挠性及刚挠结合印制电路技术

1.1挠性印制电路板概述

20世纪70年代末期，以日本厂商为主导，逐渐将挠性印制电路板(flexible printedcircuit board，FPCB，简称为FPC)广泛应用于计算机、照相机、打印机、汽车音响、硬盘驱动器等电子信息产品中。20世纪90年代初期，挠性电路又翻开了历史的新篇章，冷战的结束使得一些推动美国挠性电路行业发展的军用挠性电路产品消失，美国的挠性电路在很大程度上依赖于军队的需求。20世纪90年代以后，在可携带型消费电子产品追求轻薄设计的背景下，挠性印制电路板的应用领域得到了极大拓展，手机、掌上电脑、笔记本电脑、数码相机、数码摄像机、卫星定位装置、平板显示、IC封装、汽车电子等都是其主要应用市场，甚至近年来涌现出的很多高科技电子产品也大量采用了FPC或刚挠结合板。
2011年全球PCB产值约554亿美元，其中 FPC产值为92亿美元，占PCB总产值16.6%，预计到2016年FPC总产值将达到132亿美元，在 PCB产值中所占比例上升至18.4%。近年来，4G技术、RFID、新型显示技术和全印制电子技术的成熟和广泛应用，给FPC提供了一个更为广阔的发展空间。因此，挠性印制电路板行业前景诱人，属于朝阳产业。

1.1.1挠性印制电路板的定义及分类

相对于用刚性基材制成的刚性印制电路板(rigid printed board，又称硬板)而言，FPC是指用挠性绝缘基材制成的印制电路板，可以有或无覆盖层，又称为柔性板或软板。绝缘基材一般使用具有可挠曲性的薄膜，如聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚酯等，外面再粘上一层铜箔，其特点是可以实现动态和静态的挠曲、配线密度高、质量轻、厚度薄，具有高可靠性、高挠曲性。图1-1为一块双面挠性印制电路板的结构示意图。

图1-1双面挠性印制电路板

1．按线路层数分类
(1)挠性单面印制电路板。其包含一个导电层，可以有或无增强层，特点是结构简单，制作方便,其质量也最容易控制,如图1-2所示。
(2)挠性双面印制电路板。印制电路板包含两层具有镀通孔的导电层，可以有或无增强层，结构比单面板要复杂，需经过镀覆孔的处理，控制难度较高，如图1-3所示。

(3)挠性多层印制电路板。指包含三层或更多层，具有镀通孔的导电层，可以有或无增强层。其结构形式就更复杂，工艺质量更难控制，如图1-4所示。
挠性多层印制板又分为分层型挠性多层印制板和一体型挠性多层印制板。分层型挠性多层印制板的线路层间局部是分开的，不黏合在一起，有利于弯曲、折叠。一体型挠性多层印制板的线路层与层之间是完全黏合在一起的。
(4)挠性开窗板。该类印制电路板在有膜状覆盖层的场合下，还可以在覆盖膜上开窗口，如图1-5所示。

1.1.2 挠性印制电路板的性能特点及用途

挠性印制电路板得到大力发展和应用，是因为其具有以下显著的特点:
(1)挠性印制电路板轻、薄、短、小。挠性基材是由薄膜组成的，与刚性印制板相比更适合精密小型电子设备的应用，与刚性电路相比，空间可节省60%~90%，其质量可减轻约70%。
(2)挠性印制电路板可以实现静态和动态挠曲。其挠曲次数可达107次，可用于刚性印制板无法安装的任意几何形状的设备机体中，还可用于动态电子零部件之间的连接，其轻巧的挠性完全能取代笨重粗硬的电缆排线。
(3)挠性印制电路板具有更高的装配可靠性和产量。挠性电路减少了内连所需的硬件，如传统的电子封装上常用的焊点、中继线、底板线路及线缆，使挠性电路可以提供更高的装配可靠性和产量。
(4挠性印制电路板可以向三维空间扩展，进行三维(3D)互联安装，提高了电路设计和机械结构设计的自由度，充分发挥出印制板功能。
(5)挠性印制电路板具有优良的电性能、介电性能及耐热性。挠性电路提供了优良的电性能，较低的介电常数允许电信号快速传输﹔良好的热性能使组件易于降温﹔较高的玻璃转化温度或熔点，使得组件在更高的温度下良好运转。
(6)挠性印制电路板有利于热扩散。平面导体比圆形导体有更大的面积/体积比，这样就有利于导体中热的扩散。另外，挠性电路结构中短的热通道进一步提高了热的扩散。
(7)其他功能用途。挠性印制板还可用作感应线圈、电磁屏蔽、触摸开关按键等。挠性电路几乎用于每一类电器和电子产品中，而且是电子互联产品市场发展最快的产品之一。其功能可区分为4种，分别为引脚线路(lead line)、印制电路(printed circuit)、连接器(connector)以及功能整合系统(integration of function)，用途涵盖了电脑、电脑周边的辅助系统、医疗器械、军事和航天、消费性民用电器、汽车等，如表1-1所示。

