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FPC軟板材料介紹

2017-03-11 03:30

在FPC軟板設(shè)計(jì)中,材料的類型和結(jié)構(gòu)非常重要。它主要決定著柔性板的柔軟性、電氣特性和其它機(jī)械特性等;對柔性板的價(jià)格起著重要的作用。我們必須在設(shè)計(jì)圖紙中規(guī)定好所有的材料。為了起到更好的說明作用,建議用橫截面示意圖來表示柔性板的層壓結(jié)構(gòu)。

FPC軟板加工廠家可選的柔性覆銅介質(zhì)和帶膠的介質(zhì)薄膜應(yīng)該符合IPC-MF-150,IPC-FC-231 和IPC-FC-232 ,或者符合IPC-FC-241 和IPC-FC-232 規(guī)定。這些IPC 規(guī)范把各種材料按照自然特性分類出來。從眾多材料中選擇適合的材料必須考慮下列幾點(diǎn):

1.潮敏特性 2. 阻燃特性  3.電氣特性 4.機(jī)械特性 5. 熱沖擊特性

設(shè)計(jì)者和FPC軟板加工廠家必須依據(jù)成本、性能和可制造性來選擇材料。

 

1.1 介質(zhì)(Dielectrics)

根據(jù)需求的不同,柔性電路板使用的板材也不一樣??梢詮膽?yīng)用的場合及成本等方面加以綜合考慮。常用的有Polyimide(聚酰亞胺,分有膠和無膠)和Polyester(聚酯)。這幾種材料的特性比較如下表所示:

表1 幾種常用基材特性比較

1.1.1 聚酰亞胺(Polyimide)

聚酰亞胺(簡稱PI)是柔性電路加工中最常用的熱固化絕緣材料。材料的厚度范圍一般是12.5μm(0.5mil) 和125μm(5mil) 。部分廠家可以提供7 mil厚度的,常用的規(guī)格是25μm(1mil) 和12.5μm(0.5mil) ,Polyimide 薄膜,比如DuPont(杜邦)公司的“Kapton®”薄膜,具有優(yōu)異的柔軟性能,良好的尺寸穩(wěn)定性,可以工作在很寬的溫度范圍。而且,它還是阻燃材料,具有突出的抵抗焊接溫度性能,在焊接條件下電性能絲毫無損。

1.1.2聚酯(Polyester)

Polyester 是由polyethylene terephthalate(簡寫PET,聚對苯二甲酸乙二醇酯)來制成的,比如DuPont(杜邦)公司的“Mylar®”薄膜。它應(yīng)用于柔性板的厚度范圍一般是25μm(1mil)~125μm(5mil)。它和Polyimide 一樣具有極好的柔軟性和電氣性能。但是它在制程過程的尺寸穩(wěn)定性比Polyimide 的稍微差些。另外,它的抗撕裂能力也較差,對焊接溫度也比較敏感。

 

1.2 導(dǎo)體

柔性板導(dǎo)體材料的選擇主要取決于特定應(yīng)用條件下的材料性能。特別是在動(dòng)態(tài)使用情況下,柔性板不停地折疊或伸展,就需要具備有長疲勞壽命的薄的材料。柔性板導(dǎo)體一般有銅箔、銅鎳合金和導(dǎo)電涂料等。

 

1.2.1 銅箔(Copper foil) 

在FPC軟板中最常用、最經(jīng)濟(jì)的導(dǎo)體材料是銅箔。銅箔主要分為電解銅箔(ED,Electrodeposited copper)和壓延銅箔(RA,Rolled-Annealed copper)。電解銅箔,是采用電鍍方式形成。其銅微粒結(jié)晶狀態(tài)為垂直柱狀,易在蝕刻時(shí)形成垂直的線條邊緣,有利于精細(xì)線路的制作;但因?yàn)橹鶢罱Y(jié)構(gòu)易發(fā)生斷裂,所以在經(jīng)常彎曲時(shí)容易斷裂

壓延銅箔,是柔性板制造中使用最多的銅箔。其銅微粒結(jié)晶呈水平軸狀結(jié)構(gòu),它比電解銅更能適應(yīng)多次重復(fù)撓曲。但是因?yàn)閴貉鱼~表面比較光滑,在粘膠的那一面需要特殊處理。

圖2 電解銅和壓延銅微粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 其它導(dǎo)體

除了銅箔以外,柔性板的其它導(dǎo)體材料還有銅鎳合金(比如Constantan)和導(dǎo)電涂料。導(dǎo)電涂料是導(dǎo)電材料(如銀,碳等)混合聚合物粘接劑(如樹脂)構(gòu)成的漿狀物。導(dǎo)電涂料印刷在介質(zhì)表面,然后再覆蓋起來。例如銀漿,如果覆蓋絕緣好的話,它的導(dǎo)電性能也是非常不錯(cuò)的。導(dǎo)電涂料與銅箔相比電氣性能稍遜,阻抗系數(shù)也比較高,在某些應(yīng)用柔性場合不適合用它做導(dǎo)體。下表列出各種金屬薄膜的特性比較。

