【挠性线路板现状及发展趋势】

    近23年来,由于无粘结层挠性覆铜箔基材和感光显影型保护膜的成功开发和应用,无疑对挠性线路板生产是一个重大改革与进步,使挠性线路板的生产走上了可量产化的轨道。加上挠性线路板在精细或超精细节距(线宽/间距)方面的优势,具有更高的合格率和质量。特别是50m m100m m的操作窗口已能很好正常生产,因此,挠性线路板的地位和量产化已明显地增加了。它面临的挑战问题主要是材料价格而带来生产成本,一旦挠性线路板生产进入大批的量产化,基材价格将会下降,则挠性线路板必将向刚性板挑战。目前,挠性线板在军事上、航天航空、汽车和超精细节距应用方面(如超级计算机等)已占有一席之地,而今首先是刚性和挠性结合起来形成的刚-挠性板,将是相得益彰,以实现更薄、更精细节距、更优越的高密度互连(HDI)的一代产品。

一、挠性线路市场及其特点

1挠性线路板市场

根据19946IPCTMRC资料,80年代末期,挠性线路板产值为4亿美元/年,并以每年67%的增长率发展着,1994年约为15亿美元,到1997年产值估计为17亿美元,在计算机和通讯设备上应用的年均增长率为11%左右,但挠性板占整个PCB市场为8%左右。

近几年来,由于无粘结层材料、可弯曲的感光覆盖膜或适用于挠性线路上的液态感光阻焊剂等的开发成功和应用。使挠性线路不仅质量保证、合格率提高,而且易于自动化、量产化生产。加上电子产品的“轻、薄、短、小”化和立体组装变成必要和关键,如PCMCIA卡上,挠性板和刚-挠性板已受到用户的重视和看好。目前虽然挠性板还处在刚起步阶段,但是,挠性板的明显优点和潜在能力,使它在PCB生产和市场上的地位越来越受到人们的认识和重视,因而挠性线路板的产值将以20%的年均速度增长。同时,挠性板的加工设备和条件已经开始走向成熟,材料等供应商也不断地改进产品以满足这种增长的要求,因此,有人认为:“挠性板大展宏图的时代终于到来了”,“在明天,挠性板将会主宰着精细线路的世界”。所以,今后的挠性线路板的年均增长率要比预计的大(TMRC),它在PCB市场上的份额所占比例将扩大,而首先是刚-挠性板会更引人注目地发展。

2挠性板的特点

当把挠性板与刚性板比较时,挠性板具有如下特点:

①可进行挠曲和立体组装,取代很多转接部件,达到最大使用有效空间。随着电子产品继续缩小和立体组装变成关键,加上采用无粘结层覆铜箔基材和可挠性的覆盖膜,使挠性板的质量和可靠性保证和提高的情况下,用户已倾向于采用挠性板或刚-挠性板。目前的挠性印制板可以变曲成6.35mm的圆筒形(半径为3.18mm)时也不会损坏元件和失去可靠性。因此,这种挠性印制板可以制成各种各样的形状,如电机中转子上的应用等等。至于刚-挠性印制板结构更是多种多样,这些产品广泛应用于军事、航天航空、计算机、通讯设备和汽车工业等等。且其应用比率呈迅速上升之势。

②可制造更高密度或更精细节距的产品。由于采用更薄的铜箔(如5m m9m m等)和更薄的介质(如聚酰亚胺膜厚可达25m m)以及不含增强材料(如玻璃布等)来加工更精细线宽与间距,目前操作窗口为75150m m,而有些工厂已能常规生产50m m的线宽/间距的挠性板。因为含薄铜箔的挠性基材无采用增强的玻璃纤维,具有很平整的介质表面,故可生产出更陡直、高清晰度和完整的导线来。加上有更高的合格率,因而可克服挠性基材成本较高的问题。在制造微小孔方面,由于没有增强的玻璃纤维布,介质层很薄,因而易于采用冲孔法、化学蚀刻法(某些化学溶液是能用图像转移方法来蚀刻聚酰亚胺薄膜的激光蚀孔和等离子体创造出比数控钻孔得到的更微小的孔和各种形状(如方形、长方形、椭园形等等)的孔、甚至可以制造出小到f 25f 50m m的孔(如用激光方法),而成本也低得多,作为低成本制造微小孔来说,冲孔和化学蚀刻工艺也可能是未来会受到重视和普遍应用的方法。

