Rigid-Flex多区域和材料

前面的文章里，我将刚柔电路Rigid-Flex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）。此外，材料选用也是Rigid-Flex设计的重要环节。

上一篇文章，……我们描述了Multi-stackup多层叠设计，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。

这篇文章中，我们重点介绍Rigid-Flex的Multi-zone（多区域）设计和材料。

01、Multi-zone  多区域

Multi-zone多区域就是将一块完整的基板分成多个部分，每个部分可能有不同的厚度和层叠。

为什么要设计多区域呢，基板的复杂度不会因此提高吗？是的，多区域确实提升了基板的复杂程度，不熟悉的话还容易出错。但是，通过多区域Multi-zone设计才能将多层叠Multi-stackup设计映射到基板的不同区域，多区域和多层叠二者相互依存的，缺一不可。

此外，我们需要知道，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，例如下图中未定zone的区域，其层叠结构为Primary stackup。

从下图中我们可以看出，zone和zone在基板上独立定义，可以相邻也可以不相邻，但不能重叠。另外，zone还可以嵌套，即一个zone完全位于另一个zone之内，例如下图中的zone6嵌套于zone5之内，称为Nested-zone。嵌套zone的层叠也是完全独立的，并不存在依存关系。

Multi-stackup 和 Multi-zone

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。通过映射将它们结合在一起。

一般情况下，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。

首先定义Multi-stackup:

然后定义Multi-Zone，并将不同的zone和对应的stackup映射，不同的zone可以采用同一个stackup，为了不至于混淆，如果stackup 命名为A,则采用该stackup A的zone通常命名为zone A1, zone A2, zone A3...以此类推。

设计中的Multi-Zone定义以及和Multi-stackup的映射。

02、 Material  材 料 

芯片制造中，几乎要穷尽元素周期表中的元素，在封装和板级系统的制造中，应用的材料也越来越多。

Rigid-Flex由于其Multi-bending（多弯曲），Multi-stackup（多层叠），Multi-zone（多区域）的特点，其材料的应用也比传统的基板要多很多。我们将材料应用分为三大类来讲述。分别是介质材料，导体材料，掩膜材料。

介质材料 Dielectric Material

基板的介质材料一般是由有机树脂和玻璃纤维布为主要材料制作而成，有机树脂通常包括：环氧树脂（FR4），BT树脂（双马来酰亚胺三嗪树脂），PPE树脂（聚苯醚树脂），PI树脂（聚酰亚胺树脂）等。以FR4为例，介质材料根据树脂和玻璃纤维含量的不同，可分为106，1080、2116、7628等多种型号。下图为不同型号的介质材料的树脂含量、介电常数DK及损耗因子DF。
一般型号数值越大，树脂含量越少，玻璃纤维含量增大，硬度增加，介电常数也越高。例如，106树脂含量75%，1080树脂含量63%，2116树脂含量53%，7628树脂含量44%。另外，还有一种RCC(Resin Coated Copper)，树脂含量100%。树脂含量越多，材质越软，激光打孔效率高。通常为了兼顾各方面的性能，基板会采用多种型号的基材，一般表层用树脂含量较高质地较软的材料，例如RCC，106，1080，而内层则采用硬度较大的例如2116，7628，用于增强支撑强度，详见下面基板层叠结构实例图示。

下图显示的是2+4+2层叠结构的基板的材料，我们可以看出106，2116，7628均有采用。

当然，这么厚的基板只可能应用在Rigid-Flex的刚性区域，对于柔性区域因为要进行弯曲，所以层数较少，其介质材料也会采用韧性更好的聚酰亚胺POLYMIDE.

导体材料 Conductor Material

Rigid-Flex基板上导体材料通常为铜箔。刚性基板常用的铜箔厚度为17μm（半盎司），35μm（一盎司），70μm（两盎司）等多种。

铜箔厚度和载流量成正比关系，如果需要通过比较大的电流，则需要选择较厚的铜箔和较宽的布线。

下表为线宽、铜厚、温升和载流量的关系，供读者参考。

柔性基板铜箔厚度比较薄，5μm、9μm、12μm、16μm、22μm等规格的铜箔在柔性板上应用较多。

掩膜材料 Mask Material

Rigid-Flex的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的材料通常是环氧基，初始状态是液体，固化至硬化后附着在基板表面。新型的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，更加耐用。

Coverlay采用聚酰亚胺材料，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。EMI Shielding 电磁屏蔽层，工作原理为反射衰减或吸收衰减，核心性能指标为屏蔽效能。屏蔽材料的磁导率越高、电导率越高、屏蔽层越厚、屏蔽层数量越多，屏蔽效能越好。柔性电路以轻薄为特点，屏蔽层不能太厚、屏蔽层数量不能太多，因此对材料的要求更高。电磁屏蔽层一般包含至少三层，粘结层、电磁屏蔽层和保护层。市场常见的为金属合金型电磁屏蔽膜、导电胶型电磁屏蔽膜和微针型电磁屏蔽膜三类。

Selective Plating选择性电镀，对焊盘或者基板的局部表面进行金属化处理，其材料为铜、金、银等良导体。

Stiffener加强筋的材料分为绝缘材料和导体材料两种，因为和基板没有电气连接，所以主要考虑其结构强度，绝缘材料可采用FR4,POLYMIDE等，导体材料通常采用不锈钢。

 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，再加上介质材料、导体材料、掩膜材料三类材料的应用，读者基本上就可以熟练掌握刚柔电路Rigid-Flex的设计和应用了。

Rigid-Flex刚柔电路往往我们想象的要复杂一些，我刚接触Rigid-Flex时，以为它就是比普通电路多了弯曲功能，后来才发现，还是自己肤浅了。

下图能大致表现我对刚柔电路认识的改变。我们认识世界也大致要经历以下的过程。

这篇文章是Rigid-Flex主题的第四篇文章，也是该系列的最后一篇文章。

希望这个合集里的文章能带给你一些收获，提升对Rigid-Flex的认识和理解，做出更好的产品！

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