軟硬結合板是什么？

FPC與PCB的誕生與發展，催生了軟硬結合板這一產品。因此，軟硬結合板，就是柔性線路板與硬性線路板，經過壓合等工序，按相關工藝要求組合在一起，形成的具有FPC特性與PCB特性的線路板。剛柔板的本質是將FPC作為PCB的一個層或者兩個電路層，再對PCB的剛性進行部分銑加工，只保留柔性部分。

軟硬結合板互連設計規范

1 軟硬結合板介紹

1.1  軟硬結合板定義

IPC6013（或IPC－2223）以三個特征定義軟硬結合板：

1、材料（含有剛性和柔性材料）

2、線路層（3層以上）

3、含有PTH孔

圖1軟硬結合板

1.2  軟硬結合板的特點

優點：

1) 適用于折疊結構，如折疊手機、滑蓋手機等。

2) 取消與軟板之間連接器，提高連接可靠性。

3) 實現3D組裝要求。

4) 簡化組裝流程，減少組裝器件的數量及流程。

5) 產品的微型化，因為使用的材料較薄。

缺點：

1)  目前成本較高。

2)  供應商較少，特別是HDI Rigid-Flex。

3)  設計經驗較少。

1.3  軟硬結合板的應用場合

1.3.1  終端產品

隨著終端產品小型化、薄型化發展，產品架構越來越復雜，器件布局空間越來越小，軟硬結合板常用于有彎折需求、不同高度層面單板間互連、節省柔板BTB連接器，減少布局面積，提高連接可靠性的地方。

圖2軟硬板在終端產品的應用

1.3.2  系統板

在系統板也有大量軟硬結合板的使用。

WiMax基站用軟硬板替代75根線纜，可以實現成本節約。

圖3WiMax基站用軟硬板替代75根線纜

圖4光傳輸網絡中軟硬板的使用

對軟硬板進行阻抗控制，移動電話基站用軟硬板替代雙絞線電纜。

圖5移動電話基站用軟硬板替代雙絞線電纜

圖6數據存儲和移動電話基站數據傳輸系統中軟硬板使用

2 軟硬結合板板才介紹

軟硬結合板使用的硬板材料與常用的硬板材料一致，軟板材料與常用的軟板材料一致。在軟硬結合板層疊歸一化過程中，為了使材料種類統一，廠家備料方便，軟硬結合板選用了HDI硬板中常用的PP1080。

除芯板外，其它材料均是卷狀提供。

圖7硬板材料來料形式

2.1  FCCL

FCCL分為2L FCCL和3L FCCL。

2L FCCL只有PI和銅兩層組成，3L FCCL包括PI、膠和銅三層。如圖所示：

圖82L FCCL

圖93L FCCL

2L FCCL和3L FCCL的性能比較如下：

表12L FCCL和3L FCCL的性能比較

軟硬結合板設計中優先選擇優選2L FCCL（無膠銅）

2.1.1  PI

聚酰亞胺（簡稱PI）是柔性電路加工中最常用的熱固化絕緣材料。材料的厚度范圍一般是12.5μm（0.5mil）至125μm（5mil），已有的厚度有7.5、12.5、25、50、75和125um。常用的規格是25μm(1mil)和12.5μm(0.5mil)。比如DuPont（杜邦）公司的“Kapton?”薄膜。

優點：高度撓曲性，良好的抗撕裂性。耐高溫、耐燃，可折疊可防靜電干擾，化學變化穩定，良好的絕緣性能和介電性能。是阻燃材料，具有突出的抵抗焊接溫度性能，在焊接條件下電性能絲毫無損。電氣性能和機械性能極佳。利于設計、使用壽命長。

