FPC設計流程案例分析

摘要：文章針對柔性印刷電路板EDA設計中的常見案例進行了分析，并給出解決方案。同時，探討了板材選擇、疊層設計及阻抗控制等關鍵技術，并提出設計建議，希望為相關人員提供有效的借鑒與參考。

關鍵詞：柔性印刷電路板；EDA設計；案例分析；阻抗計算

中圖分類號：TP311" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）23-0087-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

柔性印刷電路板（Flexible Printed Circuit Board，FPC） 是一種以柔性高分子材料（如聚酰亞胺或聚酯膜） 作為介電層，通過精密蝕刻工藝制成的高性能電子互連組件。相較剛性電路板，FPC具有可彎曲、折疊、扭曲的特性，能夠適應復雜的三維空間布局，在輕薄化、動態彎曲和高密度布線場景中優勢顯著。

FPC主要由柔性基材、導電銅箔及介電保護層構成，通過電路圖形轉移、蝕刻、沖切、層壓、覆蓋膜等工藝，并利用通孔實現層間導通，從而制成單層、雙層或多層電路結構。其核心優勢體現在：可實現小于0.1 mm的超薄超輕設計；可承受數萬次的反復彎折；通過高集成度的柔性連接，實現了優良的抗振動與抗沖擊性能。這些特性使其廣泛應用于消費電子（如折疊手機、智能手表、運動相機） 、汽車電子（如車載傳感器、照明控制、顯示儀表） 、醫療設備（如內窺鏡、B超探頭、人工耳蝸） 以及航空航天及工業自動化（如人造衛星、無人機、高鐵控制系統） 等領域。隨著材料創新（如高導熱基材） 和工藝升級（如激光加工、3D打印） 的推進，FPC正推動柔性電子、可穿戴設備、新能源汽車等新興領域的發展，成為現代電子產品小型化與功能集成化的重要技術支撐[1]。本文將針對FPC設計的復雜性和特殊性，通過案例分析和技術探討，為FPC的EDA設計提供實踐指導。

1 FPC電路設計的關鍵技術與實踐

本章將對柔性印刷電路板設計流程進行分析，分別從EDA工具選擇、典型設計案例分析、FPC材料與結構設計、阻抗控制與信號完整性等方面進行探討。

1.1 EDA工具選擇

電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA） 指利用先進的計算機軟件輔助完成電子產品的設計與制造。EDA軟件現已廣泛應用于電子電路設計與仿真、芯片設計與驗證等多個領域。以FPC設計為例，主流的EDA設計軟件有Altium Designer（前身為Protel） 和立創EDA。

Altium Designer作為國際主流EDA工具，其功能全面且專業，支持復雜設計需求，如多層板、高速信號布線、剛柔結合板設計、3D建模與仿真（如信號完整性分析、電磁兼容性分析） 等。其交互式布線引擎和約束管理功能在復雜項目中表現突出。此外，Altium Designer支持多團隊協同設計，適合大型企業或高復雜度項目。

立創EDA為我國自主設計的軟件，以輕量化、易用性為核心，支持云端協作和瀏覽器直接使用，無須安裝。其內置海量封裝庫和3D模型，且與嘉立創商城無縫集成，可直接調用元器件數據并一鍵下單打樣，極大簡化了設計到生產的流程。其免費版本的功能已能滿足中小型項目需求，適合學生、初創團隊及快速原型開發[2-3]。

Altium Designer以功能深度和專業性見長，立創EDA則以低成本、易用性和生態整合為核心競爭力。兩者選擇須結合項目需求、預算及團隊技術能力綜合考量。

1.2 典型設計案例分析

本節將對柔性印刷電路板PCB設計流程中經常遇到的諸如CAD圖紙導入Altium Designer、特殊封裝繪制、FPC板鋪銅等案例進行分析。

1.2.1 AutoCAD圖紙導入Altium Designer

在項目開發過程中，分工協作是必不可少的。FPC電路板的物理外形，通常需要由EDA工程師與項目組的機械、結構工程師共同設計確定。多數情況是根據項目產品的電路、機械結構分布，先行在如AutoCAD這類計算機輔助設計軟件中繪制出FPC板的布局大小及尺寸。如果已經事先在CAD軟件中設計好了FPC板的邊框和布局尺寸，就可直接導入到EDA設計軟件中。以Altium Designer為例，其導入步驟如下。