③挠性线路的另一个优点是可以采用卷绕的传送滚筒加工方法(Roll-to-Roll),易于自动化、量产化,从而大大提高了生产率,达到经济性的生产。同时,由于牵拉加工一致,生产环境(温度、温度)条件易于控制,可减低由于分片(块)制造时所带来人为操作和管理因素影响其尺寸稳定性问题。或者尺寸变化误差小,从而易于掌握和采取有效补偿措施来解决,其结果可提高产品合格率和可靠性。因此,采用薄型挠性基材(膜)以连续的卷绕的传送滚筒加工方法,其可行性和经济性易于理解。这种方法也变得更重要了。因为它可以避免很多操作和管理所带来的问题,其生产成本也将明显降下来。

根据上述的特点,挠性基材具有更易于生产精细或超精细的线宽/间距和微小孔加工的优点,因而,挠性线路板更可能成为MCM-L生产的优选方法,实际上它已经开始MCM-L生产和应用了。

当然,刚性板有着很长(60年)的生产历史和宠大的生产设施,目前,它占有PCB市场和产值90%以上,它在很多应用领域里有着丰富的实践经验和习惯势力以及传统的观念。即使在成本相当的情况下,刚性板的市场仍然还会占主导地位。因为刚性印制板对生产成熟而庞大的设施和“网络”是不会轻易放弃的。只有当挠性板的成本明显地低于刚性板,或者刚性板在超精细节距的领域内已明显地出现“无能为力”时,PCB厂商和用户才会“逼上梁山”采用挠性板。所以,刚性板占主导地位还有相当长时间。今后PCB走向应是刚性与挠性相结合的产物即走向刚-挠性板的时代,而在高科技领域里,挠性板才能占主导地位。

二、挠性线路材料的新进展

近几年来,用于生产挠性线路的材料有了变革性的进展,主要是:由粘结型走向无粘结型的覆铜箔挠性基材;薄铜箔或超薄铜箔的进展与应用;由冲孔后热压可挠性覆盖膜(为了露出焊盘)走向可挠性感光显影型覆盖膜或者液态感光阻焊膜(或保护膜)等。由于这些挠性材料的变革性进步,大大地简化了手工操作劳动,使挠性线路板走上自动化、量产化的轨道上来。

无粘结层覆铜箔挠性基材

无粘结层覆铜箔挠性基材的开发成功与应用,使挠性线路板的应用领域迅速扩大了。比有粘结层覆铜箔基材的挠性线路具有更薄和更好的结合(粘结)强度(特别是在高温方面)。加上军用规范更改而要求不能采用有粘结层的挠性线路板,所以,无粘结层的聚酰亚胺(或聚酯)/铜箔的挠性基材所生产的挠性线路能够适合和满足更小、更轻的电子产品的需求。

1有粘结层覆铜箔挠性基材

有粘结层覆铜箔挠性基材是由介质层材料、粘结层材料和薄铜箔压制而成的。介质层材料大多是采用聚酰亚胺(PI)、聚酯(PE)、Aramide和氟碳化合物。聚酰亚胺具有很好的可挠性、良好的电气性能和好的耐热特性;聚酯除了较差的耐热性能外,其它性能与聚酰亚胺差不多;Aramide(芳香族聚酰胺)具有负的热膨胀系数(CTE),但有很大的吸湿性,使用受到了限制;氟碳化合物具有很好的介电和电气特性,主要应用于微波领域内。

粘结层材料,大多采用丙烯类(如丙烯酸树脂)树脂和改性环氧树脂等等。它们除了具有好的粘结力外,还应具有好的耐化学腐蚀、耐热特性、可挠性和电气性能。

铜箔,可采用轧制退火(RA)的铜箔。一般来说,它具有更好的可挠性和可获得更理想的精细线宽/间距,但目前大多数采用的是电镀铜箔,尽管比起RA铜箔呈现出较差的可挠曲性能和较低的抗破裂性能以及制造超精细导线不够理想,这对于那些反复挠曲条件(或次数)不多,如不作或少作来回猛烈弯曲运动场合等,它仍然是可用的。

