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FPC原材料,设计,加工,组装解决方案----柔性板材料介绍

2020-05-25 19:13:03

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)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)。这几种材料的特性比较如下表所示:

 

 

Polyester(有胶

Polyimide(有胶

Polyimide(无胶

机械特性

     

柔软性 半径约2.0mm

一般

热成型

可以

不行

不行

MODULUS

2800MPa5500 MPa

2500MPa

4000MPa

撕裂力度

800g

500g

500g

剥离强度(空气中

1050N/M

1750N/M

1225N/M

化学/环境特性

     

蚀刻(>20%

UV

PET:差

PEN :一般

UL认证/大工作温度

85˚165˚

85˚165˚

105˚200˚

阻燃

VTM-0(用FR

VTM-0(用FR

VTM-0

电气特性

     

介电常数(1MHz

3.4

3.5

3.3

绝缘强度

4-5KV/25μm

3-5KV/25μm

5KV/25μm

绝缘阻抗

103Ωcm

103Ωcm

103Ωcm

热特性

     

焊接

5@246˚260˚

5@288˚(需要预烘烤

5@288˚(不需要预烘烤

加工、装配特性

     

通孔成型

有限制

表面安装(IR回流焊

PEN-可以

PET-不可以

好~优

Wire   bonding

不行

某些胶可以

Chip(   直接粘附)

一般~优

表1 几种常用基材特性比较

 

1.1.1 聚酰亚胺(Polyimide)

        聚酰亚胺(简称PI)是柔性电路加工中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,在焊接条件下电性能丝毫无损。

 

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) 

        在柔性板中常用、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。

 

图2 电解铜和压延铜微粒结晶结构示意图

 

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。下表列出各种金属薄膜的特性比较。

Metal   Foils

Resistance   cm*106

Temperature   Coefficient Of Resistance

Thermal   Conductivity W/m*K

Tensile   Strength (psi)

Elongation   (annealed) %

压延铜

1.67

0.00393

393

32000

20

电解铜

1.77

0.00382

393

25000

12

4.33

0.0039

255

16000

30

不锈钢

75

-

6

90000

40

铍铜(Beryllium Copper)

1.72

-

83

60000*   200000**

35-60*   1-4**

表2 金属薄膜的特性比较

 

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 在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。下表列举了几种胶的特性。

Adhesive   Type

Peel   Strength Post solder

Adhesive   Flow Mils/mil

Moisture   Absorption Max%

Surface   Resistivity Min

Dissipation   Factor @1MHz

Dielectric   Constant @1MHz

Polyester

N/A*

10mils   max

2.0

104

0.02

4.0max

Acrylic

7.01b/in   min

5mils   max

6.0

105

0.05

4.0max

Epoxy

8.01b/in   min

5mils   max

4.0

104

0.06

4.0max

Polyimide

5.01b/in

5mils

3.0

105

0.010

4.0max

 

min

max

       
             

Butyral:   Phenolic

5.01b/in   min

5mils   max

2.0

104

0.025

3.0max

表3 常用粘胶的特性比较(一)


表4 常用粘胶的特性比较(二)

 

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 加工中简单和的胶。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。

 

 

  柔性板的设计


 

       根据应用需要,确定适合的柔性要求。部分柔性板只是满足不共面连接等的需要,只需要在安装时弯曲一次,安装好以后就固定了。而在部分产品中,比如翻盖手机中通过转轴的柔性板,柔性板就要求一定的弯曲次数。而要求的是在硬盘磁头等场合中使用的柔性板,需要更长时间往复弯曲运动。综合起来看,柔性要求可以概括成下列四种:

   弯曲一次(flex one time)

  • 弯曲安装(flex to install application)

  • 动态柔性(dynamic flex application)

   碟机驱动头应用场合(disk driver application) 

柔性要求不一样,选择不同的设计方案、加工板材和加工方式。

 

2.1安装方式

柔性板与硬板之间的互连方式主要有下面几种:

