柔性印刷電路板 (PCB) 的使用，無論是單獨使用還是結合剛性板使用，在過去十年的增長都非常迅猛。推動這一增長趨勢的是可穿戴電子設備這類小尺寸產品需求的劇增。由於柔性 PCB 的獨特性，與剛性 PCB 相比，柔性 PCB 需要特殊的製造工藝，因此柔性 PCB 更容易出現可製造性方面的問題。
本文將介紹柔性 PCB 的可製造性設計 (DFM) 方法，以幫助識別和糾正設計過程中潛在的可製造性問題。應用 DFM 技術可以幫助企業節省成本，並確保專案的如期交付。
將 DFM 融入柔性 PCB 設計中
柔性 PCB 區別於剛性印刷電路板 (PCB)的地方在於，它們具有獨特的屬性和材料（圖 1）。柔性 PCB 的輕薄特性使得它們更加脆弱，在製造過程中更容易受到意外損壞。這會對單板的良率產生負面影響，從而增加單板的製造成本。下面我們來探討一下，為什麼說在柔性PCB 中運行 DFM 比在剛性 PCB 中更加重要。
柔性 PCB 的製造通常要採用表 1 中的材料類型和圖 2 中的製造方法。這些不同的材料給柔性 PCB 製造提出了嚴峻的挑戰。尤其是與典型的 FR4 PCB 材料結合使用時，複雜性就會進一步增加。最大的挑戰莫過於各種材料熱膨脹特性的差異。這些特性需要在 DFM 審查中提前發現並加以解決。
同時具有剛性和柔性電路的設計（剛柔結合板）包含了多元化的產品特徵；通過柔性 PCB 將不同的剛性 PCB 連接在一起，形成單個PCB 設計，能夠消除傳統的多個 PCB 之間容易出現的裝配錯配問題和避免出現佈線順序不對的可能性。雖然剛柔結合板的成本更高，但事實上，剛柔結合板卻可能更具成本優勢，因為它可以通過減少裝配步驟，從而提高產品的加工效率和良率。
圖 1. 與剛性 PCB 相比，柔性 PCB 帶來了全新的挑戰，例如彎曲和折疊問題以及不同層之間材料的黏合特性差異。
圖 2. 柔性 PCB 設計可以選擇使用或不使用膠粘材料。不使用膠粘材料的柔性 PCB用於更高性能的產品，而使用膠粘材料的柔性PCB通常用於層數較少的常規應用。
表1. 柔性 PCB 的常見疊層材料。
柔性 PCB 和剛柔結合 PCB 製造中面臨的十大挑戰
柔性 PCB 以及剛柔結合 PCB 之間的介面存在傳統剛性 PCB 中不存在的問題。以下是一些潛在的問題以及如何主動解決這些問題的方法。
柔性 PCB 上的 SMT 元器件
通過在柔性 PCB 必要的位置使用補強板，讓在柔性PCB 上貼裝SMT元器件成為可能；圖 3 顯示了若干示例。柔性 PCB 上的銅皮比傳統剛性 PCB 上的銅皮更容易分層；為了應對這個問題，表面貼裝焊盤需要足夠的連接強度，通常的做法是將 Coverlay 覆蓋在焊盤和過孔上來增加強度。也可以通過增加焊盤尺寸來增加強度，從而在焊盤上提供更大的PCB 粘附面積。使用這兩種加強方法可以生產出具有出色粘附力的焊盤。
圖 3.為柔性 PCB 上的表面貼裝元器件提供更高連接強度的焊盤設計。
設計大於 Coverylay 開口的焊盤
使焊盤尺寸大於 Coverlay 開口（圖 4）可以顯著提高粘合強度，同時降低分層的風險。這種技術類似於剛性 PCB 所用的阻焊層定義焊盤（SMD焊盤）。對於柔性 PCB 設計來說，Coverlay 提供了與銅皮的額外粘合。
圖 4. 大於 Coverlay 開口的焊盤設計可以增加強度。
