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軟板PCB的基本知識介紹（2）

2021/3/29 9:57:21

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　　 1.柔性電路的特性
　　柔性電路體積小重量輕柔性電路板最初的設計是用于替代體積較大的線束導線。在目前的接插（cutting-edge）電子器件裝配板上，柔性電路通常是滿足小型化和移動要求的唯一解決方法。柔性電路（有時稱作柔性印制線路）是在聚合物的基材上蝕刻出銅電路或印制聚合物厚膜電路。對于既薄又輕、其結構緊湊復雜的器件而言，其設計解決方案包括從單面導電線路到復雜的多層三維組裝。柔性組裝的總重量和體積比傳統的圓導線線束方法要減少70%。柔性電路還可以通過使用增強材料或襯板的方法增加其強度，以取得附加的機械穩定性。
　　柔性電路可移動彎曲扭轉柔性電路可移動、彎曲、扭轉而不會損壞導線，可以遵從不同形狀和特殊的封裝尺寸。其僅有的限制是體積空間問題。由于可以承受數百萬次的動態彎曲，柔性電路可很好地適用于連續運動或定期運動的內連系統中，成為最終產品功能的一部分。剛性PCB上的焊點受熱機械應力的作用，在數百次的循環后便會失效。Shel-dahl，Northfield，Minn的產品經理Randy Lia說："要求電信號/電源移動，而形狀系數/封裝尺寸較小的某些產品都獲益于柔性電路。"
　　柔性電路具有優良的電性能介電性能耐熱性柔性電路提供了優良的電性能。紐約Inter-national Flex TEchnologies，Endicott，的首席執行官Don friedman說。 "較低的介電常數允許電信號快速傳輸；良好的熱性能使組件易于降溫；較高的玻璃轉化溫度或熔點使得組件在更高的溫度下良好運行。"
　　柔性電路具有更高的裝配可靠性和產量柔性電路減少了內連所需的硬件，如傳統的電子封裝上常用的焊點、中繼線、底板線路及線纜，使柔性電路可以提供更高的裝配可靠性和產量。因為復雜的多個系統所組成的傳統內連硬件在裝配時，易出現較高的組件錯位率。3M Electronic Products Division，Austinm ，Texas的市場經理Mike Giesler說："柔性電路的剛度低，體積小，也正是因為柔性電路板組件的體積較小，所以使用的材料也就少。"隨著質量工程的出現，一個厚度很薄的柔性系統被設計成僅以一種方式組裝，從而消除了許多通常與獨立布線工程有關的人為錯誤。
　　柔性組件的應用正在急劇增加。Strataflex Hudson，N.H.的總裁兼總經理Jim Barry說："幾乎當你拿起當今任何一件電器，你都會在其中發現柔性組?quot;。打開一臺35mm的照相機，里面有9到14處不同的柔性電路，因為照相機正在變得更小，功能也更多。減小體積的唯一方法是組件更孝線條更精細、節距更緊密，以及物件可彎曲。心臟起搏器、醫療設備、視頻攝像機、助聽器、便攜電腦--幾乎所有我們今天使用的東西里面都有柔性電路"。

　　 2.柔性電路的優點及功效
　　 2.1柔性電路的撓曲性和可靠性
　　目前盛行四種柔性電路：單面，雙面，多層和剛-撓組合型。Friedman說："單面柔性板的成本最低。當對電性能要求不高，而且可以單面布線時，應當選用單面柔性板。"這種最常見的形式已經得到了商業應用，如打印機的噴墨盒和計算機的存儲器。單面柔性板具有一層化學蝕刻出的導電圖形，在柔性絕緣基材面上的導電圖形層為壓延銅箔。用作柔性裝配的絕緣基材可以是聚酰亞胺（Kapton），聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），芳酰胺纖維紙（Nomex）和聚氯乙烯（PVC）。
