撓性電路材料

隨著電子產(chǎn)品日新月異的迅猛發(fā)展，對(duì)電子組裝技術(shù)提出了一個(gè)又一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了能夠迎合電子技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)陔娮咏M裝技術(shù)上進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新，在此背景下一種含有精致導(dǎo)線、采用薄薄的、柔順的聚合物薄膜制造的柔性電路應(yīng)運(yùn)而生，它能夠適用表面安裝技術(shù)并能夠被彎曲成無(wú)數(shù)種所需的形狀。
采用SMT技術(shù)的柔性電路可以制造的很薄、很精巧，絕緣厚度小于25μm,這種柔性電路能夠被任意彎曲并且可以卷曲后放入圓柱體中,以充分利用三維體積。它打破了傳統(tǒng)固有使用面積的思維定勢(shì)，從而形成充分利用體積形狀的能力，這能夠在目前常規(guī)采用的每單位面積所使用的導(dǎo)體長(zhǎng)度上，顯著地增強(qiáng)有效使用密度，形成高密度的組裝形式。
近年來(lái)柔性電路的使用已經(jīng)擴(kuò)展到了無(wú)線電通信、計(jì)算機(jī)和汽車電子設(shè)備等領(lǐng)域。以前柔性電路專門作為剛性線纜的替代物來(lái)使用，它己經(jīng)能夠很成熟地作為剛性電路和印刷電路板的替代品應(yīng)用在要求采用薄型電路或者三維電路的場(chǎng)合。為了能夠滿足剛?cè)嵯酀?jì)的應(yīng)用要求，剛?cè)峒夹g(shù)在剛性電路板上結(jié)合了柔性電路。
1 柔性電路的早期應(yīng)用
雖然采用SMT技術(shù)的柔性電路是一項(xiàng)現(xiàn)代高科技技術(shù)，但是它采用了最早的印刷電路線的基本原理，其根源可以一直追溯到20世紀(jì)70年代?？赡茏钤缡褂肧MT柔性電路技術(shù)的情形發(fā)生在20世紀(jì)70年代的初期。美國(guó)德州儀器公司在開(kāi)發(fā)計(jì)算器時(shí)，將雙列直插式集成電路放入歐翼型器件，然后通過(guò)熱條焊接在柔性電路上面。柔性電路的基層薄膜是對(duì)熱敏感的滌綸薄膜，其工藝制造方式為根據(jù)電路制造的方式連續(xù)滾壓。另外一個(gè)早期SMT柔性電路技術(shù)的應(yīng)用例子是寶麗來(lái) (Polaroid)照相機(jī)中采用的電路。寶麗來(lái)照相機(jī)是一種在拍照后立即可以進(jìn)行沖洗的照相機(jī)，寶麗來(lái)公司轉(zhuǎn)向采用SMT柔性電路技術(shù)是在20世紀(jì)80年代初期，柔性電路的基層薄膜是滌綸薄膜，采用波峰焊接技術(shù)進(jìn)行焊接。自從20世紀(jì)80年代初期以來(lái)，柔性電路與SMT技術(shù)相結(jié)合已取得了很大的成功。當(dāng)明白了對(duì)于薄膜基片而言，SMT是一種理想的組裝技術(shù)以后，相當(dāng)一部分柔性電路制造商便迅速地進(jìn)入了SMT技術(shù)領(lǐng)域。

2 柔性電路的主要材料
在柔性電路中使用的主要材料是絕緣簿膜、膠黏劑和導(dǎo)線。絕緣簿膜形成了電路的基礎(chǔ)。膠黏劑將銅箔黏接到絕緣簿膜上，在多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，內(nèi)部有許多層被黏合在了一起。使用外保護(hù)層將電與砂塵和潮氣相隔絕，與此同時(shí)還可以降低在撓曲時(shí)所受的應(yīng)力。導(dǎo)電層是由銅箔提供的。