1.2挠性印制电路板材料的基本性能要求

挠性印制电路板的材料主要包括挠性覆铜箔基材、挠性黏结薄膜、覆盖膜和增强材料。刚挠印制板除了要采用挠性材料外，还要用到刚性材料，如环氧玻璃布层压板及其半固化片或聚酰亚胺玻璃布层压板及相应的半固化片。

1.2.1挠性覆铜箔基材

挠性覆铜箔基材(flexible copper clad laminate，FCCL)是在挠性介质绝缘薄膜的单面或双面黏结上一层铜箔，又称为挠性覆铜板、柔性覆铜板、软性覆铜板，是挠性印制电路板的基础加工基材。
挠性覆铜箔基材的基本结构包括绝缘基膜材料、黏合剂和铜箔。其结构示意图及实物图分别如图1-1l和图1-12所示。

1．绝缘基膜材料
常用的绝缘基膜材料有聚酰亚胺类、聚酯类和聚氟类，其中聚酰亚胺和聚酯薄膜是目前挠性印制电路板生产的主力。
聚酰亚胺(polyimide，PI)是指主链上含有酰亚胺环(—CO—NH—CO一)的一类聚合物，其中以含有酞酰亚胺结构的聚合物最为重要。PI薄膜呈黄色透明(图1-13(a))，相对密度1.39~1.45g/cm3，有突出的耐高温、耐辐射、耐化学腐蚀性能，介电强度高,电气性能和机械性能极佳，可在250~280℃空气中长期使用。玻璃化温度分别为280℃(Upilex R，日本宇部兴产公司)、385℃(Kapton，美国杜邦公司)和500℃以上(UpilexS，日本宇部兴产公司)。20℃时PI的拉伸强度为200MPa，200℃时大于100MPa，特别适宜用作挠性印制电路板和刚挠结合印制电路板的基材，但是价格昂贵，吸湿性大。
聚酯( polyethylene terephthalate，PET)属于高分子化合物，是由对苯二甲酸(PTA)和乙二醇(EG)经过缩聚产生聚对苯二甲酸乙二醇酯，其中部分-PET再通过水下切粒而最终生成。PET薄膜(图1-13(b))的许多性能与PI相近，但耐热性差，一般在100℃以上的温度就会发生收缩变形，但是吸水率较低，适用于工作环境潮湿的挠性板制作。杜邦公司生产的PET介质薄膜Mylar 膜也比较常用。
聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。此外，PTFE具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低。PTFE薄膜(图1-13(c))材料只用于要求低介电常数的高频产品。
为了从根本上改变PI基材的性能不足之处，开发了液晶聚合物( liquid crystalpolyester，LCP)薄膜(图1-13(d))。LCP为能够呈现液晶态的高分子化合物，定义为在一定的条件下(溶剂、温度或压力)能自发形成各向异性的溶液或熔体的高聚物，是一种热塑性树脂。

LCP可分为溶致LCP和热致LCP，前者在溶剂中呈液晶态，后者因温度变化而呈液晶态。LCP大致代表性的结构有三种，如图1-14所示。LCP的各向异性使其具有高强度、高模量和自增强性能，突出的耐热性能，优异的耐冷热交变性能，优良的耐腐蚀性、阻燃性、电性能(介电常数为2.9，介电损耗低)和成型加工性能，吸水率极低(仅为0.04%)。其膨胀系数和摩擦系数极小，还具有优异的耐辐射性能和对微波良好的透明性。此外，由于LCP具有高的，在钻孔加工中很少出现钻污质量问题，因此LCP还具有很好的机械钻孔和冲孔性。LCP薄膜适合高频微型化应用以及传感器、天线和高速倒装芯片设计。

