柔性电路材料的选择

华东计算技术研究所 胡志勇
随着科学技术的不断发展，现代社会与电子技术息息相关，超小型移动电话、便携式计算机、存储器、硬盘驱动器、光盘驱动器、汽车电子产品等都对产品的小型化、轻型化提出了苛刻的要求。要达到这一目标，就必须在生产工艺、元器件、材料等诸方面进行深入的探讨。为了能够迎接这一挑战，一种能够适用于三维电子组装的可以弯曲成无数种需要的形状的柔性电路应运而生。近几年来，柔性电路的使用已经扩展至3无线电通讯、计算机和汽车电子产品应用领域以外。曾经被用作引线束的专门基片-柔性电路已经成熟地进入了替换刚性和模块电路板的应用场合，在这些应用场合往往有着簿型或者三维电子组装的要求，另外为了能够满足同时具有柔性化和刚性化的应用要求，刚性--柔性技术融合了具有柔性电路的刚性电路板，现在许多柔性和刚性-柔性层压结构被应用在了各类电子产品之中。本文着重谈谈在柔性电路中的材料选择。
一、 柔性电路的材料组成
在柔性电路之中所使用的材料是绝缘薄膜、粘接剂和导体(见图1)。绝缘薄膜形成了电路的基础层，粘接剂将铜箔粘接至了绝缘层上。在多层设计中，它再与内层粘接在一起。它们也被用作防护性覆盖，以使电路与灰尘和潮湿相隔绝，并且能够降低在挠曲期间的应力，铜箔形成了导电层。
图1. 柔性电路的材料组成（资料来源：（美）Sheldah（公司））
在一些柔性电路中，采用了由铝材或者不锈钢所形成的刚性构件，它们能够提供尺寸的稳定性，为元器件和导线的安置提供了物理支撑，以及应力的释放。粘接剂将刚性构件和柔性电路粘接在了一起。另外还有一种材料有时也被应用于柔性电路之中，它就是粘接层片，它是在绝缘薄膜的两侧面上涂覆有粘接剂而形成。粘接层片提供了环境防护和电子绝缘功能，并且能够消除一层薄膜，以及具有粘接层数较少的多层的能力。
绝缘薄膜材料有许多种类，但是最为常用的是聚酷亚胺和聚酯材料（见表1）。目前在美国所有柔性电路制造商中接近80%使用聚酰亚胺薄膜材料，另外约20%采用了聚酯薄膜材料。聚酰亚胺材料具有非易燃性，几何尺寸稳定，具有较高的抗扯强度，并且具有承受焊接温度的能力，聚酯，也称为聚乙烯双笨二甲酸盐（Polyethylene terephthalate简称：PET），其物理性能类似于聚酰亚胺，具有较低的介电常数，吸收的潮湿很小，但是不耐高温。
表1 绝缘材料的典型特性
聚酯的熔化点为250℃,玻璃转化温度（Tg）为80℃，这限制了它们在要求进行大量端部焊接的应用场合的使用。在低温应用场合，它们呈现出刚性。尽管如此，它们还是适合于使用在诸如电话和其它无需暴露在恶劣环境中使用的产品上。
二、粘接剂的使用
聚酰亚胺绝缘薄膜通常与聚酰亚胺或者丙烯酸粘接剂相结合，聚酯绝缘材料一般是与聚酯粘接剂相结合。与具有相同特性的材料相结合的优点，在干焊接好了以后，或者经多次层压循环操作以后，能够具有尺寸的稳定性。在粘接剂中其它的重要特性是较低的介电常数、较高的绝缘阻值、高的玻璃转化温度（Tg）和低的吸潮率。
粘接剂除了用于将绝缘薄膜粘接至导电材料上以外，它也可用作覆盖层，作为防护性涂覆，以及覆盖性涂覆。两者之间的主要差异在于所使用的应用方式，覆盖层粘接覆盖绝缘薄膜是为了形成叠层构造的电路。粘接剂的覆盖涂覆所采用的筛网印刷技术。
不是所有的叠层结构均包含粘接剂，没有粘接剂的叠层形成了更薄的电路和更大的柔顺性。它与采用粘接剂为基础的叠层构造相比较,具有更佳的导热率。由于无粘接剂柔性电路的薄型结构特点,以及由于消除了粘接剂的热阻,从而提高了导热率,它可以使用在基于粘接剂叠层结构的柔性电路无法使用的工作环境之中。
铜箔适合于使用在柔性电路之中，它可以采用电淀积（Electrodeposited简称：ED），或者镀制 。采用电淀积的铜箔一侧表面具有光泽，而另一侧被加工的表面暗淡无光泽。它是具有柔顺性的材料，可以被制成许多种厚度和宽度，ED铜箔的无光泽一侧，常常经特别处理后改善其粘接能力。锻制铜箔除了具有柔韧性以外，还具有硬质平滑的特点，它适合于应用在要求动态挠曲的场合之中。
三、美国市场上的几款柔性电路材料
目前在美国的杜邦（Du Pont）公司、ICI Americas公司、Rogers公司和Sheldahl公司作为柔性电路材料的供应商，推出了能够满足特别要求的柔性电路叠层结构。
美国杜邦公司除了提供聚酰亚胺丙烯酸结构材料以外，也能够提供纯聚酰亚胺叠层结构材料。杜邦公司的Kapton聚酰亚胺薄膜作为一种基础材料，应用在了它的诸多Pyralux品牌产品中，包括Pyralux FR（Flame retardant阻燃型）和LF覆铜层压材料、粘接层片和覆盖层，在Pyralux AP层压材料之中也包含有Kapton薄膜。
Pyralux FR覆铜层压材料是一种通过采用具有专利权的阻燃型C级丙烯酸粘接剂，将铜箔粘接在Dupont Kapton聚酰亚胺薄膜一侧或者两侧的复合材料。在Pyralux FR材料系列中的层粘接剂，采用的是B级改良型丙烯酸材料。Pyralux FR粘接层是在Kapton薄膜的两侧覆盖上B级丙烯酸粘接剂。Pyralux FR覆盖层是一种在一侧覆盖有B级丙烯酸粘接剂的Kapton薄膜复合材料。对于Pyralux LF系列材料来说，除了不含阻燃剂以外，其它类似于在Pyralux FR系列材料中所作的考虑。
