FPC材料的技術(shù)動向研究
摘 要：概述了FPC的技術(shù)開發(fā)動向和FPC材料的技術(shù)動向。
關(guān)鍵詞：撓性板(FPC)：無粘結(jié)劑型覆銅箔板：聚酰亞胺：保護層
前言
近年來，全世界的民用電子設(shè)備中的FPC需求量正在迅速增加，特別是在便攜電話之類的便攜電子設(shè)備和平板電視之類的薄型影像設(shè)備中消費了大量的FPC。如圖1所示的兼有數(shù)字?jǐn)z像的電路制品的便攜電話中所用的FPC，點數(shù)或者總面積大大超過了剛性PCB。在平板顯示(FPD)中的FPC配置成縱橫排列。隨著FPC等的大型化，F(xiàn)PC的使用量迅速增加。
圖2表示2006年-2010年的5年間以聚酰亞胺為基體的FPC的需要預(yù)測。2005年世界需要量超過了2 000萬平方米，到2010年將會成倍的增長，這個時期的平均增長率為14．1％。今后的FPC不僅是數(shù)量的增加，還有質(zhì)的大變化。從過去以單面電路為中心，到目前提高雙面電路或者多層剛撓電路的比例，電路密度連續(xù)提高。為此制造技術(shù)年年改良。傳統(tǒng)的減成法(蝕刻法)存在著局限性，需要開發(fā)新的制造技術(shù)，與此同時還需要開發(fā)更高性能的材料。本文就最近FPC的技術(shù)開發(fā)動向和FPC材料的技術(shù)動向加以敘述。
一、FPC的基本構(gòu)造
圖3表示了單面結(jié)構(gòu)的FPC的基本構(gòu)成。傳統(tǒng)的FPC情況下，銅箔導(dǎo)體固定在介入環(huán)氧樹脂等粘結(jié)劑的聚酰亞胺等基體薄膜上，然后在蝕刻加工而成的電路上覆蓋保護膜，如圖3(a)所示。這種結(jié)構(gòu)使用環(huán)氧樹脂等粘結(jié)劑，由于這種層構(gòu)成的機械可靠性高，即使現(xiàn)在仍然是常用的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)之一。然而環(huán)氧樹脂或者丙烯酸樹脂等粘結(jié)劑的耐熱性比聚酰亞胺樹脂基體膜的耐熱性低，因此它成為決定整個FPC使用溫度上限的瓶頸(Bottle Neck)。
在這種情況下，有必要排除耐熱性低的粘結(jié)劑的FPC構(gòu)成。這種構(gòu)成既可以使整個FPC的厚度抑制到最小，大大提高耐彎曲性之類的機械特性，還有利于形成微細電路或者多層電路，如圖3(b)所示。僅僅由聚酰亞胺層和導(dǎo)體層構(gòu)成的無粘結(jié)劑覆銅箔板材料已經(jīng)實用化，它擴大了適應(yīng)各種用途材料的選擇范圍。
如圖4所示，在FPC中也有雙面貫通孔構(gòu)造或者多層構(gòu)造的FPC。FPC的雙面電路的基本構(gòu)造與硬質(zhì)PCB大致相同，圖4中的層間粘結(jié)使用粘結(jié)劑，然而最近的高性能FPC中排除了粘結(jié)劑，僅僅使用聚酰亞胺樹脂構(gòu)成覆銅箔板的事例很多。FPC的多層電路的層構(gòu)成比印制PCB復(fù)雜得多，它們稱為多層剛撓(Multilayer Rigid? Flex)或者多層撓性(Multilayer Flex)等。層數(shù)增加則會降低柔軟性，在彎曲用途的部分中減少層數(shù)，或者排除層間的粘結(jié)，則可提高機械活動的自由度。為了制造多層剛撓板，需要經(jīng)過許多加熱工藝，因此所用的材料必須具有高耐熱性。現(xiàn)在無粘結(jié)劑型的覆銅箔板的使用量正在增加。
二、FPC的最新技術(shù)動向
隨著用途的多樣化和袖珍化，電子設(shè)備中使用的FPC要求高密度電路的同時，還要求質(zhì)的意義上的高性能化。圖5表示了最近的FPc電路密度的變遷。采用減成法(蝕刻法)可以形成導(dǎo)體節(jié)距為30um以下的單面電路，導(dǎo)體節(jié)距為50um以下的雙面電路也已經(jīng)實用化。連接雙面電路或者多層電路的導(dǎo)體層間的導(dǎo)通孔徑也越來越小，現(xiàn)在導(dǎo)通孔孔徑100um以下的孔已達量產(chǎn)規(guī)模。