在一些柔性電路中，采用鋁或者不銹鋼作為加強(qiáng)肋，以確保幾何尺寸的穩(wěn)定性。同時(shí)還可以提供在元器件和連接器插入時(shí)的機(jī)械支撐力，以及消除掉應(yīng)力。加強(qiáng)肋采用膠黏劑黏接在柔性電路上面。有時(shí)在柔性電路中采用的另外一種材料是黏接片（bond ply），它是由兩面涂覆有膠黏劑的絕緣簿膜構(gòu)成。黏接片能夠提供環(huán)境保護(hù)和電氣絕緣，它能夠起到取消簿膜層和在層數(shù)較少的多層電路中起到黏接的作用。
許多絕緣簿膜可以從市場(chǎng)上采購(gòu)到，最常用的是聚酰亞胺和滌綸材料（如表1所示）。在美國(guó)的所有柔性電路制造廠商中，接近80%的廠商是采用聚酰亞胺簿膜作為柔性電路的材料，大約20%的制造廠商結(jié)合采用滌綸簿膜。聚酰亞胺材料具有不易燃、幾何尺寸穩(wěn)定的特點(diǎn)，擁有較高的抗撕裂強(qiáng)度，并且能夠忍受焊接時(shí)的高溫。滌綸也稱為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇脂（polyethylene terephthalate 簡(jiǎn)稱PET），物理性能與聚酰亞胺相類似，具有較低的介電常數(shù)和能夠吸附少量的潮氣，但是耐高溫的能力較差。
滌綸的熔化點(diǎn)在250℃，它的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)為80℃，這些參數(shù)限制了它們?cè)谛枰M(jìn)行大量焊接的場(chǎng)合的使用。在低溫狀態(tài)下，它們較硬,但是它們?nèi)赃m用于在電話以及其他不暴露在惡劣環(huán)境下工作的電子產(chǎn)品中使用。
聚酰亞胺絕緣簿膜通常與聚酰亞胺或者丙烯酸膠黏劑一起使用，絳綸絕緣簿膜一般與絳綸膠黏劑一起使用。在焊接或者在整個(gè)多層層壓周期操作以后，黏接好的材料具有令人滿意的特性優(yōu)點(diǎn)，即穩(wěn)定的幾何尺寸。在膠黏劑中的其他重要特性是較低的介電常數(shù)、較高的絕緣阻抗、較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和較低的吸濕性。
在柔性電路中除了采用絕緣簿膜與導(dǎo)電材料相互黏接以外，膠黏劑也被用作防護(hù)涂覆來(lái)使用，它可以形成覆蓋層（也稱為coverlays）和表面涂層。這兩者之間的主要差異在于所采用的應(yīng)用方式不同。覆蓋層是將膠黏劑覆蓋在層壓有電路的絕緣簿膜上面，而表面涂層是通過(guò)表面印刷的方式涂布膠黏劑。
不是所有的層壓結(jié)構(gòu)都要與膠黏劑相接合，不采用膠黏劑的層壓結(jié)構(gòu)與采用膠黏劑的層壓結(jié)構(gòu)相比較，能夠提供更簿的電路、更佳的柔軟性和更好的導(dǎo)熱率。簿型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱率和不采用耐熱膠黏劑的結(jié)構(gòu)，允許不采用膠黏劑的電路在不宜采用膠黏劑為基礎(chǔ)的層壓簿片的工作場(chǎng)合中使用。
在柔性電路中所使用的銅箔可以采用電沉積或者采用鍛制的方式獲得。采用電沉積制造的箔片一面是有光澤的，而另外一面是沒(méi)有光澤的，它形成了可以彎曲的材料，可以形成不同的厚度尺寸和寬度尺寸。由電沉積制成的箔片的無(wú)光澤一面常常需要采用特殊處理，以求改善其黏接性能。采用鍛制方式形成的銅箔除了可以彎曲以外，具有一定的硬度和表面光滑度，可以適應(yīng)要求動(dòng)態(tài)柔性活動(dòng)的場(chǎng)合使用。

