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FPC的技术开发动向和FPC材料的技术动向
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4 k) l1 |7 V# z( A! e" ~摘 要：概述了FPC的技术开发动向和FPC材料的技术动向。
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关键词：挠性板(FPC)：无粘结剂型覆铜箔板：聚酰亚胺：保护层
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7 M/ ^. |& s7 u0 C前言
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近年来，全世界的民用电子设备中的FPC需求量正在迅速增加，特别是在便携电话之类的便携电子设备和平板电视之类的薄型影像设备中消费了大量的FPC。如图1所示的兼有数字摄像的电路制品的便携电话中所用的FPC，点数或者总面积大大超过了刚性PCB。在平板显示(FPD)中的FPC配置成纵横排列。随着FPC等的大型化，FPC的使用量迅速增加。
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4 _& R3 T& j( v 图2表示2006年-2010年的5年间以聚酰亚胺为基体的FPC的需要预测。2005年世界需要量超过了2 000万平方米，到2010年将会成倍的增长，这个时期的平均增长率为14．1％。今后的FPC不仅是数量的增加，还有质的大变化。从过去以单面电路为中心，到目前提高双面电路或者多层刚挠电路的比例，电路密度连续提高。为此制造技术年年改良。传统的减成法(蚀刻法)存在着局限性，需要开发新的制造技术，与此同时还需要开发更高性能的材料。本文就最近FPC的技术开发动向和FPC材料的技术动向加以叙述。) f5 m/ s2 K$ U2 Z% V
+ P/ D& n3 C) d2 [" Y L% g4 O 一、FPC的基本构造
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图3表示了单面结构的FPC的基本构成。传统的FPC情况下，铜箔导体固定在介入环氧树脂等粘结剂的聚酰亚胺等基体薄膜上，然后在蚀刻加工而成的电路上覆盖保护膜，如图3(a)所示。这种结构使用环氧树脂等粘结剂，由于这种层构成的机械可靠性高，即使现在仍然是常用的标准结构之一。然而环氧树脂或者丙烯酸树脂等粘结剂的耐热性比聚酰亚胺树脂基体膜的耐热性低，因此它成为决定整个FPC使用温度上限的瓶颈(Bottle Neck)。
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# D/ ~$ L: a0 i0 {3 k# G$ ?" S+ a 在这种情况下，有必要排除耐热性低的粘结剂的FPC构成。这种构成既可以使整个FPC的厚度抑制到最小，大大提高耐弯曲性之类的机械特性，还有利于形成微细电路或者多层电路，如图3(b)所示。仅仅由聚酰亚胺层和导体层构成的无粘结剂覆铜箔板材料已经实用化，它扩大了适应各种用途材料的选择范围。
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. T8 l* T, c+ S: j" n& A+ W( J 如图4所示，在FPC中也有双面贯通孔构造或者多层构造的FPC。FPC的双面电路的基本构造与硬质PCB大致相同，图4中的层间粘结使用粘结剂，然而最近的高性能FPC中排除了粘结剂，仅仅使用聚酰亚胺树脂构成覆铜箔板的事例很多。FPC的多层电路的层构成比印制PCB复杂得多，它们称为多层刚挠(MulTIlayer Rigid? Flex)或者多层挠性(MulTIlayer Flex)等。层数增加则会降低柔软性，在弯曲用途的部分中减少层数，或者排除层间的粘结，则可提高机械活动的自由度。为了制造多层刚挠板，需要经过许多加热工艺，因此所用的材料必须具有高耐热性。现在无粘结剂型的覆铜箔板的使用量正在增加。- a, c2 O# D1 x+ h8 r F
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1 e. ^! D0 b& Y3 R1 O5 f 二、FPC的最新技术动向 0 o! I0 {$ \' H9 Y, e+ c
5 N$ y9 B4 G1 A* ~* k9 l 随着用途的多样化和袖珍化，电子设备中使用的FPC要求高密度电路的同时，还要求质的意义上的高性能化。图5表示了最近的FPc电路密度的变迁。采用减成法(蚀刻法)可以形成导体节距为30um以下的单面电路，导体节距为50um以下的双面电路也已经实用化。连接双面电路或者多层电路的导体层间的导通孔径也越来越小，现在导通孔孔径100um以下的孔已达量产规模。
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基于制造母术的立场，图6表示了高密度电路的可能制造范围。根据电路节距和导通孔孔径，高密度电路大致分为三种类型：(1)传统的FPC；(2)高密度FP C；(3)超高密度F P C。9 @4 i' O; ^' e" M
