FPC原材料，设计，加工，组装终极解决方案----（一）柔性板材料介绍

樱桃海弥

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FPC原材料，设计，加工，组装终极解决方案----（一）柔性板材料介绍

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本文大纲

[size=14.4444px]1. 柔性板材料介绍

[size=14.4444px]2. 柔性板的设计

[size=14.4444px]3. 柔性板的加工及表面处理

" ~+ ?! j# q& K- [: H% y' Q+ s: p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）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。

+ L; ]- Q3 R6 q: z4 m  S: @8 W) p 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：

+ Z) `0 F) L) z8 |8 u1.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

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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：

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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。

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。

表2 金属薄膜的特性比较

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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。

0 X& s7 U7 q3 P4 [- H) S( a$ W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。

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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。
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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。

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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。

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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。

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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。

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     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。

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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。

-----本节完----

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renyuqingzone

renyuqingzone 发表于 2016-4-19 14:45
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每篇都是必须仔细阅读的！
/ o7 t! p# X% o. x8 z& a5 NPS：能不能把之前没有传到这个版块的文章也一并传上来？
: Q9 U9 t0 G/ D1 W  T/ J谢谢！

shark4685

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renyuqingzone

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