CN115455888A - 一种二层可延展柔性电路板的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二层可延展柔性电路板的设计方法，包括以下步骤：S10，设计电子器件，电子器件包括若干个功能区，每个功能区分别包括至少一个功能单元；S20，设计二层蛇形线结构可延展柔性电子系统电路板；所述S20包括：电路连接走线采用U型蛇形线结构；采用元件焊盘方式设计双层FPCB的电性通孔；将二层FPCB当成两种单层的FPCB导出Gerber文件，其中顶层的布线层与通孔层作为一个单层FPCB Gerber文件，底层的布线层与通孔层X或Y镜像作为另一个单层FPCB Gerber文件。本发明实现从传统电子技术走向柔性电子技术，兼容传统电子技术设计方法，工作效率高、设计难度降低、降低重复工作、设计准确性高，降低制备过程对设备的要求与操作难度。

Description

一种二层可延展柔性电路板的设计方法

技术领域

本发明属于柔性电子技术领域，涉及一种二层可延展柔性电路板的设计方法。

背景技术

可延展柔性电子技术的设计与制备多样化，没有统一的标准。电子科技大学黄振龙博士提出的四层可延展柔性电路系统电路板是以AUTOCAD设计与绘图实现。美国西北大学Rogers教授提出的一个二层可延展柔性电路系统电路板是以CAD(计算机辅助设计软件)设计与绘图实现的。现有的可延展柔性电路系统电路板以AUTOCAD或其它CAD软件设计与绘图，没有充分利用传统电路板设计软件设计与绘图PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)，增加了可延展柔性电路板设计难度、工作量，在几个CAD软件转换的图形与原图形容易产生差异。

发明内容

为解决采用AUTOCAD或其它CAD软件设计与绘图可延展柔性电路板造成的设计工作量大、难度大，设计过程出错概率较大，CAD软件转换的图形与原图形容易产生差异。提出(1)建立在传统电路板设计与制造的基础上，充分利用电子业界主流电路板设计软件进行设计，又有别于传统的设计方法，设计二层可延展柔性电路板。(2)导出PCB(PrintedCircuit Board印制电路板)三维图形，直接导入应力仿真软件，稍加处理获得应力仿真模型方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种二层可延展柔性电路板的设计方法，包括以下步骤：

S10，设计电子器件，电子器件包括若干个功能区，每个功能区分别包括至少一个功能单元；

S20，设计二层蛇形线结构可延展柔性电子系统电路板；

所述S20包括：

电路连接走线采用U型蛇形线结构；

采用元件焊盘方式设计双层FPCB的电性通孔；

将二层FPCB当成两种单层的FPCB导出Gerber文件，其中顶层的布线层与通孔层作为一个单层FPCB Gerber文件，底层的布线层与通孔层X或Y镜像作为另一个单层FPCBGerber文件。

优选地，所述S10中，所述功能单元包括以下至少五种：压力传感器、运算放大处理单元、心电图与血氧饱和度传感单元、能量供应或转换单元、电极、NFC天线线圈、NFC标签和近场通信单元。

优选地，所述S20中，还包括FPCB中增加若干个与蛇形线或元件边缘焊盘间距0.3-0.6mm，孔径0.2-0.5mm分布式的有或无的电气连接特性通孔。

优选地，所述S20后，以二个单层FPCB Gerber文件为依据进行FPCB制造，制造二个单层18/12.5um厚的Cu/PI FPCB。

优选地，所述S20中，还包括导出通孔文件，再处理Gerber文件，导出通孔结构dxf格式文档，供激光加工设备加工Cu/PI/Ecoflex层中Ecoflex层通孔。

优选地，在S20后，还包括FPCB粘贴在Ecoflex/载玻片上，反应等离子刻蚀FPCB的PI层，留下铜图案粘贴的PI图案，清洁Cu/PI/Ecoflex层表面，得到Ecoflex层通孔待加工的可延展柔性电子系统电路板。

本发明的有益效果如下：

本发明可以实现从传统电子技术走向柔性电子技术，兼容传统电子技术设计方法，工作效率高、设计难度降低、降低重复工作、设计准确性高，降低制备过程对设备的要求与操作难度；

