Rigid-Flex层叠设计详解

Rigid-Flex 刚柔电路的三大特征是 Multi-bending（多弯曲），Multi-stackup（多层叠），Multi-zone（多区域）。

前面的文章我们讲述了多弯曲Multi-bending设计，这篇文章中，我们详细了解一下Rigid-Flex的多层叠设计。

01、 Multi-Stackup

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。

Single Stackup 单一层叠

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，如下图所示为8层板的层叠结构。Single Stackup - 8 layer可以看出，虽然是单一层叠结构，其层数也可能很多，许多PCB板虽然是单一层叠，其层数可能多达几十甚至上百层。由于整个板子采用的是一种层叠，因此称为单一层叠结构。实际上，在基板的不同位置，对层叠的需求是不同的，有些地方需要层数很多，以提高布线密度和布通率，有些地方则需要少量的布线即可，那么，可不可以在板子不同的区域采用不同的层叠呢？答案是肯定的，这就是多层叠的思路。下图是单一层叠结构和多层叠结构的比较：

那么，如何设计多层叠结构呢？

Multi-Stackup 多层叠

对于刚柔电路基板，由于不同的区域功能差异很大，有些区域需要进行弯曲或者折叠，有些区域需要加强以安装元器件，单一层叠已经无法满足要求，只能采用多种层叠结构，Multi-stackup。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的层叠定义可能会多达几十种，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。

下图中，我们看到，已经有Primary, Flex, Flex2, A, B, C, D, E, F 9种层叠定义，通过点击最右侧的 + 号，可以继续增加新的层叠。

所有这些层叠结构中，我们可以新定义层叠，也可以删除现有层叠，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。

在设计软件的Stackup中定义多种层叠结构，并为每种层叠指定相应的层，多层叠就设计好了。

02、 Layers in Stackup

不同种类的层

层叠是由不同的层组成的，这些层可分为导体层Conductor layer，介质层Dielectric layer，和掩膜层Mask layer。

多层板的基本特征，是将导体层和介质层间隔放置，然后压合在一起，再通过过孔将各层的电路进行连接，基板先压合再打孔，这种工艺被称为层压法Laminate。

层压法由于采用的是机械钻孔，因此孔径和孔间距都比较大，难以适应高密度设计的需求，随着设计密度提升，采用了激光钻孔，激光钻孔效率高，孔径小，密度大，但是激光通常只能烧穿介质，遇到金属会发生反射，因此只能钻一层孔，压合一层，然后再钻孔再压合，一层层往上积累，因此称为积层法Buildup。

层压法采用的介质玻璃纤维含量高，强度和硬度比较高，积层法采用的介质树脂含量高，质地软，激光钻孔效率高。实际应用中，层压法和积层法常常结合使用，例如在中间层采用层压法增强板子强度，外侧的层采用积层法提高激光钻孔效率和钻孔密度。

下图所示为8层基板，中间4层采用层压法，外侧的4层采用积层法，称为2+4+2层叠结构。

在基板的顶层导体层和底层导体层之外，通常覆盖着Mask层。对于单一层叠的刚性基板，这些Mask层通常就是Soldermask阻焊层。

对于Rigid-Flex刚柔电路，Mask层种类比较多，通常包括：Soldermask，Coverlay，EMI Shielding，Selective Plating，Stiffener等。这些Mask层可分为两大类，导体Mask和非导体Mask。

Soldermask 阻焊层

Soldermask阻焊在普通刚性基板和刚柔电路中均有应用，在柔性电路上用的阻焊层是固化至硬化状态的环氧基液体，所以其初始状态是液体，通过掩膜版印刷在基板表面，起到隔离焊盘和保护的作用。一般在设计中以负片Negative形成呈现，即有图形的地方挖空，没有图形的地方填充环氧基。实际应用中Soldermask多呈现绿色，因此也被称为“绿油”，当然颜色可以灵活选择，因此也有其他颜色的Soldermask。

目前有一种新型的Soldermask称为LPI或者LPISM 液体光成像阻焊(Liquid Photo Imageable Soldermask) 。是一种双组分液体油墨，在应用前混合以保持其保质期。LPI 优于环氧基液体，可以精确印刷，与 PCB 形成更好的接触，因此更耐用。

Coverlay 覆盖层

Coverlay在柔性电路中应用比较普遍，采用聚酰亚胺覆盖层，其基本功能和Soldermask相同，起着绝缘和保护外层电路的基本功能。Coverlay以薄膜形态呈现，通常是聚酰亚胺实心片材，这点和Soldermask由液态固化至硬化状态有所不同。在设计上Coverlay通常采用正片Positive设计，即空洞的地方挖空，有图形的地方覆盖。Coverlay多以橙黄色呈现，覆盖在Rigid-Flex需要绝缘和保护的地方。

EMI Shielding 电磁屏蔽层

EMI Shielding 能够屏蔽或者减少电磁场的传递，消除不必要的电磁干扰。防止信号进入敏感系统或防止信号从嘈杂的系统中逸出。EMI Shielding 可以减少许多不同类型的干扰，包括电磁场、静电信号和无线电波的 EMI。

在Rigid-Flex中，EMI Shielding 通常以大面积导体薄膜形态覆盖在基板表层，通过Soldermask或者Coverlay上的开口，形成小的金属形状连接连接到表层导体Top Conductor 的GND上。

EMI Shielding 上方有保护层，下方有粘结层用于粘结到基板上。