FPC柔性电路板

FPC的用处与生存的意义

FPC的含义:

FPC又叫柔性电路板,是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性,绝佳的可挠性印刷电路板。简称软板或FPC,具有配线密度高、重量轻、厚度薄的特点.。主要使用在手机、笔记本电脑、PDA、数码相机、LCM等很多产品

柔性电路板的基本特性

柔性电路体积小,重量轻。在目前的接插(cutting-edge)电子器件装配板上,柔性电路通常是满足小型化和移动要求的唯一解决方法。柔性电路(有时称作柔性印制线路)是在聚合物的基材上蚀刻出铜电路或印制聚合物厚膜电路。对于既薄又轻、其结构紧凑复杂的器件而言,其设计解决方案包括从单面导电线路到复杂的多层三维组装。柔性组装的总重量和体积比传统的圆导线线束方法要减少70%。柔性电路还可以通过使用增强材料或衬板的方法增加其强度,以取得附加的机械稳定性。
柔性电路可移动、弯曲、扭转而不会损坏导线,可以遵从不同形状和特殊的封装尺寸。其仅有的限制是体积空间问题。由于可以承受数百万次的动态弯曲,柔性电路可很好地适用于连续运动或定期运动的内连系统中,成为最终产品功能的一部分。刚性PCB上的焊点受热机械应力的作用,在数百次的循环后便会失效。Shel-dahl,Northfield,Minn的产品经理Randy Lia说:"要求电信号/电源移动,而形状系数/封装尺寸较小的某些产品都获益于柔性电路。"
柔性电路具有优良的电性能 介电性能 耐热性 柔性电路提供了优良的电性能。纽约Inter-national Flex TEchnologies,Endicott,的首席执行官Don friedman说。 "较低的介电常数允许电信号快速传输;良好的热性能保证了组件的降温性能;较高的玻璃转化温度或熔点使得组件在更高的温度下良好运行。"

柔性电路的优点及功效

1.柔性电路的挠曲性和可靠性
现如今流行的四种柔性电路:单面,双面,多层和刚-挠组合型。Friedman说:"单面柔性板的成本最低。当对电性能要求不高,而且可以单面布线时,应当选用单面柔性板。"这种最常见的形式已经得到了商业应用,如打印机的喷墨盒和计算机的存储器。单面柔性板具有一层化学蚀刻出的导电图形,在柔性绝缘基材面上的导电图形层为压延铜箔。用作柔性装配的绝缘基材可以是聚酰亚胺(Kapton),聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),芳酰胺纤维纸(Nomex)和聚氯乙烯(PVC)。
双面柔性板是在基膜的两个面各有一层蚀刻制成的导电图形。金属化孔将绝缘材料两面的图形连接起来形成导电通路,以满足挠曲性的设计和使用功能。而覆盖膜可以保护单、双面导线并指示元件安放的位置。
多层柔性板是将三层或更多层的单面柔性电路或双面柔性电路层压在一起,通过钻孔、电镀形成金属化孔,在不同层间形成了导电的通路。这样,不需采用复杂的焊接工艺。位于加里弗尼亚Garden Grove 的Basic Electronics 公司副总裁,总经理Al Balzano说:"多层电路在更高可靠性,更好的热传导性和更方便的装配性能方面具有巨大的功能差异"。尽管设计成这种柔性类型导电层的数量可以是无限的,但是,在设计布局时,为了保证装配方便,应当考虑到装配尺寸、层数与柔性的相互影响。
传统的刚-挠板是由刚性和柔性基板有选择地层压在一起的组成的。结构紧密,以金属化孔形成导电连接。位于加里弗尼亚Torrance 的Aero Flexible Ciruitry公司国际销售经理Mario Amalfitano评论说:"如果您的板正、反面都有元件,刚-挠板是一种很好的选择。但如果所有的元件都在一面的话,就要选用双面柔性板,并在其背面层压上一层FR-4增强材料,会更经济。FR-4不会和金属化孔或有效的柔性电路形成电气连接,只是起加固作用。这样既增强了可靠性,又减少了制造过程或安装元件过程,或安装组件后的破损。"Amalfitano建议考虑到可靠性和价格因素,生产厂应试图保持尽可能少的层数。
柔性电路工业正处于规模小但迅猛发展之中。聚合物厚膜法(PTF)是一种高效、低成本生产线路板的工艺。该工艺是在的廉价的柔性基材上,选择性地丝印导电聚合物油墨。其代表性的柔性基材为PET。PTF导体包括丝印金属填料或碳粉填料。PTF本身很清洁,使用无铅的SMT 粘接剂,不必蚀刻。位于R.I. Cranstom的 Poly-Flex公司的技术总监Al Hollenbeck说:"因其使用加成工艺,且基材低成本,PTF电路比铜Kapton电路要便宜十倍;比PCB便宜2-3倍。PTF尤其适用于设备的控制面板,因为它成本低,而且在平面图形面板下易组装、换装。在移动电话上和其它的便携产品上,PTF 适合将PCB主板上的元件、开关和照明器件转变成PTF电路。既节省了成本,又减少了能源消耗。"
还有一种混合结构的柔性电路,它也是一种多层板,但多层板的导电层由不同金属构成。位于加里弗尼亚Carlsbad的L.E.Flex Circuits公司的应用工程师Jack Lexin说:"一个8层板使用FR-4作为内层的介质,使用kapton作为外层的介质,从主板的三个不同方向伸出引线,每根引线是由不同的金属制成。康铜合金,铜和金分别用作独立的引线。" 这种混合结构大多用在电信号转换与热量转换的关系及电性能比较苛刻的低温的情况下。在这种情况下,柔性混合电路是唯一可行的解决方法。
这些柔性电路的构成是否节省成本、是否得到最佳利用,可通过内连设计的方便程度和总成本进行评价。George Serpa 是Flextronics International在San Jose,Califonia 的合同生产商。作为高级产品研发工程师,很了解柔性组装件的情况。"内连的总体方式是不一样的,手机是分块布局形式;便携电脑是X-Y方向可定位布局;打印机是刚-挠PCB形式。这些产品采用价格各异的不同材料制成,以减少每根内连引线的费用。每种设计都要经过类型学的评估,以达到最佳的性能价格比"。