ANSYS WORKBENCH仿真所得二层可延展柔性电子系统电路板图形真实于原图形，无需经其它第三方CAD软件处理。

附图说明

图1为本发明方法实施例的二层可延展柔性电路板的设计方法的步骤流程图；

图2为采用本发明方法实施例的二层可延展柔性电路板的设计方法所设计的FPCB图与制备的二层可延展柔性电子系统电路板图，其中(a)传统的FPCB图、(b)单元蛇形线结构图、(c)蛇形线走线局部图、(d)两个单层FPCB中的顶层图、(e)两个单层FPCB中的底层图、(f)增加通孔的FPCB图、(g)两个增加通孔的单层FPCB中的顶层图、(h)两个增加通孔的单层FPCB中的底层图、(i)激光加工通孔图、(j)二个单层FPCB粘贴在Ecoflex硅胶层/载玻片图(k)制备的二个单层可延展柔性电路图；

图3为采用本发明方法实施例的二层可延展柔性电路板的设计方法的ANSYS建立的二层可延展柔性电路模型图与应力仿真图，其中(a)FPCB三维图、(b)ANSYS Workbench处理的三维顶层可延展柔性电路图、(c)ANSYS Workbench处理的三维底层可延展柔性电路图、(d)ANSYS Workbench的二层可延展柔性电路应力仿真模型图、(e)二层可延展柔性电路拉伸10％的应力分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

参见图1，为本发明实施例的二层可延展柔性电路板的设计方法的步骤流程图，包括以下步骤：

S10，依据电子系统的基本设计流程即系统分析与规格说明，体系结构设计，硬件构件与软件构件设计，系统调试与集成，系统测试而进行二层可延展柔性电路板设计。电路设计所述电子器件的多个功能单元，所述电子器件包括多个功能区，每个功能区分别包括至少一个功能单元。

使用电路设计软件设计与绘制电子系统电路原理图。所述功能单元包括以下至少五种：压力传感器与运算放大处理单元、心电图与血氧饱和度传感单元、能量供应或转换单元、电极、NFC天线线圈、NFC标签；近场通信(Near Field Communication，简称NFC)。

S20，使用MENTOR公司PADS等电路设计软件设计二层蛇形线结构可延展柔性电子系统电路板，包括：

电路设计软件以传统柔性印制电路板(FPCB，Flexible Printed Circuit Board)布局为主，但需要考虑无大面积覆铜接地处理参考地的，降低干扰的影响；

电路连接走线采用U型蛇形线结构，直接采用电路设计软件设计蛇形线走线布线(注意电路软件设置蛇形线走线的要求)；

采用元件焊盘方式设计双层FPCB的电性通孔；

FPCB设计增加一定数量与蛇形线或元件边缘焊盘间距0.3-0.6mm，孔径0.2-0.5mm分布式的有或无的电气连接特性通孔；

电路设计软件将二层FPCB当成两种单层的FPCB导出Gerber文件，Gerber文件是一种文件格式，是线路板行业软件描述线路板(线路层、阻焊层、字符层等)图像及钻、铣数据的文档格式集合，是线路板行业图像转换的标准格式。其中顶层的布线层与通孔层作为一个单层FPCB Gerber文件、底层的布线层与通孔层X或Y镜像作为另一个单层FPCB Gerber文件；

二个单层FPCB Gerber文件交给FPCB厂制造，制造二个单层18/12.5um厚的Cu/PIFPCB，Cu/PI FPCB是指PI聚亚酰胺衬底上电沉积Cu铜箔薄膜的FPCB柔性电路板；

电路设计软件导出通孔文件，再使用CAM350等PCB线路板制造工艺设计软件处理Gerber文件，导出通孔结构dxf格式文档，供激光加工设备加工Cu/PI/Ecoflex层中Ecoflex层通孔，Ecoflex为美国产的一种性能优良硅胶材料；

FPCB粘贴在Ecoflex/载玻片上，反应等离子刻蚀(RIE,Reactive Ion Etching)，RIE刻蚀FPCB的PI层，留下铜图案粘贴的PI图案，清洁Cu/PI/Ecoflex层表面，得Ecoflex层通孔待加工的可延展柔性电子系统电路板；

