摘要：目前，具有輕、薄、可彎折等特點(diǎn)的撓性印制板應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。其中，在電源模塊中，使用的一種雙面開(kāi)窗單面撓性印制板，看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)則難點(diǎn)較多。首先介紹該種撓性印制板的結(jié)構(gòu)和工藝流程，其次對(duì)鏤空焊盤(pán)制作、銅面與覆蓋膜結(jié)合強(qiáng)度、基板尺寸變化規(guī)律、覆蓋膜對(duì)線路填充能力、字符結(jié)合強(qiáng)度等方面展開(kāi)研究，最后得出可行的工藝方法。用此方法加工的撓性印制板通過(guò)了導(dǎo)通、高溫存儲(chǔ)、氣密性測(cè)試等試驗(yàn)，證明能夠滿足電源模塊電氣互聯(lián)的需求。

0 引言

撓性印制電路板作為電子產(chǎn)品的基板和關(guān)鍵互連件，從簡(jiǎn)單的消費(fèi)電子到重要的航空航天設(shè)備，幾乎被應(yīng)用于所有電器和電子產(chǎn)品中，是電子互連產(chǎn)品領(lǐng)域發(fā)展最快的產(chǎn)品之一。相比傳統(tǒng)的剛性印制板，F(xiàn)PCB 具有厚度薄、重量輕、可彎折撓曲等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)三維（3D）互連安裝，提高了電路設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度，與傳統(tǒng)封裝相比，撓性封裝的總體積和質(zhì)量約減少約70%；其優(yōu)良的電性能和熱性能，使其電信號(hào)得到快速穩(wěn)定的傳輸，F(xiàn)PCB的應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步擴(kuò)大，幾乎覆蓋所有電子設(shè)備［1］。

在電源模塊領(lǐng)域中，隨著產(chǎn)品向輕、薄、短、小方向發(fā)展，電源模塊的體積也越來(lái)越小。傳統(tǒng)電源模塊的電氣互連采用漆包線方式，其缺點(diǎn)為占用空間多、不美觀、操作不方便等。目前，已有廠家采用撓性印制板代替漆包線，實(shí)現(xiàn)了電源模塊的板級(jí)電氣互連，有效地解決上述問(wèn)題。本文對(duì)該產(chǎn)品的制作工藝展開(kāi)研究。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝流程

本文研究的雙面開(kāi)窗單面撓性印制板為3 層結(jié)構(gòu)，從上往下依次為頂層覆蓋膜（top cly）、銅層（Cu）和底層覆蓋膜（bottom cly），如圖1所示。

圖1 雙面開(kāi)窗的單面FPCB撓性印制板

本產(chǎn)品制作的最大難點(diǎn)在于鏤空焊盤(pán)，直接采用傳統(tǒng)減成法工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)制作。因此，本文根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了新的生產(chǎn)工藝流程，如圖2所示。

圖2 雙面開(kāi)窗的單面FPCB生產(chǎn)工藝流程

2 關(guān)鍵制作技術(shù)

2.1 鏤空焊盤(pán)制作

針對(duì)焊盤(pán)開(kāi)窗的方法，設(shè)計(jì)了3 種方案，分別為激光刻蝕法、干膜保護(hù)法和硅橡膠保護(hù)法。

2.1.1 激光刻蝕法

紫外（ultraviolet，UV）激光蝕刻技術(shù)的原理是使用激光照射在覆蓋膜表面，使其材料表面迅速吸收激光能量，直接熔化和蒸發(fā)多余的覆蓋膜材料，完成焊盤(pán)開(kāi)窗。該方法只需將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)輔助制造（computer aided manufacturing，CAM）處理后導(dǎo)入系統(tǒng)，即可制作復(fù)雜的開(kāi)窗圖形，因此具有工藝流程簡(jiǎn)單、生產(chǎn)靈活和效率高的優(yōu)勢(shì)。

UV激光加工覆蓋膜的作用機(jī)理較為復(fù)雜，作為高分子聚酰亞胺材料，普遍認(rèn)為其加工機(jī)理是冷加工方式。因?yàn)樘继紗捂I（C—C）的鍵能和碳氮單鍵（C—N）的鍵能分別為3.45 eV和3.17 eV，而光子能量為3.5～7.5 eV 的UV 激光大于聚酰亞胺中的C—C 鍵能和C—N 鍵能。當(dāng)UV 激光照射材料表面時(shí)，可利用光子能量直接打斷聚酰亞胺的化學(xué)鍵，且對(duì)材料切割周?chē)鷧^(qū)域不產(chǎn)生熱量傳遞，因此被稱(chēng)為冷加工。這種加工方式不僅提高了切割精度和準(zhǔn)度，而且在加工后的覆蓋膜邊緣無(wú)毛刺，截面非常光滑［2］。

