软性线路板 - FPC

金属基印制板简史 

金属基印制板作为印制板的一个门类，60年代初开始采用，美国首创。1963年美国Ves Ierm Electrico公司作成了铁基夹芯印制板，在继电器上应用，1964年美国的金属基印制板已达到100万块。全国覆铜板行业协会编写出版的《印制电路用覆铜箔层压板》一书（2001.10）说1969年日本三洋公司首先发明了铝基覆铜板的制造技术，1974年开始应用于STK系列功率放大混合集成电路上，这一点同我查找的文献说法不一样。不管如何，是60年代美日首先使用金属基印制板的。
日本六七十年代通产省作了很多调查，认可PCB使用面临的难题是高密度组装时，元器件装配密度高，散热性是个大问题。普通的纸质、玻璃布、环氧覆铜板属绝缘材料，热传导率小，不宜作散热用，多层板层数多、密度高、功率大时，热量必定排除不出去。因此，必须使用金属基印制板。日本住友、松下电工等公司推出了很多商品化了的金属基覆铜板。
80、90年代，金属基板在全球各国被广泛采用，估计全球金属基印制年产值约二十亿美元。日本1991年产值为25亿，1996年为60亿，2001年增长到80亿日元。美国贝格斯（Bergquist）是专门作铝基覆铜板的公司，声称每年销售这类板材3000万美元，在美国占有市场份额过一半以上。美国德克萨斯（Texax）、克里夫兰（Cleveland）TechTrade等公司对金属基板都作过很多研究，并也出有产品。中国1986年开始，由国营704厂开发了铁基覆铜板，用于军工上。但我查阅过历届全国印制电路学术会上的论文，发现最早的一篇文章是成都1010所1983年11月在第二届全国印制电路学术年会上发表的，题目是“金属基印制电路板制造工艺试验小结”，产品也是用在军品上的。相隔四后后，在1987.9成都全国印制电路第三届学术年会上电子部10所又发表另一篇论文“铝基芯印制板设计、制造和应用”，说明10所和704厂早年对铝基板都作了大量工作。
随着中国信息电子产业发展的突飞猛进，在电子、电信、汽车、摩托车、电源、音响等产品上近年来会越来越多地应用金属基印制板。由于市场、技术形势的发展，散热问题已得到了非解决不可的地步，金属基印制正可大显身手。

为什么使用金属基印制板？
（1）散热性
目前，很多双面板、多层板密度高、功率大，热量散发难。常规的印制板基材如FR4、CEM3都是热的不良导体，层间绝缘，热量散发不出去。电子设备局部发热不排除，导致电子元器件高温失效，而金属基印制板可解决这一散热难题。
（2）热膨胀性
热胀冷缩是物质的共同本性，不同物质CTE(Coefficient of thermal expansion)即热膨胀系数是不同的。
印制板是树脂+增强材料（如玻纤）+铜箔的复合物。在板面X-Y轴方向，印制板的热膨胀系数（CTE）为13~18 PPM/℃，在板厚Z轴方向为80~90PPM/℃，而铜的CTE为16.8PPM/℃。片状陶瓷芯片载体的CTE为6PPM/℃，印制板的金属化孔壁和相连的绝缘壁在Z轴的CTE相差很大，产生的热不能及时排除，热胀冷缩使金属化孔开裂、断开，这样机器设备就不可靠了。
SMT（表面贴装技术）使这一问题更为突出，成为非解决不可的问题。因为表面贴装的互连是通过表面焊点的直接连接来实现的，陶瓷芯片载体CTE为6，而FR4基材在X-Y向CTE为13~18，因此，贴装连接焊点由于CTE不同，长时间经受应力会导致疲劳断裂。
金属基印制板可有效地解决散热问题，从而使印制板上的元器件不同物质的热胀冷缩问题缓解，提高了整机和电子设备的耐用性和可靠性。
（3）尺寸稳定性
金属基印制板，显然尺寸要比绝缘材料的印制板稳定得多。铝基印制板、铝夹芯板，从30℃加热至140~150℃，尺寸变化为2.5~3.0%.
（4）其它原因
铁基印制板，具有屏蔽作用；替代脆性陶瓷基材；放心使用表面安装技术；减少印制板真正有效的面积；取代了散热器等元器件，改善产品耐热和物理性能；减少生产成本和劳力。

