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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）的一個重要特性。實際應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品應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電路材料發(fā)生的變化有助于在這類實際應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合物，例如導電金屬和介電材料。每種材料都具有自己獨特的機械特性，而實際的疊層結構取決于電路的種類以及電路的層數。由于多種不同F(xiàn)PC材料共同形成FPC電路，特別是對于多層FPC電路，預測彎折和彎曲對電路的影響將變得更加復雜。判斷電路材料彎折和彎曲性能的一個關鍵電路材料參數是材料的模量或者剛度，也就是說組成FPC板材的部分復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，因為它的模量值在疊層材料中最高，達到17000 kpsi。與之相比，電路中介電材料的模量值遠低于金屬層，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電層、介質層和接地層等，介質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合結構的彎折和撓曲性能。

由于高頻電路板材是復合結構，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當作橫梁結構來看，當FPC電路按某一彎折半徑彎折，此時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力。彎折半徑的外側承受張力，內側承受壓力。在張力區(qū)域和壓力區(qū)域之間，存在一個不受應力作用的極薄的過渡區(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，應力也將增加。在一個結構平衡電路板中，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。對于具有微帶線電路的FPC，銅導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，底部接地平面會被壓縮且承受壓力。不管是張力還是壓力，力度過大都將導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生應力，比如銅導體層和介質層的交界面。應力導致的損壞將首先出現(xiàn)在界面處，進而是整個銅層。為了降低對金屬層的損壞以及確保彎折柔性電路板的可靠性，關鍵的是需要確定不損壞金屬層條件下FPC所能承受的應力值。

要弄清彎折和彎曲FPC形成的應力值不是簡單地弄清最大剛度組成材料的模量，而是要弄清FPC是怎樣構成的。舉例來看，在多層電路板中，介質層的厚度差異會導致彎折FPC時應力的增加。多層電路的每一層都有自己的模量，同時，多層電路也有一個整體模量。銅作為多數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）銅的紋理結構不同，壓延銅比ED銅更適合需要承受彎折或彎曲的FPC應用。對于需要使用ED銅的應用，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）等銅導體的表面處理將使FPC的整體模量增加，而進一步限制FPC所能承受的彎折和彎曲能力。

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

避免彎折或彎曲對電路材料造成損壞的一般準則可以分為單次彎折和動態(tài)撓曲兩種情況來考慮。對于單次彎折，彎折半徑應該至少為電路厚度的10倍，以滿足電路應力不超過2%。對于動態(tài)彎曲，要達到彎曲次數超過1百萬次應力應該保持低于0.2%；彎曲次數是1百萬次或小于1百萬次的應力應該低于0.4%。