談談在柔性電路中的材料選擇
來源:龍人計算機研究所 作者:站長 時間:2011-06-03 10:40:56
跟著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代社會與電子技術(shù)息息相關(guān),超小型移動電話、便攜式計算機、存儲器、硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器、汽車電子產(chǎn)品等都對產(chǎn)品的小型化、輕型化提出了苛刻的要求。要達到這一目標,就必需在出產(chǎn)工藝、元器件、材料等諸方面進行深入的探討。為了能夠迎接這一挑戰(zhàn),一種能夠合用于三維電子組裝的可以彎曲成無數(shù)種需要的外形的柔性電路應運而生。近幾年來,柔性電路的使用已經(jīng)擴展至3無線電通信、計算機和汽車電子產(chǎn)品應用領(lǐng)域以外。曾經(jīng)被用作引線束的專門基片-柔性電路已經(jīng)成熟地進入了替代剛性和模塊電路板的應用場合,在這些應用場合往往有著簿型或者三維電子組裝的要求,另外為了能夠知足同時具有柔性化和剛性化的應用要求,剛性--柔性技術(shù)融合了具有柔性電路的剛性電路板,現(xiàn)在很多柔性和剛性-柔性層壓結(jié)構(gòu)被應用在了各類電子產(chǎn)品之中。本文著重談談在柔性電路中的材料選擇。
一、柔性電路的材料組成
在柔性電路之中所使用的材料是絕緣薄膜、粘接劑和導體(見圖1)。絕緣薄膜形成了電路的基礎(chǔ)層,粘接劑將銅箔粘接至了絕緣層上。在多層設計中,它再與內(nèi)層粘接在一起。它們也被用作防護性籠蓋,以使電路與灰塵和濕潤相隔絕,并且能夠降低在撓曲期間的應力,銅箔形成了導電層。
在一些柔性電路中,采用了由鋁材或者不銹鋼所形成的剛性構(gòu)件,它們能夠提供尺寸的不亂性,為元器件和導線的安頓提供了物理支撐,以及應力的開釋。粘接劑將剛性構(gòu)件和柔性電路粘接在了一起。另外還有一種材料有時也被應用于柔性電路之中,它就是粘接層片,它是在絕緣薄膜的兩側(cè)面上涂覆有粘接劑而形成。粘接層片提供了環(huán)境防護和電子絕緣功能,并且能夠消除一層薄膜,以及具有粘接層數(shù)較少的多層的能力。
絕緣薄膜材料有很多種類,但是最為常用的是聚酷亞胺和聚酯材料。目前在美國所有柔性電路制造商中接近80%使用聚酰亞胺薄膜材料,另外約20%采用了聚酯薄膜材料。聚酰亞胺材料具有非易燃性,幾何尺寸不亂,具有較高的抗扯強度,并且具有承受焊接溫度的能力,聚酯,也稱為聚乙烯雙笨二甲酸鹽(Polyethylene terephthalate簡稱:PET),其物理機能類似于聚酰亞胺,具有較低的介電常數(shù),吸收的濕潤很小,但是不耐高溫。
聚酯的熔化點為250℃,玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)為80℃,這限制了它們在要求進行大量端部焊接的應用場合的使用。在低溫應用場合,它們呈現(xiàn)出剛性。盡管如斯,它們?nèi)允沁m合于使用在諸如電話和其它無需暴露在惡劣環(huán)境中使用的產(chǎn)品上。
二、粘接劑的使用
聚酰亞胺絕緣薄膜通常與聚酰亞胺或者丙烯酸粘接劑相結(jié)合,聚酯絕緣材料一般是與聚酯粘接劑相結(jié)合。與具有相同特性的材料相結(jié)合的長處,在干焊接好了以后,或者經(jīng)多次層壓輪回操縱以后,能夠具有尺寸的不亂性。在粘接劑中其它的重要特性是較低的介電常數(shù)、較高的絕緣阻值、高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)和低的吸潮率。
