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柔性電路的彎折/彎曲特性探討

柔性可彎折是FPC（印刷電路板）的一個(gè)重要特性。實(shí)際應(yīng)用中不是所有電路板都是平面類型的，有些電路板為了滿足特殊產(chǎn)品應(yīng)用而需要一次彎折成形，而有些電路板則需要承受連續(xù)的彎折。同樣，并非所有電路材料都具有相同的特性，某些電路材料可具有比其他電路材料更高的機(jī)械彎曲性且能承受一定程度的彎折而不發(fā)生損害。了解電路材料能夠承受彎折的原因以及彎折時(shí)電路材料發(fā)生的變化有助于在這類實(shí)際應(yīng)用中選取合適的電路材料。

電路板通常是由不同材料組成的復(fù)合物，例如導(dǎo)電金屬和介電材料。每種材料都具有自己獨(dú)特的機(jī)械特性，而實(shí)際的疊層結(jié)構(gòu)取決于電路的種類以及電路的層數(shù)。由于多種不同F(xiàn)PC材料共同形成FPC電路，特別是對(duì)于多層FPC電路，預(yù)測(cè)彎折和彎曲對(duì)電路的影響將變得更加復(fù)雜。判斷電路材料彎折和彎曲性能的一個(gè)關(guān)鍵電路材料參數(shù)是材料的模量或者剛度，也就是說(shuō)組成FPC板材的部分復(fù)合材料成分是否比其他材料成分具有更大的剛度或更高的模量值。

例如，通常首選銅作為RF/微波FPC的金屬層，它將決定電路板的彎曲極限，因?yàn)樗哪Ａ恐翟诏B層材料中最高，達(dá)到17000 kpsi。與之相比，電路中介電材料的模量值遠(yuǎn)低于金屬層，如陶瓷填充的PTFE模量值為300 kpsi，玻璃纖維填充的PTFE模量值為175 kpsi。在典型微帶線電路中包括導(dǎo)電層、介質(zhì)層和接地層等，介質(zhì)層提供了最大的彎折特性，而頂部和底部的金屬層限制了復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎折和撓曲性能。

由于高頻電路板材是復(fù)合結(jié)構(gòu)，在最大剛度組成材料金屬層不受損壞的條件下，確定電路板材所能承受的最大彎折與彎曲程度需要考慮不同組成材料彎曲特性的差異?？梢詫PC看作是一個(gè)承受彎折的橫梁，橫梁的剛度將決定彎折半徑。橡膠橫梁比高模量的金屬橫梁更易彎折。在不損壞的前提下，橡膠橫梁可以承受更小的彎折半徑。同樣，F(xiàn)PC的彎折半徑取決于材料中的組成部分的剛度，以及決定彎曲的極限和電路板的最小彎折半徑的金屬層的剛度。

把FPC當(dāng)作橫梁結(jié)構(gòu)來(lái)看，當(dāng)FPC電路按某一彎折半徑彎折，此時(shí)FPC可看成某一假想圓的一部分，橫梁或FPC上不同部分將承受不同的應(yīng)力。彎折半徑的外側(cè)承受張力，內(nèi)側(cè)承受壓力。在張力區(qū)域和壓力區(qū)域之間，存在一個(gè)不受應(yīng)力作用的極薄的過(guò)渡區(qū)域或者中性軸。隨著中性軸到張力平面或者壓力平面距離的增加，應(yīng)力也將增加。在一個(gè)結(jié)構(gòu)平衡電路板中，中性軸將位于電路板的幾何中心。

張力和壓力對(duì)FPC材料的作用方式不同，張力將材料拉開，壓力將材料擠緊。對(duì)于具有微帶線電路的FPC，銅導(dǎo)體位于彎折半徑的外部，這意味著FPC中剛度最大或模量最大的材料將承受一定的張力，彎折半徑越小，彎折張力就越大。與此同時(shí)，底部接地平面會(huì)被壓縮且承受壓力。不管是張力還是壓力，力度過(guò)大都將導(dǎo)致微帶電路金屬層的損壞。此外，在不同模量值材料的交界面處也將產(chǎn)生應(yīng)力，比如銅導(dǎo)體層和介質(zhì)層的交界面。應(yīng)力導(dǎo)致的損壞將首先出現(xiàn)在界面處，進(jìn)而是整個(gè)銅層。為了降低對(duì)金屬層的損壞以及確保彎折柔性電路板的可靠性，關(guān)鍵的是需要確定不損壞金屬層條件下FPC所能承受的應(yīng)力值。

要弄清彎折和彎曲FPC形成的應(yīng)力值不是簡(jiǎn)單地弄清最大剛度組成材料的模量，而是要弄清FPC是怎樣構(gòu)成的。舉例來(lái)看，在多層電路板中，介質(zhì)層的厚度差異會(huì)導(dǎo)致彎折FPC時(shí)應(yīng)力的增加。多層電路的每一層都有自己的模量，同時(shí)，多層電路也有一個(gè)整體模量。銅作為多數(shù)微波電路中剛度最大的組成材料，銅的厚度以及FPC疊層中銅的比例將很大程度決定FPC的整體模量和彎曲特性。

銅的種類也將影響微波電路的彎曲特性。由于壓延銅和ED（電鍍）銅的紋理結(jié)構(gòu)不同，壓延銅比ED銅更適合需要承受彎折或彎曲的FPC應(yīng)用。對(duì)于需要使用ED銅的應(yīng)用，可使用一些特殊種類可以承受更大的彎折和撓曲的ED銅。此外，諸如ENIG（化鎳浸金）等銅導(dǎo)體的表面處理將使FPC的整體模量增加，而進(jìn)一步限制FPC所能承受的彎折和彎曲能力。

不同的微波電路結(jié)構(gòu)將表現(xiàn)出不同的彎折和彎曲特性。中間是介質(zhì)，上下層是銅箔導(dǎo)體的帶狀線結(jié)構(gòu)，比微帶線能承受更大的彎折或彎曲。在典型的帶狀線結(jié)構(gòu)中，信號(hào)導(dǎo)體層處于最低應(yīng)力的中性軸或者附近。然而外部接地平面仍具有高的應(yīng)力值。

避免彎折或彎曲對(duì)電路材料造成損壞的一般準(zhǔn)則可以分為單次彎折和動(dòng)態(tài)撓曲兩種情況來(lái)考慮。對(duì)于單次彎折，彎折半徑應(yīng)該至少為電路厚度的10倍，以滿足電路應(yīng)力不超過(guò)2%。對(duì)于動(dòng)態(tài)彎曲，要達(dá)到彎曲次數(shù)超過(guò)1百萬(wàn)次應(yīng)力應(yīng)該保持低于0.2%；彎曲次數(shù)是1百萬(wàn)次或小于1百萬(wàn)次的應(yīng)力應(yīng)該低于0.4%。