寫在前面

仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術語是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術原理和演進趨勢，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專題，邀您一起探索仿真世界。本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。

柔性印刷電路板是一種日益普及的電子互連技術。這種連接電路組件的方法，可提供更多設計選項和更高的穩健性。柔性PCB也被稱為柔性電子、柔性電路板、柔性印刷電路（FPC）或柔性電路，其電路傳導路徑構建在柔性塑料基板上（通常由聚酰亞胺、PEEK或聚酯制成），而器件被焊接到裸露的銅焊盤上。

柔性PCB可以具有單層、雙層或多層導電銅層。由于基板是柔性的，因此其在封裝方面比剛性PCB更具優勢。

2023年，所有類型PCB的市場收入為730億美元，而柔性PCB市場收入增長到了218億美元，占比為30%。柔性電路支持與剛性電路板相同的電子組件，而且與剛性電路板（該技術目前更受歡迎）一樣，柔性電路板的設計由電子裝配體的制造流程、材料和封裝決定。

二者區別在于基板的可彎曲性。設計人員必須了解這些因素，以避免相關挑戰，并充分利用這種靈活的電路設計方法。

了解柔性PCB的結構

柔性PCB由用于導電、絕緣或鍵合的材料層構成。根據導電層的數量，FPC可以分為單層、雙層或多層類型。

除了這些層之外，柔性PCB的其他重要特征包括去除絕緣材料的外蓋層，以裸露出用于在各層之間導電的焊盤和鍍銅孔（被稱為過孔）。

單層結構由柔性介電基板、粘合劑層、導電層、另一個粘合劑層和柔性介電蓋層組成。

雙層結構則在介電基板的兩側均采用粘合劑、導體以及粘合劑和電介質的層堆疊，而且還添加了用作過孔的鍍通孔，以連接導電層。

多層結構則根據需要將這種層壓結構堆疊為多層，過孔可以是通孔或盲孔。

此外，柔性PCB還可以通過在剛性PCB內部嵌入層來連接到剛性PCB。這種配置被稱為剛柔結合PCB，它通常是一種取兩者之長的方法，或者可以利用柔性電路而不是導線或線束來連接多個剛性PCB。

柔性PCB的優勢還使其非常適合采用高密度互連（HDI）的設計。HDI使工程師能夠創建具有更緊湊電路、更薄的層和微型過孔的剛柔結合PCB，同時在PCB設計中具有柔性部分。

HDI憑借更小的外形尺寸，成為了具有復雜或緊湊封裝需求的應用的理想選擇。緊湊封裝不僅使柔性PCB成為了提供更多設計選項的首選，而且通常其也是將HDI連接到其他組件的唯一方法。

反之，如果芯片或精密傳感器等器件需要剛性電路板時，這些器件可以放置在連接到FPC的HDI上。

以下簡要介紹用于創建柔性PCB層堆疊的組件。

柔性介質層

這是柔性PCB的基礎材料。它定義了裝配體的特征物理屬性，尤其是最終結構的形狀和剛度。基板通常由聚酰亞胺（PI）制成，因為其具有柔性、耐化學侵蝕性和有利的熱屬性。

另一種常用的材料是聚酯（PET），但在需要特殊屬性時也可以使用其他介電聚合物。該層的厚度通常介于12 μm到125 μm之間。這個層越厚，結構的剛性就越大。在導電層上方，基板用作芯層和絕緣層，就像剛性PCB中的阻焊劑。

鍵合粘合劑層

因為導電層不會直接鍵合到底層，因此層壓結構會使用粘合劑層。設計人員應關注粘合劑材料的鍵合強度和最高溫度，因為這些值會限制機械和熱載荷。

導電層

層壓堆疊的導電層通常由銅制成，也可以在必要時使用其他導電金屬。在大多數應用中，銅層由鍵合到基板上的箔片創建而成，然后被蝕刻以創建所需的電路。金屬箔片也可以具有多種厚度。銅箔通常經過軋制，以生產鍛造銅箔或電沉積物。另外，還可以使用導電油墨打印走線。