1） 在AutoCAD軟件里，確定包含FPC板框及尺寸的內容在圖紙原點的右上方較近位置。如不確定原點位置，可把內容復制到一新建圖紙中。

2） 在Altium Designer軟件中，新建用于接收FPC板框的PCB圖紙并確定好原點，建議在原點處放置一個焊盤以備快速縮放定位。

3） 通過“文件”→“導入”→“DXF/DWG”，把相應AutoCAD的圖紙加載到Altium Designer中。在“從AutoCAD導入”對話框中，建議把“比例”參數設置為mm，“默認線寬”參數設置為0.2 mm，“層映射”中“源層名稱”為0的“PCB層”參數設置為如圖1所示的Keep-Out Layer。

4） 根據需要調整或隱藏不需要顯示的層，刪除冗余內容，只保留顯示禁止布線層（Keep-Out Layer） 作為板框。

5） 選中所有Keep-Out板框線條，通過“設計”→“板子形狀”→“按照選擇對象定義”確定板框顯示區域范圍，以方便后續設計。

1.2.2 異形焊盤封裝繪制

Altium Designer封裝庫主要提供標準的圓形、橢圓形和矩形焊盤封裝，而對于FPC設計中經常需要繪制特殊焊盤封裝，即異形焊盤。這類異形焊盤的制作可以直接在封裝庫里繪制，也可先在PCB圖中繪制好需要的圖形或圖塊，再粘貼到焊盤封裝對應層中。接下來以如圖2箭頭指向的異形焊盤實物介紹其封裝制作步驟。

1） 在PCB圖頂層（Top Layer） 中，繪制后續準備作為異形焊盤銅皮的邊框。

2） 設置PCB規則中的Clearance全局安全間距為0.75 mm，具體取值可根據設計需求而定，本例如圖3所示，阻焊開窗相對銅皮內縮0.75 mm。

3） 選中步驟1繪制的邊框，調用“工具”→“描畫選擇對象的外形”功能，產生“內縮”和“外擴”線條，此處保留“內縮”線條作為異形焊盤阻焊開窗（Top Solder） 和鋼網開口（Top Paste） 的邊框。注：本例異形焊盤阻焊開窗、鋼網開口大小相同。

4） 分別在上方、左右方相應位置繪制開槽邊框，并調用“工具”→“轉換”成切割槽。

5） 在PCB圖頂層（Top Layer） 中分別選中步驟1和步驟3繪制的邊框，調用“工具”→“轉換”→“從選擇的元素創建區域”得到后續制作異形焊盤銅皮的填充圖塊1和制作異形焊盤阻焊開窗、鋼網開口的填充圖塊2。

6） 在PcbLib封裝庫新建一個封裝，在原點處分別把步驟5制作的填充圖塊1粘貼到封裝的頂層（Top Layer） ；把填充圖塊2粘貼到封裝的阻焊層（Top Solder） 和助焊層（Top Paste） 。

7） 最后一定要在原點處放置一個編號為1的頂層貼片焊盤，作為異形焊盤封裝的電氣連接點。

異形焊盤封裝具體效果如圖3所示。

1.2.3 FPC板鋪銅注意事項

鋪銅是PCB設計中不可忽視的一個環節，其方法是將PCB板上空白未走線的區域用銅膜覆蓋。其作用體現在減小地線阻抗、提升抗干擾能力，降低壓降、提高電源效率，以及與地線相連來減小環路面積。FPC鋪銅具體需要注意以下幾點。

1） 一般來說，高頻電路對抗干擾要求較高，因此多采用網格鋪銅；低頻電路或有大電流的電路常用大面積鋪銅。

2） FPC折角處容易出現扭曲撕裂情況，建議在FPC板邊增加抗撕銅條或在折角處增加網狀鋪銅。

3） 為保證信號傳輸質量，鋪銅網絡盡量采用45度角，線寬、線距建議都設置為0.2 mm。

4） FPC大面積的鋪銅設計，在覆蓋膜（Coverlay） 層壓時，若空氣未能完全排凈，會與濕氣反應，易出現表面氧化，建議通過沉金或OSP（有機可焊性保護） 工藝解決。