2．黏合剂
黏合剂是把铜箔与基材膜结合在一起，常用的有PI树脂、PET树脂、改性环氧树脂、丙烯酸树脂，基本特性如表1-4所示。在应用中仍以改性环氧树脂、丙烯酸树脂为多数，表现为黏合力强。由于黏合剂会影响挠性板的性能，尤其是电性能和尺寸稳定性，因此开发出了无黏合剂的二层结构挠性覆铜箔板，既能满足无卤的环保要求，也能满足无铅焊接把温度从220~260℃提高到300℃要求。无黏合剂与有黏合剂挠性覆铜箔板的性能比较如表1-5所示。

二层结构挠性覆铜箔板的制造方法目前有涂布法、溅射/电镀法和层压法三种。
(⑴涂布法，又称为铸镀法，是在铜箔的粗糙面上涂布高黏合性PI树脂(热塑性)，再在其上均匀涂布芯层的PI树脂的预聚体，后通过加热、干燥，涂层树脂发生亚胺化而形成一体的PI树脂覆铜板。涂布法多用于生产单面覆铜箔的二层型FCCL。
(2)溅射/电镀法，又称为化学镀/电镀法，是在聚酰亚胺薄膜上，采用溅射方式形成铜的晶种层，或采用化学镀的方式制作出较薄的导体“底基层”，而后再用电镀法形成所要求厚度的导电层。溅射/电镀法制出的导电金属层(一般为铜金属层)在9um或9um以下，此法可制造出另两种方法难以达到的薄导电金属层，更适用于高密度布线FPC的制作。
(3)层压法，是将涂布有亚胺类黏结剂的PI薄膜或者是有热熔特性PI涂层的PI薄膜,与铜箔叠合在一起,共同进行高温、高压的辑压成型加工。
三种方法相比，采用PI薄膜上沉积电镀金属层的方法，成卷制作容易，可选择较薄的基材与铜箔，但价格高;采用涂膜法适合大批量生产，成本低;层压法较易于制作双面覆箔板。

3．铜箔
印制板采用的导电材料主要是铜箔，也有一些用到铝、镍、金、银等金属或它们的合金。铜箔主要分为电解铜箔(electro deposit，ED)和压延铜箔( rolled and annealed,RA)。电解铜箔是采用电镀的方式形成，其铜微粒结晶状态为垂直针状，易在蚀刻时形成垂直的线条边缘，利于精细导线的制作。但是在弯曲半径小于5mm或动态挠曲时，针状结构易发生断裂，因此主要用于刚性印制板。挠性覆铜基材多选用压延铜箔，其铜微粒呈水平轴状结构，能适应多次挠曲。但这种铜箔在蚀刻时在某种微观程度上会对蚀刻剂造成一定阻挡。电解铜箔和压延铜箔的微观结构如图1-16所示。

,线路图形高密度化发展要求导线具有更高的耐弯折性能，因此对于动态弯曲的FPC一般使用压延铜箔。日矿产业公司改进的高性能压延铜箔(HRA)滑移弯折试验提高到76000次循环，其耐折次数是普通压延铜箔的6倍以上。这种超高压延性铜箔具有高耐弯折次数的原因在于:①压延加工条件的改善，引起铜结晶组织的差异变化，在金属表面生成滑动带，缓和积存在结晶边界上的形变，使压延铜箔表现出高弯曲性;②压延铜箔表面粒子接近于纳米结构，存在大量晶界，弯曲过程中的裂纹发生和扩展沿着晶界进行，该晶界可吸收各种位错和变形，从而抑制裂纹发生增长，最终获得高弯曲性。还有常态下抗拉强度HRA箔为500N/mm2，RA铜箔为400N/mm2;室温下延伸率HRA箔为3%，RA箔为2%。表1-6为不同类型铜箔耐弯折性能比较。