粘接劑除了用于將絕緣薄膜粘接至導電材料上以外,它也可用作籠蓋層,作為防護性涂覆,以及籠蓋性涂覆。兩者之間的主要差異在于所使用的應用方式,籠蓋層粘接籠蓋絕緣薄膜是為了形成疊層構(gòu)造的電路。粘接劑的籠蓋涂覆所采用的篩網(wǎng)印刷技術(shù)。
不是所有的疊層結(jié)構(gòu)均包含粘接劑,沒有粘接劑的疊層形成了更薄的電路和更大的和婉性。它與采用粘接劑為基礎(chǔ)的疊層構(gòu)造比擬較,具有更佳的導熱率。因為無粘接劑柔性電路的薄型結(jié)構(gòu)特點,以及因為消除了粘接劑的熱阻,從而進步了導熱率,它可以使用在基于粘接劑疊層結(jié)構(gòu)的柔性電路無法使用的工作環(huán)境之中。
銅箔適合于使用在柔性電路之中,它可以采用電淀積(Electrodeposited簡稱:ED),或者鍍制 。采用電淀積的銅箔一側(cè)表面具有光澤,而另一側(cè)被加工的表面暗淡無光澤。它是具有和婉性的材料,可以被制成很多種厚度和寬度,ED銅箔的無光澤一側(cè),經(jīng)常經(jīng)特別處理后改善其粘接能力。鍛制銅箔除了具有柔韌性以外,還具有硬質(zhì)平滑的特點,它適合于應用在要求動態(tài)撓曲的場合之中。
三、美國市場上的幾款柔性電路材料
目前在美國的杜邦(Du Pont)公司、ICI Americas公司、Rogers公司和Sheldahl公司作為柔性電路材料的供給商,推出了能夠知足特別要求的柔性電路疊層結(jié)構(gòu)。
美國杜邦公司除了提供聚酰亞胺丙烯酸結(jié)構(gòu)材料以外,也能夠提供純聚酰亞胺疊層結(jié)構(gòu)材料。杜邦公司的Kapton聚酰亞胺薄膜作為一種基礎(chǔ)材料,應用在了它的諸多Pyralux品牌產(chǎn)品中,包括Pyralux FR(Flame retardant阻燃型)和LF覆銅層壓材料、粘接層片和籠蓋層,在Pyralux AP層壓材料之中也包含有Kapton薄膜。
Pyralux FR覆銅層壓材料是一種通過采器具有專利權(quán)的阻燃型C級丙烯酸粘接劑,將銅箔粘接在Dupont Kapton聚酰亞胺薄膜一側(cè)或者兩側(cè)的復合材料。在Pyralux FR材料系列中的層粘接劑,采用的是B級改良型丙烯酸材料。Pyralux FR粘接層是在Kapton薄膜的兩側(cè)籠蓋上B級丙烯酸粘接劑。Pyralux FR籠蓋層是一種在一側(cè)籠蓋有B級丙烯酸粘接劑的Kapton薄膜復合材料。對于Pyralux LF系列材料來說,除了不含阻燃劑以外,其它類似于在Pyralux FR系列材料中所作的考慮。
Pyralux PC是一種可照相成像(Photoimageable)的籠蓋層,它是由丙烯酸、氨基甲酸乙酯和酰亞胺為基礎(chǔ)的材料綜合而成。它適合于無線電通信、計算機、產(chǎn)業(yè)和醫(yī)療電子儀器等對反復柔性輪回操縱有要求的應用場合使用。但是它不能夠很好地適合于劇烈變化的柔性應用場合。
Pyralux AP雙側(cè)覆銅疊層材料是一種粘接有銅箔的Kapton聚酰亞胺無粘接劑化合物,在超過200℃的情況下,能夠提供熱不亂性。
美國亞利桑那州Chandler的Rogers Corporation公司推出的R/fle×2005阻燃型材料系列中,采用了Kapton薄膜作為基礎(chǔ)材料。該材料系列采用Kapton基礎(chǔ)材料作為籠蓋層,使用阻燃型粘接劑粘接薄膜和覆銅Kapton疊層的化合物。Rogers公司同時也推出了一種為Flex-imide3000型的無粘接劑的疊層材料,它是一種以聚酰亞胺為基礎(chǔ)的覆銅疊層材料,它能夠在160℃的溫度下連續(xù)地工作。
