软硬结合板的制造步骤

2019/12/18 1975

软硬结合板有很多好处,许多设计师们之前并不了解,因为他们的设计不是必须使用这个技术。然而现在越来越多的设计师将要面对构建越来越高密度的电子设备的压力,更让他们头痛的是还有要不断地降低制造成本和减少制造时间。其实,这真的不是什么新的技术难题。很多的工程师和设计师们已经为之头痛很久,且所面临的压力也正不断骤增。


因此,了解如何制造柔性电路以及软硬结合板是非常明智的。这样,我们可以轻松找设计中的错误隐患,防患于未然。现在,让我们认识一下做这些板子需要哪些基础材料。


柔性电路的材料


基底和保护层薄膜


首先,我们来考虑一下普通的刚性印刷电路板,它们的基底材料通常是玻璃纤维和环氧树脂。实际上,这些材料是一种纤维,尽管我们称之为“刚性”,如果单取出一层,你还能感受到它的弹性。由于其中的固化环氧树脂,才能使板层更加刚硬。由于它不够灵活,所以不能应用到某些产品上。但是对于很多简单装配的、板子不会持续移动的电子产品还是合适的。


在更多的应用中,我们更需要比环氧树脂灵活的塑料薄膜。我们最常用的材质是聚酰亚胺(PI),它非常柔软、牢固,我们不能轻易地撕裂它或者延展它。而且它还具有难以置信的热稳定性,能够轻松承受加工中回流焊过程的温度变化,而且在温度的起伏变化过程中,我们几乎不能发现它的伸缩形变。


聚酯(PET)是另外一种常用的柔性电路材料,与只聚酰亚胺(PI)薄膜比较,它的耐热性和温度形变比PI薄膜差。这种材质通常用于低成本的电子设备中,印刷的线路包裹在柔软的薄膜中。由于PET无法承受高温,更不用说焊接了,所以,一般采用冷压的工艺制作这种柔性线路板 。我记得这个时钟收音机的显示部分采用的是这种柔性连接电路,所以这台收音机经常工作不正常,根本原因就是这个质量差的连接件。所以我们建议软硬结合板还是选择PI薄膜,其他材料也有但不经常使用。


PI膜、PET膜、薄环氧树脂和玻璃纤维芯,是柔性电路的常用材质。除此之外,电路还需要使用其他保护膜,通常是PI或PET膜,有时会采用掩膜阻焊油墨。与在硬质板上组焊层保护线路相同,保护膜可以把导体与外界绝缘,保护其免受腐蚀和损坏。PI和PET膜的厚度在⅓密耳至3密耳范围内,其中1密耳或2密耳厚度的比较常用。玻璃纤维和环氧树脂材质较厚,一般是从2密耳到4密耳。


导体


在上面提到的省钱的电子产品中使用了印刷导线,通常是碳膜或银基油墨,但是铜导线还是普遍的选择。根据不同的应用,我们要选择不同的铜箔的形式。如果仅仅为了代替导线和接插件,从而减少制造时间和成本,那么良好应用于应性线路板的电解铜箔就是最好的选择。电解铜箔同样会应用于通过增加的铜的重量来提高电流的承载能力,从而得到可以实现的铜皮宽度的场合,例如平面电感器。


众所周知,铜在加工硬化和应力疲劳方面一直比较差劲的。如果最终的应用中柔性电路需要反复折叠或者重复移位,那么高等级的轧制韧化铜箔(RA)是更好的选择。显而易见,多了轧制韧化这一步骤势必增加成本,但是轧制韧化铜箔在出现疲劳断裂前能够被更多次的弯曲、折叠。而且它在Z偏转方向弹性增加了,这是我们需要的,在经常弯曲和滚动的应用中,它回报给我们更长的寿命。因为轧制韧化过程拉长了在平面方向的晶粒结构。


图2:夸张版的轧制韧化过程插图,非比例构图。铜箔通过高压辊轮后,可以在平面方向上延伸它的晶粒结构,使铜更柔软并且增加了z轴的弹性。


典型的例子就是台架与铣刀刀头的链接,或者蓝光驱动器中的激光头(如下图所示)。


图3:在蓝光机器中,柔性电路应用与激光与主电路板之间的连接。请注意,激光头上线路板上的柔性电路有需要弯曲成直角,这里用了一颗胶珠来增强柔性电路的联接。


胶粘剂


通常,我们需要胶粘剂来粘合铜箔和PI膜(或其他膜),因为与传统的FR-4刚性板不同,轧制韧化后的铜箔表面没有很多的毛刺,因此高温、高压不能实现良好的粘合。制造商,例如杜邦公司提供了单、双面的,可腐蚀的覆铜箔层压膜。它使用了厚度为½密耳或1密耳的丙烯酸或者环氧基胶的粘合剂。这个粘合剂是为柔性线路板专门开发的。


由于像直接在PI薄膜上涂镀和沉积铜皮这样新的加工工艺的引入,“无胶”层压板正变得越来越普遍。在需要更细的间距和更小的过孔的HDI电路中,这样薄膜就可以大派用场了。


当需要在软硬结合部添加保护胶珠时,我们会使用到硅树脂、热熔胶或者环氧树脂。这样会增强软硬结合部机械强度,确保在重复使用的过程中不会产生应力疲劳或者撕裂。图3中就是最好的例子。


图4:典型单层柔性电路板堆叠。


总结


清楚了解在柔性电路板或者软硬结合电路板中使用的材料是非常重要的。我们也可以放手给的制造商,由他们可以根据应用自由选择材料,但是这就为最终产品的失败埋下了隐患。


了解材料的性能还可以帮助我们设计、评估和测试产品的机械部分。如果研发的是应用于汽车的产品,那么散热、防潮、化学腐蚀、冲击等情况都需要仔细模拟,从而采用正确的材料来实现产品的高可靠性以及最小允许弯曲半径。讽刺的是,驱使我们选择柔性后者软硬结合板应用实际,往往会暴露在恶劣的环境中。例如,低成本的消费类个人电子设备经常会受到振动、跌落、汗水等困扰。


构建柔性板


乍一看,典型的柔性板或者软硬结合板看起来很平淡无奇。然而,把它们制造出来需要一些额外的步骤。制造任何一款软硬结合板,都是从制造单面或双面的柔性板开始的。正如上周提到过的,制造可以从预压制的软板开始,也可能从PI膜开始,然后在原始的裸板上层压铜板,或者镀上铜皮。层压工艺需要在薄膜上刷涂一层薄薄的粘贴剂,无胶工艺则要在薄膜上种镀铜的“种子”。通常使用汽体淀积技术(如溅射法)种“种子”,为接下来的化学沉淀流程种下凝结核。接下来单面或者双面的柔性板的钻孔、镀通以及蚀刻的过程,大体上与双面硬质板的加工过程类似。

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