設(shè)備采用德中Direct Laser S5-Pro 型激光切割系統(tǒng)；設(shè)置覆蓋膜厚度為75 μm；激光器類(lèi)型為UV；功率12 W；次數(shù)為5次～10次。

通過(guò)UV 激光刻蝕法可去除覆蓋膜，實(shí)現(xiàn)焊盤(pán)開(kāi)窗，如圖3所示。但UV 激光對(duì)銅也會(huì)產(chǎn)生蝕刻作用，因此難以做到將覆蓋膜的聚酰亞胺材料完全去除干凈，且不傷銅層。為了將覆蓋膜去除干凈，必須適當(dāng)去除一定厚度的銅層，但如此則在銅焊盤(pán)表面形成了應(yīng)力點(diǎn)，后續(xù)受力時(shí)，銅焊盤(pán)容易被折斷。因此，UV激光刻蝕法不適合此產(chǎn)品的加工。

圖3 UV激光刻蝕法制作鏤空線路

2.1.2 干膜保護(hù)法

激光對(duì)覆蓋膜和銅均有損傷，需要對(duì)覆蓋膜先開(kāi)窗再壓合銅箔。但在覆蓋膜開(kāi)窗后，必須先保護(hù)覆蓋膜開(kāi)窗位置再蝕刻，否則蝕刻液會(huì)蝕刻掉開(kāi)窗位置，如圖4 所示。因此，試驗(yàn)采用干膜保護(hù)法制作雙面開(kāi)窗單面撓性板。

圖4 干膜保護(hù)法制作鏤空線路

采用干膜保護(hù)法能夠制作所需寬度的導(dǎo)線，但在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線在覆蓋膜的邊緣存在一定寬度的凹痕。由于覆蓋膜的厚度為75 μm，干膜的厚度為35 μm，且干膜僅在受熱情況下具有一定的流動(dòng)性，難以完全填充其覆蓋膜的開(kāi)窗位置，存在一定縫隙，在蝕刻過(guò)程中，蝕刻液浸入會(huì)導(dǎo)致線路被蝕刻，如圖5 所示。在后續(xù)使用過(guò)程中，同導(dǎo)線容易在此處被折斷，產(chǎn)品可靠性不高。綜上所述，干膜保護(hù)法不可行。

圖5 干膜保護(hù)法制作鏤空線路影像

2.1.3 硅橡膠保護(hù)法

由于干膜保護(hù)法制作的銅線易被浸蝕，改換保護(hù)材料為黏稠態(tài)的硅橡膠，即在底層覆蓋膜開(kāi)窗區(qū)域涂覆硅橡膠，待硅橡膠固化后再蝕刻，實(shí)現(xiàn)鏤空線路的制作，如圖6所示。

圖6 硅橡膠保護(hù)法制作鏤空線路

采用硅橡膠保護(hù)法能夠制作出所需寬度的導(dǎo)線，且硅橡膠完全填充至覆蓋膜的開(kāi)窗腔體內(nèi)，在蝕刻時(shí)可阻擋溶液對(duì)導(dǎo)線的浸蝕，確保導(dǎo)線完整。

2.2 銅面處理方式與結(jié)合力的關(guān)系

本撓性板采用銅箔與覆蓋膜壓合的方式制作。對(duì)銅箔表面采用不同的處理方式，銅箔與基材之間剝離強(qiáng)度也不相同。試驗(yàn)采用噴砂、化學(xué)微蝕和黑化3 種方式處理銅面，再對(duì)銅箔和覆蓋膜快壓，并在180 ℃、2 h 高溫固化后，開(kāi)展剝離強(qiáng)度測(cè)試。

剝離強(qiáng)度大小順序依次為：黑化（2 875.0 N/m）＞微蝕（2 270.0 N/m）＞噴砂（2 121.7 N/m）。3 種測(cè)算結(jié)果均滿足GJB 7548—2012《撓性印制板通用規(guī)范》中表5的要求。