很明显,这种有粘结层覆铜箔挠性基材结构的主要缺点有:它需要昂贵的粘结层材料(大多为聚酰亚胺/丙烯酸类),使总成本较高;由于丙烯酸类粘结层的Z向膨胀系数大,加上介质层厚度,使整个Z向热膨胀系数远大于无粘结层的Z向热膨胀系数,因而,不仅会造成挠性板内部引起缺陷(如分层等),从而造成差的结合力和可挠性,而且还会给孔化电镀(PTH)带来隐患(当用于双面板和多层板时);由于粘结层和介质层材料的差异,对于多层板来说,还会因为化学蚀刻(如去沾污、粗化等)速率不同,造成孔壁上凹凸不平,甚至包覆镀液等而带来隐患,它是孔化电镀方面的问题之一;由于有粘结层结构的基材其厚度较厚,造成挠性板厚度较厚,既不利于“小”、“轻”型化,又不利于抗热性能和电气互连的可靠性(因Z向较厚的有机材料的CTE远大于铜箔的CTE,热膨胀易于引起内连断裂)。

2、无粘结层覆铜箔挠性基材

在无粘结层的基材中,覆铜箔是采用各种金属化技术的一种方法,把铜层直接结合到介质层上。目前采用了三种方法:一是把聚酰胺酸加到铜箔表面上,然后加热形成聚酰亚胺膜并最后形成聚酰亚胺覆铜箔挠性基材;二是先在介质层上涂覆一层位垒金属,然后进行电镀铜来形成的;三是采用真空溅射技术或蒸发沉积技术,即把铜置于真空室中蒸发,然后把蒸发的铜沉积于介质层上来形成的。

很明显,无粘结层的覆铜箔挠性基材能克服有粘结层覆铜箔基材的一系列缺点,其主要优点:具有更薄的基材厚度。不仅有利于微小孔加工,而且可以生产出更薄型或薄型的线路板来;具有更好的可挠曲性能,即使在相同材料的条件下,越薄的材料其可挠曲性能越好。同时,有粘结层材料本身的可挠性和粘结力也较差,所以,无粘结层的基材必然有更好的可挠曲性能和结合力;具有更好的导热性。一方面越薄材料越易于散热,另一方面有粘结层相对于介质层(特别是聚酰亚胺、聚酯)来说,其导热性也较差;具有更高产品质量和可靠性,因而有很好的性能价格比。

感光显影型覆盖膜保护膜

这种覆盖膜或保护层用来覆盖和保护挠性线路在受热(高温)、潮湿、污染物和腐蚀气体以及恶劣环境下起到“三防”的保护作用。采用干膜或者漏印涂覆层等方法来形成覆盖膜或保护膜都是有效的。

1干膜覆盖层

干膜覆盖层是采用涂布有粘结剂的介质材料,然后与加工形成挠性线路层一起叠层层压方法来形成的。干膜覆盖层的介质材料,采用与加工成挠性线路的基材介质层相同的聚酰亚胺、或聚酯材料,而粘结剂大多采用丙烯酸或环氧树脂或聚酯等材料。

为了显露出挠性线路板上的焊盘或连接部位的铜导体,在叠层层压之前,必须根据其准确位置,于干膜覆盖层上冲制或钻孔其相应图形来。由于定位、层压等过程会带来位置(尺寸)偏差,同时,加压加热时粘结剂可能的溢流问题,因此,干膜覆盖膜的冲孔或钻孔的相应图形尺寸要大些,也避免定位偏差和粘结剂溢流带来的可焊性和焊接问题。很明显,这种加工图形和层压对位是很费事费时的,有时是很头痛的事,这是造成合格率低、质量差和成本高的主要原因之一。