   板对板连接器

   连接器加金手指

  • Hotbar

        • 软硬结合板

    考虑采用哪种方式时,需要综合考虑互连高度、有效面积和连接器、加工和组装等成本。还有不同的互连对加工精度的要求。

     一般常用的是板对板连接器,连接器可用表贴、插件和压接型等等。但是该方式FPC 需要贴补强板;组装后比较高;而且连接器价格、组装成本也不低。连接器加金手指方式可以提高互连密度,一般也比较薄;但是金手指加工精度要求较高。而HOTBAR 尽管需要特殊的组装设备,它应用得也越来越普遍了。

 

2.2 叠层、阻抗、屏蔽要求

2.2.1叠层设计   

     在设计中常用到单面板、双面板、双面板+银浆层等等。在需要进行阻抗控制时,双面板或双面板+银浆层可以根据设计需要自行组合构成微带线和带状线。下面表中列举了用Dupont 公司Pyralux® FR” 系列的基材和介质+胶来构成的柔性板。表中所用基材的铜厚都是0.5oz,电镀后的厚度是1.2mil 。其它型号或其它公司的材料请根据设计需求来选择。

 

各层定义

层压材料描述

材料厚度(in inch):

杜邦板材型号

Coverlayer Top

Polyimide   Coverlayer

0.0010

FR0110

 

Adhesive

0.0010

Artwork Top

Base+Plating Copper

0.0012

FR8510

 

Adhesive

0.0010

Coverlayer Bottom

Polyimide Base   Material

0.0010

       
 

Total Thickness

0.0052

 

 表一 单面FPC 层叠结构及材料厚度

 

各层定义

层压材料描述

材料厚度(in inch):

杜邦板材型号

Coverlayer Top

Polyimide   Coverlayer

0.0010

FR0110

 

Adhesive

0.0010

Artwork Top

Base+Plating Copper

0.0012

FR8515

 

Adhesive

0.0010

 

Polyimide Base   Material

0.0010

 

Adhesive

0.0010

Artwork Bottom

Base+Plating Copper

0.0012

 

Adhesive

0.0010

FR0110

Coverlayer Bottom

Polyimide   Coverlayer

0.0010

       
 

Total Thickness

0.0094

 

 二 双面FPC 层叠结构及材料厚度

 

各层定义

层压材料描述

材料厚度(in inch):

杜邦板材型号

Coverlayer Top

Polyimide   Coverlayer

0.0010

FR0110

 

Adhesive

0.0010

Silver Paste Top

Silver Shielding

0.0010

SILVER

Coverlayer02

Polyimide   Coverlayer

0.0020

FR0220

 

Adhesive

0.0020

Artwork Top

Base Copper+ED   copper

0.0012

FR8515

 

Adhesive

0.0010

 

Polyimide Base   Material

0.0010

 

Adhesive

0.0010

Artwork Bottom

Base Copper+ED   copper

0.0012

 

Adhesive

0.0020

FR0220

Coverlayer03

Polyimide   Coverlayer

0.0020

Silver Paste Bottom

Silver Shielding

0.0010

SILVER

 

Adhesive

0.0010

FR0110

Coverlayer Bottom

Polyimide   Coverlayer

0.0010

       
 

Total Thickness

0.0194

 

 三 双面FPC+ 双面银浆层叠结构及材料厚度

 

2.2.2阻抗设计

    柔性板的层压结构比较灵活。可以用双面板、三层板或它们表面再覆银浆的方式来构成微带线和带状线;具体结构可以参考前面表6~表9。确定层压结构以后,可以使用Polar 软件来计算走线阻抗。

当Coverlayer 采用覆盖膜形式而不用绿油时,微带线模型应该采用“Coated Microstrip”形式。否则,计算的阻抗值就会相差较大。

 

上图采用“Coated Microstrip”微带线模型计算阻抗FPC 常用的介质是Polyimide ,它的介电常数是3.5(1MHz)。如采用上面“表7”的双面板结构来构成微带线的话,5mil 线宽阻抗可以控制在49 欧左右。与硬板相比,柔性板各层之间的介质一般比较薄,使得走线更加靠近参考平面。这样对阻抗的影响就是阻抗值偏低。如按照表9 所示的层压结构,假设银浆和铜箔都是实心时,线宽6mil 的带状线的阻抗计算是33 欧。如下表所示: 表10 带状线阻抗计算例子


