剛撓結(jié)合多層板的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐體會(huì)

劉鎮(zhèn)權(quán)

（廣東成德電路股份有限公司，廣東 佛山 528300）

剛撓結(jié)合多層板的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐體會(huì)

劉鎮(zhèn)權(quán)

（廣東成德電路股份有限公司，廣東 佛山 528300）

文章介紹工程設(shè)計(jì)對(duì)剛撓結(jié)合多層板的重要性，分析不同材料的性能；介紹多層剛撓結(jié)合板在工程設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)。

剛撓結(jié)合多層板；工程設(shè)計(jì)；材料；覆蓋膜；半固化片；線路；開(kāi)窗

1 前言

在印制板的制造過(guò)程中，工程設(shè)計(jì)直接影響到生產(chǎn)的制作難度、生產(chǎn)效率和最終成品的合格率。尤其是剛撓性結(jié)合多層印制電路板（R-FPCB）的工程設(shè)計(jì)。R-FPCB是由剛、撓材料組合而成的，由于這些材料各有不同特點(diǎn)，一經(jīng)組合進(jìn)行R-FPCB生產(chǎn)，其難度就大大提高了，這就需要在工程設(shè)計(jì)時(shí)多方考慮，以達(dá)到降低生產(chǎn)難度、提高良品率之目的。

在R-FPCB生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到層與層之間的錯(cuò)位、連接位斷裂、焊接時(shí)板分層等等的問(wèn)題，這些都可以在工程設(shè)計(jì)中考慮進(jìn)去，使用不同的設(shè)計(jì)方式去避免問(wèn)題的發(fā)生。所以R-FPCB的工程設(shè)計(jì)是能否生產(chǎn)的非常重要的環(huán)節(jié)。

2 剛撓結(jié)合多層板的工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

R-FPCB的工程設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的剛性PCB和撓性PCB的工程設(shè)計(jì)都不同，這是因?yàn)榻^緣介質(zhì)是將玻纖布和聚酰亞胺這兩種的不同物質(zhì)組合在一起，由于這些材料各具不同特性（表1），在工程設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮到生產(chǎn)工藝的調(diào)整和設(shè)計(jì)的配合。

表1 不同材質(zhì)的性能參數(shù)對(duì)比表

以普通的四層剛撓結(jié)合板為例（其中兩層為撓性，兩層為剛性）見(jiàn)圖1；其對(duì)應(yīng)的板層疊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖1 四層剛撓結(jié)合板實(shí)物

圖2 四層剛撓結(jié)合板板層疊結(jié)構(gòu)

2.1 材料的選擇

在R-FPCB的材料選擇中包括基材和半固化片及覆蓋膜，而基材又分為PCB基材和FPC基材，半固化片中就是PP和純膠AD。因此工程設(shè)計(jì)需了解清楚所選擇的材料特性。

2.1.1 剛性PCB基材的特點(diǎn)

剛性PCB基材的Tg溫度或耐熱性能主要是由基材中所采用的樹(shù)脂類型來(lái)決定的，一般說(shuō)來(lái)，高的Tg溫度有好的耐熱性。隨著PCB厚度或?qū)訑?shù)的增加，所選用的基材的Tg溫度也隨之提高。普通Tg的溫度為130 ℃ ~ 150 ℃，高Tg的溫度為150 ℃ ~ 200 ℃。

2.1.2 PP的特點(diǎn)

PP是由玻纖布和環(huán)氧樹(shù)脂組成的半固化狀態(tài)物質(zhì)，在高溫高壓的狀態(tài)下壓合多層板，此時(shí)PP中的環(huán)氧樹(shù)脂開(kāi)始融化和流動(dòng)。PP有低流動(dòng)量和高流動(dòng)量?jī)煞N，低流量的流膠小于1 mm，高流量的流膠大于10 mm。因此，在使用時(shí)必須考慮到樹(shù)脂流動(dòng)量的影響，在R-FPCB中需選擇低流量的PP，以防止因流動(dòng)量過(guò)大而導(dǎo)致?lián)闲詤^(qū)變硬。

2.1.3 FPC基材的特性

FPC的基材一般分為有膠基材和無(wú)膠基材兩種，其性能如表2。

從表2的對(duì)比可以看出，無(wú)膠聚酰亞胺基材的綜合性能優(yōu)于有膠聚酰亞胺基材，為確保產(chǎn)品的可靠性，R-FPCB多使用無(wú)膠聚酰亞胺基材。

