柔性电路的特点和材料的选用

柔性电路的特点和材料的选用

随着电子产品日新月异的迅猛发展，对电子组装技术提出了一个又一个严峻的挑战。为了能够迎合电子技术的发展，人们在电子组装技术上进行了大胆的创新，在此背景下一种含有精致导线、采用薄薄的、柔顺的聚合物薄膜制造的柔性电路应运而生，它能够适用表面安装技术并能够被弯曲成无数种所需的形状。

    采用SMT技术的柔性电路可以制造的很薄、很精巧，绝缘厚度小于25μm,这种柔性电路能够被任意弯曲并且可以卷曲后放入圆柱体中,以充分利用三维体积。它打破了传统固有使用面积的思维定势，从而形成充分利用体积形状的能力，这能够在目前常规采用的每单位面积所使用的导体长度上，显著地增强有效使用密度，形成高密度的组装形式。
　　近年来柔性电路的使用已经扩展到了无线电通信、计算机和汽车电子设备等领域。以前柔性电路专门作为刚性线缆的替代物来使用，它己经能够很成熟地作为刚性电路和印刷电路板的替代品应用在要求采用薄型电路或者三维电路的场合。为了能够满足刚柔相济的应用要求，刚柔技术在刚性电路板上结合了柔性电路。

柔性电路的早期应用
    虽然采用SMT技术的柔性电路是一项现代高科技技术，但是它采用了最早的印刷电路线的基本原理，其根源可以一直追溯到20世纪70年代。可能最早使用SMT柔性电路技术的情形发生在20世纪70年代的初期。美国德州仪器公司在开发计算器时，将双列直插式集成电路放入欧翼型器件，然后通过热条焊接在柔性电路上面。柔性电路的基层薄膜是对热敏感的涤纶薄膜，其工艺制造方式为根据电路制造的方式连续滚压。另外一个早期SMT柔性电路技术的应用例子是宝丽来 (Polaroid)照相机中采用的电路。宝丽来照相机是一种在拍照后立即可以进行冲洗的照相机，宝丽来公司转向采用SMT柔性电路技术是在20世纪80年代初期，柔性电路的基层薄膜是涤纶薄膜，采用波峰焊接技术进行焊接。自从20世纪80年代初期以来，柔性电路与SMT技术相结合已取得了很大的成功。当明白了对于薄膜基片而言，SMT是一种理想的组装技术以后，相当一部分柔性电路制造商便迅速地进入了SMT技术领域。

柔性电路的主要材料
    在柔性电路中使用的主要材料是绝缘簿膜、胶黏剂和导线。绝缘簿膜形成了电路的基础。胶黏剂将铜箔黏接到绝缘簿膜上，在多层结构设计中，内部有许多层被黏合在了一起。使用外保护层将电与砂尘和潮气相隔绝，与此同时还可以降低在挠曲时所受的应力。导电层是由铜箔提供的。

    在一些柔性电路中，采用铝或者不锈钢作为加强肋，以确保几何尺寸的稳定性。同时还可以提供在元器件和连接器插入时的机械支撑力，以及消除掉应力。加强肋采用胶黏剂黏接在柔性电路上面。有时在柔性电路中采用的另外一种材料是黏接片（bond ply），它是由两面涂覆有胶黏剂的绝缘簿膜构成。黏接片能够提供环境保护和电气绝缘，它能够起到取消簿膜层和在层数较少的多层电路中起到黏接的作用。
许多绝缘簿膜可以从市场上采购到，最常用的是聚酰亚胺和涤纶材料（如表1所示）。在美国的所有柔性电路制造厂商中，接近80%的厂商是采用聚酰亚胺簿膜作为柔性电路的材料，大约20%的制造厂商结合采用涤纶簿膜。聚酰亚胺材料具有不易燃、几何尺寸稳定的特点，拥有较高的抗撕裂强度，并且能够忍受焊接时的高温。涤纶也称为聚对苯二甲酸乙二醇脂（polyethylene terephthalate 简称PET），物理性能与聚酰亚胺相类似，具有较低的介电常数和能够吸附少量的潮气，但是耐高温的能力较差。

