柔性PCB材料的基本特性研究

博客作者：Zachariah Peterson? 柔性 PCB 材料需要支持多種設(shè)計(jì)和操作目標(biāo)：靜態(tài)或動(dòng)態(tài)彎曲、能夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)裝配過(guò)程、支持簡(jiǎn)單的制造程序并實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量。柔性 PCB 材料乍一看似乎很奇特，但相對(duì)較小的材料組可用于大批量生產(chǎn)柔性和剛?cè)峤Y(jié)合的 PCB 。在本指南中，我們將研究柔性 PCB 材料的一些基本特性，以及如何使用它們來(lái)構(gòu)建柔性/剛?cè)峤Y(jié)合的 PCB 。

基材和覆蓋膜 最常見(jiàn)的剛性印刷電路板中使用的基材是浸漬在環(huán)氧樹(shù)脂中的編織玻璃纖維。它實(shí)際上是一種織物，雖然我們將這些稱為“剛性”，但如果您取出單個(gè)層壓層，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們具有合理的彈性。固化的環(huán)氧樹(shù)脂使電路板更加堅(jiān)硬。由于使用了環(huán)氧樹(shù)脂，它們通常被稱為有機(jī)剛性印刷電路板。這對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)不夠柔韌，但對(duì)于不會(huì)持續(xù)移動(dòng)的簡(jiǎn)單元件來(lái)說(shuō)，它可能是合適的。 用作柔性PCB基板的最常見(jiàn)材料選擇是聚酰亞胺。這種材料非常柔韌，而且極其具有耐熱性。

對(duì)于大多數(shù)柔性電路應(yīng)用，需要比通常的網(wǎng)絡(luò)環(huán)氧樹(shù)脂更柔韌的塑料。最常見(jiàn)的選擇是聚酰亞胺，因?yàn)樗浅Ｈ犴g（您無(wú)法用手撕裂或明顯拉伸，使其能夠耐受產(chǎn)品裝配過(guò)程），而且耐熱性極佳。這使得它對(duì)多次焊料回流循環(huán)具有高度耐受性，并且在溫度波動(dòng)引起的膨脹和收縮方面相當(dāng)穩(wěn)定。 聚酯（PET）是另一種常用的柔性電路材料，但它不能耐受足夠高的溫度以經(jīng)受住焊接。我已經(jīng)看到它用于成本非常低的電子產(chǎn)品，其中柔性部分有印刷導(dǎo)體（PET 無(wú)法承受層壓的熱量），更不用說(shuō)沒(méi)有焊接的元素——相反，它通過(guò)粗壓力與各向同性導(dǎo)電彈性體形成接觸。

由于柔性電路連接的質(zhì)量低下，所討論產(chǎn)品（定時(shí)收音機(jī)）中的顯示器從未真正妥善運(yùn)行。因此，對(duì)于剛?cè)峤Y(jié)合，我們假設(shè)堅(jiān)持使用 PI 薄膜。（其他材料可用但不經(jīng)常使用）。

PI 和 PET 薄膜，以及薄的柔性環(huán)氧樹(shù)脂和玻璃纖維內(nèi)芯，構(gòu)成了柔性電路的通用基板。然后電路必須使用額外的薄膜（通常是PI或PET，有時(shí)是柔性阻焊油墨）作為覆蓋層。覆蓋層絕緣外表面導(dǎo)體并防止腐蝕和損壞，就像阻焊層在剛性板電路上的作用一樣。PI 和 PET 薄膜的厚度范圍從?密耳到3密耳，通常為1或2密耳。玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂基板明顯更厚，范圍從2密耳到4密耳不等。

導(dǎo)體 雖然上述廉價(jià)電子產(chǎn)品可能使用印刷導(dǎo)體——通常是某種碳膜或銀基油墨——但銅是最典型的導(dǎo)體選擇。根據(jù)應(yīng)用，需要考慮不同形式的銅。如果您只是簡(jiǎn)單地使用電路的柔性部分，通過(guò)移除電纜和連接器來(lái)減少制造時(shí)間和成本，則可選擇通常用于剛性電路板的層壓銅箔（電沉積或 ED ）。這也可用于需要較重的銅重量以將高載流導(dǎo)體保持在最小可行寬度的情況，如平面電感器。 但銅也因變形硬化和疲勞而不受歡迎。如果您的最終應(yīng)用涉及柔性電路的反復(fù)彎折或移動(dòng)，就需要考慮更高等級(jí)的軋制退火（RA）箔。顯然，對(duì)箔進(jìn)行退火的額外步驟大大增加了成本。但是退火后的銅能夠在疲勞開(kāi)裂之前拉伸得更多，并且在 Z 偏轉(zhuǎn)方向上更具彈性——這正是您想要的可以一直彎曲或滾動(dòng)的柔性電路。這是因?yàn)檐堉仆嘶疬^(guò)程在平面方向上拉長(zhǎng)了晶粒結(jié)構(gòu)。 如果您只是簡(jiǎn)單地使用電路的柔性部分，通過(guò)移除電纜和連接器來(lái)減少制造時(shí)間和成本，則可選擇通常用于剛性電路板的層壓銅箔。

