了解如何制造柔性电路以及软硬结合板

1、了解如何制造柔性电路以及软硬结合板软硬结合板有很多好处，许多设计师们之前并不了解，因为他们的设计不是必须使用这个技术。然而现在越来越多的设计师将要面对构建越来越高密度的电子设备的压力，更让他们头痛的是还有要不断地降低制造成本和减少制造时间。其实，这真的不是什么新的技术难题。很多的工程师和设计师们已经为之头痛很久，且所面临的压力也正不断骤增。因此，了解如何制造柔性电路以及软硬结合板是非常明智的。这样，我们可以轻松找设计中的错误隐患，防患于未然。现在，让我们认识一下做这些板子需要哪些基础材料。柔性电路的材料基底和保护层薄膜首先，我们来考虑一下普通的刚性印刷电路板，它们的基底材料通常是玻璃纤维和环氧树脂。实际上，这些材料是一种纤维，尽管我们称之为“刚性”，如果单取出一层，你还能感受到它的弹性。由于其中的固化环氧树脂，才能使板层更加刚硬。由于它不够灵活，所以不能应用到某些产品上。但是对于很多简单装配的、板子不会持续移动的电子产品还是合适的。在更多的应用中，我们更需要比环氧树脂灵活的塑料薄膜。我们最常用的材质是聚酰亚胺(PI)，它非常柔软、牢固，我们不能轻易地撕裂它或者延展它。而且它还具有难以置

2、信的热稳定性，能够轻松承受加工中回流焊过程的温度变化，而且在温度的起伏变化过程中，我们几乎不能发现它的伸缩形变。聚酯（PET）是另外一种常用的柔性电路材料，与只聚酰亚胺（PI）薄膜比较，它的耐热性和温度形变比PI薄膜差。这种材质通常用于低成本的电子设备中，印刷的线路包裹在柔软的薄膜中。由于PET无法承受高温，更不用说焊接了，所以，一般采用冷压的工艺制作这种柔性线路板 。我记得这个时钟收音机的显示部分采用的是这种柔性连接电路，所以这台收音机经常工作不正常，根本原因就是这个质量差的连接件。所以我们建议软硬结合板还是选择PI薄膜，其他材料也有但不经常使用。PI膜、PET膜、薄环氧树脂和玻璃纤维芯，是柔性电路的常用材质。除此之外，电路还需要使用其他保护膜，通常是PI或PET膜，有时会采用掩膜阻焊油墨。与在硬质板上组焊层保护线路相同，保护膜可以把导体与外界绝缘，保护其免受腐蚀和损坏。PI和PET膜的厚度在密耳至3密耳范围内，其中1密耳或2密耳厚度的比较常用。玻璃纤维和环氧树脂材质较厚，一般是从2密耳到4密耳。导体在上面提到的省钱的电子产品中使用了印刷导线，通常是碳膜或银基油墨，但是铜导线还是普遍

3、的选择。根据不同的应用，我们要选择不同的铜箔的形式。如果仅仅为了代替导线和接插件，从而减少制造时间和成本，那么良好应用于应性线路板的电解铜箔就是最好的选择。电解铜箔同样会应用于通过增加的铜的重量来提高电流的承载能力，从而得到可以实现的铜皮宽度的场合，例如平面电感器。众所周知，铜在加工硬化和应力疲劳方面一直比较差劲的。如果最终的应用中柔性电路需要反复折叠或者重复移位，那么高等级的轧制韧化铜箔（RA）是更好的选择。显而易见，多了轧制韧化这一步骤势必增加成本，但是轧制韧化铜箔在出现疲劳断裂前能够被更多次的弯曲、折叠。而且它在Z偏转方向弹性增加了，这是我们需要的，在经常弯曲和滚动的应用中，它回报给我们更长的寿命。因为轧制韧化过程拉长了在平面方向的晶粒结构。图2：夸张版的轧制韧化过程插图，非比例构图。铜箔通过高压辊轮后，可以在平面方向上延伸它的晶粒结构，使铜更柔软并且增加了z轴的弹性。典型的例子就是台架与铣刀刀头的链接，或者蓝光驱动器中的激光头（如下图所示）。图3：在蓝光机器中，柔性电路应用与激光与主电路板之间的连接。请注意，激光头上线路板上的柔性电路有需要弯曲成直角，这里用了一颗胶珠来增强柔性