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K; ]$ \ D+ t" ]7 K# f3 r. A 在传统的减成法中，节距150um和导通孔孔径15 um的FPC已经量产化。由于材料或者加工装置的改善，即使在减成法中也可以加工30um的线路节距。此外，由于CO2激光或者化学蚀刻法等工艺的导入，可以实现50um孔径的导通孔量产加工，现在量产的大部分高密度FPC都是采用这些技术加工的。
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, D# n& l6 b3 z) V3 {, J 然而如果节距25um以下和导通孔孔径50um以下，即使改良传统技术，也难以提高合格率，必须导入新的工艺或者新的材料。现在提出的工艺有各种加工法，但是使用电铸(溅射)技术的半加成法是最适用的方法，不仅基本工艺有所不同，而且使用的材料和辅助材料也有所差异。4 w) ^/ w {* K6 a0 e2 x
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另一方面，FPC接合技术的进步要求FPC具有更高的可靠性能。随着电路的高密度化，FPC的性能提出了多样化和高性能化的要求，这些性能要求在很大程度上依存于电路加工技术或使用的材料。6 B+ d8 X4 p1 W9 _4 Q
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三、FPC的制造工艺8 I4 Y0 a A3 I0 g2 C, J% R
4 |8 h0 A/ C/ [' U2 S; e5 C 迄今为止的FPC制造工艺几乎都是采用减成法(蚀刻法)加工的，如图7所示。通常以覆铜箔板为出发材料，利用光刻法形成抗蚀层，蚀刻除去不要部分的铜面形成电路导体。由于侧蚀之类的问题，蚀刻法存在着微细电路的加工限制。, ~5 n) s; l2 L; E1 h! P. k1 T
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基于减成法的加工困难或者难以维持高合格率微细电路，人们认为半加成法是有效的方法，人们提出了各种半加成法的方案。图8表示了利用半加成法的微细电路加工例。半加成法工艺以聚酰亚胺膜为出发材料，首先在适当的载体上浇铸(涂覆)液状聚酰亚胺树脂，形成聚酰亚胺膜。接着利用溅射法在聚酰亚胺基体膜上形成植晶层，再在植晶层 上利用光刻法形成电路的逆图形的抗蚀层图形，称为耐镀层。在空白部分电镀形成导体电路。然后除去抗蚀层和不必要的植晶层，形成第一层电路。在第一层电路上涂布感光性的聚酰亚胺树脂，利用光刻法形成孔，保护层或者第二层电路层用的绝缘层，再在其上溅射形成植晶层，作为第二层电路的基底导电层。重复上述工艺，可以形成多层电路。2 L; L) K. U/ F" W& Y, S( ~: Y
8 a( \: W" J! q* e 利用这种半加成法可以加工节距为5um、导通孔为巾10um的超微细电路。利用半加成法制作超微细电路的关键在于用作绝缘层的感光性聚酰亚胺树脂的性能。
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四、FPC的基本构成材料
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FPC的基本构成材料是基体膜或者构成基体膜的耐热性树脂，其次是构成导体的覆铜箔板和保护层材料。5 ?/ P9 @" N" [5 |" C7 A$ o
: O. l$ ~3 u) H- Y FPC的基体膜材料从初期的聚酰亚胺膜到可以耐焊接的耐热性膜。第一代的聚酰亚胺膜存在着吸湿性高和热膨胀系数大等问题，于是人们采用了高密度电路用的第二代聚酰亚胺材料。
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" }" Q! k. S+ S1 S' C1 v 迄今为止人们已经开发了数种FPC用的可以取代第一代聚酰亚胺膜的耐热性膜。然而，在今后10年，人们认为作为FPC主要材料的聚酰亚胺树脂的位置不会改变。另外随着FPC的高性能化，聚酰亚胺树脂的材料形态会有所改变，必须开发具有新功能的聚酰亚胺树脂。" r9 J# z) T# L( @9 {6 u) ~
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五、覆铜箔板
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1 u" h, v# r) R6 [ 许多FPC制造商往往以覆铜箔板的形式购入，然后以覆铜箔板为出发原料加工成FPC制品。使用第1代的聚酰亚胺膜的FPC用覆铜箔板或者保护膜(Cover Lay Film)是由使用环氧树脂或者丙烯酸树脂等粘结剂构成的，如图9所示。这里使用的粘结剂的耐热性低于聚酰亚胺，因此FPC的耐热性或者其它物理性能受到限制。
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为了避免使用传统粘结剂的覆铜箔板的缺点，包括高密度电路在内的高性能FPC采用了不含粘结剂的无粘结剂型覆铜箔板。迄今已有许多制造方式，然而现在可供实用的有下面三种方式：# T( l8 o) W7 Z! p# S9 s