3 柔性電路的層壓構(gòu)造和特點(diǎn)
美國(guó)杜邦（DuPont）公司、ICI Americas公司、Rogers公司和Sheldahl公司等材料供應(yīng)廠商還提供適合特殊應(yīng)用的特定層壓構(gòu)造。杜邦公司除了能夠提供聚酰亞胺—丙烯酸結(jié)構(gòu)以外，還能提供各種聚酰亞胺層壓簿膜材料。杜邦公司的Kapton 聚酰亞胺簿膜材料是它用于許多Pyralux 產(chǎn)品中的基礎(chǔ)材料，其中包括Pyralux FR （flame-retardant阻燃型）和 LF覆銅層壓簿片、黏合層片和覆蓋層。Pyralux AP層壓簿片也采用了Kapton簿膜。
Pyralux FR覆銅層壓簿片是在杜邦Kapton 聚酰亞胺簿膜上覆蓋一面或者雙面銅箔復(fù)合而成，它通過(guò)一種具有專利權(quán)的、阻燃型的C級(jí)丙烯酸膠黏劑黏合在一起。Pyralux FR黏接層是在Kopton簿膜兩面覆蓋B級(jí)丙烯酸膠黏劑復(fù)合而成。Pyralux FR覆蓋層是在Kapton簿膜的一側(cè)涂覆B級(jí)丙烯酸膠黏劑復(fù)合而成。LF系列是非阻燃型的，但是在其他方面它像FR系列材料一樣受到人們的重視。
Pyralux PC是一種可成像的覆蓋層（photoimageable coverlay），它由丙烯酸、氨基鉀酸酯和硫亞氨基礎(chǔ)材料等構(gòu)成，適合于無(wú)線電通信、計(jì)算機(jī)、工業(yè)用和醫(yī)學(xué)用電子設(shè)備，在這些應(yīng)用場(chǎng)合要求反復(fù)柔性循環(huán)，但是不適合動(dòng)作劇烈的柔性化應(yīng)用。
Pyralux AP是一種雙面覆蓋有銅的層壓簿片，它沒(méi)有采用膠黏劑，是由Kapton聚酰亞胺簿膜與銅箔復(fù)合而成，它在高達(dá)200℃以上的溫度下具有熱穩(wěn)定性。
Kapton 簿膜也被美國(guó)亞利桑那州Chandler的Rogers Corporation公司用作其R/flex 2005阻燃型材料系列的基礎(chǔ)材料。該材料系列是由采用Kapton為基礎(chǔ)的覆蓋層、黏接簿膜和覆銅Kapton層壓簿片所構(gòu)成，使用了阻燃型的膠黏劑。Rogers公司也提供了一種沒(méi)有采用膠黏劑的層壓簿片，稱為flex-imid 3000，它是一種覆蓋有銅的、采用聚酰亞胺為基礎(chǔ)的層壓簿片，它能夠在160℃的工作溫度下連續(xù)的工作。
基于PEN（polyethylene naphthalate）的絕緣簿膜是一種類似于滌綸的材料，它可以從美國(guó)ICI Americas公司購(gòu)得。PEN和滌綸（PET）之間的主要差異是它所具有的熱性能更佳。Kaladex PEN 簿膜所呈現(xiàn)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）比PET簿膜的要高120℃。PEN所具有的這種特性，再加上幾何尺寸的穩(wěn)定性和耐化學(xué)品特性，使得這種Kaladex簿膜可用于替代滌綸和聚酰亞胺簿膜。
美國(guó)明尼蘇達(dá)州Northfield的Sheldahl公司利用其Novaclad和 Novaflex生產(chǎn)線，制造生產(chǎn)了很多無(wú)膠黏劑的柔性電路材料。Novaclad是一種復(fù)合有銅箔的聚酰亞胺材料，它可以按照設(shè)計(jì)師的要求采用不同厚度和性能的銅箔。Novaclad G2200覆銅層壓簿膜材料在化學(xué)特性和耐熱性能方面的性能有了進(jìn)一步的提高，人們?cè)?jīng)作過(guò)一次測(cè)試，它可以在超過(guò)150℃的溫度條件下連續(xù)工作1000小時(shí)。