缺點： 吸濕性高，價格相對高。

PI的主要供應商及具體的商品型號，可參考下表：

表2PI的商業種類

各種供應商生產的PI，其特性也有不同：

表3PI的特性比較

2.1.2  Adhesive

用來粘接導體和介質也是非常重要的。它必須保證FPC在加工時不脫膠或不過多地溢膠。

1）丙烯酸類（Acrylic  12.5um/25um）

丙烯酸膠(Acrylic adhesives)及其改良膠(Modified Acrylic Adhesives)是一種熱固化材料。

材料厚度一般有12.5μm（0.5mil）至100μm（4mil），常用的是0.5mil和1mil。它廣泛應用于高溫柔性場合（如需要鉛錫焊接操作），保證在這些應用場合下不脫膠或起泡。它還具有優良的抗化學作用特性，可以抵抗加工過程中化學物質和溶劑的影響。結合力極好，而且撓性很好.在選用改性丙烯酸薄膜做內層的粘結劑時，兩個內層之間的丙烯酸的厚度一般不超過0.05mm，以防止熱沖擊時Z方向膨脹過大而造成金屬化孔的斷裂。當0.05mm厚的丙烯酸無法滿足粘結要求時，應改用環氧樹脂型粘結片代替.與傳統的丙烯酸膠不一樣，改良丙烯酸膠具有部分類似熱塑性材料的特性。它是用局部橫向耦合的方式來改良材料的。當溫度大于它的玻璃轉化溫度時（Tg），膠就粘到銅或介質上。因為材料的局部橫向耦合結構，膠可以在需要時重復粘接。像Rogers公司的“R/Flex? 2005”或Dupont公司的“Pyralux? LF”材料中用的膠就用了改良丙烯酸膠。

2）環氧類（Epoxy  12.5um/25um）

環氧樹脂是一種熱固化材料，結合力不如丙烯酸樹脂，因而主要用于粘結覆蓋層和內層。環氧樹脂的熱膨脹系數低于丙烯酸數倍，在Z方向的熱膨脹小，利于保證金屬化孔的耐熱沖擊性。在環氧樹脂里面加入其它聚合物來得到增加柔性的改良環氧樹脂膠。改良環氧樹脂膠具有低的溫度膨脹系數，經常應用于多層FPC或軟硬結合板。改良環氧樹脂膠具有極好的Z軸膨脹系數特性，還具有高的粘合力，低的潮濕吸收率，以及抵制加工過程化學溶劑的抗化學作用特性。

3）丙烯酸膠與環氧類膠的比較

Acrylic adhesives具有耐熱性佳.接著強度高的優點,不過在電性方面比環氧樹脂的絕緣電壓約小10倍左右,且在高溫高濕的環境下容易造成銅離子的擴散。 

表4丙烯酸膠和環氧樹脂膠的特性比較

2.1.3  CU

1）電解銅箔（ED，Electrodeposited copper）

采用電鍍方式形成，其銅微粒結晶狀態為垂直針狀，易在蝕刻時形成垂直的線條邊緣，有利于精細線路的制作；但在彎曲半徑小于5mm或動態撓曲時，針狀結構易發生斷裂。

2）壓延銅箔（RA，Rolled－Annealed copper）

其銅微粒呈水平軸狀結構，能適應多次撓曲且壓延銅表面比電解銅的光滑，撓性覆銅基材多選用壓延銅箔。由于趨膚效應的原因，用壓延銅做的導線在高頻時的損耗較小。

建議在設計文件中，指出FPC彎曲的方向，使FPC板彎曲的方向與銅的方向一致。

圖10電解銅和壓延銅微粒結晶結構示意圖

3）特性比較

ED銅和RA銅的特性區別，可參考下面表格：

表5ED銅與RA銅的特性比較

4）銅箔應用選擇原則

實際應用中，是選擇電解銅（ED銅）還是壓延銅（RA銅），可參考下表：

表6銅箔實際應用選擇

2.2  PP

PP分為Normal PP和No-Flow PP，二者的性能比較如下：

表7Normal PP和No-Flow PP性能比較

圖11Normal PP和No-Flow PP性能比較

在軟硬結合板層疊歸一化過程中，為了使材料種類統一，廠家備料方便，軟硬結合板選用了HDI硬板中常用的PP1080。

2.3  阻焊

軟硬結合板硬板區域的阻焊與硬板設計規范一致，采用綠油設計。軟板區域的阻焊與柔板設計規范一致，采用Coverlayer設計。軟板區域存在細間距焊盤的時候，無法使用Coverlayer時，也使用阻焊油墨。

