单双面多层FPC柔性线路板排线打样批量厂家 > 新闻中心 > FPC线路板知识 > FPC原材料设计加工组装终极解决方案
FPC原材料设计加工组装终极解决方案
发布日期:2019-09-09
1. 柔性板材料介绍
2. 柔性板的设计
3. 柔性板的加工及表面处理
           关于FPC柔性电路板,又称挠性板,是由在柔性介质表面制作有导体线路来组成,可以包含或不包含覆盖层。一般导体与柔性介质之间是用胶粘接的,尽管目前也有无胶铜箔材料。柔性板介质的介电常数比较低,可以给导体提供良好的绝缘和阻抗性能。同时柔性介质很薄并具有柔性,它同样具有良好的抗拉力、多功能性和散热性能。
       
          不像普通PCB(硬板),FPC 能够以很多种方式进行弯曲、折叠或重复运动。为了挖掘FPC 的全部潜能,设计者可以使用多种结构来满足各种需求,如单面板、双面板,多层板和软硬结合板等。
目前市场上存在两种类型的柔性板:印制(蚀刻)的和丝印的。丝印的柔性板又称聚合物厚膜(Polymer Thick Film,简称PTF)FPC柔性板。与普通的印制蚀刻技术不一样,PTF 技术是采用其它工
序直接在介质薄膜上丝印导电油墨作为导体。虽然PTF 柔性板的应用场合不断扩大(如很流行的薄膜开关),但是印制的柔性板还是这两种中使用最广的。本设计规范中主要关注印制的柔性电路板
(Flexible Printed Circuit,简称FPC)的结构和设计方法。本文中提到的柔性板也就是指柔性印制电路板。

柔性板材料介绍
           在柔性板设计中,材料的类型和结构非常重要。它主要决定着柔性板的柔软性、电气特性和其它机械特性等;对柔性板的价格起着重要的作用。我们必须在设计图纸中规定好所有的材料。为了起到更好的说明作用,建议用横截面示意图来表示柔性板的层压结构。
          FPC 加工厂家可选的柔性覆铜介质和带胶的介质薄膜应该符合IPC-MF-150,IPC-FC-231 和IPC-FC-232 ,或者符合IPC-FC-241 和IPC-FC-232 规定。这些IPC规范把各种材料按照自然特性分类出来。从众多材料中选择适合的材料必须考虑下列几点:
1.潮敏特性
2. 阻燃特性
3.电气特性
4.机械特性
5. 热冲击特性
设计者和FPC加工厂家必须依据成本、性能和可制造性来选择材料。

1.1 介质(Dielectrics)
根据需求的不同,柔性电路板使用的板材也不一样。可以从应用的场合及成本等方面加以综合考虑。常用的有Polyimide(聚酰亚胺,分有胶和无胶)和Polyester(聚酯)。

1.1.1 聚酰亚胺(Polyimide)
聚酰亚胺(简称PI)是柔性电路加工中最常用的热固化绝缘材料。材料的厚度范围一般是12.5μm(0.5mil) 和125μm(5mil) 。部分厂家可以提供7 mil 厚度的,常用的规格是25μm(1mil) 和12.5μm(0.5mil) ,Polyimide 薄膜,比如DuPont(杜邦)公司的“Kapton®”薄膜,具有优异的柔软性能,良好的尺寸稳定性,可以工作在很宽的温度范围。而且,它还是阻燃材料,具有突出的抵抗焊接温度性能,在焊接条件性能
丝毫无损。

1.1.2 聚酯(Polyester)
Polyester 是由polyethylene terephthalate(简写PET,聚对苯二甲酸乙二醇酯)来制成的,比如DuPont(杜邦)公司的“Mylar®”薄膜。它应用于柔性板的厚度范围一般是25μm(1mil)~125μm(5mil)。它和Polyimide 一样具有极好的柔软性和电气性能。但是它在制程过程的尺寸稳定性比Polyimide 的稍微差些。另外,它的抗撕裂能力也较差,对焊接温度也比较敏感。

1.2 导体
柔性板导体材料的选择主要取决于特定应用条件下的材料性能。特别是在动态使用情况下,柔性板不停地折叠或伸展,就需要具备有长疲劳寿命的薄的材料。柔性板导体一般有铜箔、铜镍合金和导电涂料等。