現(xiàn)在介紹由Sheldahl公司推出的Novaclad G2300和G2400。Novaclad G2300層壓簿膜已經(jīng)通過(guò)了在150℃的溫度條件下連續(xù)工作1000小時(shí)的長(zhǎng)期熱老化測(cè)試。Novaclad G2400 MCM級(jí)材料的開(kāi)發(fā)是為了滿足多芯片模塊(multichip modules簡(jiǎn)稱MCM)和芯片規(guī)模封裝（chip scale packages簡(jiǎn)稱CSP）所提出的挑戰(zhàn)。這種層壓簿膜不采用填充料，可以通過(guò)激光形成微孔。它同樣也能通過(guò)微細(xì)引線成像（fine-line imaging）技術(shù)形成很簿的銅箔，并增強(qiáng)涂覆的貴金屬（例如：鈀和化學(xué)鍍Ni/Au）的耐化學(xué)性。Novaclad G2400材料在簿膜和銅箔之間的光滑連接表面，改善了在高速信號(hào)傳輸時(shí)的電性能。
在Sheldahl公司創(chuàng)建的Novaclad品牌產(chǎn)品中，使用了基于真空金屬噴鍍的具有專利權(quán)的技術(shù)，該技術(shù)可以將一層很簿的純銅簿層施加在聚酰亞胺簿膜的表面上。然后這種材料過(guò)通電鍍制成特定的厚度以形成Novaclad 的基礎(chǔ)材料。
Novaclad 基礎(chǔ)材料被使用在不采用膠黏劑的Novaflex柔性電路制造中。在全部電路成像以后，施加上一層Novaflex絕緣覆蓋層。Novaflex柔性電路的設(shè)計(jì)是為了能夠忍受在惡劣的環(huán)境條件下進(jìn)行工作，Novaflex 免膠黏劑互連系統(tǒng)提供更佳的柔軟性、耐化學(xué)性能、高溫特性和最大的熱耗散性能。

4 采用聚合物添加法的柔性電路技術(shù)
美國(guó)的Poly-Flex Circuits公司開(kāi)發(fā)成功了一種柔性電路技術(shù)，它不同于常規(guī)采用的方法。它不采用銅導(dǎo)體和膠黏劑來(lái)形成電路，僅采用一種填充有銀顆粒的導(dǎo)電油墨，將其印刷在滌綸簿膜的絕緣基礎(chǔ)簿膜上。一種稱為Poly-Solder的導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂將表面貼裝器件與電路連接在了一起。
通過(guò)在第一層導(dǎo)電層上面印刷上一種聚合基絕緣層，然后再安置上第二層導(dǎo)電層的方式，可以形成一層以上的電路層。在導(dǎo)電層之間可以通過(guò)導(dǎo)電孔的方法實(shí)現(xiàn)互連。
它可以替換標(biāo)準(zhǔn)的柔性電路以適合工作溫度范圍在40℃到85℃場(chǎng)合的應(yīng)用要求，目前已廣泛應(yīng)用于諸如：電話機(jī)、鍵盤、自動(dòng)調(diào)溫器、電子游戲機(jī)、信息顯示屏和醫(yī)療儀器等電子產(chǎn)品之中。

5 結(jié)束語(yǔ)
在選擇用于柔性電路的材料中，可供選擇的范圍有一定的限制，但是在絕大多數(shù)的電子產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)合中所遇到的各種要求一般都能夠得到滿足。對(duì)于無(wú)線電通信產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療、工業(yè)和汽車電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，柔性電路材料將繼續(xù)扮演一個(gè)非常重要的角色。