　　雙面柔性板是在基膜的兩個面各有一層蝕刻制成的導電圖形。金屬化孔將絕緣材料兩面的圖形連接起來形成導電通路，以滿足撓曲性的設計和使用功能。而覆蓋膜可以保護單、雙面導線并指示元件安放的位置。
　　多層柔性板是將三層或更多層的單面柔性電路或雙面柔性電路層壓在一起，通過鉆孔、電鍍形成金屬化孔，在不同層間形成了導電的通路。這樣，不需采用復雜的焊接工藝。位于加里弗尼亞Garden Grove 的Basic Electronics 公司副總裁，總經理Al Balzano說："多層電路在更高可靠性，更好的熱傳導性和更方便的裝配性能方面具有巨大的功能差異"。盡管設計成這種柔性類型導電層的數量可以是無限的，但是，在設計布局時，為了保證裝配方便，應當考慮到裝配尺寸、層數與柔性的相互影響。
　　傳統的剛-撓板是由剛性和柔性基板有選擇地層壓在一起的組成的。結構緊密，以金屬化孔形成導電連接。位于加里弗尼亞Torrance 的Aero Flexible Ciruitry公司國際銷售經理Mario Amalfitano評論說："如果您的板正、反面都有元件，剛-撓板是一種很好的選擇。但如果所有的元件都在一面的話，就要選用雙面柔性板，并在其背面層壓上一層FR-4增強材料，會更經濟。FR-4不會和金屬化孔或有效的柔性電路形成電氣連接，只是起加固作用。這樣既增強了可靠性，又減少了制造過程或安裝元件過程，或安裝組件后的破損."Amalfitano建議考慮到可靠性和價格因素，生產廠應試圖保持盡可能少的層數。
　　柔性電路工業正處于規模小但迅猛發展之中。聚合物厚膜法（PTF）是一種高效、低成本生產線路板的工藝。該工藝是在的廉價的柔性基材上，選擇性地絲印導電聚合物油墨。其代表性的柔性基材為PET。PTF導體包括絲印金屬填料或碳粉填料。PTF本身很清潔，使用無鉛的SMT 粘接劑，不必蝕刻。位于R.I. Cranstom的 Poly-Flex公司的技術總監Al Hollenbeck說："因其使用加成工藝，且基材低成本，PTF電路比銅Kapton電路要便宜十倍；比PCB便宜2-3倍。PTF尤其適用于設備的控制面板，因為它成本低，而且在平面圖形面板下易組裝、換裝。在移動電話上和其它的便攜產品上，PTF 適合將PCB主板上的元件、開關和照明器件轉變成PTF電路。既節省了成本，又減少了能源消耗。"
　　還有一種混合結構的柔性電路，它也是一種多層板，但多層板的導電層由不同金屬構成。位于加里弗尼亞Carlsbad的L.E.Flex Circuits公司的應用工程師Jack Lexin說："一個8層板使用FR-4作為內層的介質，使用kapton作為外層的介質，從主板的三個不同方向伸出引線，每根引線是由不同的金屬制成。康銅合金，銅和金分別用作獨立的引線。" 這種混合結構大多用在電信號轉換與熱量轉換的關系及電性能比較苛刻的低溫的情況下。在這種情況下，柔性混合電路是唯一可行的解決方法。
　　這些柔性電路的構成是否節省成本、是否得到最佳利用，可通過內連設計的方便程度和總成本進行評價。George Serpa 是Flextronics International在San Jose，Califonia 的合同生產商。作為高級產品研發工程師，很了解柔性組裝件的情況。"內連的總體方式是不一樣的，手機是分塊布局形式；便攜電腦是X-Y方向可定位布局；打印機是剛-撓PCB形式。這些產品采用價格各異的不同材料制成，以減少每根內連引線的費用。每種設計都要經過類型學的評估，以達到最佳的性能價格比"。
　　 2.2柔性電路的經濟性