1.2.1 铜箔(Copper foil)
在柔性板中最常用、最经济的导体材料是铜箔。铜箔主要分为电解铜箔(ED,Electrodeposited copper)和压延铜箔(RA,Rolled-Annealed copper)。电解铜箔,是采用电镀方式形成。其铜微粒结晶状态为垂直柱状,易在蚀刻时形成垂直的线条边缘,有利于精细线路的制作;但因为柱状结构易发生断裂,所以在经常弯曲时容易断裂压延铜箔,是柔性板制造中使用最多的铜箔。其铜微粒结晶呈水平轴状结构,它比电解铜更能适应多次重复挠曲。但是因为压延铜表面比较光滑,在粘胶的那一面需要特殊处理。

1.2.2 其它导体
除了铜箔以外,柔性板的其它导体材料还有铜镍合金(比如Constantan)和导电涂料。导电涂料是导电材料(如银,碳等)混合聚合物粘接剂(如树脂)构成的浆状物。导电涂料印刷在介质表面,然后再覆盖起来。例如银浆,如果覆盖绝缘好的话,它的导电性能也是非常不错的。导电涂料与铜箔相比电气性能稍逊,阻抗系数也比较高,在某些应用柔性场合不适合用它做导体。

1.3 胶(Adhesive)
在柔性板设计时,选择合适的胶来粘接导体和介质也是非常重要的。它必须保证FPC加工时不脱胶或不过多地溢胶。柔性板常用的胶有丙烯酸(acrylic),改良环氧树脂(modified epoxy), 酚丁缩醛(Phenolic Butyrals),增强胶,压敏胶等等。

2.3.1 丙烯酸胶(Acrylic) 、改良丙烯酸胶(Modified Acrylic)
丙烯酸胶(Acrylic adhesives) 及其改良胶(Modified Acrylic Adhesives) 是一种热固化材料。材料厚度一般有12.5μm(0.5mil)至100μm(4mil),常用的是0.5mil 和1mil 。它广泛应用于高温柔性场合(如需要铅锡焊接操作),保证在这些应用场合下不脱胶或起泡。它还具有优良的抗化学作用特性,可以抵抗加工过程中化学物质和溶剂的影响。与传统的丙烯酸胶不一样,改良丙烯酸胶具有部分类似热塑性材料的特性。它是用局部横向耦合的方式来改良材料的。当温度大于它的玻璃转化温度时(Tg),胶就粘到铜或介质上。因为材料的局部横向耦合结构,胶可以在需要时重复粘接。像Rogers公司的“R/Flex® 2005 ”或Dupont 公司的“Pyralux® LF”材料中用的胶就用了改良丙烯酸胶。

2.3.2 改良环氧树脂胶(Modified Epoxy Adhesives)
改良环氧树脂胶具有低的温度膨胀系数,经常应用于多层柔性板或软硬结合板。环氧树脂是一种热固化材料,在它里面加入其它聚合物来得到增加柔性的改良环氧树脂胶。改良环氧树脂胶具有极好的Z 轴膨胀系数特性,还具有高的粘合力,低的潮湿吸收率,以及抵制加工过程化学溶剂的抗化学作用特性。

2.3.3 酚丁缩醛胶(Phenolic Butyrals Adhesives)
酚丁缩醛,如Rogers 公司的“R/Flex® 10000”胶,与环氧树脂一样的也具有热固化特性。除此之外,它的柔性特性增强了,更适合于动态柔性应用。但是它不能粘接聚酰亚胺介质和环氧树脂胶。

2.3.4 增强胶(Reinforce Adhesives)
增强胶是在玻璃纤维中注入环氧树脂或聚酰亚胺树脂来构成的。它最常用于多层FPC 或软硬板的层间粘合。注入环氧树脂的玻璃纤维,又称半固化片,在软硬结合板中可以用作胶或用作基材薄膜。
它与改良丙烯酸胶不同的是因为它的低热膨胀系数(thermal expansion coefficient,简写CTE)和高玻璃转化温度(Tg),显著改善了多层FPC 中的Z 轴稳定性。注入聚酰亚胺树脂的玻璃纤维,更加增加了软硬结合板金属化孔的Z 轴稳定性。它的CTE 和Tg 比注入环氧树脂的还要好。但是它价钱更贵,生命周期也较短。