鍍銅

當設計需要實現層間連接時，可在層壓板上鉆孔，并鍍銅以形成過孔。

表面處理（Surface Finish）

高導電金屬（如銅）的一個缺點是，它們容易氧化。為了解決這個問題，會在銅表面涂覆一層薄薄的材料，作為表面處理。這些材料還有助于焊接鍵合。最常見的表面處理材料類型，包括無電鍍鎳/浸金（ENIG）、有機保焊劑（OSP）、浸銀、浸錫和金。

加強筋（Stiffener）

有時，柔性PCB的某個區域需要機械剛度。加強筋可以是一塊FR4（制作剛性PCB的材料），也可以是一層更厚的聚酰亞胺。FR4加強筋的常見應用是支撐剛性連接器或在焊接到電路的大型組件下方停止彎曲，以減小焊點上的應力。

柔性PCB的優勢

使用柔性PCB具有許多優勢。基板的機械和熱屬性為設計和性能提供了多種可能性。其大多數優勢得益于電路板材料的柔性，以及通過激光切割輕松創建復雜形狀的能力。與剛性PCB中使用的材料相比，基板材料通常還具有更好的熱屬性。最顯著的優勢如下所示。

高效利用空間

柔性PCB更薄，易于切割成復雜的形狀，并且可以彎曲，以適應其所在設備內部的形狀。此外，特別是在剛柔結合電路中，器件可以放置在不同的方向上，并且仍然保持連接。

在惡劣環境中具有穩健性

柔性設計中使用的聚合物材料對刺激性化學品具有耐腐蝕性。與剛性PCB相比，其還可以承受高溫，并具有更好的散熱能力。

提高耐久性

如果設計得當，柔性電路可以承受大量彎折次數，而不會導致導電電路失效。

抗沖擊和振動

對于使用柔性PCB的電子裝配體，由于剛度和質量較低，進入和通過該裝配體傳輸的能量就更少。這種材料還可以承受沖擊和振動引起的巨大應變。

減輕重量

在以重量為關鍵考量因素的應用中，柔性PCB可提供比剛性電路板更輕的電子電路。

簡化裝配體

當使用柔性PCB取代傳統的導線或線束時，可大幅降低裝配成本。此外，柔性PCB不需要用螺釘或夾具固定，可以通過粘合劑固定，或者直接懸浮在外殼內部。

柔性PCB的挑戰

乍看起來，使用柔性或剛柔結合PCB的理由有很多，但標準剛性電路板仍然是電子電路的主要平臺，這是因為許多應用無法從柔性基板中受益。以下列出了柔性PCB面臨的一些最重大挑戰。

成本

柔性PCB的材料和制造成本比廣為應用的剛性PCB要更高。這些成本最終會隨著柔性電路的普及而下降，然而，創建柔性材料層堆疊的難度和基礎材料的價格，仍會導致成本較高。

器件下方的彎曲和走線彎曲

此外，柔性PCB的最大優勢也可能成為其劣勢。在剛性器件下彎曲材料，可能會對將器件連接到導電層的焊料造成顯著應變。添加加強筋可以很好地解決這個問題，但這意味著會增加成本。

如果走線的布線未考慮應力集中，則使焊點產生應變的彎曲也會導致傳導電路失效。合理使用電子可靠性仿真可以識別設計中的問題區域，并有助于優化PCB設計，以避免因過度彎曲而導致故障。

柔性PCB制造挑戰

剛性PCB的構建和填充非常容易實現自動化。較薄的柔性電路更難保持在制造公差范圍內，而要想實現器件的布局和焊接自動化將更加困難。

信號完整性問題

信號完整性是指電信號在電路中傳輸而不會發生性能劣化或失真的能力。柔性PCB中使用的薄材料會導致電路之間的電磁干擾（EMI）。此外，基板的彎曲可能導致信號反射的變化和阻抗不匹配。通過遵循良好的設計實踐和由信號完整性仿真驅動的正確布線，可以解決這些挑戰。

柔性PCB的常見應用

柔性PCB正在被廣泛應用于各種領域——在這些應用中，柔性PCB的技術優勢大于其高成本帶來的劣勢，而其優化的設計可以克服相關挑戰。

柔性PCB最常見的應用是消費類電子設備，在該類應用中，電路形狀和尺寸需符合設備的形狀，同時要保持盡可能小的尺寸。從計算器到手機，設計人員通過明智地使用柔性電子設備，在性能和美觀之間取得平衡。