2.1.4 FPC純膠的特點(diǎn)

FPC純膠只是半固化狀態(tài)的丙烯酸樹(shù)脂膠，特點(diǎn)是無(wú)其它介質(zhì)，厚度在0.013 mm到0.05 mm之間，膠的流動(dòng)性小于0.2 mm，在使用過(guò)程中只起到連結(jié)的作用，無(wú)任何絕緣的效果。

2.1.5 不同材料的組合

R-FPCB其材料搭配不同，所產(chǎn)生的問(wèn)題和效果也不一樣。

（1）PCB板材與FPC純膠、覆蓋膜及FPC有膠板材的組合（方式1），如圖3。

圖3 PCB板材與FPC純膠、覆蓋膜及FPC有膠板材的組合

（2）PCB板材與FPC純膠、覆蓋膜及FPC無(wú)膠板材的組合（方式2），如圖4。

表2 不同撓性基材的性能參照表

圖4 PCB板材與FPC純膠、覆蓋膜及FPC無(wú)膠板材的組合

（3）PCB板材與PCB半固化片、覆蓋膜及FPC有膠板材的組合（方式3），如圖5。

圖5 PCB板材與PCB半固化片、覆蓋膜及FPC有膠板材的組合

（4）PCB板材與PCB半固化片、覆蓋膜及FPC無(wú)膠板材的組合（方式4），如圖6。

圖6 PCB板材與PCB半固化片、覆蓋膜及FPC無(wú)膠板材的組合

不同材料組合的R-FPCB優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，見(jiàn)表3。

從表3的對(duì)比可以看出，方式4的綜合性能是最好的，為確保產(chǎn)品的可靠性，R-FPCB的材料組合上應(yīng)使用方式4。

2.2 線路圖形的設(shè)計(jì)

R-FPCB的線路圖形設(shè)計(jì)對(duì)于生產(chǎn)時(shí)有極為重要的影響，可以說(shuō)是決定于每一個(gè)工序能否生產(chǎn)的基礎(chǔ)，因?yàn)楹芏嗟男畔⑹且揽吭诰€路圖形上反映出來(lái)的。

2.2.1 FPC邊框的設(shè)計(jì)

由于FPC的基材是柔軟性，不能用剛性PCB的方式設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝邊框。通常剛性PCB的邊框是用圓點(diǎn)狀的銅面設(shè)計(jì)給予壓合是樹(shù)脂充分的流膠和增強(qiáng)結(jié)合力，而FPC是將邊框設(shè)計(jì)成45°角的銅面，并且每塊基材的兩面銅面剛好形成網(wǎng)格狀。因?yàn)镕PC柔軟性的特點(diǎn)，若是設(shè)計(jì)成圓點(diǎn)狀的銅面，F(xiàn)PC就會(huì)缺銅面的支撐力而收縮變形；若是兩面的銅面設(shè)計(jì)成同一方向，F(xiàn)PC也會(huì)有變形的現(xiàn)象；而將兩面銅面剛好形成網(wǎng)格狀，剛好將兩面的表面張力平衡，從而減少了FPC的變形。邊框設(shè)計(jì)為45°角銅面的綜合效果如圖7。

圖7 邊框設(shè)計(jì)為45度角銅面的綜合效果

2.2.2 FPC與PCB連接位的線路設(shè)計(jì)

R-FPCB測(cè)試時(shí)是好的，但經(jīng)客戶安裝后使用時(shí)卻發(fā)現(xiàn)有開(kāi)路的現(xiàn)象，在表面上看不出問(wèn)題，拆卸后檢測(cè)又沒(méi)有開(kāi)路的情況。究其原因，是因?yàn)閾闲詤^(qū)與剛性區(qū)連接點(diǎn)正好是FPC線路的轉(zhuǎn)角位置，在安裝時(shí)FPC部分需彎折，彎折產(chǎn)生應(yīng)力的作用將FPC的線路拉斷所致。當(dāng)拆卸后，F(xiàn)PC不再?gòu)澱蹠r(shí)，已斷開(kāi)的線路又接觸在一起，故重新檢測(cè)又沒(méi)有開(kāi)路現(xiàn)象。因此，在撓性區(qū)與剛性區(qū)連接點(diǎn)位置的線路盡可能與彎折方向垂直，這樣有利于減少應(yīng)力對(duì)線路的影響。