2.4  補強(Stiffener)

補強的材料和軟板補強的材料一致。軟硬結合板貼補強的膠盡量采用熱壓膠，以保證單板SMT過回流爐時補強不會掉。

2.5  PCB廠家軟硬板材料

2.5.1  美維

1、軟板部分的材料

表8 美維軟板部分的材料

根據銅厚選擇同一序號下不同的CVL進行搭配，而不是局限于橫向的一一對應關系。

2、硬板部分的材料

SME應用在軟硬結合板的硬板材料有兩家供應商：松下和臺燿。

2.6  廠家常用層疊結構及板材

2.6.1  美維

a)4層通孔板

b)6層通孔板

c)4層一階HDI

d)6層一階HDI

2.6.2  華通

a)4層通孔板

1、1＋2F＋1（B/S＋Core半沖開蓋）內層不鍍銅

2、1+2F+1  (PP+Core蝕刻開蓋) 內層不鍍銅

b)6層通孔板

c)4層一階HDI

d)6層一階HDI

3 軟硬結合板層壓結構和阻抗控制

3.1  常用層疊結構

軟硬結合板的層壓結構要求為歸一化層疊，基本可分為：單層居中，雙層居中，單層表層三種。

軟硬結合板PCB設計的疊層要遵循以下的原則：

1.層厚分布對稱：如5-1-5型 HDI軟硬結合板，1-2層采用70um的PP1080，則5-6層應采用70um的PP1080，但位于中間層的柔板不遵循此原則，即除柔板層不遵循對稱原則外，其他硬板層均遵循層厚分布對稱原則；

2.積層對稱：如1+C+1.2+C+2層結構，不建議采用諸如1+C+0.2+C+0.2+C+1等不對稱結構；

3. 保持內層CORE板結構對稱性；

4. 走線層、平面層分布對稱；

下面提供了一些常見的軟硬結合板層疊結構。

3.1.1  單層居中

對于軟硬結合板來說，硬板部分最薄可以做到0.3mm，但從實際應用的角度出發，0.4mm及以上的硬板在硬度等方面可用性更強，同時1mm及以上的單板由于太厚，在手機上的應用場景有限，所以以下只介紹0.4mm及以上0.8mm及以下的軟硬結合板。更厚或更薄的單板層疊可類推。

圖120.4mm 3-1-3 A Type

圖130.4mm 3-1-3 B Type

對于0.4mm三層軟硬結合板來說，可分為有膠和無膠兩種，由于厚度偏薄，會出現硬板偏軟的問題，而有膠銅的使用雖然時阻抗的控制更容易些，但同樣帶來了柔板偏硬的問題。

圖140.5mm 5-1-5 A Type

圖150.5mm 5-1-5 B Type

如上圖所示，0.5mm可以做成5層軟硬結合板，同樣分為有膠和無膠兩種，L3若需控阻抗則需挖掉L2對應的地，控制阻抗在50歐姆問題不大。

圖160.6mm 5-1-5 A Type

圖170.6mm 5-1-5 B Type

0.5mm與0.6mm的軟硬結合板應用的場景比較多，對于單層柔板來說，厚度上面的差異主要取決于到底使用prepreg1080 還是prepreg2116。對于阻抗控制來說使用prepreg2116控50歐更容易些。

圖180.75mm 7-1-7 A Type

圖190.8mm 7-1-7 B Type

對于7層的軟硬結合板，可以實現的厚度為0.7-0.8mm之間，介質層的使用可以參照以上。

3.1.2  雙層居中

雙層居中的軟硬結合板，相對來說的應用場景更多，若在兩塊硬板間需要走大量的信號線，用雙層居中型的軟硬結合板代替連接器是不錯的選擇。

圖200.3mm 4-2-4 A Type

圖210.35mm 4-2-4 B Type

四層的軟硬結合板，在對厚度要求比較嚴格，又有補強作支撐的應用來說，是比較合適的，但若要控制阻抗，內層的阻抗很難控制到50歐姆，由于介質厚度有限，只能將內層的阻抗控制在40歐姆左右。

