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适应不同产品构型的电路板设计


  了解不同板材特性 整合产品设计
首先,在硬板方面,PCB印刷电路板可以说是目前最大量使用的载板型式,早期要构成电子回路,为利用导线在电子元件引脚上进行电路连接,若是一般布局简单的类比电路,可能用导线进行线路连接还算可以应付,但若是针对多接脚IC就会让线路变得过于复杂,而印刷电路板的设计型态,即为解决这种设计困境所衍生的开发方案。
  PCB印刷电路板可将零件和零件之间的繁复电路铜线,经由完整的线路规划运用蚀刻方式,在一块载板进行铜箔蚀刻,形成电子电路,而PCB为提供电子零组件进行安装、互相连接的主要基板,同时也有支撑、固定电子零件的效用,相较早期利用导线的架构方式可让电子电路的稳定性更高、寿命更长,也可减少电路误动作或短路问题,PCB的设计样式已经成为不可或缺的基础元件。
  印刷电路板基本上是采用绝缘材料制成的平板,搭配预钻孔位来进行晶片金属引脚的安装布设,而电子元件经由引脚伸入预钻孔位再搭配焊接使元件与PCB载板进行结合。至于元件预设的预钻孔,可作为元件定位使用,但预钻孔的设计型态,大量产线制造时必须使用人工插件,造成制造成本较高、同时手工插件也容易造成制造错误,甚至也不易进行产品微缩设计。
  PCB电路高密度化、多层设计 因应产品微缩设计趋势
而印刷电路板因应缩小载板尺寸需求,也利用双面、多层结构来进行电路密度的改良,尺寸可以呈现倍数缩小,而为了因应大量生产目的,电子零件逐步改成可自动送料、焊制的表面粘着制作流程,PCB原有的预钻孔改成预留焊垫处理,让生产中原有的插件程序减少至打件、上料即完成组装,大幅增加元件排布密度。
  电子产品的构型越来越多元,也令PCB的设计出现许多限制,因为PCB为硬质绝缘材料,有一定程度的塑型难度,尤其是因应弯曲、具角度的立体结构,基本上会形成大量重工与高复杂组装,对于产品开发的成本会暴增许多,也不利产品的微缩设计,即便可利用排线、连接器进行多PCB的整合设计,但这也形成增加产制复杂度与提高不良率问题。
  针对不同角度、非平整电路的PCB设计需求,也发展出FPC软式电路板的可挠曲电路板材,与硬式的多层PCB结构不同,FPC的绝缘基材改用可挠式的绝缘塑料,利用绝缘塑料为基材、再于基材上附着导电线路,成为可挠式的电路型态,而PBC搭配FPC可以整合适应不同结构的电路设计需求,应用弹性也较仅有PCB的方案来得更好,而FPC也渐渐如PCB般,成为电子产品设计不可或缺的关键材料。
  FPC软性结构 可改善原有PCB设计限制
  软式印刷电路板与PCB同样采行铜箔为导电线路设计,相较硬式PCB不同的是,其印刷电路为在可挠式的基材进行电路排布,由铜箔作为电子元件讯号传输媒介,由于FPC具可连续大量进行自动化生产、线路设计可提高配线密度、FPC材料重量轻、材料的厚度与体积相当小,也可减少配线错误的状况发生,甚至可以适应不同的材料或结构外型做适应性设计,目前在数位相机、手机、笔记型电脑等电子产品相当常见。
  检视软板的主要结构,主要由压延铜箔、绝缘塑料基材(PET或PI)、接着剂(压克力胶、环氧树脂)等组成,外层的应用材料多称为Coverlay,为使用PET或PI包覆保护内部压延铜箔结构,避免铜箔受外部水气影响,出现材料劣化或氧化问题。FPC生产的关键在于必须利用精密涂布程序搭配生产压合铜箔结构体,生产过程的环境洁淨度要求高,而观察其材料的成本结构,PI约佔总成本的5成,其馀为压延铜箔35%,与制造成本约10%,少部分为人工必要的处理成本,可说FPC最大的成本在于PI材料。
  较PCB发展至HDI的多层型态不同,FPC在制程与材料先天限制下,不容易发展多层结构设计,一般仍以3L(Layer)上下为主,多数作为部分如外部机械开关的连接软板、摄影机模组的连接板材,大量使用FPC的效益不若HDI为高,大多数的状况都是核心电路为由HDI多层板结构完成主元件的架构,其馀如周边模组利用软板进行整合。FPC的作用相当多,可以作为多PCB结构彼此间硬板的资料、电路传输中介,达到符合产品构型的弹性设计方案,而异质板材的连接方式,可以选用软板排线搭配专用连接器,也可以选用如软硬结合板设计,让终端产品的厚度可以因为减省连接器的高度,而获得更微缩终端产品尺寸的使用效益。
  FPC应用优点多
  而FPC软板整合优点相当多,因为硬质PCB的产品设计,对于摔落或高G值撞击应力,因为材料结构使然,会使得板材对于冲击力的缓冲几乎没有,应力会直接对板材上的元件同时受到影响,对于发展需高耐冲击的产品,全使用硬板将会使耐冲击的效果减少。反之,使用软板搭配,可以让整体电路可依重点功能区隔模块式整合,彼此搭配FPC连接,使终端产品的冲击应力可以部分由软板吸收,或是预留弹性设计。
  但FPC软板也不是样样都优于PCB,像是FPC发展多层结构设计时,就未能如PCB的进阶型HDI(High Density Interconnection)高密度多层板般,可以发展出多层堆迭的设计方案,因为FPC本身的绝缘塑料基材搭配铜箔,基本上铜箔与软性基材虽可弹性挠曲,但两种材质的挠曲设计弹性仍有限制,过度挠曲仍会造成内部线路的断路问题,而当FPC多层化发展,异质结构的板材内部更容易出现挠曲断裂问题,也失去FPC的应用价值。
  而FPC另一大罩门在耐温表现,FPC使用的软质塑料基材,大多具一定程度的耐热极限,即便目前材料科技大幅改善耐热表现,但实际上仍与硬板PCB或HDI有段差距,因此不能使用大量加热的设计方案进行生产,即便是软硬结合板的设计方案,都是预先在特定程序下进行,与一般大量生产的流程区隔。