提高剛撓結(jié)合印制板耐熱性能制造方法

吳東坡 黃 華 安金平

（西安微電子技術(shù)研究所，陜西 西安 710600）

1 前言

撓性和剛撓結(jié)合印制板結(jié)構(gòu)靈活、體積小、重量輕，還能作靜態(tài)或動(dòng)態(tài)撓曲、卷曲和折疊等。它能向三維空間擴(kuò)展，既能夠減少整機(jī)空間，又能減少裝配工作量和提高電子設(shè)備可靠性。近年來(lái)，撓性和剛撓結(jié)合印制板在航天航空和軍工電子設(shè)備中的應(yīng)用范圍拓展很快。隨著各種惡劣環(huán)境應(yīng)用增多，給剛撓結(jié)合印制板的耐溫度沖擊和可靠性提出了挑戰(zhàn)，如何通過材料選擇和完善制造工藝，提高剛撓結(jié)合印制板整板Tg值和耐熱性能，增強(qiáng)剛撓結(jié)合印制板可靠性，成為剛撓結(jié)合印制板加工的新課題。

2 剛撓結(jié)合印制板傳統(tǒng)加工方法

早期，剛撓結(jié)合印制板制造加工注重產(chǎn)品電連接性能和撓性可彎曲性能的功能性實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品滿足后續(xù)焊接使用要求即可，對(duì)于產(chǎn)品的可靠性要求較低。

選用的聚酰亞胺覆銅板材（FCCL）通常是含膠的普通材料，這種含膠材料固化后的最高工作溫度不超過200 ℃，能夠滿足一般電子設(shè)備對(duì)于耐熱性能的要求。加工方法通常是，撓性內(nèi)層導(dǎo)電圖形制作完成后，表面整體壓覆蓋膜，然后與剛性材料混壓。因此，撓性材料（覆銅板和覆蓋膜）中的膠層不得不深入剛性部位內(nèi)部。這種加工方法，在撓性內(nèi)層制作中的工藝難度相對(duì)較低。最終制成的剛撓結(jié)合印制板，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從上述結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，傳統(tǒng)方法加工的剛撓結(jié)合印制板，其剛性部位每含撓性層兩層，將有四層膠層深入其中，盡管每層膠層厚度只有1 mil左右，但其固化后的Tg值通常低于100 ℃，而普通剛性材料的Tg值通常在140 ℃以上。所以含有膠層的剛撓結(jié)合印制板剛性部位的整體Tg值和耐熱性能因此下降。剛撓結(jié)合印制板剛性部位通常是需要焊接和承載器件的。在焊接過程中，受熱溫度較高，普通的有鉛焊接需要達(dá)到250 ℃左右，無(wú)鉛焊接更是高達(dá)280 ℃甚至更高。較低的Tg值，會(huì)導(dǎo)致焊接過程中印制板爆板，或是產(chǎn)生Z軸熱膨脹，引起金屬化孔撕裂，出現(xiàn)電連接故障或電連接可靠性問題。

圖1 剛撓部位10層、撓性部位4層剛撓結(jié)合板老結(jié)構(gòu)示意圖

3 提高剛撓結(jié)合印制板耐熱性能的加工方法

通過前面的介紹可以看到，影響剛撓結(jié)合印制板耐熱性能和可靠性的，主要是加工過程中膠層所致。完全使用無(wú)膠產(chǎn)品，實(shí)際上無(wú)法實(shí)現(xiàn)PI各層之間的粘結(jié)。那么，如何避免膠層的影響，成為提高剛撓結(jié)合印制板耐熱性能和可靠性的關(guān)鍵。當(dāng)前，在高性能剛撓結(jié)合印制板制造過程中，無(wú)膠聚酰亞胺覆銅板（FCCL）的使用日益廣泛，一些國(guó)際品牌的無(wú)膠聚酰亞胺覆銅板，被認(rèn)為是性能穩(wěn)定、可靠性較高的高端產(chǎn)品，在航天航空及軍工電子設(shè)備中大量使用。

撓性材料基本是由PI膜和膠組成的。PI的Tg值在170 ℃以上，能夠與高Tg的剛性材料混壓，而不會(huì)降低剛撓部位的耐熱性能和環(huán)境適應(yīng)性能。因此，對(duì)要求高Tg值的剛撓結(jié)合印制板，一般在剛撓結(jié)合部位不采用膠層壓合，而用不流動(dòng)型半固化片（no f low prepreg）或低流動(dòng)型半固化片（low f low prepreg）進(jìn)行壓合。

但是，由于撓性線路必須采用覆蓋膜進(jìn)行防焊和保護(hù)，覆蓋膜必定含有膠層，否則無(wú)法與撓性材料粘結(jié)。為了避免覆蓋膜膠層深入剛性部位，剛撓結(jié)合印制板制造廠商在工藝方法上進(jìn)行了改進(jìn)，具體的方法就是，僅僅在撓性部位壓覆蓋膜，覆蓋膜深入剛撓結(jié)合部位不大于2.54 mm，剛性部位完全由剛性材料、半固化片和無(wú)膠聚酰亞胺材料壓合而成。這樣，剛撓結(jié)合印制板中作為焊接和承載元器件的剛性部位，其所有材料的Tg值都可以在170℃以上，無(wú)論是焊接過程或后續(xù)使用過程，其耐熱性能和可靠性大大提高。

這種新的工藝方法加工的剛撓結(jié)合印制板，在撓性內(nèi)層制作中，由于需要對(duì)撓性部位局部選擇性粘貼覆蓋膜，所以工藝難度相對(duì)較大。最終制成的剛撓結(jié)合印制板，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 剛撓部位10層、撓性部位4層剛撓結(jié)合板新結(jié)構(gòu)示意圖

從上述結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，新工藝方法加工的剛撓結(jié)合印制板，其焊接和承.載元器件的剛性部位，完全不含撓性膠層，固化后的Tg值可達(dá)170 ℃，最高工作溫度可達(dá)300 ℃，不僅可以滿足有鉛焊接250℃的溫度要求，甚至是無(wú)鉛焊接280 ℃的溫度要求也完全可以滿足。在后續(xù)使用過程中，能夠適應(yīng)更寬的溫度沖擊范圍。剛撓結(jié)合印制板的整體可靠性也得以提高。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著材料性能的提高和工藝方法的改進(jìn)，剛撓結(jié)合印制板整體性能和可靠性大大提高，完全能夠適應(yīng)航天航空和軍工電子設(shè)備惡劣環(huán)境對(duì)其提出的高性能要求。由于剛撓結(jié)合印制板自身特點(diǎn)，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供多種途徑解決模塊間互連問題，在整機(jī)小型化、多功能化和一體化方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)降低整機(jī)制造工藝難度和減少裝配出錯(cuò)概率，因而在今后將廣泛應(yīng)用，其可靠性研究也將不斷深入。

[1]楊朝志. 剛撓板撓性基材尺寸漲縮原因及控制措施[C]. 第四屆全國(guó)青年印制電路學(xué)術(shù)年會(huì)論文, 2010.11.

[2]張家亮. 全球撓性印制板的市場(chǎng)及其技術(shù)研究[J].印制電路信息, 2011,10.