圖220.5mm 6-2-6 A Type

圖230.55mm 6-2-6 B Type

六層軟硬結合板的應用場景是很多的，并且阻抗的控制也會好些。有膠銅相對無膠銅在柔板的彎折性能上要差一些。為避免出現柔板偏硬，硬板偏軟的的情況，還要使用局部電鍍，使柔板部分的厚度更薄。

圖240.6mm 6-2-6 A Type

圖250.65mm 6-2-6 B Type

圖260.8mm 8-2-8 A Type

圖270.85mm 8-2-8 B Type

八層及以上的軟硬結合板，由于成本較高，使用范圍相對較小，很少使用。

3.1.3  單層表層

柔板部分位于表層的軟硬結合板，應用場景并不多，以下分別為幾種常用厚度的軟硬結合板形式。

圖280.6mm 4-2-4 A Type

圖290.6mm 4-2-4 A Type

圖300.8mm 6-2-6 A Type

圖310.8mm 6-2-6 A Type

圖320.8mm 4-2-4 A Type

圖330.8mm 4-2-4 A Type

圖340.8mm 6-2-6 A Type

圖350.8mm 6-2-6 A Type

圖360.8mm 8-2-8 A Type

圖370.8mm 8-2-8 B Type

3.2  軟硬結合板常用層疊阻抗控制

總體來說軟硬結合板在進行阻抗計算及阻抗控制時與HDI硬板差異不大，同樣可以通過阻抗計算工具得出，以下我們僅以實際生產過的單板為例，分別說明一下1+4+1 1+2+1軟硬結合板在阻抗控制方面的情況。

3.2.1  1+2+1

廠家量產的四層軟硬結合板，柔板部分位于中間，盡管每一層都進行了電鍍，但由于受整體厚度所限，層與層之間的厚度也很薄，對于阻抗控制來說，變得更加困難，根據實際量產的情況，表層的阻抗控制是比較正常的；但內層只能控制阻抗到40歐姆。