表2 金屬薄膜的特性比較

1.3 膠(Adhesive)

在柔性板設(shè)計(jì)時(shí),選擇合適的膠來粘接導(dǎo)體和介質(zhì)也是非常重要的。它必須保證FPC 在加工時(shí)不脫膠或不過多地溢膠。柔性板常用的膠有丙烯酸(acrylic),改良環(huán)氧樹脂(modified epoxy), 酚丁縮醛(Phenolic Butyrals),增強(qiáng)膠,壓敏膠等等。下表列舉了幾種膠的特性。

表3 常用粘膠的特性比較(一)


 表4 常用粘膠的特性比較(二)

 

2.3.1丙烯酸膠(Acrylic) 、改良丙烯酸膠(Modified Acrylic)    

丙烯酸膠(Acrylic adhesives) 及其改良膠(Modified Acrylic Adhesives) 是一種熱固化材料。材料厚度一般有12.5μm(0.5mil)至100μm(4mil),常用的是0.5mil 和1mil 。它廣泛應(yīng)用于高溫柔性場合(如需要鉛錫焊接操作),保證在這些應(yīng)用場合下不脫膠或起泡。它還具有優(yōu)良的抗化學(xué)作用特性,可以抵抗加工過程中化學(xué)物質(zhì)和溶劑的影響。與傳統(tǒng)的丙烯酸膠不一樣,改良丙烯酸膠具有部分類似熱塑性材料的特性。它是用局部橫向耦合的方式來改良材料的。當(dāng)溫度大于它的玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)(Tg),膠就粘到銅或介質(zhì)上。因?yàn)椴牧系木植繖M向耦合結(jié)構(gòu),膠可以在需要時(shí)重復(fù)粘接。像Rogers 公司的“R/Flex® 2005 ”或Dupont 公司的“Pyralux® LF”材料中用的膠就用了改良丙烯酸膠。

2.3.2 改良環(huán)氧樹脂膠(Modified Epoxy Adhesives)

改良環(huán)氧樹脂膠具有低的溫度膨脹系數(shù),經(jīng)常應(yīng)用于多層柔性板或軟硬結(jié)合板。環(huán)氧樹脂是一種熱固化材料,在它里面加入其它聚合物來得到增加柔性的改良環(huán)氧樹脂膠。改良環(huán)氧樹脂膠具有極好的Z 軸膨脹系數(shù)特性,還具有高的粘合力,低的潮濕吸收率,以及抵制加工過程化學(xué)溶劑的抗化學(xué)作用特性。

2.3.3 酚丁縮醛膠(Phenolic Butyrals Adhesives) 

酚丁縮醛,如Rogers 公司的“R/Flex® 10000”膠,與環(huán)氧樹脂一樣的也具有熱固化特性。除此之外,它的柔性特性增強(qiáng)了,更適合于動(dòng)態(tài)柔性應(yīng)用。但是它不能粘接聚酰亞胺介質(zhì)和環(huán)氧樹脂膠。

2.3.4 增強(qiáng)膠(Reinforce Adhesives)

增強(qiáng)膠是在玻璃纖維中注入環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺樹脂來構(gòu)成的。它最常用于多層FPC 或軟硬板的層間粘合。

注入環(huán)氧樹脂的玻璃纖維,又稱半固化片,在軟硬結(jié)合板中可以用作膠或用作基材薄膜。它與改良丙烯酸膠不同的是因?yàn)樗牡蜔崤蛎浵禂?shù)(thermal expansion coefficient,簡寫CTE)和高玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg),顯著改善了多層FPC 中的Z 軸穩(wěn)定性。

注入聚酰亞胺樹脂的玻璃纖維,更加增加了軟硬結(jié)合板金屬化孔的Z 軸穩(wěn)定性。它的CTE 和Tg 比注入環(huán)氧樹脂的還要好。但是它價(jià)錢更貴,生命周期也較短。

2.3.5 壓敏膠(Pressure Sensitive Adhesive) 

壓敏膠(Pressure sensitive adhesives,簡稱PSA),可能是FPC 加工中最簡單和最便宜的膠。正如名字代表的一樣,壓敏膠不需要特殊的壓合過程,可以手工粘貼到介質(zhì)表面。因?yàn)樗鼘囟群投喾N化學(xué)物質(zhì)敏感,所以它不能用來膠合介質(zhì)和銅箔。因此壓敏膠的主要用途是粘接補(bǔ)強(qiáng)板或把硬板粘到軟板上。