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(1)铸造工艺
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# C6 L( H ^+ e2 J, X4 { S& }# R 铸造工艺是以铜箔为出发材料。在表面活化的铜箔上直接涂布液状的聚酰亚胺树脂，经过热处理而成膜。这里使用的聚酰亚胺树脂必须具有与铜箔的优良附着性和优良的尺寸稳定性，然而至今还没有可以满足这两方面要求的聚酰亚胺树脂。如图10所示，首先在活化的铜箔表面上涂布一薄层粘结性良好的聚酰亚胺树脂(粘结层)，再在粘结层上涂布一定厚度的尺寸稳定性良好的聚酰亚胺树脂(芯层)。由于这些聚酰亚胺树脂对于热的物理特性的差异，如果蚀刻加工铜箔，基体膜就会出现大的凹坑。为了防止这种现象，芯层上再涂布粘结层，以便获得基体层的良好对称性。/ `& G) U4 X% j2 z8 \
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$ V* }* `) Y8 ]0 u Z 为了制造双面覆铜箔板，粘结层使用热可塑性(Hot Melt)的聚酰亚胺树脂，再在粘结层上采用热压法层压铜箔。; H/ J+ W$ ?8 _" k) r6 H6 P7 V
+ M9 ^& D' x' V( X3 m% ~ S (2)溅射／电镀工艺
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$ ?2 y* `8 g( D: ? 溅射／电镀工艺的出发材料是尺寸稳定性良好的耐热性膜。如图I I所示，最初的步骤是在活性化的聚酰亚胺膜的表面上采用溅射工艺形成植晶层。这种植晶层可以确保对于导体基体层的粘结强度，同时担负着电镀用的导体层的任务。通常使用镍或者镍合金，为了确保导电性，再在镍或镍合金层上溅射薄层铜，然后电镀加厚到规定厚度的铜。% l/ P8 |5 Y3 Y) E% t% x
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# @, [- e) L3 i （3）热压法
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" v, j" L2 K% J: N1 C; m6 D 热压法是在尺寸稳定性良好的耐热性聚酰亚胺膜表面上涂布热塑性树脂(热可塑性的粘结性的树脂)，然后再在热溶性树脂上高温、层压铜箔，这里使用了复合聚酰亚胺膜。: o/ B! |8 [+ f. x
7 S1 H& a! m. }1 i$ p* u 这种复合聚酰亚胺膜是由专门制造商市售的，制造工艺较为简单，制造覆铜箔板时，把复合膜和铜箔叠合在一起，在高温下热压。设备投资相对较小，适用于少量多品种生产。双面覆铜箔板的制造也较为容易。& |' z6 q2 l6 u# L) _, g+ ^; T/ D
6 l% |0 r# N& j 构成FPc的另一种重要的材料要素是保护层(Cover Lay)，现在提出了各种保护材料。最初实用的保护层是在与基体同样的耐热性膜上，涂布与覆铜箔板使用同样的粘结剂，如图1 2所示。这种构造的特性是对称性好，现在仍然占据市场的主要部分，通常称为“膜保护层(Film Cover Lay)”。然而这种膜保护层由于难以实现加工工程的自动化，使得整个制造成本上升，且由于难以进行微细开窗加工，因此无法适应近年来成为主流的高密度SMT的需要。 + R, E5 w. Z+ E$ E; s7 k$ R2 A
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为了适应高密度安装的要求，近年来采用感光性保护层。如图1 3所示，在铜箔电路上涂布感光性树脂，然后采用光刻工艺，在必要的部分进行开窗。感光性树脂材料的形态有液状和干膜型。现在以环氧树脂或丙烯酸树脂为基体的保护层材料已经实用化，但是它们的物理特性尤其是机械特性远远不及以聚酰亚胺为基体的膜保护层。为了改良这种状况，需使用聚酰亚胺树脂或进行以环氧树脂或丙烯酸树脂为基体的保护层材料的物理特性，或者在加工工艺等方面改善。这里使用的感光性聚酰亚胺树脂有希望用作多层电路形成工程中的层间绝缘材料。0 ^% U6 |2 y7 N% q5 j$ F
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4 I) B; \2 m" K8 j( g- I 七、结束语
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' O0 S* U6 Q9 b4 d7 t2 [ FPC的需要迅速增加，电路密度持续提高，制造技术也逐年改良和进步。迅速增长的FPC的基体材料、保护层和层间绝缘材料今后仍将以聚酰亚胺树脂为中心。
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随着FPC的高性能化和高密度化，不仅要求开发更高性能的聚酰哑胺树脂膜，还要求开发更多样化的制品形态。
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发表于 2020-1-6 11:09
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