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柔性電路FPC材料的選擇
瀏覽量:413次 發布日期:2015-8-19 14:05:09

     隨著科學技術的不斷發展,現代社會與電子技術息息相關,超小型移動電話、便攜式計算機、存儲器、硬盤驅動器、光盤驅動器、汽車電子產品等都對產品的小型化、輕型化提出了苛刻的要求。要達到這一目標,就必須在生產工藝、元器件、材料等諸方面進行深入的探討。為了能夠迎接這一挑戰,一種能夠適用于三維電子組裝的可以彎曲成無數種需要的形狀的柔性電路應運而生。近幾年來,柔性電路的使用已經擴展至3無線電通訊、計算機和汽車電子產品應用領域以外。曾經被用作引線束的專門基片-柔性電路已經成熟地進入了替換剛性和模塊電路板的應用場合,在這些應用場合往往有著簿型或者三維電子組裝的要求,另外為了能夠滿足同時具有柔性化和剛性化的應用要求,剛性--柔性技術融合了具有柔性電路的剛性電路板,現在許多柔性和剛性-柔性層壓結構被應用在了各類電子產品之中。本文著重談談在柔性電路中的材料選擇。

 

一、柔性電路的材料組成

在柔性電路之中所使用的材料是絕緣薄膜、粘接劑和導體。絕緣薄膜形成了電路的基礎層,粘接劑將銅箔粘接至了絕緣層上。在多層設計中,它再與內層粘接在一起。它們也被用作防護性覆蓋,以使電路與灰塵和潮濕相隔絕,并且能夠降低在撓曲期間的應力,銅箔形成了導電層。

在一些柔性電路中,采用了由鋁材或者不銹鋼所形成的剛性構件,它們能夠提供尺寸的穩定性,為元器件和導線的安置提供了物理支撐,以及應力的釋放。粘接劑將剛性構件和柔性電路粘接在了一起。另外還有一種材料有時也被應用于柔性電路之中,它就是粘接層片,它是在絕緣薄膜的兩側面上涂覆有粘接劑而形成。粘接層片提供了環境防護和電子絕緣功能,并且能夠消除一層薄膜,以及具有粘接層數較少的多層的能力。

 

       絕緣薄膜材料有許多種類,但是最為常用的是聚酷亞胺和聚酯材料。目前在美國所有柔性電路制造商中接近80%使用聚酰亞胺薄膜材料,另外約20%采用了聚酯薄膜材料。聚酰亞胺材料具有非易燃性,幾何尺寸穩定,具有較高的抗扯強度,并且具有承受焊接溫度的能力,聚酯,也稱為聚乙烯雙笨二甲酸鹽(Polyethylene terephthalate簡稱:PET),其物理性能類似于聚酰亞胺,具有較低的介電常數,吸收的潮濕很小,但是不耐高溫。

 

    聚酯的熔化點為250℃,玻璃轉化溫度(Tg)為80℃,這限制了它們在要求進行大量端部焊接的應用場合的使用。在低溫應用場合,它們呈現出剛性。盡管如此,它們還是適合于使用在諸如電話和其它無需暴露在惡劣環境中使用的產品上。

二、粘接劑的使用


聚酰亞胺絕緣薄膜通常與聚酰亞胺或者丙烯酸粘接劑相結合,聚酯絕緣材料一般是與聚酯粘接劑相結合。與具有相同特性的材料相結合的優點,在干焊接好了以后,或者經多次層壓循環操作以后,能夠具有尺寸的穩定性。在粘接劑中其它的重要特性是較低的介電常數、較高的絕緣阻值、高的玻璃轉化溫度(Tg)和低的吸潮率。


粘接劑除了用于將絕緣薄膜粘接至導電材料上以外,它也可用作覆蓋層,作為防護性涂覆,以及覆蓋性涂覆。兩者之間的主要差異在于所使用的應用方式,覆蓋層粘接覆蓋絕緣薄膜是為了形成疊層構造的電路。粘接劑的覆蓋涂覆所采用的篩網印刷技術。


不是所有的疊層結構均包含粘接劑,沒有粘接劑的疊層形成了更薄的電路和更大的柔順性。它與采用粘接劑為基礎的疊層構造相比較,具有更佳的導熱率。由于無粘接劑柔性電路的薄型結構特點,以及由于消除了粘接劑的熱阻,從而提高了導熱率,它可以使用在基于粘接劑疊層結構的柔性電路無法使用的工作環境之中。


銅箔適合于使用在柔性電路之中,它可以采用電淀積(Electrodeposited簡稱:ED),或者鍍制 。采用電淀積的銅箔一側表面具有光澤,而另一側被加工的表面暗淡無光澤。它是具有柔順性的材料,可以被制成許多種厚度和寬度,ED銅箔的無光澤一側,常常經特別處理后改善其粘接能力。鍛制銅箔除了具有柔韌性以外,還具有硬質平滑的特點,它適合于應用在要求動態撓曲的場合之中。



三、美國市場上的幾款柔性電路材料

目前在美國的杜邦(Du Pont)公司、ICI Americas公司、Rogers公司和Sheldahl公司作為柔性電路材料的供應商,推出了能夠滿足特別要求的柔性電路疊層結構。

美國杜邦公司除了提供聚酰亞胺丙烯酸結構材料以外,也能夠提供純聚酰亞胺疊層結構材料。杜邦公司的Kapton聚酰亞胺薄膜作為一種基礎材料,應用在了它的諸多Pyralux品牌產品中,包括Pyralux FR(Flame retardant阻燃型)和LF覆銅層壓材料、粘接層片和覆蓋層,在Pyralux AP層壓材料之中也包含有Kapton薄膜。

