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柔性电路的弯折/弯曲特性探讨

柔性可弯折是FPC（印刷电路板）的一个重要特性。实际应用中不是所有电路板都是平面类型的，有些电路板为了满足特殊产品应用而需要一次弯折成形，而有些电路板则需要承受连续的弯折。同样，并非所有电路材料都具有相同的特性，某些电路材料可具有比其他电路材料更高的机械弯曲性且能承受一定程度的弯折而不发生损害。了解电路材料能够承受弯折的原因以及弯折时电路材料发生的变化有助于在这类实际应用中选取合适的电路材料。

电路板通常是由不同材料组成的复合物，例如导电金属和介电材料。每种材料都具有自己独特的机械特性，而实际的叠层结构取决于电路的种类以及电路的层数。由于多种不同FPC材料共同形成FPC电路，特别是对于多层FPC电路，预测弯折和弯曲对电路的影响将变得更加复杂。判断电路材料弯折和弯曲性能的一个关键电路材料参数是材料的模量或者刚度，也就是说组成FPC板材的部分复合材料成分是否比其他材料成分具有更大的刚度或更高的模量值。

例如，通常首选铜作为RF/微波FPC的金属层，它将决定电路板的弯曲极限，因为它的模量值在叠层材料中最高，达到17000 kpsi。与之相比，电路中介电材料的模量值远低于金属层，如陶瓷填充的PTFE模量值为300 kpsi，玻璃纤维填充的PTFE模量值为175 kpsi。在典型微带线电路中包括导电层、介质层和接地层等，介质层提供了最大的弯折特性，而顶部和底部的金属层限制了复合结构的弯折和挠曲性能。

由于高频电路板材是复合结构，在最大刚度组成材料金属层不受损坏的条件下，确定电路板材所能承受的最大弯折与弯曲程度需要考虑不同组成材料弯曲特性的差异。可以将FPC看作是一个承受弯折的横梁，横梁的刚度将决定弯折半径。橡胶横梁比高模量的金属横梁更易弯折。在不损坏的前提下，橡胶横梁可以承受更小的弯折半径。同样，FPC的弯折半径取决于材料中的组成部分的刚度，以及决定弯曲的极限和电路板的最小弯折半径的金属层的刚度。

把FPC当作横梁结构来看，当FPC电路按某一弯折半径弯折，此时FPC可看成某一假想圆的一部分，横梁或FPC上不同部分将承受不同的应力。弯折半径的外侧承受张力，内侧承受压力。在张力区域和压力区域之间，存在一个不受应力作用的极薄的过渡区域或者中性轴。随着中性轴到张力平面或者压力平面距离的增加，应力也将增加。在一个结构平衡电路板中，中性轴将位于电路板的几何中心。

张力和压力对FPC材料的作用方式不同，张力将材料拉开，压力将材料挤紧。对于具有微带线电路的FPC，铜导体位于弯折半径的外部，这意味着FPC中刚度最大或模量最大的材料将承受一定的张力，弯折半径越小，弯折张力就越大。与此同时，底部接地平面会被压缩且承受压力。不管是张力还是压力，力度过大都将导致微带电路金属层的损坏。此外，在不同模量值材料的交界面处也将产生应力，比如铜导体层和介质层的交界面。应力导致的损坏将首先出现在界面处，进而是整个铜层。为了降低对金属层的损坏以及确保弯折柔性电路板的可靠性，关键的是需要确定不损坏金属层条件下FPC所能承受的应力值。

要弄清弯折和弯曲FPC形成的应力值不是简单地弄清最大刚度组成材料的模量，而是要弄清FPC是怎样构成的。举例来看，在多层电路板中，介质层的厚度差异会导致弯折FPC时应力的增加。多层电路的每一层都有自己的模量，同时，多层电路也有一个整体模量。铜作为多数微波电路中刚度最大的组成材料，铜的厚度以及FPC叠层中铜的比例将很大程度决定FPC的整体模量和弯曲特性。

铜的种类也将影响微波电路的弯曲特性。由于压延铜和ED（电镀）铜的纹理结构不同，压延铜比ED铜更适合需要承受弯折或弯曲的FPC应用。对于需要使用ED铜的应用，可使用一些特殊种类可以承受更大的弯折和挠曲的ED铜。此外，诸如ENIG（化镍浸金）等铜导体的表面处理将使FPC的整体模量增加，而进一步限制FPC所能承受的弯折和弯曲能力。

不同的微波电路结构将表现出不同的弯折和弯曲特性。中间是介质，上下层是铜箔导体的带状线结构，比微带线能承受更大的弯折或弯曲。在典型的带状线结构中，信号导体层处于最低应力的中性轴或者附近。然而外部接地平面仍具有高的应力值。

避免弯折或弯曲对电路材料造成损坏的一般准则可以分为单次弯折和动态挠曲两种情况来考虑。对于单次弯折，弯折半径应该至少为电路厚度的10倍，以满足电路应力不超过2%。对于动态弯曲，要达到弯曲次数超过1百万次应力应该保持低于0.2%；弯曲次数是1百万次或小于1百万次的应力应该低于0.4%。