表3 不同材料組合的剛撓結(jié)合板對(duì)比

2.2.3 覆蓋膜的定位標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)

由于R-FPCB的剛性部分沒(méi)有覆蓋膜，因此，在貼合時(shí)覆蓋膜的定位將成為關(guān)鍵。這就需要在線路設(shè)計(jì)出覆蓋膜的定位點(diǎn)，同時(shí)，此定位點(diǎn)不能在交貨板內(nèi)，以免改變了客戶的原始設(shè)計(jì)要求。

2.3 覆蓋膜的設(shè)計(jì)

覆蓋膜開(kāi)窗的目的是為了滿足孔化的需要，由于覆蓋膜與撓性板之間是靠覆蓋膜底層的丙烯酸樹(shù)脂粘結(jié)在一起的，但丙烯酸樹(shù)脂不耐堿，而且其穩(wěn)定性也不如環(huán)氧樹(shù)脂和聚酰亞胺。通過(guò)開(kāi)窗將剛性區(qū)域的覆蓋膜切除掉這樣剛性區(qū)域的材料構(gòu)成就少了覆蓋膜的聚酰亞胺和丙烯酸樹(shù)脂層給機(jī)械鉆孔和孔化帶來(lái)非常多的利好。

2.3.1 覆蓋膜在有效區(qū)（即交貨給客戶部分）的設(shè)計(jì)

基于覆蓋膜具有優(yōu)良的耐彎折性，所有撓性部分均需進(jìn)行覆蓋膜的保護(hù)，同時(shí)又不能將剛性部分全部覆蓋，否則會(huì)對(duì)R-FPCB的可靠性帶來(lái)影響。因此，在剛性和撓性的連接部分就需要達(dá)到既能保護(hù)FPC又不影響PCB的效果，影響此連接位的關(guān)鍵因素是覆蓋膜從撓性區(qū)延伸到剛性區(qū)的尺寸是多少才是最合適。將覆蓋膜對(duì)位偏差和PP的流膠量考慮后，設(shè)計(jì)連接部分的交接尺寸為0.4 mm，這樣就能到達(dá)理想的效果，如圖8。

圖8 剛撓結(jié)合連接部分的交接

2.3.2 覆蓋膜在無(wú)效區(qū)（即非交貨給客戶部分）的設(shè)計(jì)

由于覆蓋膜在R-FPCB中的剛性部分容易產(chǎn)生氣泡和分層現(xiàn)象，為避免生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生不必要的缺陷，在非交貨給客戶部分的區(qū)域盡可能不要覆蓋膜，以增強(qiáng)整體的結(jié)合力。

2.4 半固化片的設(shè)計(jì)

半固化片在傳統(tǒng)的多層板中只需按生產(chǎn)板的尺寸開(kāi)料即可使用，而在R-FPCB即需要有一定的加工過(guò)程后才能使用。低流動(dòng)性半固化片開(kāi)窗的目的是為了將R-FPCB撓性區(qū)域的半固化片去掉，避免壓合時(shí)將剛性板和撓性板壓合在一起。

2.4.1 半固化片的定位孔設(shè)計(jì)

由于PP需要進(jìn)行開(kāi)窗和疊合時(shí)的定位，就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的定位孔。開(kāi)窗時(shí)的定位孔需靠近開(kāi)窗位的原則，一般設(shè)計(jì)成2.0 mm，這樣可以盡可能避免開(kāi)窗時(shí)的偏差和做成PP操作上折痕，如圖9；在疊合時(shí)需使用的工裝定位孔和卯釘定位孔，需統(tǒng)一設(shè)計(jì)成3.25 mm（使用的工裝銷釘為3.2 mm，卯釘?shù)某叽鐬?.175 mm），這樣可以增加對(duì)位的精度。

圖9 半固化片工裝孔及定位孔

2.4.2 半固化片開(kāi)窗位置的設(shè)計(jì)

PP的開(kāi)窗主要是避讓撓性區(qū)，以免壓合時(shí)有PP與FPC結(jié)合在一起，從而失去柔軟性。開(kāi)窗的大小需根據(jù)覆蓋膜的開(kāi)窗和剛性區(qū)的位置去確定，這與PP的流膠量有極大關(guān)系。PP的第一個(gè)開(kāi)窗是與覆蓋膜完全對(duì)應(yīng)，也就是使用同一個(gè)模具即可；而第二個(gè)開(kāi)窗需比第一個(gè)開(kāi)窗整體小0.4 mm，如圖10。