      Pyralux FR覆銅層壓材料是一種通過采用具有專利權的阻燃型C級丙烯酸粘接劑,將銅箔粘接在Dupont Kapton聚酰亞胺薄膜一側或者兩側的復合材料。在Pyralux FR材料系列中的層粘接劑,采用的是B級改良型丙烯酸材料。Pyralux FR粘接層是在Kapton薄膜的兩側覆蓋上B級丙烯酸粘接劑。Pyralux FR覆蓋層是一種在一側覆蓋有B級丙烯酸粘接劑的Kapton薄膜復合材料。對于Pyralux LF系列材料來說,除了不含阻燃劑以外,其它類似于在Pyralux FR系列材料中所作的考慮。

 

         Pyralux PC是一種可照相成像(Photoimageable)的覆蓋層,它是由丙烯酸、氨基甲酸乙酯和酰亞胺為基礎的材料綜合而成。它適合于無線電通訊、計算機、工業和醫療電子儀器等對反復柔性循環操作有要求的應用場合使用。但是它不能夠很好地適合于劇烈變化的柔性應用場合。

Pyralux AP雙側覆銅疊層材料是一種粘接有銅箔的Kapton聚酰亞胺無粘接劑化合物,在超過200℃的情況下,能夠提供熱穩定性。

 

       美國亞利桑那州Chandler的Rogers Corporation公司推出的R/fle×2005阻燃型材料系列中,采用了Kapton薄膜作為基礎材料。該材料系列采用Kapton基礎材料作為覆蓋層,使用阻燃型粘接劑粘接薄膜和覆銅Kapton疊層的化合物。Rogers公司同時也推出了一種為Flex-imide3000型的無粘接劑的疊層材料,它是一種以聚酰亞胺為基礎的覆銅疊層材料,它能夠在160℃的溫度下連續地工作。

 

      基于聚乙烯naphthalate(Polyethylene Naphthalate簡稱:PEN)的絕緣薄膜是一種類似于聚酯的材料,它是由美國ICI Americas公司推出的。在PEN和聚酯(PET)之間所存在的主要差異是前者具有良好的熱性能,Kalades PEN薄膜所呈現出的玻璃轉化溫度(Tg)為120℃,遠高于PET薄膜的Tg。Kaladex薄膜的這種特性,以及所具有的幾何尺寸穩定性和耐化學性,使之適合于作為PET和聚酰亞胺的替代物進行使用。

      在美國明尼蘇達州Northfield的Sheldahl公司制造出了各種各樣的無粘接劑柔性電路材料,用于滿足它的Novaclad和Novaflex產品生產線的使用。Navaclad是一種聚酰亞胺銅化合物,可以按照設計師的要求規定所用銅箔的厚度和特性。

 

      Navaclad G2200型覆銅疊層材料具有增強耐化學性和耐熱性的特點,它能夠通過在超過150℃的溫度環境下,所進行的1000小時的性能測試。

 

      最近Sheldahl公司又推出了Novaclad G2300型和G2400型疊層材料,它們在150℃的溫度環境下,也通過了1000小時的長期加熱老化測試。該公司推出的Novaclad G2400 MCM級材料能夠滿足多芯片模塊(Multichip Modules簡稱MCM)和芯片規模封裝(Chip Scale Packages簡稱CSP)所提出的挑戰。這種疊層材料為了滿足激光形成微孔,免除了填料。為了能夠滿足貴金屬鍍覆的要求,例如:鈀和無電解Ni/A u的需要,它也采用薄銅以形成精細引線圖像和增強耐化學性能。

 

        Novaclad G2400型材料在薄膜和銅之間的光滑表面,提供了在高速信號情況下的電性能改善。

 

       在已有的Novaclad產品中,Sheldahi公司使用了其基于真空金屬噴鍍(Vacuum metallization)的專利技術,將一張銅薄層施加至聚酰亞胺薄膜的表面上,然后這材料被電鍍到規定的厚度以形成Novaclad基礎材料。這樣所形成的材料結構既薄又輕,具有抗極端高溫和化學反應的能力,并且能夠適合于動態柔性應用場合。

 

     Novaclad基礎材料也被用來形成Novaflex無粘接劑柔性電路,在全部電路成像了以后,再使用Novaflex絕緣層。為了能夠滿足惡劣環境的設計需要,Novaflex無粘接劑互連系統提供了進一步增強柔順性、耐化學反應特性、高溫特性和非常良好的熱耗散效果。

 

   在美國羅得艾蘭州Cranston的Roly-Flex Circuits公司開發出了一種柔性電路技術,它有別于常規的方法,它不使用銅導體和粘接劑以形成電路,僅采用一種滲入銀粉的導電印劑,通過印刷附著到聚酯絕緣薄膜基礎材料上。一種稱為Poly-Solder的導電環氧樹脂能夠用來將表面貼裝器件(SMD)粘接至該柔性電路之上。

 

     通過在第一層導電層上覆蓋上一層聚合物基礎絕緣層,然后再添加上第二層導電層的方式,能夠形成多層柔性電路,導電通孔提供了層與層之間的互連。

 

     這種常規柔性電路的替代方式,適合于40℃~85℃的工作溫度范圍內的使用,目前已被廣泛應用于無線電通訊、鍵盤、溫度自動調節器、電子游戲機、顯示器和醫療電子儀器之中。

 

四、結束語

本文介紹了柔性電路的選擇,在選擇用于柔性電路的材料時應著眼于材料被應用的電子產品范疇。隨著“更小、更快、更便宜”的組裝要求,柔性電路所表現出來的“柔性”特征,對達到整個電子產品的微型化,對筆記本電腦、移動電話這類便攜式產品的更新換代有著重要的意義。




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