細(xì)談PCB柔性電路

一、PCB柔性電路的優(yōu)點(diǎn)

PCB柔性電路是為提高空間利用率和產(chǎn)品設(shè)計(jì)靈活性而設(shè)計(jì)的，能滿足更小型和更高密度安裝的設(shè)計(jì)需要，也有助于減少組裝工序和增強(qiáng)可靠性。是滿足電子產(chǎn)品小型化和移動(dòng)要求的惟一解決方法。柔性電路是在聚合物的基材上蝕刻出銅電路，或印制聚合物厚膜電路。對(duì)于既薄又輕、結(jié)構(gòu)緊湊復(fù)雜的器件而言，其設(shè)計(jì)解決方案包括從單面的導(dǎo)電線路到復(fù)雜的多層三維封裝。柔性封裝的總質(zhì)量和體積比傳統(tǒng)的元導(dǎo)線線束方法要減少70%。柔性電路還可以通過使用增強(qiáng)材料或襯板的方法增加其強(qiáng)度，以取得附加的機(jī)械穩(wěn)定性。

PCB柔性電路可以移動(dòng)、彎曲、扭轉(zhuǎn)，而不損壞導(dǎo)線，可以有不同形狀和特別的封裝尺寸。其僅有的限制是體積空間問題。由于可以承受數(shù)百萬次的動(dòng)態(tài)彎曲，柔性電路可以很好地適用于連續(xù)運(yùn)動(dòng)或定期運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部連接系統(tǒng)中，成為最終產(chǎn)品功能的一部分。要求電信號(hào)/電源移動(dòng)而形狀系數(shù)/封裝尺寸較小的一些產(chǎn)品都獲益于柔性電路。

PCB柔性電路提供了優(yōu)良的電性能。較低的介電常數(shù)允許電信號(hào)快速傳輸;良好的熱性能使組件易于降溫;較高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度或熔點(diǎn)使得組件在更高的溫度下良好運(yùn)行。

由于減少了內(nèi)連所需的硬件，如傳統(tǒng)的電子封裝上常用的焊點(diǎn)、中繼線、底板線路和線纜，柔性電路可以提供更高的裝配可靠性和產(chǎn)量。因?yàn)閺?fù)雜的多個(gè)系統(tǒng)所組成的傳統(tǒng)內(nèi)連硬件在裝配時(shí)，易出現(xiàn)較高的組件錯(cuò)位率。隨著質(zhì)量工程的出現(xiàn)，一個(gè)厚度很薄的柔性系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成僅以一種方式組裝，從而消除了通常與獨(dú)立布線工程有關(guān)的人為錯(cuò)誤。早期柔性電路主要應(yīng)用在小型或薄形電子產(chǎn)品及剛性印制板之間的連接等領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代末期則逐漸應(yīng)用到計(jì)算機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、噴墨打印機(jī)、汽車音響、光盤驅(qū)動(dòng)器(見圖13-1)及硬盤驅(qū)動(dòng)器等電子產(chǎn)品中。打開一臺(tái)35mm的照相機(jī)，里面有9-14處不同的柔性電路。減小體積的惟一方法是組件更小、線條更精密、節(jié)距更緊密，以及物件可彎曲。心臟起搏器、醫(yī)療設(shè)備、視頻攝像機(jī)、助聽器、筆記本電腦———今天幾乎所有使用的東西里面都有柔性電路。

2雙面柔性板是在絕緣基膜的兩面各有一層蝕刻制成的導(dǎo)電圖形。金屬化孔將絕緣材料兩面的圖形連接形成導(dǎo)電通路，以滿足撓曲性的設(shè)計(jì)和使用功能。而覆蓋膜可以保護(hù)單、雙面導(dǎo)線并指示元件安放的位置。

二、PCB柔性電路的功能

1.PCB柔性電路的撓曲性和可靠性

目前PCB柔性電路有：單面、雙面、多層柔性板和剛?cè)嵝园逅姆N。各類柔性板如圖13-2所示。

1單面柔性板是成本最低，當(dāng)對(duì)電性能要求不高的印制板。在單面布線時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用單面柔性板。其具有一層化學(xué)蝕刻出的導(dǎo)電圖形，在柔性絕緣基材面上的導(dǎo)電圖形層為壓延銅箔。絕緣基材可以是聚酰亞胺，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，芳酰胺纖維酯和聚氯乙烯。

2雙面柔性板是在絕緣基膜的兩面各有一層蝕刻制成的導(dǎo)電圖形。金屬化孔將絕緣材料兩面的圖形連接形成導(dǎo)電通路，以滿足撓曲性的設(shè)計(jì)和使用功能。而覆蓋膜可以保護(hù)單、雙面導(dǎo)線并指示元件安放的位置。

3多層柔性板是將"層或更多層的單面或雙面柔性電路層壓在一起，通過鉆孔、電鍍形成金屬化孔，在不同層間形成導(dǎo)電通路。這樣，不需采用復(fù)雜的焊接工藝。多層電路在更高可靠性，更好的熱傳導(dǎo)性和更方便的裝配性能方面具有巨大的功能差異。在設(shè)計(jì)布局時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到裝配尺寸、層數(shù)與撓性的相互影響。

4傳統(tǒng)的剛?cè)嵝园迨怯蓜傂院腿嵝曰逵羞x擇地層壓在一起組成的。結(jié)構(gòu)緊密，以金屬化孔形成導(dǎo)電連接。如果一個(gè)印制板正、反面都有元件，剛?cè)嵝园迨且环N很好的選擇。但如果所有的元件都在一面的話，選用雙面柔性板，并在其背面層壓上一層FR-4增強(qiáng)材料，會(huì)更經(jīng)濟(jì)。

