剛撓性印制電路板制造工藝技術(shù)及發(fā)展趨勢

張煜堃 來林芳 白 邈

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剛撓性印制電路板制造工藝技術(shù)及發(fā)展趨勢

張煜堃 來林芳 白 邈

（北京空間機電研究所，北京 100094）

闡述了剛撓性印制電路板制造工藝技術(shù)在航空航天領(lǐng)域上的應(yīng)用優(yōu)勢，介紹了剛撓性電路板的主要材料以及不同材料之間的性能比較；同時對剛撓結(jié)合板以及嵌入式撓性電路板的結(jié)構(gòu)和制造工藝流程以及相應(yīng)的優(yōu)缺點進行了對比分析；討論了剛撓性印制電路板技術(shù)的關(guān)鍵工藝問題以及未來發(fā)展趨勢。

剛撓性印制板；嵌入式撓性板；制造工藝；高密度互聯(lián)

1 引言

隨著航空航天領(lǐng)域電子產(chǎn)品輕小型化，多功能化以及裝配密集化的趨勢，對上游的印制板電路技術(shù)提出了更高的要求。撓性印制板（Flexible Printed Circuit Board，F(xiàn)PC）是指用撓性基材制成的印制電路板，可無覆蓋層，相比于傳統(tǒng)的剛性印制電路板，具有厚度薄，質(zhì)量輕，可動態(tài)自由彎曲折疊[1]；易實現(xiàn)三維互連安裝，提高電子設(shè)計和機械設(shè)計的自由度；相較于傳統(tǒng)封裝技術(shù)，撓性封裝的體積和質(zhì)量可減小70%的空間。優(yōu)良的電學(xué)性能以及熱性能可使電磁信號在FPC中得以快速穩(wěn)定的傳輸，使其在儀器儀表、汽車、醫(yī)療器械、軍事以及航空航天等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[2]，隨著撓性印制電路板技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展和完善，進一步發(fā)展趨勢是將剛性撓性結(jié)合起來的剛撓性電路板（Rigid-Flex Circuit, RFC）、嵌入式撓性電路（Embedded Flex Circuit, E-flex）以實現(xiàn)更精細節(jié)距的高密度任意互連（High Density Interface, HDI）撓性電路板。

PCB的發(fā)展技術(shù)與材料和加工裝配工藝的發(fā)展密切相關(guān)，本文就撓性電路板的新材料和新技術(shù)的進展現(xiàn)狀進行綜述性分析，并對兩種主要撓性電路板應(yīng)用技術(shù)RFC和E-flex的結(jié)構(gòu)、材料和制造裝配工藝進行重點討論。

2 剛撓性電路板的材料技術(shù)

剛撓性電路板的性能主要取決于材料的性能，其材料主要包括撓性介質(zhì)薄膜和撓性粘結(jié)薄膜[3]。其中作為撓性主體基材的撓性介質(zhì)薄膜主要為用于低端產(chǎn)品的聚酯類（Mylar），常見的聚酰亞胺類（Kapton），以及用于軍事、航空航天應(yīng)用的聚氟類（PTFE）。其中聚酰亞胺介電常數(shù)高，電氣性能和力學(xué)性能佳，且耐高溫，但價格昂貴，易吸潮；聚酯性能同聚酰亞胺類似，但耐熱性能差；聚四氟乙烯主要求應(yīng)用于低介電常數(shù)的高頻產(chǎn)品。三種材料的介質(zhì)薄膜性能如表1所示。

表1 聚酯、聚酰亞胺、聚四氟乙烯介質(zhì)薄膜性能對照

撓性粘結(jié)薄膜的主要材料有丙烯酸類、環(huán)氧類和聚酯類。其中丙烯酸與聚酯亞胺類基板的結(jié)合較好，撓性高，且耐化學(xué)和耐熱性能較好，但熱膨脹系數(shù)較大，內(nèi)層丙烯酸厚度不應(yīng)超過0.05mm，易導(dǎo)致金屬化孔隨方向膨脹斷裂。環(huán)氧樹脂結(jié)合性較差，一般用于粘結(jié)覆蓋層和內(nèi)層，且熱膨脹系數(shù)小，利于提高金屬化過孔的耐熱沖擊性。

3 剛撓性電路板的制造工藝技術(shù)

剛撓性電路板的制造工藝因板的類型不同有一定的區(qū)別，其中決定其性能的主要工藝為精細線路工藝和微孔工藝。隨著電子產(chǎn)品輕小型化，多功能化以及裝配密集化的要求，目前受到廣泛關(guān)注的高端電路板技術(shù)為以高密度結(jié)合為目標的剛撓結(jié)合板以及嵌入式撓性結(jié)合板制造工藝技術(shù)。

3.1 剛撓結(jié)合印制電路板制造工藝技術(shù)