    涤纶的熔化点在250℃，它的玻璃化转变温度(Tg)为80℃，这些参数限制了它们在需要进行大量焊接的场合的使用。在低温状态下，它们较硬,但是它们仍适用于在电话以及其他不暴露在恶劣环境下工作的电子产品中使用。

    聚酰亚胺绝缘簿膜通常与聚酰亚胺或者丙烯酸胶黏剂一起使用，绦纶绝缘簿膜一般与绦纶胶黏剂一起使用。在焊接或者在整个多层层压周期操作以后，黏接好的材料具有令人满意的特性优点，即稳定的几何尺寸。在胶黏剂中的其他重要特性是较低的介电常数、较高的绝缘阻抗、较高的玻璃化转变温度和较低的吸湿性。

    在柔性电路中除了采用绝缘簿膜与导电材料相互黏接以外，胶黏剂也被用作防护涂覆来使用，它可以形成覆盖层（也称为coverlays）和表面涂层。这两者之间的主要差异在于所采用的应用方式不同。覆盖层是将胶黏剂覆盖在层压有电路的绝缘簿膜上面，而表面涂层是通过表面印刷的方式涂布胶黏剂。

    不是所有的层压结构都要与胶黏剂相接合，不采用胶黏剂的层压结构与采用胶黏剂的层压结构相比较，能够提供更簿的电路、更佳的柔软性和更好的导热率。簿型结构的导热率和不采用耐热胶黏剂的结构，允许不采用胶黏剂的电路在不宜采用胶黏剂为基础的层压簿片的工作场合中使用。

    在柔性电路中所使用的铜箔可以采用电沉积或者采用锻制的方式获得。采用电沉积制造的箔片一面是有光泽的，而另外一面是没有光泽的，它形成了可以弯曲的材料，可以形成不同的厚度尺寸和宽度尺寸。由电沉积制成的箔片的无光泽一面常常需要采用特殊处理，以求改善其黏接性能。采用锻制方式形成的铜箔除了可以弯曲以外，具有一定的硬度和表面光滑度，可以适应要求动态柔性活动的场合使用。

 

柔性电路的层压构造和特点
    美国杜邦（DuPont）公司、ICI Americas公司、Rogers公司和Sheldahl公司等材料供应厂商还提供适合特殊应用的特定层压构造。杜邦公司除了能够提供聚酰亚胺—丙烯酸结构以外，还能提供各种聚酰亚胺层压簿膜材料。杜邦公司的Kapton 聚酰亚胺簿膜材料是它用于许多Pyralux 产品中的基础材料，其中包括Pyralux FR （flame-retardant阻燃型）和 LF覆铜层压簿片、黏合层片和覆盖层。Pyralux AP层压簿片也采用了Kapton簿膜。

    Pyralux FR覆铜层压簿片是在杜邦Kapton 聚酰亚胺簿膜上覆盖一面或者双面铜箔复合而成，它通过一种具有专利权的、阻燃型的C级丙烯酸胶黏剂黏合在一起。Pyralux FR黏接层是在Kopton簿膜两面覆盖B级丙烯酸胶黏剂复合而成。Pyralux FR覆盖层是在Kapton簿膜的一侧涂覆B级丙烯酸胶黏剂复合而成。LF系列是非阻燃型的，但是在其他方面它像FR系列材料一样受到人们的重视。

    Pyralux PC是一种可成像的覆盖层（photoimageable coverlay），它由丙烯酸、氨基钾酸酯和硫亚氨基础材料等构成，适合于无线电通信、计算机、工业用和医学用电子设备，在这些应用场合要求反复柔性循环，但是不适合动作剧烈的柔性化应用。