2网印覆盖层

网印覆盖层是采用丝网漏印液态树脂来形成的。所用的液态树脂大多是丙烯酸环氧树脂、丙烯酸聚氨脂类等树脂,然后采用红外线加热或者紫外线辐射固化而成。环氧树脂具有好的电气性能和粘结力,但脆性大而表现出差的可挠性,所以环氧类的覆盖层(或阻焊剂)材料组成的保护层、经不起多次弯曲便会发生“龟裂”、断块、最终分成小块状而剥离下来,而单纯的丙烯酸类虽有很好的可挠曲性,但粘结力和电气性能都不如环氧类。因此,把两者结合起来基本上可以满足要求。

3感光显影型覆盖层

对于在挠性线路上要显露出理想的焊盘或连接部位来说,网印覆盖层比干膜覆盖层有了进步,但是这种薄型挠性基板进行网印覆盖层及其厚度的控制难度很大,特别是对于有精细节距的图形,对位度也成问题。因此推动了感光显影型覆盖层的开发和应用。

DuPont公司推出一种具有很好可挠曲性的感光显影型干膜盖层,它像感光抗蚀膜(干膜)那样,贴在于挠性板面线路上,经曝光、显影、烘烤来完成的,因而大大提高了生产率和产品质量。Coastes ASI公司大量生产一种水溶性液态感光阻焊膜(LPISM),型号为Aquaflex H20/600,特别适用于挠性线路板上,可采用整板漏印或喷涂、帘涂等方式完成。

连接层Bond Plies

这是指用来连结多层挠性线路板内层的粘结膜。它可采用基材中与介质层同类型的材料,或者特殊的粘结膜。

介质材料的粘结膜,如FR-4材料中的同类型材料的粘结片(prepreg半固化片)一样,然后与加工后的内层进行叠压而成。在某些刚-挠性多层板结构中为了提高刚-挠性部位内的结合力、降低成本和量产化,连接层(又作挠性部位的覆盖层)采用了改性的环氧树脂的半固化片,既保证了刚性部分的好结构强度,又能保证挠性部分的粘结力和可挠性。但是,这种B-阶段的改性环氧树脂连续层是不含玻璃布增强材料的。

特殊形式的粘结膜是采用Shedahls Z-Link材料,它仅以垂直方向起导体(conduct)连接作用。Z-Link是含有焊料球的聚酯树脂来组成的。当连接层被覆盖到内层上以后树脂中的焊料球便在XY面内随机(或无规则)地扩散开来,而在叠压过程中这些内层被压缩时,则焊料球便展平开来并在内层焊盘之间形成导体通路。导电颗粒在加热加压下(含压缩)丧失其圆球状而实现中间金属连接(intermetallic joints)。

三、挠性电路板的制造技术

挠性线路板的制造技术与刚性PCB制造技术是相似的。但是挠性PCB由于采用可挠性基材和不含有增强材料,如玻璃布等,因此很薄、挠曲大,加上树脂不同(采用聚酰亚胺或聚酯等),因而给挠性线路板的制造技术带来了新的问题,主要是薄而可挠曲性、尺寸稳定性和孔化电镀通孔质量等问题。

传统工艺

压制成具有粘结层的挠性覆铜箔基材(或无粘结层的覆铜箔基材),通过钻孔、孔化电镀(单面挠性板除外)、然后进行图像转移形成线路,这些加工过程要设有特制拉紧的夹具和索拉丝网才能完成。对于单双面挠性板来说,还要贴压上覆盖膜(保护膜)。这种含有粘结剂并有与介质层相同的覆盖膜要经过冲孔或钻孔,然后对位贴准压制而成。正如前面所述,由于尺寸稳定性,加上粘结剂在高温高压下溢流问题,因此冲孔或钻孔尺寸要明显地大于实际的焊盘尺寸,以保证焊接盘不受局部覆盖和污染,达到焊接时完善性和可靠性。显然,这种薄而可挠性膜材料的整个加工过程和操作是很费时费力的,是个令人很头痛的事。

感光显影型工艺

由于传统工艺中的有粘结层覆铜箔基材存在着粘结力和孔化电镀带来的缺陷,加上覆盖膜冲孔(或钻孔)加工、对位和操作困难大,生产率低。随着导体线路密度和迅速增加,新的规范(或标准)的制定与贯彻,这种传统工艺已处于淘汰之中。