4、电路的联接。胶粘剂通常，我们需要胶粘剂来粘合铜箔和PI膜（或其他膜），因为与传统的FR-4刚性板不同，轧制韧化后的铜箔表面没有很多的毛刺，因此高温、高压不能实现良好的粘合。制造商，例如杜邦公司提供了单、双面的，可腐蚀的覆铜箔层压膜。它使用了厚度为密耳或1密耳的丙烯酸或者环氧基胶的粘合剂。这个粘合剂是为柔性线路板专门开发的。由于像直接在PI薄膜上涂镀和沉积铜皮这样新的加工工艺的引入，“无胶”层压板正变得越来越普遍。在需要更细的间距和更小的过孔的HDI电路中，这样薄膜就可以大派用场了。当需要在软硬结合部添加保护胶珠时，我们会使用到硅树脂、热熔胶或者环氧树脂。这样会增强软硬结合部机械强度，确保在重复使用的过程中不会产生应力疲劳或者撕裂。图3中就是最好的例子。图4：典型单层柔性电路板堆叠。总结清楚了解在柔性电路板或者软硬结合电路板中使用的材料是非常重要的。我们也可以放手给的制造商，由他们可以根据应用自由选择材料，但是这就为最终产品的失败埋下了隐患。了解材料的性能还可以帮助我们设计、评估和测试产品的机械部分。如果研发的是应用于汽车的产品，那么散热、防潮、化学腐蚀、冲击等情况都需要仔细模拟，从而采

5、用正确的材料来实现产品的高可靠性以及最小允许弯曲半径。讽刺的是，驱使我们选择柔性后者软硬结合板应用实际，往往会暴露在恶劣的环境中。例如，低成本的消费类个人电子设备经常会受到振动、跌落、汗水等困扰。构建柔性板乍一看，典型的柔性板或者软硬结合板看起来很平淡无奇。然而，把它们制造出来需要一些额外的步骤。制造任何一款软硬结合板，都是从制造单面或双面的柔性板开始的。正如上周提到过的，制造可以从预压制的软板开始，也可能从PI膜开始，然后在原始的裸板上层压铜板，或者镀上铜皮。层压工艺需要在薄膜上刷涂一层薄薄的粘贴剂，无胶工艺则要在薄膜上种镀铜的“种子”。通常使用汽体淀积技术（如溅射法）种“种子”，为接下来的化学沉淀流程种下凝结核。接下来单面或者双面的柔性板的钻孔、镀通以及蚀刻的过程，大体上与双面硬质板的加工过程类似。柔性板的制造步骤下面的GIF动画显示了一个典型的双面柔性电路板的制造步骤。图1：GIF动画显示了柔性电路板的制造过程。1、胶粘剂或者种“种子”的应用使用环氧树脂或丙烯酸类的粘合剂，或者用溅射法涂镀是创建薄铜镀层的关键。2、添加铜箔将RA/ED铜箔层压制到粘合剂上（这是主流方法）或者使用化

6、学镀镀的方法。3、钻孔过孔和焊盘的孔通常是机械钻孔。多块柔性板可以通过工作转盘实现同时钻孔。使用与硬质板同样的办法，柔性板的预切割可以与钻孔结合在一起实施，这需要更为细致的记录，但是对齐精度可以降低。一般采用激光打孔来处理超小钻孔，这会大大增加成本，因为每片膜都需要分开钻孔。使用准分子（紫外线）或YAG（红外线）来处理高精度钻孔（microvias)，使用CO2激光器来钻中等大小的钻孔（4密尔以上）。使用冲压的方式来可以处理大的过孔和板剪切，但那是另外的加工步骤。4、通孔电镀一旦打孔完成，将采用与硬质板相同的沉积和化学电镀的办法，把铜添加到孔上。5、印刷防蚀刻油墨在膜表面涂上感光性的抗蚀剂，然后使用需要的图案进行曝光，在化学蚀刻铜前清除掉不需要的抗蚀剂。6、蚀刻和剥离暴露的铜皮被蚀刻掉以后，采用化学的方法把抗蚀剂剥离。7、覆盖膜柔性板的顶部和底部用切割成形的覆盖膜保护。柔性板上有时候需要焊装在一些元器件，那么覆盖膜就起到了阻焊层的作用。最常见的覆盖膜材料是聚酰亚胺，使用粘合剂粘合，这里也可以采用无胶过程。在无胶过程中，把光感阻焊剂刷在柔性板上，这与硬性板的过程是一样的。为了降低成本，可