折彎區內的走線間距
折彎區域是另一個需要特別關注的區域。走線間距的經驗法則是，在剛性 PCB 與柔性 PCB 折彎區之間區域內的走線需要保持 5 mm 以上的距離（圖 5）。當走線間距小於這一要求時，柔性 PCB 彎曲時更容易造成斷裂。此外，如果沒有適當的間距，剛性區域下面的 Coverlay 可能會剝落並造成銅皮裸露。
圖 5. 剛性 PCB 和折彎區之間的走線間距應大於 5 毫米。此外，走線不應在折彎區域內改變方向。
折彎區內的銳角走線
折彎區域還存在另一個與走線方向有關的問題。如圖 5所示，需要確保走線在進入柔性 PCB 折彎區時其方向只出現極小的變化或沒有任何變化，這樣可以提高柔性PCB 的可靠性和品質。如果必須改變折彎區內的走線方向，應使用曲線而不是銳角走線，這樣可以降低折彎區內發生走線斷裂的風險。
走線寬度
走線寬度也特別重要。關於柔性 PCB 走線寬度的經驗法則是，將其寬度設計為不小於其厚度的五倍。我們推薦的做法是，儘量選擇比較薄的走線銅箔厚度，這樣可以提高傳輸信號的品質，然後再相應地調整走線寬度。
平面層使用網格鋪銅
使用被稱為網格鋪銅的技術，能夠有效緩解折彎處的應力。蜂窩形狀（六邊形）能夠緩解大部分角應力，與完整銅皮相比，網格銅皮可以很好的減小應變。
使用焊盤淚滴提高強度
如圖 3f 所示，焊盤淚滴可以提高柔性 PCB 的良率和強度。在焊盤直徑超過連接走線寬度的情況下應儘量使用焊盤淚滴。還應避免在走線與具有淚滴設計的焊盤之間的介面處形成銳角，以最大限度減小連接處的應力。
剛柔介面區域
如果 Coverlay 沒有延伸到覆蓋整個剛性區域，則該區域被稱為剛柔介面區域，如圖 6 所示。這是柔性 PCB 與剛性 PCB 交界的位置。通常，該區域從剛性 PCB 的邊緣伸出約 1.2 毫米，並伸入柔性區域，加起來形成一個2.5 毫米的區域。剛柔介面區域可能比設計的其餘部分更脆弱，需要特殊的設計考量。其中包括：過孔、安裝孔、銑槽、PTH 孔等儘量遠離剛柔結合介面，以及進入剛性 PCB 部分的走線角度儘量避免 90 度。
設計更寬鬆的容差
柔性 PCB 的容差必須比剛性 PCB 更寬鬆。與相應的剛性PCB 相比，柔性 PCB 中使用的材料和疊層結構更容易出現收縮、膨脹、拉伸和壓縮。只有設計更寬鬆的容差才能更好的應對材料漲縮。
熱膨脹
大多數基於粘合劑的柔性基材都是未經填充的，這可能導致不受控制的 z 軸熱膨脹，從而使過孔和其他特徵項容易分層，並可能導致元器件焊接到柔性材料表面後出現間歇性回應問題。為解決這一問題，需要為焊接在柔性材料上的元器件設計比剛性區域更牢固的焊盤。
圖 6. 剛柔交界區域的問題：走線寬度變化、過孔靠近介面和走線方向變化。
製造資料的傳遞
設計完成並經過驗證後，必須將產品模型資料連同特定的製造說明一起發送給 PCB 製造商和 SMT 裝配商。其中必須至少包括以下資料類型，才能保障 PCB 的順利生產和交付：
• 產品類別
• 用於構造疊層的材料
• PCB 基材和 Coverlay
• 銅箔種類及厚度
• 孔的類型定義、位置和尺寸
• 疊層示意圖，含 PCB 層數及橫切面視圖
• Coverlay 的開口位置
• 帶尺寸標識的 PCB 外形圖
• 絲印的要求，包含絲印材料和位置
• 折彎區和柔性區的位置及 PCB 彎曲方向