圖381+2+1廠家層疊

根據以上層疊，表層參考次外層，控制阻抗線50歐姆，線寬可以控制在0.13mm左右，倘若挖空次外層，則線寬可以控制在0.3mm左右，比較理想。

圖391+2+1廠家阻抗控制

3.2.2  1+4+1

六層軟硬結合板的阻抗控制是比較容易的，并且內層和外層都可以控制在50歐姆，從廠家量產的情況看也是比較理想的。

圖401+4+1廠家層疊

對于六層的軟硬結合板，表層控50歐姆，線寬可以控制在0.12mm左右，內層，比如三層和四層當線寬控制在0.085mm是，帶狀線阻抗即可達到50歐姆。

圖411+4+1廠家阻抗控制

4軟硬結合板的可靠性

4.1  軟硬結合區的布線設計間距特殊要求

軟硬結合板強度要求，在硬板部分遵從硬板標準，軟板部分遵從軟板標準，軟硬結合區遵從以下特殊要求。

A：軟硬板，軟板最小長度3mm

B：通孔到軟硬結合區分界線0.8mm

C：Laser孔到軟硬結合區分界線0.8mm

D：走線到軟硬結合區分界線0.4mm

E：軟硬板過渡區綠油0.5mm

圖42軟硬結合區設計間距要求

4.2  軟硬結合區Coverlay，覆蓋膜等設計要求

1.推薦采用局部Coverlay，避免因Coverlay伸入硬板區域影響孔的可靠性問題。

局部Coverlay伸入硬板區域0.8mm

圖43軟硬結合區Coverlay設計

2.貼屏蔽膜的軟硬結合區，覆蓋膜沉入硬板高度差推薦小于0.25mm。 

圖44軟硬結合區屏蔽膜（PC5000）設計

3.EMI屏蔽層伸入硬板區域0.8mm，硬板區域走線距離屏蔽層0.4mm

圖45軟硬結合區屏蔽膜（PC5000）設計

3.埋孔厚度小于0.4mm，除非增加單獨的塞孔工藝。

4.保證連接強度，在厚度允許下，可在軟板區域增加輔助airgap保護膜

4.3  軟硬結合板的結構設計要求

軟硬板的板外形設計要求遵從于軟板結構設計要求，板型內徑須大于0.5mm以上。下面是軟硬版結合區特殊結構要求。

1.軟硬結合板軟板區的長度推薦≥5mmm，寬度≥3mm。

2.銑槽寬度因大于1mm以上

圖46軟硬結合板銑槽寬度設計

4.4  軟硬結合板的彎折設計要求

軟硬板彎折性設計遵從柔性板設計規范，針對軟硬結合區域有如下特殊要求。

1.軟板區域的airgap可以提高彎折性能

2. 柔板的靜態彎折區域保持2mm以上（包括有airgap單板），保證彎折半徑和軟硬結合區域大小。

圖47軟硬結合區屏蔽膜（PC5000）設計

5 軟硬結合板布局布線設計

軟硬結合板根據各廠家加工能力及制成方法的不同，對布局布線的設計會有不同要求。以下提供通用要求。

硬板部分設計須遵循《終端PCB工藝設計規范》。

軟板部分設計必遵循《終端FPC互連設計規范》。

5.1  軟硬結合板布局設計

1、保證彎折區域的軟板長度：一般情況下，彎折半徑設計為至少10倍于軟板厚度，假設軟板厚度0.15mm，彎折半徑 r 應該設計為1.5mm min；如下圖設計，軟板彎折區域長度應為π*r ，4.71mm min，還需補償硬板的溢膠0.5mm左右。

圖48彎折半徑

2、軟板的設計增加硬板的保護，防止人工彎折時直接從溢膠處彎折；

圖49軟硬結合處的硬板保護

3、軟板區不能放置需要SMT的器件，會造成高度不一致，鋼網無法制作的問題。

4、SMD焊盤的焊盤邊緣距軟硬結合板的軟板與硬板結合區邊緣建議≥25mil以上；

5.2  軟硬結合板布線設計

1、PTH孔的孔壁邊緣距軟硬結合板的軟板與硬板結合區邊緣建議≥25mil以上；

2、撓折區線寬建議≥4mil；

3、如果軟板區彎折要求高，應避免在軟板層整板鍍銅，可設計在軟板區無鍍銅，即沒有過孔，如若設計必須在軟板層鉆孔電鍍，建議改為Button plating

4、過孔、線路距離軟硬結合區≥1mm

5、貼Shield（PC5000）屏蔽膜區的高度差推薦

圖50PC5000屏蔽膜區的高度差

6、軟硬板的阻抗控制方法

1）阻抗線完全位于硬板區域，所以采用的阻抗計算模式跟常規的是一致的。

2）軟板上阻抗線，走線大部分在軟板區域，阻抗值單一以軟板區域走線計算為準。 計算模式一般如下圖：

圖51阻抗計算

3）軟板上阻抗線，走線在軟板區域和硬板區域。則參考層在硬板區域和軟板區域是不一致的。需要分別模擬計算并調整線寬（即同一根走線在不同區域可能線寬不一致）

5.3  軟硬結合板拼板設計

1、由于要SMT，拼板設計與硬板拼板要求一致

2、拼板間及與輔助邊連接采用郵票孔連接，后續通過沖型模具分板。

3、軟板區域不能有連接條設計，否則只能人工剪開，影響試制效率及會引起公差的問題。

6軟硬結合板的加工

 加工制作過程

以一個6層板（1＋4＋1）為例來說明加工過程。層疊如下

圖526層軟硬板的疊構實例

L3L4層軟板芯板圖形制作（包括按鍵區域via3-4的埋孔）――局部貼coverlayer－－軟板表面處理，（若非整板貼coverlayer，則硬板區域需干膜覆蓋）－－

