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刚-挠性印制板技术讲座( 提纲)
林金堵

既有刚性部分又有挠性部分结合形成的印制板。这是当前和今后最常见的一种多层刚-挠性印制电路板。其结构是: 把挠性( 可弯曲) 部分设计成单面或双面结构的挠性印制板, 而其它部位设计成刚性多层板, 并利用金属化孔来实现各层之间的电气连接的一类印制板。
刚-挠性印制板早期主要应用于军用、 航天航空等方面, 到当前为止已出现30层以上的刚-挠性印制板。美国军标MIL-P-50884中有详细规定着多层挠性印制板的设计和质量的标准。
随着电子设备迅速走向微小型化、 多功能化、 高可靠性方向发展, 要求PCB迅速走向高密度化、 高性能化和高可靠性化等的发展, 挠性印制板、 特别是刚-挠性印制板已经显得越来越多的优势。因此, 刚挠性印制板将得到更快速度的发展。
电子设备的发展是功能提高、 体积缩小,那么对元器件和印制板要求是小型化与高密度化。印制板的高密度化是线路更细、 互连孔更小、 层数更多, 刚性印制板与挠性印制板都显现这发展趋势。印制板的高密度化固然能缩小体积, 而设备内组件之间互连又要占有很多空间, 一般见电线电缆连接多块印制板构成系统, 若应用刚挠结合印制板就可达到多块印制板直接构成系统。这是刚-挠性板发展的根本原因。
1 刚-挠性板的提出
刚挠印制板(rigid-flex circuit board: R-FPCB)是把刚性印制板由挠性板连接构成系统模块,其主要优点和好处有如下几个方面。
⑴便于电气性能的维修与管理。最早的挠性电路是用来代替刚性印制板间端点与端点之间的接插件或电线电缆连接,大大方便与简化了电气管理与维修。
⑵满足高密度化的发展与要求。系统中采用接插件的方法已到了极限, 无法满足当前高密度要求与发展。同时, 高密度化接插连接的可靠性( 高密度化、 接触性能与环境污染等) 已越来越成为问题。
⑶提高了设计与安装等的自由度。
⑷便于立体( 三维) 组装。
⑸提高整个系统连接可靠性。
⑹降低成本。
早在1974年, 德国Schoeller Electronik公司(现为RUWEL AG的子公司)便生产出R-FPCB, 当时仅把挠性板热压在刚性板上。到1976年开始生产对称结构的6层板R-FPCB。到1980年时有25万块批量的4层结构R-FPCB 用于通信设备。由于R-FPCB的制作成本问题, 多年来应用范围局限于军事、 航空航天、 医疗与工业装置领域。近来随着消费类电子产品多功能小型化要求, 及PCB技术提升, 也推进了R-FPCB应用与技术发展。R-FPCB出现了不同用途、 不同结构、 不同弯曲性, 因而有不同类型和制造技术。

2 刚-挠性印制板的类型
2.1 按挠曲程度区分
( 1) 动态弯曲型R-FPCB
弯曲动态 型R-FPCB是常规的R-FPCB, 一开始就是这种类型, 有30多年历史了。它是由刚性部分与挠性部分层压在一起的混合结构,在刚性部位层间电气互连是由贯通的金属化孔连接。德国RUWEL AG称为”Multiflex circuit board”, 如图1所示。由于可弯曲部分是聚酰亚胺膜基材, 能够经受数千次甚至上万次弯曲, 因此也可称为重复弯曲型R-FPCB。

图1 常规的重复弯曲型R-FPCB
这种类型R-FPCB一般是由聚酰亚胺(PI)膜覆铜箔基材组成挠性部分, 挠性线路图形上也覆盖PI膜。刚性部分是环氧玻纤布FR-4覆铜箔层压板, 刚性部分与挠性部分之间粘结片是不流胶性FR-4半固化片, 把两者层压在一起。一般制造过程是先加工挠性线路部分, 表面线路图形上挠性线路上用PI覆盖膜; 刚性部分是加工好内层图形; 然后刚挠部分压在一起成多层板, 钻孔与PTH、 电镀等, 刚性线路上涂阻焊剂(SM); 最后把遮盖于挠性区的刚性板除去, 得到R-FPCB。

( 2) 静态弯曲型R-FPCB
该类R-FPC的弯曲性介于动态弯曲型与半弯曲型R-FPCB之间, 由德国RUWEL公司创造, 被称为”Yellowflex circuit board”。板子结构如图2。

图2
它仅在弯曲部分用可挠曲聚合物覆铜箔基材, 代替PI覆铜板。刚性部分是FR-4基板, 层压时刚性与挠性部分是由FR-4半固化片粘合。刚性部分只有常规多层材料, 没有挠性聚合膜和粘合剂, 这有利于孔加工和层间结合可靠性, 不需要加工过程特别处理。在非挠曲部分没有挠性聚合膜, 既有利于加工, 又可少用挠性材料, 可节省成本。
当前”Yellowflex ”电路板仅限于一层弯曲电路图形, 继续在开发有二层弯曲电路图形, 而刚性部分电路层数不受限制。”Yellowflex ”电路板按IPC标准, 进行热冲击、 热应力、 热循环和绝缘性等可靠性试验, 全部合格经过。如图2的双面R-FPCB, 加工过程为用FR-4单面覆铜板, 介质面的挠性区域作预切割, 再层压PI膜与铜箔, 进行双面板线路加工, 最后涂覆阻焊剂与成形。