基于制造母術(shù)的立場，圖6表示了高密度電路的可能制造范圍。根據(jù)電路節(jié)距和導(dǎo)通孔孔徑，高密度電路大致分為三種類型：(1)傳統(tǒng)的FPC；(2)高密度FP C；(3)超高密度F P C。
在傳統(tǒng)的減成法中，節(jié)距150um和導(dǎo)通孔孔徑15 um的FPC已經(jīng)量產(chǎn)化。由于材料或者加工裝置的改善，即使在減成法中也可以加工30um的線路節(jié)距。此外，由于CO2激光或者化學(xué)蝕刻法等工藝的導(dǎo)入，可以實現(xiàn)50um孔徑的導(dǎo)通孔量產(chǎn)加工，現(xiàn)在量產(chǎn)的大部分高密度FPC都是采用這些技術(shù)加工的。
然而如果節(jié)距25um以下和導(dǎo)通孔孔徑50um以下，即使改良傳統(tǒng)技術(shù)，也難以提高合格率，必須導(dǎo)入新的工藝或者新的材料。現(xiàn)在提出的工藝有各種加工法，但是使用電鑄(濺射)技術(shù)的半加成法是最適用的方法，不僅基本工藝有所不同，而且使用的材料和輔助材料也有所差異。
另一方面，F(xiàn)PC接合技術(shù)的進步要求FPC具有更高的可靠性能。隨著電路的高密度化，F(xiàn)PC的性能提出了多樣化和高性能化的要求，這些性能要求在很大程度上依存于電路加工技術(shù)或使用的材料。
三、FPC的制造工藝
迄今為止的FPC制造工藝幾乎都是采用減成法(蝕刻法)加工的，如圖7所示。通常以覆銅箔板為出發(fā)材料，利用光刻法形成抗蝕層，蝕刻除去不要部分的銅面形成電路導(dǎo)體。由于側(cè)蝕之類的問題，蝕刻法存在著微細電路的加工限制。
基于減成法的加工困難或者難以維持高合格率微細電路，人們認為半加成法是有效的方法，人們提出了各種半加成法的方案。圖8表示了利用半加成法的微細電路加工例。半加成法工藝以聚酰亞胺膜為出發(fā)材料，首先在適當(dāng)?shù)妮d體上澆鑄(涂覆)液狀聚酰亞胺樹脂，形成聚酰亞胺膜。接著利用濺射法在聚酰亞胺基體膜上形成植晶層，再在植晶層 上利用光刻法形成電路的逆圖形的抗蝕層圖形，稱為耐鍍層。在空白部分電鍍形成導(dǎo)體電路。然后除去抗蝕層和不必要的植晶層，形成第一層電路。在第一層電路上涂布感光性的聚酰亞胺樹脂，利用光刻法形成孔，保護層或者第二層電路層用的絕緣層，再在其上濺射形成植晶層，作為第二層電路的基底導(dǎo)電層。重復(fù)上述工藝，可以形成多層電路。
利用這種半加成法可以加工節(jié)距為5um、導(dǎo)通孔為巾10um的超微細電路。利用半加成法制作超微細電路的關(guān)鍵在于用作絕緣層的感光性聚酰亞胺樹脂的性能。
四、FPC的基本構(gòu)成材料
FPC的基本構(gòu)成材料是基體膜或者構(gòu)成基體膜的耐熱性樹脂，其次是構(gòu)成導(dǎo)體的覆銅箔板和保護層材料。
FPC的基體膜材料從初期的聚酰亞胺膜到可以耐焊接的耐熱性膜。第一代的聚酰亞胺膜存在著吸濕性高和熱膨脹系數(shù)大等問題，于是人們采用了高密度電路用的第二代聚酰亞胺材料。
迄今為止人們已經(jīng)開發(fā)了數(shù)種FPC用的可以取代第一代聚酰亞胺膜的耐熱性膜。然而，在今后10年，人們認為作為FPC主要材料的聚酰亞胺樹脂的位置不會改變。另外隨著FPC的高性能化，聚酰亞胺樹脂的材料形態(tài)會有所改變，必須開發(fā)具有新功能的聚酰亞胺樹脂。
五、覆銅箔板
許多FPC制造商往往以覆銅箔板的形式購入，然后以覆銅箔板為出發(fā)原料加工成FPC制品。使用第1代的聚酰亞胺膜的FPC用覆銅箔板或者保護膜(Cover Lay Film)是由使用環(huán)氧樹脂或者丙烯酸樹脂等粘結(jié)劑構(gòu)成的，如圖9所示。這里使用的粘結(jié)劑的耐熱性低于聚酰亞胺，因此FPC的耐熱性或者其它物理性能受到限制。