当线路越来越细时，电解超薄铜箔(厚度小于9m)，逐渐显示出优越性。现在高密度FPC还是以ED铜箔为主流，如COF是用ED铜箔。因为压延方式在制作 12um 以下铜箔时厚度难于控制，均匀性也较差，电解铜箔可制作12um、91m甚至3um的极薄铜箔。而为适合40~50um线节距板量产化，对ED铜箔又提出了新要求:一是铜箔层压面低粗化度，二是铜箔超薄化。为了改善其耐挠曲性，制造商们通过改变阴极铜的结晶过程，使得电解铜箔在延伸率和耐折性方面大大改进，正逐渐接近压延铜箔。日本的三井公司通过改进工艺条件，制造出的电解铜箔很薄并具有高挠曲低轮廓性，适合制造微细线路。日本电解公司也开出相应的HL铜箔产品。
FPC制造中有用导电油墨印刷在绝缘薄膜上形成导线或屏蔽层，这种导电油墨多数是导电银浆，要求印刷形成的导电层电阻低、结合牢、可挠曲，并且印刷操作与固化容易。低电阻与可挠曲的银浆导电油墨，可以在热固性或热塑性聚合物膜上、织物上、纸上印刷形成导电图形，也可制作图形用于射频标识(RFID)产品。形成的产品经高温存放试验、潮湿试验、高低温循环试验，其性能都能达到上述各项试验性能要求。采用导电油墨制作图形是较好的环保型、低成本技术。

1.2.2黏结片薄膜材料

生产挠性及刚挠印制板的黏结薄膜主要有丙烯酸类、环氧类和聚酯类。
比较常用的是杜邦公司的改性丙烯酸薄膜和Fortin公司的无增强材料低流动度环氧黏结薄膜及不流动环氧玻璃布半固化片。丙烯酸与PI薄膜的结合力极好，具有极佳的耐化学性和耐热冲击性，而且挠性很好。环氧树脂与PI薄膜的结合力不如丙烯酸树脂，因而主要用于黏结覆盖层和内层。另外，环氧树脂的热膨胀系数低于丙烯酸数倍，在Z方向的热膨胀小，利于保证金属化孔的耐热冲击性。因此，在选用改性丙烯酸薄膜做内层的黏结剂时，两个内层之间的丙烯酸的厚度一般不超过0.05mm，以防止热冲击时Z方向膨胀过大而造成金属化孔的断裂。当0.05mm厚的丙烯酸无法满足黏结要求时，应改用环氧树脂型黏结片。表1-7为不同类型黏结片性能比较。表1-8为两种编织类型玻璃布做增强材料的不流动环氧半固化片的一些性能参数。

1.2.3覆盖层材料

覆盖层是覆盖在挠性印制板表面的绝缘保护层，起到保护表面导线和增加基板强度的作用。覆盖层通常是与基材相同材料的绝缘薄膜，如涂有黏结剂的PET或PI薄膜。

有的消费类电子产品为节约成本，可采用涂覆阻焊层代替覆盖膜，也起到保护导线的作用。
覆盖层是挠性板和刚性板最大不同之处，其作用超出了刚性板的阻焊膜，它不仅起阻焊作用，而且使挠性电路不受尘埃、潮气、化学药品的侵蚀及减小弯曲过程中应力的影响，它要求能忍耐长期的挠曲。由于覆盖层是覆盖于蚀刻后的电路之上，这就要求它具有良好的敷形性，才能满足无气泡层压的要求。覆盖层材料选用与基材相同的材料，在挠性介质薄膜的一面涂上一层黏结薄膜，然后再在黏结膜上覆盖一层可撕下的保护膜，这层保护膜通常只有在将覆盖层与蚀刻后的电路进行对位时才撕下，是一个复杂的制作工艺过程。
覆盖层材料根据其形态可分为干膜型和油墨型，根据是否感光而分为非感光覆盖层和感光覆盖层。传统的覆盖膜在物理性能方面有极佳的平衡性能，特别适合于长期的动态挠曲，遗憾的是它是一个非常复杂的耗时耗工的工艺过程，而且很难引入自动化生产系统。另外，由于利用人工在薄膜材料上操作，因此很难制作高尺寸精度的小窗口。有的HDI挠性电路需要制作窗口直径小于200pm，位置精度要求小于100um。网印挠性油墨能够提供低成本的批量生产，但是，对于高尺寸精度的小窗口，无法提供好的解决方法，同时不具有好的力学性能，不能用于动态挠曲。
液体感光型覆盖层采用标准的UV曝光，水溶性显影液显影，然后加热进行后固化，省去了传统的层压工序，如有三井化学、Sanwa化学公司介绍的薄膜状感光型覆盖膜,可用碱性水溶液显影，解像度小于50um，有很高的尺寸稳定性、挠曲性，无环保问题。由于减少了两张覆盖层土的黏结层，因而提高了印制电路板的散热性并增加了可弯曲性。液体感光型覆盖层也可以采用掩孔工艺，掩住导通孔，从而为将导通孔设计在元件体下提供了条件。液体感光型覆盖层能耐120℃的工作环境，在弯曲半径为5mm时能耐. 107次挠曲循环，其分辨率达0.07mm，而且显影后膜的侧面是陡直的,适用于SMT的挠性板。感光性覆盖膜工艺如图1-17所示。