更大的线宽需要达到同样的阻抗要求时,可以采用两种方式来实现,一是增加介质厚度或胶厚, 二是采用网格形状的参考平面。前者会影响FPC 的柔软性。采用网格参考平面,即可实现相应的阻抗要求,柔性也得到改善,但是阻抗的计算就会很复杂。网格对阻抗的影响是在厚度一定的情况下网格孔越大(含铜量越少)阻抗越大,而在实心参考平面时的阻抗小。目前可以用HFSS 等软件仿真得到阻抗值,或者提出要求请厂家根据经验或专利来控制。

一般可控制的单线阻抗为:25-100 ohm 

                     差分阻抗为:75-125ohm 


2.2.3屏蔽控制

      当柔性板有EMI 控制要求时,可以增加屏蔽层来实现要求。屏蔽层可以是实心铜皮、铜皮网格和银浆网格等。


实心铜皮:是普通的屏蔽方式。铜皮可以在FPC 的一边或者两边都有,也可以只覆盖了需要屏蔽的那部分区域。当以实心铜皮为参考层时阻抗控制比较简单,可以直接用软件计算。但是实心铜皮会增加FPC 的层数,使得FPC 加工难度变大;它还增加FPC 的硬度,柔性变差;铜皮屏蔽层也会使得FPC 变厚,影响小弯曲半径。

 

铜皮网格:铜皮可以在FPC 的一边或者两边都有,也可以只覆盖了需要屏蔽的那部分区域。当使用铜皮网格时,因为铜量变少,比实心铜皮时的柔性提高了;但是铜皮网格一样会增加FPC 的层数,使得FPC 加工难度变大;铜皮屏蔽层也会使得FPC 变厚,影响小弯曲半径。当以实心铜皮为参考层时阻抗控制比较简单,可以直接用软件计算。


网格屏蔽层示意图

 

银浆或银浆网格:当频率高于1MHz 时,银浆的屏蔽效果等效于铜箔的。银浆采用丝印的方式印刷在单面板或多层板的表面(可以只单面印刷)。另外银浆的表面需要有覆盖膜来绝缘。采用银浆的好处是电路的层数没有增加,制造方便,成本低廉。但是银浆比较脆,它不适合动态弯曲要求高或者弯曲半径很小的场合。

 

2.3 时序分析、信号质量,串扰要求

     当柔性板中走线长度足够长时,就需要分析柔性板的走线延迟;或者因为信号传输过程引起的衰减、失真等问题。有些时候需要增加驱动、匹配或均衡、隔离等技术来保证信号质量要求。

    在安排连接器上管脚的信号排序时,需要考虑大电流信号、高速信号、高压信号等对其它信号的影响。同时需要合理安排地管脚,使得回流路径合理。

 

      关键网络的串扰,可通过搭建模型进行仿真,得出满足器件串扰要求的小信号线间距。在设计时可设网络的间距规则,或设Max Parallelism(信号线平行多长的则间距应多大的列表),作为规则输入到软件中。

 

控制串扰的主要手段:加大线间距,包地隔离等

 

2.4 导电能力要求

   设计FPC 时,需要对信号的电流大小进行充分的评估。FPC 走线宽度、铜皮厚度必须满足载流能力及其裕量要求。特别是电源、地等大电流,需要适当安排连接器管脚个数和走线根数、宽度等。当FPC 上导线或器件温升较高时,可以考虑把FPC 贴到铝基板、钢片等上面,使其充分散热。

 

FPC 载流能力的计算方法与硬板的一样。只是从柔性考虑FPC 用的铜箔比较薄;而且在柔性要求高的场合,FPC 表层铜箔采用局部电镀方式。当采用局部电镀方式时FPC 表层铜箔厚度就不用补偿了。

2.6 环保要求

欧盟2003 年1 月27 日正式颁布RoHS 指令(Restriction of Hazardous Substances),限制了相关产品对有毒材料的使用。并将于2006 年7 月1 日要求制造商开始执行。针对FPC 设计来说,要求使用到的介质不能使用有卤素成分。目前有些板材供应商已经生产出无卤素材料。如Dupont 公司的“Pyralux® LF”系列板材。

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