因此,采用无粘结层的覆铜箔基材和感光显影型覆盖膜的工艺技术是必然的发展趋势并将带来明显的好处。主要是:较好地解决了铜箔(或导体)与介质层的结合强度、更好的可挠性和改善了孔化电镀(孔壁)的质量;采用感光显影型保护膜,通过贴压(干膜型),或网印、喷涂、帘涂、帘涂(皆为液态感光材料)再烘干,然后进行图像转移工艺而得到的保护膜,便能很好解决焊盘的精确对位问题,因而可制造出更精细的线宽/间距来。

值得注意的是:采用环氧类的液态感光阻焊剂(用于刚性板上)的网印或喷涂等方法得到的覆盖膜是不能满足要求的。尽管环氧类的粘结力好,但脆性大,在受挠曲时便会发生“龟裂”,多次挠曲后便会“纷纷”剥离下来。因此,一般都采用含有丙烯酸类树脂复合材料,来解决粘结力和可挠曲性问题。

新的Roll-to-Roll工艺技术

常规的工艺技术是采用一片片的分开来进行制造,再一块块板的压制形成挠性板(单面、双面和多层)。这种常规的挠性板制造方法,不仅费时费力、劳动强度大、生产率低,而且其尺寸稳定性(受热、受湿等引起)也较难保证,对于制造高密度精细节距的线宽/间距相对来说,合格率不高、质量也较难保证,因而开发了连续传送滚筒(Roll-to-Roll)生产工艺。

Roll-to-Roll工艺过程是:介质材料的聚酰亚胺薄膜在导通孔形成处冲制或激光(视孔径大小,微孔采用激光为宜)形成导通孔。接着传送到真空金属化室,使薄膜两面上和孔壁内真空沉积上2000埃厚的铜层,然后进入电镀(水平式)铜加厚到5m m的低应力铜层。接着采用光致抗蚀剂(贴压干膜、或网印或喷涂液态感光抗蚀剂)、图像转移(曝光、显影)来形成内层图形。对于要求5m m厚的导体来说,便直接采用减成法(蚀刻)工艺来制得。如果要求更厚的铜层有两种方法:一是在金属化后在电镀铜时加长电镀时间等来达到要求的厚度,不过全生产线的控制程序或加工参数相应地加以调整;二是显影后再行图形电镀(PP)来达到,然后通过退膜后蚀刻。制成的内层(或双面)线路进行检测,贴压聚酰亚胺薄膜(对于双面挠性板为保护膜,对于多层挠性板为连接层即Bond plies)、图像转移(曝光、显影)、进行焊盘电镀,切割成所需要的尺寸(事先设计好图形尺寸)。对于双面挠性板来说可进入检测工序,但对于多层挠性板(或MCM-L)还要进行正向连接、叠层对位层压、最后进行测试。当然,在层压多层挠性板前的切割的内层还要再次检测内层以除去不合格品。

很明显,采用Roll-to-Roll生产工艺,不仅提高了生产率,而更重要的是提高了自动化程度。这种高自动化的生产明显地减少了人为操作和管理因素,受环境条件(温度、湿度洁净度等)变化小,因而具有更均匀一致而稳定的尺寸偏差,从而也易于进行修正和补偿(如通过底片、导通孔形成时),因为挠性基材没有增强的玻璃布等,其尺寸变化或偏差远大于刚性基材,只要其尺寸变化和偏差是有规律的,是可控的,那么这种尺寸变化和偏差是易于解决的。由于采用Roll-to-Roll工艺,其尺寸变化和偏差规律性好,所以它具有更高的产品合格率、质量和可靠性。

总之,随着三维(立体或3D)和可挠性组装的应用要求和扩大、超精细节距的高密度技术发展和电子产品继续向“轻、薄、短、小”化的要求,将推动着挠性板材料及其制造技术的进步,使挠性印制板的地位将越来越重要,其增长速度会加快。首先是刚性印制板和挠性印制板结合起来形成刚-挠性印制板,以实现更薄、更精细导线和更优越的互连(取代刚性的转接)的产品。其次是挠性线路将进入高科技领域并形成新一代产品,如MCM-L,从经济和制造技术角度上看,优选挠性材料将更为有利。

 

林金堵

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