为了满足产品的多样性需求,近年来又开发了多种多样的新型覆盖膜,如感光型聚酰亚胺覆盖膜、白色覆盖膜、彩色覆盖膜、电磁屏蔽膜、导热胶膜等。
近十年来，为了迎合HDI挠性电路发展的需求，开发了两类新的覆盖层制作工艺,在传统覆盖膜上进行激光钻孔以及感光的覆盖层(表1-9)。

1.3  挠性印制电路板的制造工艺技术

1.4刚挠结合印制电路板

1.4.1刚挠结合印制板概述

刚挠结合印制电路板(rigid-flex printed circuit board，R-FPCB)是指一块印制板上包含一个或多个刚性区和一个或多个挠性区，由刚性板和挠性板有序地层压在一起组成，刚性印制线路板层上的线路与挠性印制线路板层上的线路通过孔金属化相互导通，如图1-26和图1-27所示。
刚挠结合板同时兼有刚性板与挠性板的特点，它刚柔结合，能弯曲、折叠和收缩，具有以下的特点:

(l)电路体积小、质量轻、稳定性高。刚挠结合板最初的设计是用于替代体积较大、难于安装的导线束。在目前的接插(cutting-edge)电子器件装配板上，刚挠结合电路通常是满足小型化和三维立体安装的唯一解决方法。对于既薄又轻、结构紧凑复杂的器件而言，其设计解决方案包括从单面导电线路到复杂的多层三维组装，刚挠结合板的总质量和体积比传统的圆导线线束方法要减少70%。
(2)刚挠结合电路板可移动、弯曲、扭转、实现三维布线。刚挠结合板的挠性部分可移动、弯曲、扭转而不会损坏导线，可应用于不同形状和特殊的封装尺寸。由于可以承受数十万次的动态弯曲，挠性部分可很好地适用于连续运动或定期运动的内连系统中，成为最终产品功能的一部分。刚性区域易于实现芯片贴装，更好地解决了电子设备各功能模块之间的互连。
(3)刚挠结合电路板具有优良的电气性能、介电性能、耐热性。刚挠结合板提供了优良的电气性能，良好的导热性能使组件易于降温。挠性部分较低的介电常数允许电信号快速传输，PI基材具有较高的玻璃转化温度或熔点，使得组件能在更高的温度下良好运行。
(4)刚挠结合电路板具有更高的装配可靠性。刚挠结合板减少了传统的刚性板与挠性板内连所需的硬件，如传统的跳线插座等，可以提供更高的装配可靠性。
(5)制作难度大，一次成本高，装拆损坏后无法修复。刚挠结合板制作工序复杂，特别是孔金属化和整体压制工艺中，型号不同，所需的加工工艺相差很大，同时需要特殊的压制工装。复杂的加工工艺，加重了生产的成本，而且在电路损坏后不易修复。
刚挠结合板结合刚性板和挠性板的优势，既可提供刚性电路板的支撑作用，又可实现局部弯曲，广泛应用于电子产品的三维组装。刚挠结合印制板以其立体组装性、支撑和可焊接性、可靠的互连性、能够保证低干扰性和信息传递完整性等优越的特点，促进电子产品向着轻、薄、短、小方向发展。基于其一系列的特征，刚挠结合印制板成为近年来增长非常迅速的一类印制板，被广泛地应用在多个领域，增长速度大大超过普通印制板。欧美刚挠结合板主要用于军事和航空产品中，汽车电子如换挡器、门控、汽车摄像头等电子模块，医疗产品如助听器、内窥镜使用微型刚挠结合板，数码相机、数码摄像机应用了大量的挠性板及刚挠结合板。电子产品都使用挠性板或刚挠结合板。随着电子产品趋向多功能化和小型化，挠性板、刚挠结合板的应用将越来越广泛，因此具有广阔的发展空间。

 1.4.2刚挠结合印制板制造工艺技术

按照挠曲程度不同，R-FPCB一般可分为三种，即反复弯曲型刚挠结合板(multi-flexPCB)、静态弯曲型刚挠结合板( yellow-flex PCB)和半弯曲型刚挠结合板( semi-flexPCB).