(to be continued…)

我在想，估计在大部分产品中，这里的专业名词与普通名词意义不一样的情况是比较多的了。不过，或许电子产品类的都是如此吧。

举个简单的例子吧：”绿油“. 看到这个词，你想到了什么，“绿色的油”？看看产品，好像确实如此。绿油指的是FPC或PCB的表面处理，肉眼看上去就是一层绿色的油。这是软板或硬板中最普通的一种表面处理工艺，因此它的英文名也是比较普通的：专业名词与普通名词之间不同的体现。

但是如果是不太清楚，可能会把它译成或想成：”Green Oil“, 绿色：Green；油：Oil, 合在一起就是”Green Oil”. 但你真要这样译那恐怕就错了哟。在线路板里对应的专业名词叫：”Soldermask“, 呵呵，没想到了吧。不过，如果你真把“绿油”弄成Green Oil, 专业人术我想也是能弄明白你的意思的，但就显得不够专业了，对不？

像这样的名词还有许多，像PAD啊（不要以为是电子词典哟）,还需要以后慢慢地学习与研究。

(继上篇柔性电路的特性和功效1)
2.柔性电路的优点及功效　

　
2.1柔性电路的挠曲性和可靠性

　　 目前盛行四种柔性电路：单面，双面，多层和刚-挠组合型。Friedman说：”单面柔性板(Single Side Flexible Circuit)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(Double Sided Flexible Circuits)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(Multi-Layer Flexible Circuits)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(Rigid-Flex Circuit Boards)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”。

　　
　　 2.2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。”　　　 
         　　　   　　

　　 2.3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。　　 　　

        在未来的数年中，更孝更复杂和组装造价更高的柔性电路将要求组装更新颖，并需增加混合柔性电路。对于柔性电路工业的挑战是加强其技术优势，保持与计算机、远程通信、消费需求以及活跃的市场同步。另外，柔性电路将在无铅化行动中起到重要的作用。 

(全篇完）
　　

最近有些忙碌，都没时间来照顾这块小田地，长了小草可不太好。转了这篇最基本的文章。由于摘自互联网，版权及作者姓名已失，希望原作者见到没有署名请不要见怪。

摘要 本文综述了柔性电路设计、生产及应用各方对柔性电路的特性、优点及功效的论述。

　　 1.柔性电路的特性

　　 •1.1柔性电路体积小 重量轻
     柔性电路板(Flexible Circuit Boards)最初的设计是用于替代体积较大的线束导线。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(Flexible Circuits)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。

　　 •1.2柔性电路可移动 弯曲 扭转
      柔性电路(Flexible Circuits)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。”

　　 •1.3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；良好的热性能使组件易于降温；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。”

　　 •1.4柔性电路具有更高的装配可靠性和产量
柔性电路(FC)减少了内连所需的硬件，如传统的电子封装上常用的焊点、中继线、底板线路及线缆，使柔性电路可以提供更高的装配可靠性和产量。因为复杂的多个系统所组成的传统内连硬件在装配时，易出现较高的组件错位率。3M Electronic Products Division，Austinm ，Texas的市场经理Mike Giesler说：”柔性电路的刚度低，体积小，也正是因为柔性电路板组件的体积较小，所以使用的材料也就少。”随着质量工程的出现，一个厚度很薄的柔性系统被设计成仅以一种方式组装，从而消除了许多通常与独立布线工程有关的人为错误。

　　 柔性组件的应用正在急剧增加 。Strataflex Hudson，N.H.的总裁兼总经理Jim Barry说：”几乎当你拿起当今任何一件电器，你都会在其中发现柔性组。打开一台35mm的照相机，里面有9到14处不同的柔性电路，因为照相机正在变得更小，功能也更多。减小体积的唯一方法是组件更孝线条更精细、节距更紧密，以及物件可弯曲。心脏起搏器、医疗设备、视频摄像机、助听器、便携电脑–几乎所有我们今天使用的东西里面都有柔性电路”。

 2.柔性电路的优点及功效 （待续)