7、以使用丝网印刷，然后通过紫外线照射进行固化。图2：带覆盖膜的柔性电路-请注意，覆盖层中的开口一般小于元件焊盘。关于保护膜需要注意的是，它通常只放置于一部分暴露的柔性电路上。对于软硬结合板，保护膜不会放于硬性板上，除非有小部分重叠-通常约半毫米。当然保护膜可以包括整个硬性部分，但是这样做会不利于硬性板的附着力和z轴的稳定性。这种可选择的保护膜被称为“比基尼保护膜”，因为它只覆盖裸露的部分。此外，覆盖膜在元器件或者连接器焊盘处留有切口要至少保留焊盘的两个边。我们会在下期博客中探讨这个问题。8、柔性板的剪切制造柔性电路的最后一步骤是剪切。这通常被称为“下料”。高产量、低成本的剪切方法是使用液压冲床和钢模具。虽然这里需要高成本的钢模具，但是这种方法能在同一时间剪切出许多的柔性电路板。对于样机和小批量的生产一般使用刀模具。把很长的刀片，按照柔性电路板轮廓形状塑型，然后粘贴到刀模基座（中密度纤维板，胶合板或厚塑料，如聚四氟乙烯）上。按压刀模具，就可以将柔性电路切割成形。对于产量更小的原型机制造，可以使用到X/Y切割器，有些类似用于乙烯标牌的制作。压制和切割如果柔性电路板还要与硬质板压制成软硬结合板

8、（我们感兴趣的部分），那么我继续往下讲。我们需要把柔性板和硬质板压制在一起。与普通的柔性板相同，它需要独立钻孔、电镀并蚀刻。不同的是由于缺少玻璃纤维，所以它更薄、更有弹性。正如前面所提到的，弹性差一点的板可以根据需求使用PI和玻璃纤维制造。最后要也要把它作为夹层与硬质板压制在一起，并做成拼板。层压叠层柔性电路板是与硬质电路板和其他柔性板，通过粘接剂热压在一起的。每个柔性板彼此是不相邻的。为了保持灵活性，每个柔性板最多有2个铜皮层。柔性板之间是被硬质半固化片、基板或者由环氧树脂或和丙烯酸酯胶粘剂制成的PI芯粘接片所分离的。从本质上讲，每个硬质板在柔性板填充的部分都是单独切割的。下面是软硬结合板层压过程，2个两层柔性电路嵌入三个硬质板中。层叠结构如图3和图4所示。图3：金属蚀刻、电镀、保护膜和空白柔性板与玻璃环氧硬质板相结合。图4：包括每一柔性部分镀孔层叠板，及硬性部分镀孔的详细流程图。在图4所示的层叠例子中，有两个预蚀刻和切割的柔性电路，每一个都是双面镀通的。柔性电路已经嵌在最终的拼板中，在柔性电路下面保留了硬质电路板，用于支撑柔性电路。这样有助于在焊装过程中保持柔性电路平整。如果柔性电

9、路没有支撑的话会有一些潜在的危害，比如焊装过程中柔性电路弯曲或者大裂缝，尤其是在回流焊炉中。我会在下一篇博客中，提及设计方面的解决技巧。阻焊可以使用类似压贴纸的覆盖膜，或用前面提到的光敏阻焊涂料。最后，由柔性板和硬质板构成的6层的板压制完成后，最外层（顶部和底部）的铜箔层就要连接在一起了。通常是从顶层到底层钻孔，然后涂镀就完成了。也可以使用激光钻盲孔（从顶层到柔性板或者从底层到柔性板），不过这样会增加成本。最后一步是印刷顶层和底层的阻焊层、丝印层和防腐镀金（如：化镍浸金）或焊锡均涂（HASL）。物理约束多个柔性板结构尽管原理上软硬结合板可以使用各种层叠结构，但是如果你没能谨慎考虑生产步骤及材料属性，它的造价会贵得离谱。设计柔性电路的一个重要考虑是，要了解电路弯曲时材料内部所能承受的压力。在反复多次地弯曲后，铜会硬化并产生疲劳断裂。缓解这个问题的一种方法是使用单层的柔性电路结构，这样，铜处于弯曲半径的中心，薄膜板和覆盖层最大限度吸收了的压缩和拉伸应力，如图5所示。由于聚酰亚胺具有良好的弹性，所以问题不大。相比多铜层结构，单层铜皮结构能在反复的运动中具有更长的生命周期。图5：对于需要多次重复弯曲的电路，最好使用单层柔性结构，并且使用RA铜来增加疲劳寿命。同理，多个独立的柔性电路通常也是很有必要的，但最好避免在重叠部分弯曲，因为柔性部分的长度会限制弯曲半径。噢！我有点说过头了-设计方面内容，我将在下周续写更多胶珠正如上周我所提到的，在柔性板离开硬质板的地方需要考虑加强它的牢固度，环氧树脂、丙烯酸或热熔胶都可以帮助提升使用寿命。但是，点胶和等它固化，会增添额外劳动及生产周期。当然可以使用自动点胶机，不过你必须非常仔细地与装配工程师一起合作，来确保装配完成后这个胶珠不会掉下来。在某些情况下，即便是费时、费钱，也必须要手动上胶。无论采用哪种方式，你都需要为装配人员提供清晰的操作手册。补强板和终端如果不与硬质板组装在一起，那么柔性电路的终端通常会与连接器相连。这种情况下，终端

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