Pyralux PC是一种可照相成像（Photoimageable）的覆盖层，它是由丙烯酸、氨基甲酸乙酯和酰亚胺为基础的材料综合而成。它适合于无线电通讯、计算机、工业和医疗电子仪器等对反复柔性循环操作有要求的应用场合使用。但是它不能够很好地适合于剧烈变化的柔性应用场合。
Pyralux AP双侧覆铜叠层材料是一种粘接有铜箔的Kapton聚酰亚胺无粘接剂化合物，在超过200℃的情况下，能够提供热稳定性。
美国亚利桑那州Chandler的Rogers Corporation公司推出的R/fle×2005阻燃型材料系列中，采用了Kapton薄膜作为基础材料。该材料系列采用Kapton基础材料作为覆盖层，使用阻燃型粘接剂粘接薄膜和覆铜Kapton叠层的化合物。Rogers公司同时也推出了一种为Flex-imide3000型的无粘接剂的叠层材料，它是一种以聚酰亚胺为基础的覆铜叠层材料，它能够在160℃的温度下连续地工作。
基于聚乙烯naphthalate（Polyethylene Naphthalate简称：PEN）的绝缘薄膜是一种类似于聚酯的材料，它是由美国ICI Americas公司推出的。在PEN和聚酯（PET）之间所存在的主要差异是前者具有良好的热性能，Kalades PEN薄膜所呈现出的玻璃转化温度（Tg）为120℃，远高于PET薄膜的Tg。Kaladex薄膜的这种特性，以及所具有的几何尺寸稳定性和耐化学性，使之适合于作为PET和聚酰亚胺的替代物进行使用。
在美国明尼苏达州Northfield的Sheldahl公司制造出了各种各样的无粘接剂柔性电路材料，用于满足它的Novaclad和Novaflex产品生产线的使用。Navaclad是一种聚酰亚胺铜化合物，可以按照设计师的要求规定所用铜箔的厚度和特性。Navaclad G2200型覆铜叠层材料具有增强耐化学性和耐热性的特点，它能够通过在超过150℃的温度环境下，所进行的1000小时的性能测试。
最近Sheldahl公司又推出了Novaclad G2300型和G2400型叠层材料，它们在150℃的温度环境下，也通过了1000小时的长期加热老化测试。该公司推出的Novaclad G2400 MCM级材料能够满足多芯片模块（Multichip Modules简称MCM）和芯片规模封装（Chip Scale Packages简称CSP）所提出的挑战。这种叠层材料为了满足激光形成微孔，免除了填料。为了能够满足贵金属镀覆的要求，例如：钯和无电解Ni/A u的需要，它也采用薄铜以形成精细引线图像和增强耐化学性能。Novaclad G2400型材料在薄膜和铜之间的光滑表面，提供了在高速信号情况下的电性能改善。
在已有的Novaclad产品中，Sheldahi公司使用了其基于真空金属喷镀（Vacuum metallization）的专利技术，将一张铜薄层施加至聚酰亚胺薄膜的表面上，然后这材料被电镀到规定的厚度以形成Novaclad基础材料。这样所形成的材料结构既薄又轻，具有抗极端高温和化学反应的能力，并且能够适合于动态柔性应用场合。
Novaclad基础材料也被用来形成Novaflex无粘接剂柔性电路，在全部电路成像了以后，再使用Novaflex绝缘层。为了能够满足恶劣环境的设计需要，Novaflex无粘接剂互连系统提供了进一步增强柔顺性、耐化学反应特性、高温特性和非常良好的热耗散效果。
在美国罗得艾兰州Cranston的Roly-Flex Circuits公司开发出了一种柔性电路技术，它有别于常规的方法，它不使用铜导体和粘接剂以形成电路，仅采用一种渗入银粉的导电印剂，通过印刷附着到聚酯绝缘薄膜基础材料上。一种称为Poly-Solder的导电环氧树脂能够用来将表面贴装器件（SMD）粘接至该柔性电路之上。
通过在第一层导电层上覆盖上一层聚合物基础绝缘层，然后再添加上第二层导电层的方式，能够形成多层柔性电路，导电通孔提供了层与层之间的互连。
这种常规柔性电路的替代方式，适合于40℃~85℃的工作温度范围内的使用，目前已被广泛应用于无线电通讯、键盘、温度自动调节器、电子游戏机、显示器和医疗电子仪器之中。
四、结束语
本文介绍了柔性电路的选择，在选择用于柔性电路的材料时应着眼于材料被应用的电子产品范畴。随着“更小、更快、更便宜”的组装要求，柔性电路所表现出来的“柔性”特征，对达到整个电子产品的微型化，对笔记本电脑、移动电话这类便携式产品的更新换代有着重要的意义。
主要参考文献
1. Susan Crum, Flex Circuit Materials Meet Application Requirement, EP&P, 1997（5）：30~36.
2. Cilleo Ken, SMT + Flex = Maximum Versatility and Reliability, EP&P, 1992（7）：56~59.