顯示應(yīng)用于柔性 PCB 材料的退火過(guò)程的放大圖，顯然未按比例繪制。銅箔在高壓輥之間通過(guò)，在平面方向上拉長(zhǎng)晶粒結(jié)構(gòu)，使銅在正常情況下更具柔性和彈性。

粘合劑 傳統(tǒng)上，需要使用粘合劑將銅箔粘合到 PI（或其他）薄膜上，因?yàn)榕c典型的 FR-4 剛性電路板不同，退火銅中的“齒”較少，僅靠熱和壓力不足以形成可靠的紐帶。此類制造商提供用于柔性電路蝕刻的預(yù)層壓?jiǎn)蚊婧碗p面覆銅薄膜，使用典型厚度為?和1密耳的丙烯酸或環(huán)氧樹(shù)脂基粘合劑。這些粘合劑專為實(shí)現(xiàn)柔性而開(kāi)發(fā)。 由于涉及直接在 PI 薄膜上鍍銅或沉積的新工藝，“無(wú)粘合劑”層壓板正變得越來(lái)越普遍。當(dāng) HDI 電路中需要更精細(xì)的間距和更小的過(guò)孔時(shí)，就會(huì)選擇這些薄膜。 向柔性到剛性接頭或接口添加保護(hù)珠時(shí)，還會(huì)使用有機(jī)硅、熱熔膠和環(huán)氧樹(shù)脂（即其中層堆疊的柔性部分離開(kāi)剛性部分）。這些為柔性到剛性連接的支點(diǎn)提供機(jī)械加固，否則會(huì)在重復(fù)使用中迅速疲勞、開(kāi)裂或撕裂。

單層柔性電路 典型的單層柔性電路剖面圖例如下所示。這與最常見(jiàn)的成品 FFC（柔性扁平連接器）電纜所使用的結(jié)構(gòu)相同，它是使用剛?cè)峤Y(jié)合 PCB 的替代方案，其中可以容納 FFC 連接器，成本是推動(dòng)設(shè)計(jì)決策的主要因素。在單層柔性電路中，材料供應(yīng)商將銅預(yù)先層壓到 PI 薄膜上，然后使用剛性背板蝕刻和鉆孔銅。最后，用基于粘合劑的聚酰亞胺覆蓋層進(jìn)行層壓，該覆蓋層已經(jīng)過(guò)預(yù)先打孔以露出銅焊盤(pán)。在此布置中用于覆蓋層的粘合劑可能會(huì)在此過(guò)程中擠出，但擴(kuò)大暴露區(qū)域的焊盤(pán)即可解決。

典型的單層柔性電路疊層 了解柔性和剛?cè)峤Y(jié)合電路中使用的材料很重要。盡管您通?？梢宰屩圃焐套杂蛇x擇材料以確保良率，但您仍應(yīng)了解可能導(dǎo)致柔性 PCB 在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障的因素。了解材料特性也有助于產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計(jì)、評(píng)估和測(cè)試。例如，如果您從事汽車產(chǎn)品方面的工作；熱、濕氣、化學(xué)品、沖擊和振動(dòng)——所有這些都需要使用準(zhǔn)確的材料特性進(jìn)行建模，以確定產(chǎn)品的可靠性和最小允許彎曲半徑。具有諷刺意味的是，促使您選擇柔性和剛?cè)峤Y(jié)合的駕駛需求通常與惡劣的環(huán)境有關(guān)。例如，低成本的消費(fèi)類個(gè)人電子設(shè)備經(jīng)常會(huì)受到振動(dòng)、掉落、汗水等更嚴(yán)重的影響。 在 Coombs 的2008年教科書(shū)中可以找到一個(gè)比本文介紹的內(nèi)容更詳細(xì)的重要資源：

疊層示例 就像在剛性 PCB 中一樣，隨著更多導(dǎo)電層的添加，柔性 PCB 和剛?cè)峤Y(jié)合的 PCB 會(huì)具有復(fù)雜的疊層。這些疊層可能涉及同一 PCB 中的多個(gè)柔性部分，如下方示例所示。對(duì)于純?nèi)嵝噪娐罚ㄅc剛?cè)峤Y(jié)合的電路相反），層堆疊規(guī)劃得到簡(jiǎn)化，包括 PCB 的每個(gè)部分。然而，在安裝元件或電路終端的區(qū)域，可能仍有一些點(diǎn)需要放置加固物。

在您的設(shè)計(jì)軟件中，這些部分中的每一個(gè)都被定義為自己的疊層，并應(yīng)用于 PCB 布局中的不同區(qū)域。制造電路板時(shí)，每個(gè)電路板部分都需要在制造圖紙中清楚地顯示出來(lái)，以說(shuō)明電路板中的層布置和材料。我們將在后面的章節(jié)中討論柔性設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的這個(gè)重要方面。 當(dāng)您準(zhǔn)備好選擇和指定所需的柔性 PCB 材料時(shí)，請(qǐng)使用 Altium Designer 內(nèi) Draftsman 軟件包中的全套 CAD 功能和自動(dòng)繪圖工具。準(zhǔn)備好向制造商發(fā)布您的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)后，您就可以通過(guò) Altium 365 平臺(tái)輕松共享和協(xié)作您的設(shè)計(jì)了。您可以在一個(gè)軟件包中找到設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高級(jí)電子產(chǎn)品所需的一切。

審核編輯：黃飛