电路设计设计电路连接的通孔是当做圆形插件封装方式设计方法设计的，在制作的元件封装需要设置元件的实际厚度，在PCB LAYOUT(布局)中的Layers Setup(层设置)/Layout Thickness(布局厚度)两次设置TOP层(顶层)与BOTTOM层(底层)的不同的铜箔、基底的厚度，分别导出包含三维元件封装、铜箔厚度、基底厚度、通孔信息的.emn与.step两种格式文件，.emn与.step为电路板输出PCB的特定格式文件；

ANSYS HFSS仿真NFC天线并导出三维图形，再导入ANSYS WORKBENCH SpaceClaimGeometry；PCB三维图形.emn与.step两种格式文件一并导入ANSYS WORKBENCH SpaceClaimGeometry；稍加处理，可得到二层可延展柔性电子系统电路板贴在皮肤应力仿真结构模型，ANSYS软件为国外优秀的结构设计软件；

二层可延展柔性电子系统电路板贴在皮肤进行网格划分，材料参数等等设置，可得拉伸10％应力仿真图。

本公开实施例所提供的二层可延展柔性电子系统电路板的设计方法，可以获得高密度蛇形线连接线与元件的可延展柔性电子系统，实现柔性电子技术与传统电子技术兼容的设计理念与方法，且设计方法简单、成本低、效率高、速度快、准确性高，探索柔性电子技术产业化设计方法。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

本发明直接利用PADS等电路设计软件设计可延展柔性电子系统电路板设计方法。

蛇形线结构互连线直接采用与电路设计软件设计传统FPCB设计蛇形线设计方法设计，采用元件焊盘方式设计双层FPCB的电性通孔，设计双层FPCB但是导出的是两个单层FPCB。

在单层SFPCB(Stretchable Flexible Printed Circuit Board,可延展柔性电路板)无导电线路与焊盘部位设计添加一定数量通孔。从而在SFPCB的制备解决了FPCB层与Ecoflex层粘贴产生的一些气泡，粘附性弱，图案转印，图案层对齐难题。

电路设计软件在制作的元件封装需要设置元件的实际厚度，在PCB LAYOUT(PCB布局)中的Layers Setup(层设置)/Layout Thickness(布局厚度)两次设置TOP层(顶层)与BOTTOM层(底层)的不同的铜箔、基底的厚度，分别导出包含三维元件封装、铜箔厚度、基底厚度、通孔信息的.emn与.step两种格式文件；

ANSYS WORKBENCH SpaceClaim Geometry分别导入.emn与.step两种格式文件，稍加处理，可得到二层可延展柔性电路板贴在皮肤应力仿真结构模型。

具体实施例中，硬质衬底可以是玻璃片、硅片等硬质、不易变形，便于后续步骤进行微加工的片状物体，本领域技术人员可以根据实际需要对硬质衬底进行选择，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，所述功能单元可以包括以下至少五种：压力传感与运算放大处理单元、心电图与血氧饱和度传感单元、能量供应或转换单元、电极、NFC天线线圈、NFC标签。

参照图1所示，可延展柔性电子系统先在FPCB设计与功能实现基础上,然后转移到柔性电子设计与制备、测试方法。

依据电子系统的基本设计流程即系统分析与规格说明，体系结构设计，硬件构件与软件构件设计，系统调试与集成，系统测试而进行二层可延展柔性电子系统电路板设计。电路组成部分主要是由TI的RF430FRL152H、BQ25570，MAXIM的MAX86150为主芯片设计可供心电图与血氧饱和度监测、二路阻抗式压力监测项的，二选一工作模式的，用于可延展柔性电子生理参数监测系统。

使用电路设计软件设计与绘制电子系统电路原理图。

如图2(a)所示，使用MENTOR公司PADS等电路设计软件设计与绘制传统二层FPCB，但需要考虑可延展柔性电子系统的特点，尤其注意降低电磁干扰的影响；

如图2(a)、2(b)、2(c)所示，设置蛇形线走线参数，直接采用电路设计软件设计蛇形线走线布U型蛇形线；

如图2(a)、2(d)、2(e)所示，采用元件焊盘方式设计双层FPCB的电性通孔；

如图2(f)、2(g)、2(h)所示，FPCB设计增加一定数量与蛇形线或元件边缘焊盘间距0.3-0.6mm，孔径0.2-0.5mm分布式的有或无的电气连接特性通孔；