剛撓性電路板（RFC）是將剛性和撓性線路板有序有選擇地層壓，通過金屬化過孔形成層間導(dǎo)通[4]。RFC的結(jié)構(gòu)示意圖以及成品示意圖示例如圖1所示。剛撓結(jié)合板的出現(xiàn)可取代電子產(chǎn)品中導(dǎo)束線和連接器，有效減小電子產(chǎn)品的體積和質(zhì)量，同時可有效避免連接器和導(dǎo)束線帶來的接觸和密集散熱不良等問題，極大提高了設(shè)備的可靠性。

圖2 剛撓結(jié)合板加工工藝流程圖

上世紀70年代，德國的Schoellerelectronik在發(fā)展成熟的純剛性板制造工藝的基礎(chǔ)上，使用剛性板熱壓撓性板，僅3年就生產(chǎn)出了剛撓結(jié)合板的產(chǎn)品。經(jīng)過不斷的發(fā)展和完善，多種新型的剛撓結(jié)合板制造工藝不斷涌現(xiàn)。其中最成熟實用的剛撓結(jié)合板制造工藝為剛性基材采用玻纖環(huán)氧樹脂（FR4）覆銅雙面板作為外層硬板，剛性線路圖形的保護采用噴涂防焊油墨；撓性基材采用聚酰亞胺（PI）覆銅雙面板作為撓性芯板，撓性線路圖形的保護采用聚酰亞胺/丙烯酸薄膜覆蓋；粘合劑采用Low-flow半固化片，最終壓合而成[5]。以6層剛撓結(jié)合印制電路板為例，其主要制造工藝流程如圖2所示。

剛撓性電路板可以使用布線取代線束和連接器，從而避免因此帶來的接觸不不良和散熱問題，提高了設(shè)備的可靠性。撓性區(qū)域的反復(fù)彎折，任意角度扭轉(zhuǎn)且電氣性能、力學(xué)性能極佳，可實現(xiàn)三維組裝，提高設(shè)備的自由度和減小設(shè)備的體積和質(zhì)量，尤其適用于周期運動和需要反復(fù)折疊的電子設(shè)備。撓性基材具有較高的介電穩(wěn)定性，適用于高頻信號的傳輸和阻抗控制，且耐輻射、耐溫度沖擊，適用于極端環(huán)境，可保障電子設(shè)備的穩(wěn)定運行。

傳統(tǒng)剛撓性電路板制作困難，成品率較低，集成度高，損壞后難以二次修復(fù)。需要整板埋入價格相對昂貴的撓性基材，原材料浪費率較高同時也加大了加工工藝技術(shù)的難度。撓性基材熱膨脹系數(shù)較大，吸潮率高，大面積撓性基材會導(dǎo)致整體尺寸偏差累積，在圖形線路、壓合、鉆孔、電鍍和孔清洗等工序中會受到尺寸影響，導(dǎo)致良品率低。嵌入式撓性電路的出現(xiàn)可以有效減少和避免上述問題。

3.2 嵌入式撓性電路板制造工藝技術(shù)

嵌入式撓性電路板（E-flex）是將撓性線路單元嵌入至中間層剛性板中，再通過積層法層壓。撓性線路與同層的剛性線路并無互連，而是通過盲孔與外層互連[6]。E-flex的結(jié)構(gòu)示意圖以及成品圖如圖3所示。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)可將撓性線路大幅減少，E-flex同時具有HDI和RFC的優(yōu)勢，并可減少對撓性基材的浪費。

E-flex最早由日本IBIDEN公司提出并研發(fā)。IBIDEN研發(fā)人員在生產(chǎn)HDI板的過程中，嘗試制作芯板為撓性板的HDI板。通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，減小撓性面積，采用撓性小單元嵌入式的方式，使電路板同時具備RFC和HDI的性能，減小撓性基材的浪費。目前主要技術(shù)和產(chǎn)品均掌握在IBIDEN公司，其他廠家尚處于研發(fā)狀態(tài)。

相較于傳統(tǒng)的剛撓結(jié)合板，E-flex是將小單元的撓性電路嵌入至剛性板中，再經(jīng)過多次壓合。撓性區(qū)域的面積稍大于撓性線路單元，可提高撓性基材的使用率。同層撓性線路與剛性線路無電氣連接，通過金屬化過孔與上層剛性線路連接，便于實現(xiàn)HDI工藝技術(shù)的微盲、埋孔、導(dǎo)電膠填塞等先進制作技術(shù)。

圖4 嵌入式撓性結(jié)合板加工工藝流程圖

E-flex印制電路板作為RFC印制電路板的的新技術(shù)，其加工工藝流程是以RFC為基礎(chǔ)的，典型6層板的E-flex的加工工藝流程圖如圖4所示[7]。

E-flex在一定程度上解決了剛撓結(jié)合板制作工藝上的一系列問題。嵌入式小功能單元可以大幅度減少撓性基材浪費，有效提高撓性基材的利用率。且可忽略撓性基材材料性能問題，直接采用剛性板成熟的制作工藝，減少工藝的難度，促使HDI技術(shù)在剛撓結(jié)合電路板制造中的發(fā)展。同時通過HDI技術(shù)可以進一步降低電路板質(zhì)量，提高線路密度。促進剛撓結(jié)合板向高密度、高互連、高多層方向發(fā)展。