( 3) 半弯曲型R-FPCB
有许多R-FPCB应用并不需要重复地弯曲操作, 仅有安装时、 安装返工和维修时几次弯曲, 那么采用一般可弯曲材料就能够了, 并不需要挠曲性能好但价格贵的基材。因此产生了用常规刚性多层板基材, 生产出半弯曲型R-FPCB, 被称为”Semiflex circuit board”, 如图3所示。

图3
半弯曲型R-FPCB材料单一, 常可用经改性环氧树脂的薄FR-4基板,不必用PI膜。加工过程也简单, 与常规双面或多层板相同, 仅需对弯曲部位布线设计与厚度注意控制, 只是在弯曲部位减少多层半固化片的厚度, 使得达到可弯曲。
R-FPCB的弯曲性除了结构形状外, 主要取决于所用基材种类。所谓重复弯曲型、 静态弯曲型和半弯曲型R-FPCB, 弯曲能力的区别大致是: 重复弯曲型R-FPCB与静态弯曲型R-FPCB在弯曲半径1mm、 弯曲180度情况下, 前者可弯曲千次以上, 后者可弯曲百次以上; 半弯曲R-FPC在弯曲半径5mm、 弯曲180度情况下, 能弯曲循环10次以上。

2.2 按刚挠层结构区分
( 1) 对称型与非对称型R-FPC
对称型R-FPC是指挠性电路层夹在刚性层中间, 如上图1和下图4所示, 刚性与挠性部分上下排列是对称的。
非对称型R-FPC是指挠性电路层在刚性层的一面, 如图5所示, 刚性与挠性部分排列是不对称的。图5是最简单的R-FPC, 而它不能与粘贴增强板的挠性板混淆, R-FPC是刚性层与挠性层电路有导通孔互连的, 粘贴于挠性板的增强板是没有与挠性层电路互连的导通孔的。

图4 对称型R-FPC( 6层板) 图5 非对称型R-FPC( 双面板)
对称型R-FPC制造过程一般是挠性部分与刚性部行内层分别加工后压合在一起的。不对称型R-FPC一般是挠性部分线路图形作为板子外层, 与刚性部分压合后作为外层线路图形一起加工的。

( 2) 书本型R-FPC
书本型R-FPC是在两块刚性多层板之间有多层挠性板连接, 挠性层如厚书本可弯折的封皮。为便于弯折达到刚性板合拢, 多层挠性之间是分离的, 而且设计时要多层挠性的外侧层长度大于内侧层, 各层长度参差的, 如图6所示。

图6 书本型R-FPC
书本型R-FPC制造过程是先把各层挠性层加工完成, 再是叠板层压在一起, 挠性部分上有遮掩层以便于后续加工时被保护, 刚性部分有镀通孔互连。

( 3) 飞尾型R-FPC
挠性板一头与刚性板结合连接, 另一头是如鱼尾巴样可自由摆动, 这称为飞尾型( flying tail) R-FPC。仅拖着一个单面或双面挠性板的是单尾型R-FPC; 若拖着二个或多个单面或双面挠性板的是双尾型或多尾型R-FPC; 如图7所示。

图7 飞尾型R-FPC
这类板子也是先把挠性层加工完成, 然后压入刚性层, 在刚性外层图形完成后把多余刚性区域除去, 就得到自由摆动的挠性部分。
( 4) 屏蔽型R-FPC
为了防止挠性连接线受电磁干扰, 一般在刚性多层板设置网状屏蔽电路层, 而挠性板部分可采取印刷银膏导体层成为屏蔽层, 简便有效, 如图8所示。银膏导体屏蔽层是在阻焊层完成后, 再丝网印刷加工实现。

图8 屏蔽型R-FPC

2.3 按制造方法不同的R-FPC
印制板制造无论是刚性板或挠性板, 一般是金属化贯穿孔( 镀通孔: PTH) 实现多层板层间电路互连, 而采用积层法微小孔(埋孔与盲孔)实现多层板高密度互连( HDI) 。这两种不同制造方法同样适用于R-FPCB。
( 1) 镀通孔型R-FPC
如图9所示是常规的镀通孔型R-FPC, 为6层板, 中间的挠性导线层是一层, 按需要能够是二层或多层, 挠性部分加工完成后与刚性部分内层板压合, 再加工刚性部分镀通孔与外层线路图形、 阻焊图形等。

图9 镀通孔型R-FPC
( 2) 积层型R-FPC
如图10和图11所示都是积层型R-FPC, 只是两者的积层工艺方法不同。除这二种积层
法外, 应该其它的ALIVH( 全部积层小孔互连) 与PALAP( 一次压合) 积层法也可应用于R-FPC加工。