5） FPC中間基材較薄，上下層有貼片元件時建議增加鋪銅，并且鋪銅采用十字連接（Relief Connect） 焊盤，且上下兩面貼片焊盤要錯開布局，以避免應力集中，改善焊接及信號完整性。

1.2.4 3D模型加載及3D預覽

Altium Designer提供電路板3D預覽功能，如圖4所示為一塊FPC板的3D預覽效果圖。通過3D預覽可直觀地了解所設計的FPC搭載的部件之間或與其他機械部件是否會出現干涉、遮擋，還可在早期檢查走線布局是否合理、過孔過于靠近焊盤或板邊等工藝風險點，并發現諸如過孔蓋油、焊盤開窗未正確設置的情況[4]。

要實現PCB板3D預覽，需要板上所有的器件都要有3D封裝模型。Altium Designer已提供了大部分常用的元器件的3D模型，對于一些較新的元器件或接插件，可以采用自制模型（應準確查詢并核對元件實際尺寸以避免裝配誤差） 、更新模型庫或直接聯系相應廠商獲取所需后綴名為STEP的文件（3D模型文件） ，然后加載到對應封裝的模型庫中。首次添加可能會出現如圖5所示3D模型和封裝焊盤未對接的情況，可通過三維旋轉加位移調整到如圖6所示正確的狀態。

1.2.5 絲印層特殊處理

針對絲印引發DRC（設計規則檢查） 報錯的問題，可根據需要調整絲印位置或暫時關閉絲印安全間距DRC檢測來解決。

在FPC板元件不多、空間足夠的情況下，可把絲印直接以頂層（Top Layer） 或底層（Bottom Layer） 的形式加入，即通過銅皮實現絲印效果。這種做法不僅可以提升絲印的可視性和耐磨性，還能降低制造成本（省去打印絲印層的工藝步驟） 。

為保證鋪銅時離走線絲印一段距離，可先在Keep-Out層環繞走線絲印繪制邊框，再設置為禁止鋪銅區域（Region） ，最后刪除Keep-Out層環繞走線即可，效果如圖7所示。

1.2.6 PCB圖內插入表格

和絲印處理類似，如果想增強表格絲印的耐磨性，在FPC板空間足夠的情況下，也可把表格直接以頂層（Top Layer） 或底層（Bottom Layer） 的形式加入。具體操作是在PCB內通過“放置”→“來自文件的對象”插入表格，這樣表格就以Region區塊的形式存在。

如果PCB表格里顯示的文字大小不合適，可先在表格文件里把字體改小到合適大小再重新插入。若要對PCB表格的粗細進行調整，可以通過“鼠標右擊”→“聯合”→“調整聯合大小”的方式改變表格大小，若效果不佳還可通過先“打散對象聯合”（只保留text） ，再重新繪制表格邊框線條的方式處理，效果如圖8所示。

這里要說明的是，表格外圍可以不用設置禁止鋪銅框（Keep-Out for copper pour） ，因為表格本身就有外框，若需環繞表格進行鋪銅操作的話，要在安全間距設置中使鋪銅離表格一段距離，以防DRC設計規則檢測報錯。

1.3 FPC材料與結構設計

FPC板上使用的銅箔主要有電解銅箔和壓延銅箔兩種。電解銅箔通過電化學沉積工藝生產，壓延銅箔通過物理軋制工藝生產，兩者工藝上的不同造就其物理性能上的差異。總體而言，電解銅箔以低成本、高粘合性見長，適合普通電路；壓延銅箔憑借高柔韌性和高頻性能，成為高端電子設備的首選。選擇時需權衡成本、信號需求及機械環境。例如，FPC在動態彎曲場景中必須使用壓延銅箔，而普通消費電子產品可選用電解銅箔降低成本[1]。