 

1.4 無膠壓合材料(Adhesiveless Laminates)

隨著高密度FPC 的發(fā)展,對可靠性和尺寸穩(wěn)定性要求也越來越高。一些主要的材料供應(yīng)商如Dupont,Nippon Steel 等提供了一種稱為無膠壓合的材料。無膠壓合材料解決了生產(chǎn)過程中與膠相關(guān)的問題(如壓合時(shí)容易出現(xiàn)膠厚度不均勻、溢膠等),而且厚度減薄了。

 

1.5 覆蓋層(Cover Layer)

覆蓋層一般是介質(zhì)薄膜和膠的壓合體,或者是柔性介質(zhì)的涂層。非導(dǎo)體薄膜或涂層可以選擇地覆蓋到FPC 表面,起到避免玷污、潮濕、刮痕等保護(hù)作用。常見的保護(hù)層有覆蓋膜(cover film) 和阻焊(Solder mask) 。

1.5.1 覆蓋膜(Cover Film)

覆蓋膜是介質(zhì)薄膜和膠的壓合體。它所用的膠與前面介紹的一樣,厚度一般是25µm。當(dāng)然也有無膠覆蓋膜材料。而介質(zhì)薄膜和基材介質(zhì)的一樣,主要有下面兩種:

1.聚酰亞胺(Polyimide)

介質(zhì)厚度范圍一般有25µm,50µm~125µm。它的特性與基材介質(zhì)中介紹的一樣,主要是柔軟性好,耐高溫

2.聚脂(Polyester)

介質(zhì)厚度范圍一般有(25µm/50µm/75µm)。它的特性與基材介質(zhì)中介紹的一樣,主要是相對便宜,柔曲度好,但不耐高溫。

1.5.2 阻焊油墨(Solder Mask)

在某些特定的應(yīng)用場合,柔性板可以和普通硬板一樣使用阻焊油墨來做導(dǎo)體的保護(hù)、絕緣層。油墨的顏色多種多樣,適合多種使用環(huán)境。如攝像頭連接的柔性板用黑色油墨避免反光。另外油墨價(jià)格便宜,可以采用印刷方式加工,總成本很低。但是它柔性沒有覆蓋膜的高。

 

1.5.3 覆蓋膜與油墨的區(qū)別

1.覆蓋膜優(yōu)點(diǎn):彎曲性能好;厚度較厚,保護(hù)、絕緣強(qiáng)度較高。缺點(diǎn):含有膠的覆蓋膜壓合時(shí)會(huì)溢膠,不適合于小焊盤。焊盤阻焊開窗一般都是鉆孔方式;對于實(shí)現(xiàn)直角、方形等開窗需要額外開模或用鐳射切割等方式,難度較大,總成本比較貴。

2,油墨優(yōu)點(diǎn):厚度薄,適合于要求薄而且柔性要求不是很高的場合。顏色多種多樣。采用印刷方式加工簡單。不存在溢膠的問題,適合細(xì)間距焊盤。總成本便宜(是PI 覆蓋膜1/4 或更少)。

缺點(diǎn):因?yàn)楸容^薄,絕緣強(qiáng)度沒有PI 覆蓋膜的高。彎折性能較差,一般少于1 萬次,對于動(dòng)態(tài)要求很高的場合就不太適合。

 

1.6補(bǔ)強(qiáng)板(Stiffener) 

在有器件焊接等很多應(yīng)用場合中,柔性板需要用補(bǔ)強(qiáng)板(Stiffener,又稱加強(qiáng)板)來獲得外部支撐。補(bǔ)強(qiáng)板材料有PI 或Polyester 薄膜,玻璃纖維,聚合物材料,鋼片,鋁片等等。

1,PI 或Polyester 薄膜,它們是柔性板補(bǔ)強(qiáng)板常用材料。常用的厚度是125µm(5mil) ,可以獲得一些硬度。

2,玻璃纖維(如FR4),它們也是補(bǔ)強(qiáng)板常用材料。玻璃纖維補(bǔ)強(qiáng)板的硬度比PI 或Polyester 的高,用于要求更硬一些的地方。厚度范圍一般是125µm(5mil)~3.175mm(125mil)。但是它的加工相對PI 的困難,而且可能不是某些柔性板加工廠家的常備材料。

3,聚合物(Polyetherimide),如塑料等。它的吸水率低,耐高壓和高溫。4,鋼片、鋁片,支撐硬度高,而且還可以散熱。設(shè)計(jì)中的硬度或散熱是主要的關(guān)心指標(biāo)。

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