　　如果電路的設計相對簡單，總體積不大，而且空間適宜，傳統的內連方式大多要合算的多。如果線路復雜，處理許多信號，或者有特殊的電學或力學性能要求，柔性電路是一種較好的設計選擇。位于Tustin，Califonia的Smartflex公司的設計開發經理Tim Patterson說："如果可能應首選PCB。用多層尤其便宜。當應用的尺寸和性能超出PCB的能力時，柔性組裝方式才是最經濟的選擇。在一張薄膜上可制成12mil焊盤內5mil孔徑， 3mil線條和節距的柔性電路。因此，在薄膜上（例如聚酰亞胺薄膜）直接貼裝芯片更為可靠。因為它們不含可能是離子沾污源的阻燃劑。這些薄膜可能具有防護性，并在較高的溫度下固化，得到的玻璃化溫度較高。" 柔性材料比起剛性材料還有一條潛在的節省成本的原因，就是免除了插接件。
　　高成本的原材料是柔性電路價格居高的主要原因。位于Methuen，Mass.的Parlex公司應用工程經理Joseph DiPalermo說："原材料的價格差別較大。原材料成本最低的聚酯柔性電路，PCB的成本是其所用原材料的1.5倍；高性能的聚酰亞胺柔性電路則高達4倍或更高。同時，材料的柔性使其在制造過程中不易進行自動化加工處理，從而導致產量下降；在最后的裝配過程中易出現缺陷，這些缺陷包括剝下柔性附件、線條斷裂。當設計不適合應用時，這類情況更容易發生。在彎曲或成型引起的高應力下，常常需選擇增強材料或加固材料。" 盡管其原料較貴，制造麻煩，但是DiPalermo仍相信，可折疊、可彎曲以及多層拼板功能，會使整體組件尺寸減小，所用材料隨之減少，總的組裝成本降低。
　　 Amalfitano評論說："一般說來，柔性電路的確比剛性的花費大，而且一直成本較高。相對剛性板來說，柔性板在制造時，許多情況下不得不面對這樣的一個事實：許多的參數超出了公差范圍。制造柔性電路的難處就在于材料的柔性。在剛性板上，您正在加工一塊15mil的FR-4玻璃布板，您在玻璃布板上打下一個孔或者進行了所有的處理過程，當您回來時，那個孔還在準確的位置上。而在柔性材料上，您回來時，孔已經挪動了5mil。這是柔性板很貴的頭號原因。"
　　 2.3柔性電路的成本正在進一步降低
　　盡管有上述的成本方面的因素，但柔性裝配的價格正在下降，變得和傳統的PCB相接近。這主要是引入了更新的材料、改進了生產工藝以及變更了結構的原因。有這樣一個例子，在具有很多層數的剛-撓板組件上，取消了使用丙烯酸粘合劑。"如果你造一個12或14層的剛-撓電路板，你在其中使用了丙烯酸，那就會有Z軸方向的膨脹及金屬化孔失效。" Barry說，"現在的結構使得產品的熱穩定性更高，很少有材料不匹配。產出提高，成本就降下來了。現在一些更新的材料因銅層更薄而可以制出更精細線條。更薄的銅層促使組件越來越輕巧，而更輕巧更薄的裝配又促使柔性組件更加適合裝入更小的空間。過去，我們采用輥壓的工藝將銅箔粘附在涂有粘合劑的介質上。今天，可以不使用粘接劑直接在介質上生成銅箔。這些技術可以得到的數微米的銅層，使工業上得到3 mil甚至寬度更窄的精細線條。"從柔性電路中除去了粘合劑以后，使柔性電路具有阻燃性能。這樣既可加速UL認證過程又可進一步降低成本。當柔性電路持續迅速地從最初的軍事工業應用發展到民用和消費應用時，取得UL認證就更加重要。柔性板焊料掩膜和其它的表面涂料使柔性組裝成本進一步地降低。Barry始終認為，在過去的十年間，一些這樣的新材料和新工藝極大地降低了成本。同時，也正是因為該類產品得到了廣泛的認可和需求，柔性材料的成本也在下降。
　　在未來的數年中，更孝更復雜和組裝造價更高的柔性電路將要求組裝更新穎，并需增加混合柔性電路。對于柔性電路工業的挑戰是加強其技術優勢，保持與計算機、遠程通信、消費需求以及活躍的市場同步。另外，柔性電路將在無鉛化行動中起到重要的作用。