FPCB厂按照设计的FPCB设计文件与加工要求进行加工；按照FPCB制造流程完成装配好元件的柔性电路板(FPCBA)，电子系统功能实现；再修改FPCB设计，转移到可延展柔性电子系统设计，制备可延展柔性电子系统。

参照图2(a)、2(f)，将二层FPCB当成两种单层的FPCB导出Gerber文件，其中顶层的布线层与通孔层作为一个单层FPCB Gerber文件、底层的布线层与通孔层X或Y镜像作为另一个单层FPCB Gerber文件,如图2(d)、2(e)、2(g)、2(h)所示；

参照图2(g)、2(h)，将二个单层FPCB Gerber文件交给FPCB厂制造，制造二个单层18/12.5um厚的Cu/PI材质的FPCB；

将FPCB粘贴在Ecoflex/载玻片上，如图2(j)所示；

RIE刻蚀FPCB的PI层，留下铜图案粘贴的PI图案；

清洁Cu/PI/Ecoflex层表面，得Ecoflex层通孔待加工的可延展柔性电子系统电路板；

如图2(i)所示，PADS等电路设计软件导出通孔文件，再使用CAM350处理Gerber，导出通孔结构dxf格式文档，供激光加工设备加工Cu/PI/Ecoflex层中Ecoflex层通孔，得可延展柔性电路板，如图2(i)所示；

如图2(a)所示,电路设计软件设计电路连接的通孔是当做圆形插件封装方式设计方法设计的，在制作的元件封装需要设置元件的实际厚度，在PCB LAYOUT中的LayersSetup/Layout Thickness两次设置TOP层与BOTTOM层的不同的铜箔、基底的厚度，分别导出包含三维元件封装、铜箔厚度、基底厚度、通孔信息的.emn与.step两种格式文件；

参照图3(a)、3(b)、3(c)、3(d)，ANSYS HFSS仿真NFC天线并导出三维图形，再导入ANSYS WORKBENCH SpaceClaim Geometry；PCB三维图形.emn与.step两种格式文件一并导入ANSYS WORKBENCH SpaceClaim Geometry；稍加处理，可得到二层可延展柔性电路板贴在皮肤应力仿真结构模型，如图3(d)所示；

二层可延展柔性电子系统电路板贴在皮肤进行网格划分，材料参数等等设置，可得拉伸10％应力仿真图，如图3(e)所示；

本公开实施例所提供的可延展柔性电路板的设计方法，包括其制备工艺简单、成本低、效率高、速度快、适用范围广；

需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了可延展柔性电路板的设计方法如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各步骤，只要符合本公开的技术方案即可；

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种二层可延展柔性电路板的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10，设计电子器件，电子器件包括若干个功能区，每个功能区分别包括至少一个功能单元；

S20，设计二层蛇形线结构可延展柔性电子系统电路板；

所述S20包括：

电路连接走线采用U型蛇形线结构；

采用元件焊盘方式设计双层FPCB的电性通孔；

将二层FPCB当成两种单层的FPCB导出Gerber文件，其中顶层的布线层与通孔层作为一个单层FPCB Gerber文件，底层的布线层与通孔层X或Y镜像作为另一个单层FPCB Gerber文件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S10中，所述功能单元包括以下至少五种：压力传感器、运算放大处理单元、心电图与血氧饱和度传感单元、能量供应或转换单元、电极、NFC天线线圈、NFC标签和近场通信单元。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S20中，还包括FPCB中增加若干个与蛇形线或元件边缘焊盘间距0.3-0.6mm，孔径0.2-0.5mm分布式的有或无的电气连接特性通孔。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S20后，以二个单层FPCB Gerber文件为依据进行FPCB制造，制造二个单层18/12.5um厚的Cu/PI FPCB。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S20中，还包括导出通孔文件，再处理Gerber文件，导出通孔结构dxf格式文档，供激光加工设备加工Cu/PI/Ecoflex层中Ecoflex层通孔。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在S20后，还包括将FPCB粘贴在Ecoflex/载玻片上，反应等离子刻蚀FPCB的PI层，留下铜图案粘贴的PI图案，清洁Cu/PI/Ecoflex层表面，得到Ecoflex层通孔待加工的可延展柔性电子系统电路板。

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