分別對(duì)初始狀態(tài)、噴砂后、微蝕后和黑化后的銅箔進(jìn)行掃描電鏡觀察，掃描電鏡圖片如圖7所示。由圖7 可知，初始狀態(tài)的銅箔表面呈單向紋路，較光滑；噴砂后的銅箔表面呈坑洼狀，較為粗糙；微蝕后的銅箔表面呈山峰狀的紋路，較為粗糙；黑化后的銅箔表面呈蜂窩狀，空隙較多。綜上所述，銅箔微觀表面的狀態(tài)決定其與覆蓋膜的結(jié)合力，表面越粗糙，比表面積越大，銅箔與覆蓋膜的接觸面積越大，且能夠形成嚙咬狀態(tài)，因此剝離強(qiáng)度越大。就操作便捷性，噴砂＞微蝕＞黑化，因此，綜合考慮銅箔表面采用噴砂處理。

圖7 銅箔表面不同處理方式掃描電鏡

2.3 撓性板尺寸變化約束

相較于剛性材料，撓性材料不含玻璃纖維。沒(méi)有玻璃纖維布的束縛，撓性板尺寸非常不穩(wěn)定，其尺寸變化率最大為0.10%，這給撓性板的覆蓋膜對(duì)位、鉆孔、圖形轉(zhuǎn)移、外形切割等加工帶來(lái)不便，甚至造成產(chǎn)品報(bào)廢。

為了改善撓性板的尺寸穩(wěn)定性，在前期工程文件設(shè)計(jì)階段，除了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的有效圖形（工藝區(qū)），還增加了覆銅作為優(yōu)化措施，以確保整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)板被銅約束。測(cè)量?jī)?yōu)化前后產(chǎn)品的尺寸變化見(jiàn)表1。由表1 可知，優(yōu)化后的產(chǎn)品尺寸變化率小于優(yōu)化前，因此增加覆銅可顯著改善撓性板的尺寸穩(wěn)定性。

表1 撓性板優(yōu)化前后的尺寸變化 單位：mm

2.4 覆蓋膜厚度與銅厚的關(guān)系

分別用杜邦LF0210 和LF0110 與厚度100 μm、75 μm 和35 μm 銅 壓 合。結(jié) 果 表 明，LF0110 與100 μm、75 μm銅貼合后導(dǎo)線之間存在氣泡，主要是由于膠層厚度為25 μm的LF0110難于填充較厚的導(dǎo)線；膠層為50 μm的LF0210填充效果較好。因此選用LF0210的覆蓋膜貼覆100 μm及以下的銅線。

2.5 字符結(jié)合力

撓性板的外表面一般貼覆1 層覆蓋膜，覆蓋膜為雙層結(jié)構(gòu)，由聚酰亞胺（polymide，PI）和膠層組成。PI 的表面親水性差，較光滑，對(duì)于文字制作，難度較大，噴印后的文字易脫落。本文采取酒精清潔、噴砂處理和等離子處理3 種方式開(kāi)展試驗(yàn)。

酒精的作用是清潔PI 的表面，防止其表面的臟污造成結(jié)合力下降；噴砂是通過(guò)物理作用，使PI 表面形成粗糙狀態(tài)，增大比表面積，增強(qiáng)結(jié)合力；等離子處理是活化PI 表面，增加活性。試驗(yàn)結(jié)果顯示，酒精清潔和噴砂處理后的PI 表面文字會(huì)被膠帶黏附掉，而等離子處理的PI 表面結(jié)合力較大，文字不會(huì)被粘掉。因此，選用等離子處理法制作文字。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)一種雙面開(kāi)窗單面FPCB 制作難點(diǎn)，本文從鏤空焊盤(pán)制作、銅面與覆蓋膜結(jié)合強(qiáng)度、基板尺寸變化規(guī)律、覆蓋膜對(duì)線路填充能力、字符結(jié)合強(qiáng)度等方面展開(kāi)研究。研究表明，該雙面開(kāi)窗單面FPCB 制作工藝可行，產(chǎn)品耐彎折性能良好。使用撓性印制板可以降低電源模塊的組裝難度，節(jié)省空間。采用該方法加工的撓性板通過(guò)了導(dǎo)通、高溫存儲(chǔ)、氣密性測(cè)試等試驗(yàn)，證明能夠滿足電源模塊電氣互連的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 張懷武,何為,林金堵,等.現(xiàn)代印制電路原理與工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版,2010:216-218.

[2] 馮力.激光在剛撓結(jié)合板窗口及精細(xì)線路應(yīng)用中的研究[D].成都:電子科技大學(xué),2014:14-15.