基于聚乙烯naphthalate(Polyethylene Naphthalate簡稱:PEN)的絕緣薄膜是一種類似于聚酯的材料,它是由美國ICI Americas公司推出的。在PEN和聚酯(PET)之間所存在的主要差異是前者具有良好的熱機能,Kalades PEN薄膜所呈現(xiàn)出的玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)為120℃,遠高于PET薄膜的Tg。Kaladex薄膜的這種特性,以及所具有的幾何尺寸不亂性和耐化學性,使之適合于作為PET和聚酰亞胺的替換物進行使用。
在美國明尼蘇達州Northfield的Sheldahl公司制造出了各種各樣的無粘接劑柔性電路材料,用于知足它的Novaclad和Novaflex產(chǎn)品出產(chǎn)線的使用。Navaclad是一種聚酰亞胺銅化合物,可以按照設計師的要求劃定所用銅箔的厚度和特性。Navaclad G2200型覆銅疊層材料具有增強耐化學性和耐熱性的特點,它能夠通過在超過150℃的溫度環(huán)境下,所進行的1000小時的機能測試。
最近Sheldahl公司又推出了Novaclad G2300型和G2400型疊層材料,它們在150℃的溫度環(huán)境下,也通過了1000小時的長期加熱老化測試。該公司推出的Novaclad G2400 MCM級材料能夠知足多芯片模塊(Multichip Modules簡稱MCM)和芯片規(guī)模封裝(Chip Scale Packages簡稱CSP)所提出的挑戰(zhàn)。這種疊層材料為了知足激光形成微孔,免除了填料。為了能夠知足貴金屬鍍覆的要求,例如:鈀和無電解Ni/A u的需要,它也采用薄銅以形成精細引線圖像和增強耐化學機能。Novaclad G2400型材料在薄膜和銅之間的光滑表面,提供了在高速信號情況下的電機能改善。
在已有的Novaclad產(chǎn)品中,Sheldahi公司使用了其基于真空金屬噴鍍(Vacuum metallization)的專利技術(shù),將一張銅薄層施加至聚酰亞胺薄膜的表面上,然后這材料被電鍍到劃定的厚度以形成Novaclad基礎(chǔ)材料。這樣所形成的材料結(jié)構(gòu)既薄又輕,具有抗極端高溫順化學反應的能力,并且能夠適合于動態(tài)柔性應用場合。
Novaclad基礎(chǔ)材料也被用來形成Novaflex無粘接劑柔性電路,在全部電路成像了以后,再使用Novaflex絕緣層。為了能夠知足惡劣環(huán)境的設計需要,Novaflex無粘接劑互連絡統(tǒng)提供了進一步增強和婉性、耐化學反應特性、高溫特性和非常良好的熱耗散效果。
在美國羅得艾蘭州Cranston的Roly-Flex Circuits公司開發(fā)出了一種柔性電路技術(shù),它有別于常規(guī)的方法,它不使用銅導體和粘接劑以形成電路,僅采用一種滲透銀粉的導電印劑,通過印刷附著到聚酯絕緣薄膜基礎(chǔ)材料上。一種稱為Poly-Solder的導電環(huán)氧樹脂能夠用來將表面貼裝器件(SMD)粘接至該柔性電路之上。
通過在第一層導電層上籠蓋上一層聚合物基礎(chǔ)絕緣層,然后再添加上第二層導電層的方式,能夠形成多層柔性電路,導電通孔提供了層與層之間的互連。
這種常規(guī)柔性電路的替換方式,適合于40℃~85℃的工作溫度范圍內(nèi)的使用,目前已被廣泛應用于無線電通信、鍵盤、溫度自動調(diào)節(jié)器、電子游戲機、顯示器和醫(yī)療電子儀器之中。
四、結(jié)束語
本文先容了柔性電路的選擇,在選擇用于柔性電路的材料時應著眼于材料被應用的電子產(chǎn)品范疇。跟著“更小、更快、更便宜”的組裝要求,柔性電路所表現(xiàn)出來的“柔性”特征,對達到整個電子產(chǎn)品的微型化,對筆記本電腦、移動電話這類便攜式產(chǎn)品的更新?lián)Q代有著重要的意義。