什么是刚挠性 PCB?
挠性印刷电路与印刷电路板诞生了新产品刚柔结合板(Flex-Rigid PCB),它是在一块印刷电路板上包含一个或多个刚性区和一个或多个柔性区,通过压合等工艺形成的既具有FPC特性又具有刚性PCB特性的电路板。
刚挠结合板应用领域:
刚挠结合板广泛应用于医疗设备、智能手机、无人机、智能穿戴设备、机器人、曲面显示、高端工控设备、航空航天、航空卫星等领域。随着智能装备向高集成化、轻量化、小型化的发展,以及工业4.0对个性化生产的新要求,刚挠结合板必将以其优异的物理特性在不久的将来大放异彩。
刚挠结合PCB的优点:
- 打火机
- 电介质很薄
- 传输路由短
- 小通孔
- 噪声信号小,可靠性高
- 可灵活改变形状以适应特殊的空间要求。
- 耐高低温、防火。
- 可折叠且不影响传动。
- 防静电干扰。
刚挠结合板 PCB 的弱点:
- 制造技术复杂:涉及刚性PCB和柔性PCB技术,同时制造它们非常复杂。
- 无论是刚性PCB还是柔性PCB,设备成本都很昂贵。
- 使用:如果一块木板损坏,另一块木板就没有用了。
刚挠结合板的工艺流程:
1.材料选择
杜邦覆铜板材料柔性板(AP胶系列)柔性聚酰亚胺基材,聚酰亚胺是一种柔韧性非常好,电性能和热性能优异的材料,但是吸湿性较大,不耐碱性差。对于刚性板来说,PI树脂系列的刚性材料可以与P95基材压合,避免刚挠板压合时复合树脂体系的翘曲变形。偏转板与硬板间的黏着剂最好使用No flow(低流动)Prepreg进行压合,因为其流动性小对软胶与硬胶的过渡区域有很大帮助,不会因溢流造成过渡区需返工或造成功能受到影响。图形外的保护材料,也就是阻焊层,有三种选择,第一种是传统的覆膜(Coverlay),是选用聚酰亚胺材料加上黏着剂直接与蚀刻后的电路板进行保护再压合,此覆盖膜因压合时预先形成有焊接部分,因此,不能满足较细致的组装要求,第二种为感光干膜显影型覆盖,用覆膜机压合后,感光显影漏出焊接部分,解决精细组装问题,第三类为液态丝网印刷型覆盖材料常用的都是热固性聚酰亚胺材料,如阳光及PSR-4000型挠性电路板专用感光阻焊油墨,此种材料可满足挠性板的细间距及高密度组装要求。
2.生产过程关键控制
挠性板的开发是基于挠性板和高密度多层刚性板之上的,在工艺制造上与刚挠性PCB板有相同的地方,但由于材料以及其在结构和应用上的特殊性决定了它从设计要求到工艺上都不同于刚性板和挠性普通板,对生产的几乎每一个环节都要进行测试和调整,最终优化整个工艺流程和参数。
3.内部单片图形传输
图形转移在高密度、细线路、柔性线路的印刷电路板上尤其占有十分重要的地位。由于柔性单片薄而柔软,给表面处理带来很大困难,而铜箔表面的清洗状况和粗糙度直接影响干膜的附着力和细线路的制造。机械清洗板对设备要求高,加压不适宜可能造成基板变形、折叠和伸缩尺寸,操作不易控制,因此可选择用电解清洗法。此法既能保证表面清洁,又能用微蚀刻法保证铜面的粗糙度,有利于制作0.1mm~0.15mm线宽/间距的图形。除注意控制酸蚀刻的蚀刻速率,保证设计要求的线宽、间距外,更要注意防止单片卷曲、折叠,最好是导板并辅助和关闭设备上的排气系统。
4.柔性材料分层定位