2.柔性电路的经济性
如果电路的设计相对简单,总体积不大,而且空间适宜,传统的内连方式大多要合算的多。如果线路复杂,处理许多信号,或者有特殊的电学或力学性能要求,柔性电路是一种较好的设计选择。位于Tustin,Califonia的Smartflex公司的设计开发经理Tim Patterson说:"如果可能应首选PCB。用多层尤其便宜。当应用的尺寸和性能超出PCB的能力时,柔性组装方式才是最经济的选择。在一张薄膜上可制成12mil焊盘内5mil孔径, 3mil线条和节距的柔性电路。因此,在薄膜上( 例如聚酰亚胺薄膜)直接贴装芯片更为可靠。因为它们不含可能是离子沾污源的阻燃剂。这些薄膜可能具有防护性,并在较高的温度下固化,得到的玻璃化温度较高。" 柔性材料比起刚性材料还有一条潜在的节省成本的原因,就是免除了插接件。
高成本的原材料是柔性电路价格居高的主要原因。位于Methuen,Mass.的Parlex公司应用工程经理Joseph DiPalermo说:"原材料的价格差别较大。原材料成本最低的聚酯柔性电路,PCB的成本是其所用原材料的1.5倍;高性能的聚酰亚胺柔性电路则高达4倍或更高。同时,材料的柔性使其在制造过程中不易进行自动化加工处理,从而导致产量下降;在最后的装配过程中易出现缺陷,这些缺陷包括剥下柔性附件、线条断裂。当设计不适合应用时,这类情况更容易发生。在弯曲或成型引起的高应力下,常常需选择增强材料或加固材料。" 尽管其原料较贵,制造麻烦,但是DiPalermo仍相信,可折叠、可弯曲以及多层拼板功能,会使整体组件尺寸减小,所用材料随之减少,总的组装成本降低。
Amalfitano评论说:"一般说来,柔性电路的确比刚性的花费大,而且一直成本较高。相对刚性板来说,柔性板在制造时,许多情况下不得不面对这样的一个事实:许多的参数超出了公差范围。制造柔性电路的难处就在于材料的柔性。在刚性板上,您正在加工一块15mil的FR-4玻璃布板,您在玻璃布板上打下一个孔或者进行了所有的处理过程,当您回来时,那个孔还在准确的位置上。而在柔性材料上,您回来时,孔已经挪动了5mil。这是柔性板很贵的头号原因。"

3.柔性电路的成本正在进一步降低
尽管有上述的成本方面的因素,但柔性装配的价格正在下降,变得和传统的PCB相接近。这主要是引入了更新的材料、改进了生产工艺以及变更了结构的原因。有这样一个例子,在具有很多层数的刚-挠板组件上,取消了使用丙烯酸粘合剂。"如果你造一个12或14层的刚-挠电路板,你在其中使用了丙烯酸,那就会有Z轴方向的膨胀及金属化孔失效。" Barry说,"现在的结构使得产品的热稳定性更高,很少有材料不匹配。产出提高,成本就降下来了。现在一些更新的材料因铜层更薄而可以制出更精细线条。更薄的铜层促使组件越来越轻巧,而更轻巧更薄的装配又促使柔性组件更加适合装入更小的空间。过去,我们采用辊压的工艺将铜箔粘附在涂有粘合剂的介质上。今天,可以不使用粘接剂直接在介质上生成铜箔。这些技术可以得到的数微米的铜层,使工业上得到3 mil甚至宽度更窄的精细线条。" 从柔性电路中除去了粘合剂以后,使柔性电路具有阻燃性能。 这样既可加速UL认证过程又可进一步降低成本。当柔性电路持续迅速地从最初的军事工业应用发展到民用和消费应用时,取得UL认证就更加重要。柔性板焊料掩膜和其它的表面涂料使柔性组装成本进一步地降低。Barry始终认为,在过去的十年间,一些这样的新材料和新工艺极大地降低了成本。同时,也正是因为该类产品得到了广泛的认可和需求,柔性材料的成本也在下降。
在近几年的发展中,对于FPC的要求会更高,而且需增加混合柔性电路。一般的薄膜开关厂商必须抓住核心技术,并且必须保持与计算机、远程通信、消费需求以及活跃的市场同步。除此之外,柔性电路的作用将会越来越大,特别是在无铅工艺的线路板中。

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