• 補強板的位置和粘合要求
• 特殊工藝和表面處理要求
• 測試點位置
• 特殊測試要求
輸出資料到製造商
今天仍有許多公司還在使用 “Gerber” 向製造商傳遞 PCB 生產資料。Gerber 檔只能描述一部分的 PCB 製造資訊。它必須結合其他的一些檔和帶有注釋的圖紙使用，才能傳遞完整的 PCB 製造資訊。通常，這些檔和圖紙是使用不同的軟體生成的，因此經常包含一些自相矛盾的資訊。將清晰易懂的產品模型傳送給製造商，可以提高產品一次生產成功的機會。
現實中，製造商收到的約 80% 的柔性 PCB 的生產文檔都需要經過客戶的進一步澄清，這增加了本應避免的時間浪費。
相比為製造商提供多種不同格式的檔及其說明文檔，不如使用單一資料格式來傳達製造所需的全部資訊。這不僅顯著提高了效率，還減少了出現錯誤、誤解和產品召回的可能性。ODB++ 是目前行業使用最為廣泛的智慧資料格式。使用 ODB++，您可以直接將所有制造資料存儲在一個 ODB++ 產品模型檔中，不再需要大量的Gerber 圖紙、文檔等（如圖 7 所示）。生產 PCB 需要的所有資訊都包含在 ODB++ 資料內，包含 PCB 製造商和SMT 裝配商所需要的資訊。
圖 7. 使用 ODB++ 製造產品模型時，所有必要的說明和資料模型都在一個智慧資料包中發送給製造商。
針對柔性 PCB 的 DFM 解決方案：Valor NPI
隨著產品小型化的趨勢和可穿戴設備的爆炸式增長，柔性 PCB 和剛柔結合 PCB 設計越來越受歡迎。柔性 PCB 需要獨特的製造工藝。為了應對柔性 PCB 和剛柔結合 PCB的可製造性問題，將用於柔性 PC B的 DFM 解決方案與全面的智慧製造產品模型（ODB++）相結合，是改善柔性PCB 設計良率、成本和可靠性的最佳方案。
Valor NPI 就是這樣一種解決方案，它能將製造知識融入軟體，讓 PCB 設計人員可以在 PCB 設計上運行專業的DFM 分析。Valor NPI 為剛性 PCB、柔性 PCB 以及剛柔結合 PCB 都提供了完整的 DFM 解決方案。
Valor NPI 不僅可以識別本文所提到的柔性 PCB 所面臨的十大 DFM 問題，還可以識別更多其他的 DFM 問題。及早發現和糾正 DFM 問題可以有效節省時間和金錢，最重要的是，可以減少由於製造問題而引起的 PCB 改版。柔性 PCB 比剛性 PCB 的製造難度更大，要確保 PCB 具備良好的可製造性的最佳方法是在整個 layout 流程中的關鍵節點都運行 DFM 檢查，最後，在製造發佈前再運行一次DFM 檢查。
據統計，經過 Valor NPI 檢查過 DFM 的 PCB，平均可以減少 57% 的 PCB 改版次數。對於剛性 / 柔性 PCB，在將產品模型資料發送給製造廠之前確保產品的可製造性更為關鍵。通過將 DFM 應用於 PCB 設計中，可以減少花費在解決產品問題上的時間，從而讓設計人員有更多的時間花費在產品設計上。
圖 8. Valor NPI 集成了製造相關的工藝要求 (1-2)，任何團隊成員都能利用這些實際生產要求 (3) 運行智慧 DFM，並生成完整的製造資料模型 (4)，然後使用 ODB++ 將其發送給製造商 (5)。
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