2.3.5 压敏胶(Pressure Sensitive Adhesive)
压敏胶(Pressure sensitive adhesives,简称PSA),可能是FPC 加工中最简单和最便宜的胶。正如名字代表的一样,压敏胶不需要特殊的压合过程,可以手工粘贴到介质表面。因为它对温度和多种化学物质敏感,所以它不能用来胶合介质和铜箔。因此压敏胶的主要用途是粘接补强板或把硬板粘到软板上。

1.4 无胶压合材料(Adhesiveless Laminates)
随着高密度FPC 的发展,对可靠性和尺寸稳定性要求也越来越高。一些主要的材料供应商如Dupont,Nippon Steel 等提供了一种称为无胶压合的材料。无胶压合材料解决了生产过程中与胶相关的问题(如压合时容易出现胶厚度不均匀、溢胶等),而且厚度减薄了。

1.5 覆盖层(Cover Layer)
覆盖层一般是介质薄膜和胶的压合体,或者是柔性介质的涂层。非导体薄膜或涂层可以选择地覆盖到FPC 表面,起到避免玷污、潮湿、刮痕等保护作用。常见的保护层有覆盖膜(cover film) 和阻焊(Solder mask) 。

1.5.1 覆盖膜(Cover Film)
覆盖膜是介质薄膜和胶的压合体。它所用的胶与前面介绍的一样,厚度一般是25μm。当然也有无胶覆盖膜材料。而介质薄膜和基材介质的一样,主要有下面两种:

1.聚酰亚胺(Polyimide)
介质厚度范围一般有25μm,50μm~125μm。它的 特性与基材介质中介绍的一样,主要是柔软性好,耐 高温

2.聚脂(Polyester)
介质厚度范围一般有(25μm/5 0μm/75μm)。它的特性与基材介质中介绍的一样, 主要是相对便宜,柔曲度好,但不耐高温。

1.5.2 阻焊油墨(Solder Mask)

在某些特定的应用场合,柔性板可以和普通硬板一样使用阻焊油墨来做导体的保护、绝缘层。油墨的颜色多种多样,适合多种使用环境。如摄像头连接的柔性板用黑色油墨避免反光。另外油墨价格便宜,可以采用印刷方式加工,总成本很低。但是它柔性没有覆盖膜的高。

1.5.3 覆盖膜与油墨的区别
1.覆盖膜优点:弯曲性能好;厚度较厚,保护、绝缘强 度较高。缺点:含有胶的覆盖膜压合时会溢胶,不适 合于小焊盘。焊盘阻焊开窗一般都是钻孔方式;对于实 现直角、方形等开窗需要额外开模或用镭射切割等方 式,难度较大。总成本比较贵。

2,油墨优点:厚度薄,适合于要求薄而且柔性要求不 是很高的场合。颜色多种多样。采用印刷方式加工, 简单。不存在溢胶的问题,适合细间距焊盘。总成本 便宜(是PI 覆盖膜1/4 或更少)。缺点:因为比较薄,绝缘强度没有PI 覆盖膜的高。弯 折性能较差,一般少于1 万次,对于动态要求很高的 场合就不太适合。

1.6 补强板(Stiffener)
在有器件焊接等很多应用场合中,柔性板需要用补强板(Stiffener,又称加强板)来获得外部支撑。补强板材料有PI 或Polyester 薄膜,玻璃纤维,聚合物材料,钢片,铝片等等。

1,PI 或Polyester 薄膜,它们是柔性板补强板常用材料。常用的厚度是125μm(5mil) ,可以获得一些硬度。
2,玻璃纤维(如FR4),它们也是补强板常用材料。玻璃纤维补强板的硬度比PI 或Polyester 的高,用于要求更硬一些的地方。厚度范围一般是125μm(5mil)~3.175mm(125mil)。但是它的加工相对PI 的困难,而且可能不是某些柔性板加工厂家的常备材料。
3,聚合物(Polyetherimide),如塑料等。它的吸水率低,耐高压和高温。
4,钢片、铝片,支撑硬度高,而且还可以散热。设计中的硬度或散热是主要的关心指标。

分享到: