性能和機械要求。無論采用哪種技術，都必須確保屏蔽良好接地，并在設計中均勻集成。
同時要記住，屏蔽會增加厚度和剛性，限制彎曲范圍和半徑。因此最好將屏蔽應用在靠近元件的區域，因為焊點附近本就不能彎折。務必在早期建模這些影響，并與制造商緊密合作，避免在生產或組裝階段出現意外。
過去，熱性能只在電力電子中被關注，但現在情況不同。隨著元件密度增加、外殼縮小，即使低功耗柔性電路也可能面臨散熱問題，尤其是在剛柔結合板中，活躍元件集中在剛性部分，但熱量會擴散到整個元器件中。
設計師可采用多種工具實現有效散熱：
- 散熱通孔：幫助將熱量從關鍵元件傳導至內部銅層或外部散熱結構。
- 導熱界面材料（TIM）：將熱量從元件傳遞到散熱器或外殼。
- 帶鋁背的加強筋：不僅增加結構強度，還能作為被動散熱器。
柔性設計中的熱管理往往更棘手。聚酰亞胺和薄膠粘劑在熱穩定性方面表現良好，但導熱性差。即使能耐高溫，它們也無法有效散熱。
因此，正確的堆疊規劃至關重要。增加銅厚、調整元件位置或添加被動散熱片都能緩解熱點。務必在設計階段與制造商溝通熱要求，因為材料厚度和層壓工藝會影響散熱性能。
在柔性或剛柔結合電路中，最容易被忽視的改進就是加強筋，但它對性能影響顯著，尤其是在組裝和實際使用過程中。
加強筋用于機械強化需要支撐的區域，例如：
- 安裝元件的區域，如 BGA 或 QFN
- 插接 ZIF 連接器或壓入式接觸件的區域
- 經受貼片或回流工藝的區域
- 安裝或操作時應避免彎折的區域
常用加固材料包括：
- FR4：常見，機械性能與硬板兼容。
- 聚酰亞胺：重量輕，柔性更高，但仍能增加剛性。
- 金屬（鋁或不銹鋼）：強度高，還能輔助散熱。
加強筋的布局很重要。避免放在彎曲區域，并確保與阻焊層或覆蓋膜開口對齊（如果使用膠粘劑）。還可以在不同區域采用不同厚度的加強筋，以實現柔性與強度的最佳組合。
加強筋還能提升組裝工藝。例如，帶加固的柔性區域適合真空貼片，而未加固的區域在貼裝時會卷曲。
屏蔽、散熱管理和機械加強筋往往決定了設計能否在實際環境中可靠運行，而不僅僅是紙面達標。它們不是事后補救，而是確保長期性能和可靠性的設計要素。
在設計柔性或剛柔結合電路時，不妨多問自己幾個問題：
電路是否會經歷高電磁干擾或高邊沿速率？
外殼尺寸或元件重量是否帶來散熱問題？
是否易于制造并能長期穩定運行？
這些問題的答案將引導你采用上述一種或多種改進措施。
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