圖10 半固化片開(kāi)窗位置

2.5 剛性板的開(kāi)窗

R-FPCB的剛性基材在撓性部分開(kāi)窗有兩種，一種是先開(kāi)窗再做板，另一種是成品再開(kāi)窗。

2.5.1 成品時(shí)再開(kāi)窗的特點(diǎn)

將R-FPCB設(shè)計(jì)為成品再開(kāi)窗具有生產(chǎn)簡(jiǎn)單，但撓性區(qū)存在隱患的風(fēng)險(xiǎn)。若是使用激光去除撓性區(qū)的剛性基材，在激光的剛性板上會(huì)殘留碳化的現(xiàn)象，同時(shí)成本比較高；若是使用Milling（磨削）的方式，由于高度差的問(wèn)題，在剛性板的底部會(huì)殘留鋸齒狀的FR-4現(xiàn)象（如圖11）。這樣的殘留物在使用過(guò)程中會(huì)對(duì)撓性板做成損傷，甚至?xí)虼硕鴶嗔选?/p>

圖11 剛性板的底部有殘留鋸齒狀

2.5.2 先開(kāi)窗再做板的優(yōu)缺點(diǎn)

將R-FPCB設(shè)計(jì)為先銑去撓性區(qū)的剛性基材，在生產(chǎn)時(shí)開(kāi)窗區(qū)域沉鍍銅時(shí)容易產(chǎn)生銅粉、銅渣污染銅缸，同時(shí)對(duì)疊合和銑板的要求較高，不存在后續(xù)的風(fēng)險(xiǎn)，外觀上較為漂亮，如圖12。

3 結(jié)語(yǔ)

R-FPCB的工程設(shè)計(jì)，需考慮的因素是多方面的。包括材料的選擇，線路圖形的設(shè)計(jì)，覆蓋膜的設(shè)計(jì)，半固化片的設(shè)計(jì)，剛性板的開(kāi)窗等。這些因素影響著R-FPCB生產(chǎn)的難易和產(chǎn)品良品率。

圖12 先開(kāi)窗再做板結(jié)果

由于R-FPCB的類型比較多樣化，同時(shí)整體的制作工藝還不是很成熟，要根據(jù)各公司自有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)制作方式，根據(jù)自身的生產(chǎn)工藝能力選擇設(shè)計(jì)合適的參數(shù)，以達(dá)到操作控制容易、生產(chǎn)效率高和成本低為目的。

[1]莫欣滿,陳蓓. 層間粘接劑對(duì)剛撓結(jié)合通孔可靠性的影響分析[J]. 印制電路信息, 2011(4):50-57.

[2]彭衛(wèi)紅,劉東,朱拓等.高可靠性18層剛撓結(jié)合印制板制作技術(shù)研究[J].印制電路信息,2012(4):106-110.

[3]林金堵,梁志立,鄔寧彪等. 現(xiàn)代印制電路先進(jìn)技術(shù)[M]. 中國(guó)印制電路行業(yè)協(xié)會(huì)CPCA. 上海:印制電路信息雜志社, 2013.

[4]陳良,劉鎮(zhèn)權(quán),朱賢佳. 十六層剛撓結(jié)合板制作體會(huì)[J]. 2011秋季國(guó)際PCB技術(shù)/信息論壇增刊,273-277.

[5]陳永生,吳云鵬,黃 鎮(zhèn)等. 一 種全封閉的對(duì)稱型剛撓結(jié)合板生產(chǎn)工藝[J]. 印制電路信息,2012(4):96-100.

Experience in engineering design practice with rigid fl ex multilayer

LIU Zhen-quan

This paper introduces the importance of engineering design with multi plate on rigid fl ex. It also conducts performance analysis of different materials, and the multi-layer rigid fl ex matters requiring attention in the engineering design of the plate.

Rigid Flex Multilayer; Engineering Design; Materials; Coverlay; Prepreg; Line; Opening

TN41 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

1009-0096（2014）06-0032-05

劉鎮(zhèn)權(quán)，總工程師，從事印制電路行業(yè)，主要從事于技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)管理的工作。