基板材料的尺寸稳定性差且柔性大,这是因为聚酰亚胺材料吸湿性强,湿法加工后收缩性大或在不同的温湿度环境下变形严重,造成多层压合对位困难。为了克服困难,可采用以下措施:在设计时要考虑设计光斑和画光斑目标对位点,以保证冲孔或铆钉孔的对位精度,不至于因层间图形偏移而在封装时导致报废。采用OPE冲孔后的定位孔可消除湿法处理时材料拉伸变形引起的误差。压合后用X-ray测孔,确定偏移量,使钻孔更加准确。鉴于聚酰亚胺的材料特性和环境特性,在画外层膜时要参考钻孔偏移量,以提高外层板与钻孔板的重合度。这样既能满足层间对位要求,保证0.1mm~0.15mm的环宽,又能保证外层图形转移的准确性。
5.层压板
即使冲孔位置采用OPE,层压前单片层间对位处理也有很大影响。首先,由于聚酰亚胺材料不耐碱性,在碱溶液中会膨胀,因此在处理发黑、棕化过程中,在强碱性工艺如上油、发黑、棕化等适当降低温度、减少时间。由于采用胶层时无需考虑胶层在碱溶液中的变化,该方法是可行的。其次,氧化后的单片烘烤应避免垂直烘烤,而应采用水平烘烤的方法,以减少弯曲变形,并尽可能保持平整。烘烤后尽量缩短成型时间,防止单片再次吸湿和起片。由于柔性单片层压板在压合前容易变形,平整度较差,再加上胶粘片的树脂流动性远低于半固化片,为了使胶粘片与刚性板层压时有良好的结合和嵌合细小的线路间距,我们选择使用覆盖层形成良好的材料作为层压垫片材料,如聚丙烯薄膜、聚四氟乙烯(PTFE)、硅橡胶片等,可提高柔性板层压的质量。经过试验,认为较理想的垫片材料为硅橡胶,既能保证垫片的形状,又能减少压合部分的收缩变形。
6.钻孔
软硬复合板结构复杂,确定钻孔最佳工艺参数对获得良好孔壁十分重要。为防止内环铜及挠性基材钉头,首先应选用锋利的钻头。若加工印制板数量较多或加工板孔数量较多,则钻完一定孔数后必须换钻头。钻头速度和进给量是最重要的工艺参数,进给量过慢时,温度急剧上升,造成大量钻孔。进给量过快,易折断钻头、粘结片,以及产生介质层的撕裂和钉头现象。
7.清除污垢和麻点
软硬板的污渍主要由聚酰亚胺树脂、环氧玻璃纤维和环氧树脂组成。聚酰亚胺树脂对浓硫酸溶液具有惰性,而高锰酸钾溶液遇碱性会产生膨胀,因此常规湿法污渍非常困难。我们也尝试过用浓硫酸或碱性溶液去除高锰酸钾污渍,改变浓度、温度、处理时间等参数,多次试验均未收到满意效果,因此我们放弃了传统的湿化学污渍,改用等离子法。
8.化学镀铜、镀铜
需要指出的是,镀铜层的延展性比刚挠结合及挠性多层印制板要高,且有较高的抗拉强度。在受热冲击时,刚挠结合印制板基板的总膨胀率比孔内铜层的总膨胀率大1.65%,而在刚性多层板中这一指标仅为0.03%。由此可见,刚挠结合印制板中金属化孔的拉应力比刚性多层板大得多。同时,镀铜层的厚度对刚挠结合印制板的可靠性也有一定的影响。大多数刚挠结合印制板都是通过增加孔壁铜层的厚度来提高金属化孔的可靠性。
9.表面抗焊及可焊性保护层
由于挠性板在使用过程中有耐弯折的要求,一般在挠性窗口或柔性部分大多采用聚酰亚胺保护膜压接保护线路的方式,但对于精密的线路在聚酰亚胺覆型窗口又难以达到要求,但可以使用阻焊油墨涂覆,普通的阻焊油墨性脆,无柔韧性,不能满足要求,因此我们可以选用柔性丝网印刷型显影液态感光阻焊油墨,既能起到阻焊、防潮、防污染、耐机械偏转等作用,另外一种方法就是贴附显影柔性覆盖干膜,但原材料价格高再者,真空覆膜机很难完成涂覆。
10.轮廓切割加工
刚挠性印刷电路板应在铣床上铣削,铣削时应注意柔性部分,因为柔性部分容易扭曲,铣削形状不均匀且粗糙。可在柔性窗口的上下垫上厚度等于刚性外层厚度的垫片,铣削形状时压合,可保证轮廓边缘光滑均匀。如果采用预开柔性窗口,最后用激光去除废柔性窗口,则铣削出的柔性部件形状将更加理想,但并非每种堆叠都可以使用激光方式。