PCB柔性電路產(chǎn)業(yè)正處于規(guī)模小但迅猛發(fā)展之中。聚合物厚膜法是一種高效、低成本的生產(chǎn)工藝。該工藝在廉價(jià)的柔性基材上，選擇性地網(wǎng)印導(dǎo)電聚合物油墨。其代表性的柔性基材PET.聚合物厚膜法導(dǎo)體包括絲印金屬填料或碳粉填料。聚合物厚膜法本身很清潔，使用無鉛的SMT膠黏劑，不必蝕刻。因其使用加成工藝且基材成本低，聚合物厚膜法電路是銅聚酰亞胺薄膜電路價(jià)格的1/10;是剛性電路板價(jià)格的1/2￣1/3.聚合物厚膜法尤其適用于設(shè)備的控制面板。在移動(dòng)電話和其他的便攜產(chǎn)品上，聚合物厚膜法適合將印制電路主板上的元件、開關(guān)和照明器件轉(zhuǎn)變成聚合物厚膜法電路。既節(jié)省成本，又減少能源消耗。

5混合結(jié)構(gòu)的PCB柔性電路是一種多層板，導(dǎo)電層由不同金屬構(gòu)成。一個(gè)8層板使用FR-4作為內(nèi)層的介質(zhì)，使用聚酰亞胺作為外層的介質(zhì)，從主板的三個(gè)不同方向伸出引線，每根引線由不同的金屬制成?？点~合金、銅和金分別作獨(dú)立的引線。這種混合結(jié)構(gòu)大多用在電信號(hào)轉(zhuǎn)換與熱量轉(zhuǎn)換的關(guān)系及電性能比較苛刻的低溫情況下，是惟一可行的解決方法。

可通過內(nèi)連設(shè)計(jì)的方便程度和總成本進(jìn)行評(píng)價(jià)，以達(dá)到最佳的性能價(jià)格比。

2.PCB柔性電路的經(jīng)濟(jì)性

如果電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，總體積不大，而且空間適宜，傳統(tǒng)的內(nèi)連方式大多要便宜很多。如果線路復(fù)雜，處理許多信號(hào)或者有特殊的電學(xué)或力學(xué)性能要求，柔性電路是一種較好的設(shè)計(jì)選擇。當(dāng)應(yīng)用的尺寸和性能超出剛性電路的能力時(shí)，柔性組裝方式是最經(jīng)濟(jì)的。在一張薄膜上可制成內(nèi)帶5mil通孔的12mil焊盤及3mil線條和間距的柔性電路。因此，在薄膜上直接貼裝芯片更為可靠。因?yàn)椴缓赡苁请x子鉆污源的阻燃劑。這些薄膜可能具有防護(hù)性，并在較高的溫度下固化，得到較高的玻璃化溫度。柔性材料比起剛性材料節(jié)省成本的原因是免除了接插件。

高成本的原材料是柔性電路價(jià)格居高的主要原因。原材料的價(jià)格差別較大，成本最低的聚酯柔性電路所用原材料的成本是剛性電路所用原材料的1.5倍;高性能的聚酰亞胺柔性電路則高達(dá)4倍或更高。同時(shí)，材料的撓性使其在制造過程中不易進(jìn)行自動(dòng)化加工處理，從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降;在最后的裝配過程中易出現(xiàn)缺陷，這些缺陷包括剝下?lián)闲愿郊?、線條斷裂。當(dāng)設(shè)計(jì)不適合應(yīng)用時(shí)，這類情況更容易發(fā)生。在彎曲或成型引起的高應(yīng)力下，常常需選擇增強(qiáng)材料或加固材料。盡管其原料成本高，制造麻煩，但是可折疊、可彎曲以及多層拼板功能，會(huì)使整體組件尺寸減小，所用材料隨之減少，使總的組裝成本降低。

一般說來，PCB柔性電路的確比剛性電路的花費(fèi)大，成本較高。柔性板在制造時(shí)，許多情況下不得不面對(duì)這樣一個(gè)事實(shí)，許多的參數(shù)超出了公差范圍。制造柔性電路的難處就在于材料的撓性。

3.PCB柔性電路的成本

盡管有上述的成本方面的因素，但柔性裝配的價(jià)格正在下降，變得和傳統(tǒng)的剛性電路相接近。其主要原因是引入了更新的材料，改進(jìn)了生產(chǎn)工藝以及變更了結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在的結(jié)構(gòu)使得產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性更高，很少有材料不匹配。一些更新的材料因銅層更薄而可以制出更精密線條，使組件更輕巧，更加適合裝入小的空間。過去，采用輥壓工藝將銅箔黏附在涂有膠黏劑的介質(zhì)上，如今，可以不使用膠黏劑直接在介質(zhì)上生成銅箔。這些技術(shù)可以得到數(shù)微米厚的銅層，得到3mil甚至寬度更窄的精密線條。除去了某些膠黏劑以后的柔性電路具有阻燃性能。這樣既可速UL認(rèn)證過程又可進(jìn)一步降低成本。柔性電路板焊料掩膜和其他的表面涂料使柔性組裝成本進(jìn)一步地降低。

在未來數(shù)年中，更小、更復(fù)雜和組裝造價(jià)更高的柔性電路將要求更新穎的方法組裝，并需增加混合柔性電路。對(duì)于柔性電路工業(yè)的挑戰(zhàn)是利用其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，保持與計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程通信、消費(fèi)需求以及活躍的市場同步。另外，柔性電路將在無鉛化行動(dòng)中起到重要的作用。