图10 SLC积层型R-FPC 图11 B 2 it积层型R-FPC
图10的SLC( 逐层积层) 型R-FPC是8层板, 其中挠性部分是二层, 该板子制作过程是先加工双面挠性部分, 再压合刚性部分为四层芯板, 然后双面都分二次( 逐层) 积层产生埋孔、 盲孔与线路图形, 成为2+( 2+2) +2的积层型R-FPC。
图11的B 2 it积层型R-FPC是6层板, 其中挠性部分是外层一层, 该板子制作过程是先加工刚性部分四层积层板, 积层工艺是B 2 it法( 银膏凸垫穿刺互连法) , 此后压上外层, 其中一面是挠性层, 完成外层线路图形。

3 刚-挠性板的制造工艺( 概要)
刚-挠性板的制造是把刚性板制造工艺和挠性板制造工艺相结合的一种制造方法。
3.1材料选择
刚-挠性板是由刚性板材和挠性板材组成的。种类很多, 如何选择完全取决于刚-挠性板用户的应用条件与要求。
⑴刚性板材和半固化片。最常见的有FR-4板材及其半固化片、 PI板材及其半固化片等, 前者成本低而耐热性能较差。当前, 对于工业和家电产品, 大多数选用常规的或多功能结构的高Td、 高TgFR-4板材及其半固化片。
⑵挠性材料。挠性材料可分为板材( ”两层”板材和三层板材) 和覆盖膜。
①”两层”法板材。有两种制造方法: ( 一) 在薄膜( 如PI) 上( 一面或两面) 经过真空溅射、 电镀形成铜导电箔, 结合力高、 利于精细线制造、 内应力低和耐热性能好等, 缺点是成本; ( 二) 在铜箔( 表面经粗化处理, 一般为一面) 上涂覆要求厚度的树脂、 烘干等形成的, 要求有足够的铜箔厚度, 结合力较低, 不适于制作高密度精细线场合, 成本较低。
②”三层”法板材。由介质薄膜( 如PI、 PE等) 、 粘结剂( 如丙烯酸膜等) 、 铜箔等热压二成。由于Tg和CTE差别很大, 如表1所示。因此, 结合力低, 内应力大、 耐热性差、 层间对位困难等, 但成本低。
表2 材料物理特性
特 性
测试条件
丙烯酸膜
PI膜
环氧树脂
Tg温度( ℃)
IPC2.4.25
45
185
103
Z向CTE( ppm/℃)
IPC2.3.24( 25∽275℃)
500
130
240
3.2 工艺流程

挠性材下料--→钻/冲定位孔--→图形转移--→贴/压覆盖膜( 经钻/冲孔与外形) --→除去多余覆盖膜--→氧化处理( 刚层压部分) --→多层压。
刚性材( 含半固化片) 下料--→钻/冲定位孔、 铣挠性区域--→图形转移--→氧化处理--→多层热压( 与挠性部分) --→钻孔--→去钻污( 等离子体为佳) --→孔化/电镀--→图形转移--→阻焊膜--→表面涂( 镀) 覆--→外形加工--→检测--→包装。
3.3
主要制造工艺说明。
⑴选用的半固化片应是”不流动性”的。经过多层热压后没有或极少有树脂溢出而进入挠性区域。
⑵多层热压。如果有多个挠性层的刚挠板结构时, 可采用分步热压, 即先层压挠性部分, 再与刚性部分进行层压。其优点: 可根据挠性材料特点选择层压参数, 获得最佳效果; 可及时发现挠性部分的缺陷, 比一次性层压来, 周期长、 成本较高。
刚-挠性板的层压与常规多层板工艺参数是有差别的。主要是控制: ( 一) 挠性材料在层压过程容易形变, 半固化片比丙烯酸膜流动性大, 排气和敷形性好, 但不利于窗口保护和挠性内层的尺寸稳定性, 反之, 增加丙烯酸膜厚度, 虽然有利于提高粘结力和父形效应, 但耐热性能变差; ( 二) 刚性表面平整性和刚性区之间结合部的挠性窗口的保护方面( 如采用垫片填入窗口) ; ( 三) 严格控制层压参数。
⑶去钻污。由于化学( 如高锰酸钾溶液等) 对不同材料有不同的”蚀刻”速度, 因而不能获得均匀的去钻污效果, 因此应该采用等离子体技术方法。
其它( 略) 。
4 技术规范
既要执行刚性板技术规范, 又要执行挠性板技术规范, 因此, 要综合起来执行。主要有: 材料检验; 成品板检验( 如目检”很多项目”、 尺寸检验、 电气性能检验、 机械性能检验、 环境性能检验、 其它检验”如CAF、 PCT、 阻燃性、 洁净度等”) 。
试验方法: 试验状态、 试样、 各种各样试验项目与方法。
注: 当前CPCA书籍: 《挠性印制电路板基础》; 《高密度柔性印制电路板》。标准有: IPC/CPCA-6013A( 挠性印制板的鉴定及性能规范) ; WECC-6202( 单、 双面挠性印制线路板性能手册) ; CPCA/JPCA-DG02- ( 单、 双面挠性印制电路板规范) ; CPCA/JPCA-BM03- ( 印制电路用挠性覆铜板——胶粘剂型和无胶粘剂型) 。

, 4, 5．