FPC按照層數不同可分為單面板、雙面板和多層板。板層數大多在設計時就已定好，因此根據設計要求直接選擇相應層數即可。

FPC板層厚度計算須綜合考慮材料類型、層疊結構和應用需求。總厚度由基材厚度（如聚酰亞胺或PI） 、銅箔厚度（電解銅箔或壓延銅箔） 、覆蓋層厚度（覆蓋膜或油墨） 、補強材料厚度（如FR4、鋼片或PI補強） 疊加構成[1]。具體總厚度計算公式如下：

總厚度 = 基材厚度 + 銅箔厚度×2（雙面） + 覆蓋層厚度×2（雙面） + 補強材料厚度

（注：“雙面”指雙面板的上下兩層銅箔和覆蓋層，若為多層板，須疊加相應層材料）

實際計算還需與制造商確認材料實際厚度（不同廠商可能存在公差） ，并考慮如FR4半固化片流膠、殘銅率等情況來定。

1.4 阻抗控制與信號完整性

FPC板的阻抗計算需要綜合考慮材料特性、疊層結構和走線參數。常見的阻抗類型包括單端線阻抗（特性阻抗） 和差分阻抗，其公式分別如下。

1） 單端線阻抗：單端線阻抗公式適用于微帶線（Microstrip） 結構，采用經驗公式，如公式（1） 所示。

[Z0=87εr+ 1.41 ln5.98H0.8W + T]" " " " " （1）

式中：[εr]代表基材的介電常數，H代表信號線與參考平面的介質厚度，W代表走線寬度，T代表銅箔厚度。

2） 差分阻抗：差分阻抗公式為近似公式，如公式（2） 所示。

[Zdiff≈2Z01 - 0.48e-2.9SH]" " " " （2）

式中：S代表差分對走線間距，H代表介質厚度。

具體材料的介電常數及損耗因子可參考供應商數據表或實測獲得。

差分阻抗（[Zdiff]） 和單端阻抗（[Z0]） 的關系主要取決于耦合情況。無耦合時[Zdiff]是[Z0]的兩倍，有耦合時需要考慮奇模阻抗（Zodd） 。適用場景涉及高速信號、布線密度、損耗控制等因素。不同應用場景下的差分阻抗計算及設計要點如表1所示。

阻抗計算除了使用公式，也可使用一些阻抗計算工具，如Polar Si9000或嘉立創阻抗計算神器。Polar Si9000支持多種傳輸線模型，支持高頻和復雜結構的阻抗計算。嘉立創阻抗計算神器界面簡潔，輸入參數后一鍵生成結果，支持單位切換和多種預設層壓結構，適合無須高頻優化或復雜模型支持的常規項目。

FPC電路板阻抗計算須結合材料特性、疊層結構和工藝能力，通過公式計算與仿真工具協同優化。對于復雜場景（如高頻、高密度互聯） ，建議與制造商緊密合作，利用實測數據迭代設計，確保信號完整性。

2 結束語

展望未來，FPC技術將持續突破輕薄可靠極限，推動消費電子、汽車電子、醫療植入設備等領域的創新。隨著5G、6G高頻高速需求增長，FPC也將結合諸如超薄PI、納米銅箔等新材料和激光3D打印等先進工藝，實現更高集成度與彎折壽命。人工智能（AI） 驅動的設計將加速開發周期，可降解基材的綠色制造理念也已成為趨勢。FPC正從“柔性連接”邁向“智能柔性系統”，重塑下一代電子產品形態[5]。

參考文獻：

[1] 陳志城.柔性電路板激光沖孔和后處理工藝研究及焊盤失效分析[D].廈門：廈門大學，2022.

[2] 程亮亮，金慶學，江勝利，等.立創EDA在高校電子信息類課程實踐教學中的應用[J].現代信息科技，2024，8（9）：163-167.

[3] 謝宇希，譚延亮，唐建鋒，等.基于信息化與項目化相融合的電子工程課程教學改革探索：以PCB電路板設計及制作課程為例[J].電腦知識與技術，2024，20（25）：159-161.

[4] 舒強.基于LabVIEW和YOLOv5的PCB缺陷檢測方法[J].電腦知識與技術，2024，20（28）：124-126.

[5] 章家寧，李曉靖，張玉，等.基于柔性電路板的肌肉電位采集設備設計[J].科技風，2022（30）：1-3.

【通聯編輯：謝媛媛】