4 剛撓性電路板技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 剛撓性電路板技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)問題

目前，剛撓性電路板技術(shù)的精細線路線寬/線距已達到30μm/30μm，未來傳輸線路的精細化仍然是重點研究方向之一。相較于傳統(tǒng)印制電路板的合格率，還需要不斷地提升和改進。PCB產(chǎn)業(yè)中的新技術(shù)和新材料總是相互促進相互發(fā)展的，剛撓性電路板以及嵌入式撓性結(jié)合板由于同時具有剛性和撓性基材，受到材料性能差別的影響較大，同時也帶來新的技術(shù)難題，例如：在多層間的層壓過程當中，需對各層材料的各個方向的熱膨脹系數(shù)進行分析，結(jié)合增強板進行變形補償，以提高對位層壓的精度；在微孔加工過程中，需考慮不同層不同材料的變形系數(shù)和機械強度，對微孔加工過程中引起的變形進行預(yù)測，以實現(xiàn)精確的微孔加工。

剛撓性電路板低厚徑比的孔壁一般采用等離子清洗結(jié)合黑孔化工藝，相較于傳統(tǒng)電路板采用的化學(xué)濕法清洗結(jié)合化學(xué)鍍銅工藝生產(chǎn)效率高，但成本較高，需要不斷改進工藝；焊盤表面處理工藝需要根據(jù)組裝元器件的類型合理選擇，針對高端電子產(chǎn)品，積極開發(fā)新型表面處理工藝如化學(xué)鎳鈀金（ENEPIG）、有機金屬 OM（Organic Metals）等表面涂覆處理技術(shù)也是當前研究的熱點。

4.2 剛撓性電路板技術(shù)的展望

可以預(yù)見，未來剛撓性電路板必將向超薄化、高密度化、多功能化的方向發(fā)展，從而帶動上游工業(yè)的材料、設(shè)備和工藝的相應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨著材料技術(shù)和相關(guān)工藝制造技術(shù)的發(fā)展，撓性電路板、剛撓性電路板、嵌入式撓性電路板必將向更精細節(jié)距的高密度化互連方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在：

a. 高精度的加工技術(shù)以及低介質(zhì)損耗材料的研發(fā)；

b. 高分子材料技術(shù)的突破以適應(yīng)更高要求的溫度范圍；

c. 超大器件以及撓曲材料產(chǎn)生更大面積和更耐撓曲度的PCB；

d. 提高安裝密度擴大埋置元器件；

e. 電路-光路混合板技術(shù)；

f. 與印制電子的結(jié)合。

5 結(jié)束語

綜上所述，剛撓性印制電路板制造工藝技術(shù)在不斷取得進步的同時，也遇到一些技術(shù)方面的難題，但是隨著電子產(chǎn)品技術(shù)的不斷發(fā)展，撓性電路板的制造工藝得以不斷的改進和完善，制造成本不斷降低。同時新材料和新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，必將促進撓性電路板的使用進一步發(fā)展，使得剛撓性電路板的應(yīng)用進入一個良性循環(huán)。

1 張懷武，何為，林金堵，等. 現(xiàn)代印制電路原理與工藝[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2010

2 張家亮. 全球線路板市場分析以及未來發(fā)展趨勢[J]. 印制電路咨詢. 2013(3)：16～19

3 張星龍. 剛撓結(jié)合PCB設(shè)計[J]. 電訊技術(shù). 2003，43(4)：114～117

4 胡友作. 撓性PCB制作工藝參數(shù)優(yōu)化研究與應(yīng)用[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2013

5 黃勇，胡永栓. 撓性板部分埋入制作剛撓結(jié)合板[J]. 電子元件與材料， 2012，31(8)：53～54

6 江俊峰. 剛撓結(jié)合板中的撓性區(qū)的關(guān)鍵制造技術(shù)研究及應(yīng)用[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2012

7 董穎韜. 嵌入撓性線路印制電路板工藝技術(shù)研究及應(yīng)用[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2014

Development Trend of Rigid Flex Printed Circuit Board Manufacturing Process Technology

Zhang Yukun Lai Linfang Bai Miao

(Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity, Beijing 100094)

The application advantages of rigid flexible printed circuit board manufacturing process technology in aerospace are expounded. The main materials of the flexible circuit board and the performance comparison between the different materials are introduced. At the same time, the structure and manufacturing process of the rigid flexure joint plate and the embedded flexible circuit board are compared and the advantages and disadvantages are compared. The key process problems of the rigid-flex printed circuit board technology and its future development trend are discussed at the end of this article.

rigid flexible printed circuit board；embedded flexible circuit；manufacturing process；high density interface

張煜堃（1986），工程師，電子裝聯(lián)專業(yè)；研究方向：電子裝聯(lián)工藝技術(shù)。

2017-04-25