層壓至L2-L5層（軟板區域上方采用的為No flow PP）－－ L2L5鉆孔，電鍍，圖形制作等－－層壓至L1-L6層－－L1L6鉆孔，電鍍，圖形制作，阻焊，表面處理（沉金）－－揭蓋去除軟板區域上方的硬板－－成型－－OSP

需要注意點：

層壓L2－L5前，軟板區域正上方的No flow PP已做挖掉處理，而L2、L5層的銅，L1、L6層的銅及它們之間的PP都是完整的（未挖掉）進行層壓，這樣在No flow PP與L2層銅之間就會形成一個小間隙，最后采用控深銑技術最后將軟板區域正上方的硬板去掉。

圖53控深銑技術

廠家反饋制作流程示意圖如下：

圖54控深銑技術的制作流程

常用表面處理

常規表面處理方式

軟硬結合板的表面處理主要分為兩部分，既軟板部分和硬板部分。通常軟板和硬板部分的表面處理和單獨的軟板和硬板的表面處理是相同的。美維軟板部分表面處理分為4種。化學沉金，電鍍金，軟鎳，這三種一般是軟板部分與硬板部分表面處理分開制作。鎳鈀金 則是和硬板部分一起表面處理。而硬板部分則是和普通硬板的處理方式相同，一般為化金和OSP。

表9三星的表面處理方式

6.5  成本分析及降成本建議

6.5.1  物料方面

PI材料的成本相對于硬板FR4材料而言價格很貴，因此軟硬結合板的整體成本同FCCL相關很大；

建議：盡量選用1mil厚度的FCCL；2mil，3mil或者更厚的FCCL也可以選用，但是成本相對于1mil高很多。

6.5.2  R-F結構與拼板方面

建議: 1. STACKUP設計盡量對稱,如: N-2F-N. N代表硬板層數,2F表示兩層軟板線路設計。

2 軟板層(2F)盡量不要設計鉆孔,表面處理,補強等,盡量把鉆孔和表面處理需要設計在硬板。

3 拼版設計尺寸盡量不要太大,方便提高板料利用率。

7 軟硬結合板的SMT

7.1  軟硬結合板SMT要求

軟硬結合板的SMT需要使用工裝。按照硬板的工藝路線設計。

7.1.1   器件布局要求

軟硬結合板的器件布局要求分別按照軟板和硬板的設計規范要求處理，需要特別注意由于板厚原因引起的硬板強度問題（比如1階4層HDI不能增加厚度）；

柔板區盡可能不布器件，可能的情況下盡量不使用補強，連接器和器件都放在硬板區；

一般SMT產線柔板部分不能貼器件；

背膠、泡棉等輔料在EMS組裝廠貼裝，補強片在PCB板廠加工；

器件焊盤距離軟硬結合區1mm以上。

7.1.2   拼板要求

軟硬結合板需要拼板，一般使用郵票孔+銑槽的形式；

拼板的定位孔，mark點等按照工藝規范設計；

拼板設計時，不在柔板位置布局連接位。柔板如果相連，必須增加軟板外形線的設計，以識別分板外形線。（一般沒有能夠分軟板的設備，所以一般不設計柔板位置的連接位）；

軟硬結合板的拼板不能將柔板部分放在大拼板外部，如果無法避免，需要使用硬板輔助邊包圍。

剛柔板的設計注意點：

軟硬結合板強度要求，在硬板部分遵從硬板標準，軟板部分遵從軟板標準，軟硬結合區遵從以下特殊要求。

A、 需要考慮柔性板的彎曲半徑，彎曲半徑過小會容易損壞。

B、 有效減少總面積，優化設計減小成本。

C、 需要考慮安裝后立體空間的結構問題。

D、 需要考慮柔性部分走線的層數最佳設計。

E、軟硬板，軟板最小長度3mm

F、通孔到軟硬結合區分界線0.8mm

G、Laser孔到軟硬結合區分界線0.8mm

H、走線到軟硬結合區分界線0.4mm

I、軟硬板過渡區綠油0.5mm