    Pyralux AP是一种双面覆盖有铜的层压簿片，它没有采用胶黏剂，是由Kapton聚酰亚胺簿膜与铜箔复合而成，它在高达200℃以上的温度下具有热稳定性。

    Kapton 簿膜也被美国亚利桑那州Chandler的Rogers Corporation公司用作其R/flex 2005阻燃型材料系列的基础材料。该材料系列是由采用Kapton为基础的覆盖层、黏接簿膜和覆铜Kapton层压簿片所构成，使用了阻燃型的胶黏剂。Rogers公司也提供了一种没有采用胶黏剂的层压簿片，称为flex-imid 3000，它是一种覆盖有铜的、采用聚酰亚胺为基础的层压簿片，它能够在160℃的工作温度下连续的工作。

    基于PEN（polyethylene naphthalate）的绝缘簿膜是一种类似于涤纶的材料，它可以从美国ICI Americas公司购得。PEN和涤纶（PET）之间的主要差异是它所具有的热性能更佳。Kaladex PEN 簿膜所呈现的玻璃化转变温度（Tg）比PET簿膜的要高120℃。PEN所具有的这种特性，再加上几何尺寸的稳定性和耐化学品特性，使得这种Kaladex簿膜可用于替代涤纶和聚酰亚胺簿膜。

    美国明尼苏达州Northfield的Sheldahl公司利用其Novaclad和 Novaflex生产线，制造生产了很多无胶黏剂的柔性电路材料。Novaclad是一种复合有铜箔的聚酰亚胺材料，它可以按照设计师的要求采用不同厚度和性能的铜箔。Novaclad G2200覆铜层压簿膜材料在化学特性和耐热性能方面的性能有了进一步的提高，人们曾经作过一次测试，它可以在超过150℃的温度条件下连续工作1000小时。

    现在介绍由Sheldahl公司推出的Novaclad G2300和G2400。Novaclad G2300层压簿膜已经通过了在150℃的温度条件下连续工作1000小时的长期热老化测试。Novaclad G2400 MCM级材料的开发是为了满足多芯片模块(multichip modules简称MCM)和芯片规模封装（chip scale packages简称CSP）所提出的挑战。这种层压簿膜不采用填充料，可以通过激光形成微孔。它同样也能通过微细引线成像（fine-line imaging）技术形成很簿的铜箔，并增强涂覆的贵金属（例如：钯和化学镀Ni/Au）的耐化学性。Novaclad G2400材料在簿膜和铜箔之间的光滑连接表面，改善了在高速信号传输时的电性能。

    在Sheldahl公司创建的Novaclad品牌产品中，使用了基于真空金属喷镀的具有专利权的技术，该技术可以将一层很簿的纯铜簿层施加在聚酰亚胺簿膜的表面上。然后这种材料过通电镀制成特定的厚度以形成Novaclad 的基础材料。
Novaclad 基础材料被使用在不采用胶黏剂的Novaflex柔性电路制造中。在全部电路成像以后，施加上一层Novaflex绝缘覆盖层。Novaflex柔性电路的设计是为了能够忍受在恶劣的环境条件下进行工作，Novaflex 免胶黏剂互连系统提供更佳的柔软性、耐化学性能、高温特性和最大的热耗散性能。

采用聚合物添加法的柔性电路技术
    美国的Poly-Flex Circuits公司开发成功了一种柔性电路技术，它不同于常规采用的方法。它不采用铜导体和胶黏剂来形成电路，仅采用一种填充有银颗粒的导电油墨，将其印刷在涤纶簿膜的绝缘基础簿膜上。一种称为Poly-Solder的导电环氧树脂将表面贴装器件与电路连接在了一起。

    通过在第一层导电层上面印刷上一种聚合基绝缘层，然后再安置上第二层导电层的方式，可以形成一层以上的电路层。在导电层之间可以通过导电孔的方法实现互连。

    它可以替换标准的柔性电路以适合工作温度范围在40℃到85℃场合的应用要求，目前已广泛应用于诸如：电话机、键盘、自动调温器、电子游戏机、信息显示屏和医疗仪器等电子产品之中。

结束语
    在选择用于柔性电路的材料中，可供选择的范围有一定的限制，但是在绝大多数的电子产品应用场合中所遇到的各种要求一般都能够得到满足。对于无线电通信产品、计算机、医疗、工业和汽车电子产品来说，柔性电路材料将继续扮演一个非常重要的角色。