刚柔电路Rigid-Flex三大特征分析

刚柔电路 Rigid-Flex Printed Circuit Board可以简称为Rigid-Flex，是单一电路板上既包含刚性基板也包含柔性电路的一种电路结构形式。

Rigid-Flex 由于其具备短、小、轻、薄等特点，受电子产品小型化、低功耗、高性能需求的推动，是电路基板技术发展的重要方向。

随着现代电子产品功能越来越强大，其内部结构及其连接也越来越复杂，对电路板提出了更高的要求，传统的刚性PCB或者基板难以满足产品需求，刚柔电路就自然出现了。

Rigid-Flex由刚性基板和柔性电路组成，柔性电路直接和刚性基板连接，无需接插件。

由于Rigid-Flex的柔性部分可灵活弯曲，安装在Rigid-Flex上的元器件可以多种空间角度呈现，比传统的电子集成方式更加灵活，就如同多了一种维度，因此被称之为“4D”集成。

在电子集成技术中，将带有基板弯曲和折叠的集成技术定义为“4D”集成。详细可参看前面发表的文章：“电子集成技术”全面解析

刚柔电路体积小、重量轻、能灵活弯曲，满足复杂空间结构的应用，被广泛用于现代化的电子设备，并成为移动通信产品的理想选择。 要正确地设计和应用刚柔电路，我们首先要对其基本特征有清晰的概念。 通过总结，我将刚柔电路的基本特征归结为三个：Multi-bending（多弯曲），Multi-stackup（多层叠），Multi-zone（多区域）。

 多 弯 曲           

Multi-bending（多弯曲）是刚柔电路给人最直观的印象，因为采用柔性电路的首要目的就是弯曲，Rigid-Flex能够轻松地弯曲、折叠和扭曲。

既然定义为Multi-bending，就不仅仅是少数几个弯曲了，复杂的Multi-bending可以多达数十个弯曲，弯曲半径和角度也有很大的范围，小的弯曲半径比基板厚度大不了多少，从外观上看如同柔性电路折叠一样，每个弯曲的角度也可以从0-180度灵活设计。

复杂的刚柔电路含有多达几十个弯曲，这些弯曲就如同蟒蛇一样纠缠在一起，让人眼花缭乱，分不清楚基板的顶面和底面，如果我们想象一下在刚柔电路上行走，上下左右会不断变幻，就真的如同进入"4D"空间一般。

无论弯曲如何复杂多变，有一个原则不可违背，电路的各个部分在空间不能出现干涉。因此，设计弯曲时需要考虑弯曲的位置、方位、角度、半径等多种因素，另外，材料的厚度、材质等也是制约弯曲的重要因素。

此外，在弯曲的区域一般是禁止放置过孔和元器件的，我们称之为Via keepout（过孔避让）和Component keepout（器件避让）。

 多 层 叠           

Multi-stackup多层叠，是指在基板的不同区域，其层数和厚度是不同的，即基板需要定义多种层叠结构。

无论何种基板，至少有一种层叠结构，例如我们常见的4层板、6层板、8层板都会对应一种层叠结构layer stackup，我们称之为单一层叠结构，Single stackup，如下图所示。

Single stackup

对于刚柔电路基板，则常采用多种层叠结构，Multi-stackup，即在基板的不同位置，其厚度和层叠结构是不同的，如下图所示。厚的层叠通常应用于刚性基板部分，柔性电路部分的层叠则会比较薄，适合弯曲折叠。

Multi-stackup

多层叠结构Multi-stackup可能会多达十多种，只要层叠厚度不同，或者层叠中材料不同，就需要定义一种新的层叠。

所有这些层叠结构中，我们可以新定义层叠，也可以删除层叠，但有一个层叠是不可被删除的，并且始终处于默认的位置，该层叠称为主层叠Primary stackup。

Primary stackup在多层叠和单一层叠中都存在，单一层叠只有Primary stackup，多层叠则为Primary + other stackups。

 多 区 域           

上文中我们描述的了Multi-stackup多层叠，是指在基板的不同区域，采用不同的层叠结构，其层数和厚度是不同的。那么，不同的层叠如何体现在在具体的区域呢？就引出多区域Multi-zone的概念。

对于整个刚柔电路，根据功能需要将其分割成不同的区域 zone，每个区域指定不同或者相同的层叠结构，这样不同的层叠就分配到了具体的区域。

Multi-zone definition

Assign stackup to each zone

Rigid-Flex的区域划分需要在基板上绘制图形zone shape，然后再指定stackup。那么，对于基板上没有绘制zone shape的区域如何定义层叠呢，那就是默认的Primary stackup。

因此，我们知道，对于刚柔电路来说，并非所有的区域都需要定义zone，对于没有定义zone的区域，其层叠为默认的Primary stackup。

从物理结构上来说，Multi-stackup是在基板的Z轴定义的，Multi-zone是在基板的XY 平面定义的，它们是相对独立的，但又相互依存。

一般，我们先定义multi-stackup，再定义Multi-zone，然后将zone和stackup相互映射。Multi-stackup和Multi-zone是相互依存的，虽然它们可以独立存在于设计工具中，但如果没有一个，另一个就会失去原本的功能。

 总 结 

Multi-bending（多弯曲），Multi-stackup（多层叠），Multi-zone（多区域）是刚柔电路Rigid-Flex最基本的三个特征。

随着人工智能AI技术的快速发展，机器人必将走进千家万户，成为人类社会新的增长点。由于机器人需要像人类一样活动，并且每个关节都需要通过电路来驱动，刚柔电路 Rigid-Flex将是不可或缺的，其市场需求也必然会呈现爆发式增长。 

因此，工程技术人员有必要学习更多的Rigid-Flex知识，为未来做好技术准备。

编辑：黄飞