利用能夠適應緊湊封裝的抗振動和耐熱型柔性PCB取代昂貴的線束，使該技術成為了許多汽車應用的理想選擇。對于汽車設計人員而言，其另一個優點是能夠利用相互呈不同角度的連接器來連接不在同一平面上的組件。工業傳感器的開發人員也可以充分利用這一優勢，使用柔性PCB高效地連接器件，其能夠承受由傳感器監控的工業機械的熱和振動影響。

醫療設備，尤其是可穿戴設備，也依賴于柔性PCB。這是滿足可穿戴設備的重量和尺寸約束以及適應人體有機形狀需求的理想方法。因此，隨著醫療設備變得越來越小型化、功能越來越強大，企業將選擇柔性或剛柔結合PCB。

柔性PCB的未來

電子行業中的多種趨勢正在推動柔性PCB的普及。在不斷推動以更小的封裝實現更高性能的過程中，設計人員將不再使用扁平的剛性PCB，而只需將合適的電路輕松安裝到設備內部。

柔性技術的供應商正在研發能夠提高性能的新材料。此外，隨著制造商部署更好的制造工藝和更高的自動化程度，應用的普及還將降低價格并加速生產。更多的供應商將提供柔性PCB制造服務，產品制造商也將提高把柔性PCB裝配到設備中的能力。

柔性顯示器以及尺寸越來越小的工業和消費類電子產品的需求增長，是推動柔性PCB更廣泛應用的一項因素，因為該技術需要使用柔性電路。同樣地，隨著對更薄且更強大計算機和移動設備的需求不斷增加，該趨勢也將持續推動柔性PCB技術的發展。最后，汽車的電氣化也需要更柔性的電路來適應更緊湊和嚴苛的環境。

實現這些發展，將需要負責開發柔性和剛柔結合PCB封裝的工程師在通常相互沖突的特性中取得平衡。部署Ansys仿真工具套件，以探索各種設計選項并推動實現最佳設計。一部分支持柔性PCB設計的最常用的Ansys工具包括：

• Ansys Maxwell?：低頻電磁仿真的黃金標準。PCB設計人員和消費類電子工程師使用Maxwell軟件來解決電磁感應的機械振動和電感耦合的EMI/EMC等問題。
• Ansys HFSS?：高頻電磁仿真的黃金標準，工程師使用HFSS軟件開發基于柔性PCB的具有成本效益、高性能的電路布局和天線。
• Ansys SIwave?：SIwave軟件專門用于PCB電磁仿真，為用戶提供了快速而強大的幾何結構導入和信號完整性（SI）、電源完整性（PI）、電磁干擾（EMI）、阻抗和串擾建模方法。
• Ansys Icepak?：PCB熱仿真和散熱設計的行業標準，其專為PCB仿真構建的用戶界面中包含了業界領先的多物理場求解器。
• Ansys Sherlock?：Sherlock讓您可以導入各種柔性PCB文件格式，并提供多個可用選項對材料、幾何結構、部件信息等文件進行前處理。常見的場景是將編輯過的柔性PCB文件從Sherlock軟件導出到Ansys Mechanical?軟件中，以進行深入的熱機械分析。
• Ansys Mechanical：該軟件與Sherlock工具結合使用，提供了可靠的解決方案，可用于分析柔性PCB的可靠性和熱機械方面。

眾多最具挑戰性的柔性PCB設計都采用了Ansys仿真，其原因在于：這些工具易于使用，協同高效，并能提供更具實用價值的信息。歡迎聯系我們，以進一步了解Ansys軟件如何幫助企業利用仿真的預測功能來突破設計極限。

相關閱讀

英偉達與新思科技宣布戰略合作，攜手重塑工程設計未來

雜志下載 | Ansys Advantage：仿真為能源和可持續發展賦能

一期一會 | 什么是電動汽車動力總成？

數字孿生 | 霍尼韋爾借助仿真技術優化其超級工廠生產制造方案

三強聯手：新思科技攜手微軟、英偉達推出全新數字孿生賦能的制造流程優化框架

降階模型 | 結構仿真融合數字孿生平臺助力突破安全難題