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為了避免使用傳統(tǒng)粘結(jié)劑的覆銅箔板的缺點，包括高密度電路在內(nèi)的高性能FPC采用了不含粘結(jié)劑的無粘結(jié)劑型覆銅箔板。迄今已有許多制造方式，然而現(xiàn)在可供實用的有下面三種方式：
(1)鑄造工藝
鑄造工藝是以銅箔為出發(fā)材料。在表面活化的銅箔上直接涂布液狀的聚酰亞胺樹脂，經(jīng)過熱處理而成膜。這里使用的聚酰亞胺樹脂必須具有與銅箔的優(yōu)良附著性和優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性，然而至今還沒有可以滿足這兩方面要求的聚酰亞胺樹脂。如圖10所示，首先在活化的銅箔表面上涂布一薄層粘結(jié)性良好的聚酰亞胺樹脂(粘結(jié)層)，再在粘結(jié)層上涂布一定厚度的尺寸穩(wěn)定性良好的聚酰亞胺樹脂(芯層)。由于這些聚酰亞胺樹脂對于熱的物理特性的差異，如果蝕刻加工銅箔，基體膜就會出現(xiàn)大的凹坑。為了防止這種現(xiàn)象，芯層上再涂布粘結(jié)層，以便獲得基體層的良好對稱性。
為了制造雙面覆銅箔板，粘結(jié)層使用熱可塑性(Hot Melt)的聚酰亞胺樹脂，再在粘結(jié)層上采用熱壓法層壓銅箔。
(2)濺射／電鍍工藝
濺射／電鍍工藝的出發(fā)材料是尺寸穩(wěn)定性良好的耐熱性膜。如圖I I所示，最初的步驟是在活性化的聚酰亞胺膜的表面上采用濺射工藝形成植晶層。這種植晶層可以確保對于導(dǎo)體基體層的粘結(jié)強度，同時擔(dān)負著電鍍用的導(dǎo)體層的任務(wù)。通常使用鎳或者鎳合金，為了確保導(dǎo)電性，再在鎳或鎳合金層上濺射薄層銅，然后電鍍加厚到規(guī)定厚度的銅。
?。?）熱壓法
熱壓法是在尺寸穩(wěn)定性良好的耐熱性聚酰亞胺膜表面上涂布熱塑性樹脂(熱可塑性的粘結(jié)性的樹脂)，然后再在熱溶性樹脂上高溫、層壓銅箔，這里使用了復(fù)合聚酰亞胺膜。
這種復(fù)合聚酰亞胺膜是由專門制造商市售的，制造工藝較為簡單，制造覆銅箔板時，把復(fù)合膜和銅箔疊合在一起，在高溫下熱壓。設(shè)備投資相對較小，適用于少量多品種生產(chǎn)。雙面覆銅箔板的制造也較為容易。
構(gòu)成FPc的另一種重要的材料要素是保護層(Cover Lay)，現(xiàn)在提出了各種保護材料。最初實用的保護層是在與基體同樣的耐熱性膜上，涂布與覆銅箔板使用同樣的粘結(jié)劑，如圖1 2所示。這種構(gòu)造的特性是對稱性好，現(xiàn)在仍然占據(jù)市場的主要部分，通常稱為“膜保護層(Film Cover Lay)”。然而這種膜保護層由于難以實現(xiàn)加工工程的自動化，使得整個制造成本上升，且由于難以進行微細開窗加工，因此無法適應(yīng)近年來成為主流的高密度SMT的需要。
為了適應(yīng)高密度安裝的要求，近年來采用感光性保護層。如圖1 3所示，在銅箔電路上涂布感光性樹脂，然后采用光刻工藝，在必要的部分進行開窗。感光性樹脂材料的形態(tài)有液狀和干膜型?，F(xiàn)在以環(huán)氧樹脂或丙烯酸樹脂為基體的保護層材料已經(jīng)實用化，但是它們的物理特性尤其是機械特性遠遠不及以聚酰亞胺為基體的膜保護層。為了改良這種狀況，需使用聚酰亞胺樹脂或進行以環(huán)氧樹脂或丙烯酸樹脂為基體的保護層材料的物理特性，或者在加工工藝等方面改善。這里使用的感光性聚酰亞胺樹脂有希望用作多層電路形成工程中的層間絕緣材料。
七、結(jié)束語
FPC的需要迅速增加，電路密度持續(xù)提高，制造技術(shù)也逐年改良和進步。迅速增長的FPC的基體材料、保護層和層間絕緣材料今后仍將以聚酰亞胺樹脂為中心。
隨著FPC的高性能化和高密度化，不僅要求開發(fā)更高性能的聚酰啞胺樹脂膜，還要求開發(fā)更多樣化的制品形態(tài)。