隨著FPC與PCB的誕生與發展,催生了軟硬結合板這一新產品。因此,軟硬結合板,就是柔性線路板與硬性線路板,經過壓合等工序,按相關工藝要求組合在一起,形成的具有FPC特性與PCB特性的線路板。
最初,多層軟硬結合板的基本設計理念和制造工藝是從航天設備發展而來的,因為要在有限的空間里面進行可靠的布線。在一些復雜產品上,甚至用到超過30層導體層的軟硬結合板。另一方面,在消費電子產品,如手機和數碼相機,一直都需要高密度、低成本的布線技術,因而新的設計理念和制造工藝應運而生。
軟板和硬板結合,可以稱做為:剛撓結合板、軟硬結合板,或者剛撓性板,而當它們的多層撓性介質都使用撓性材料而非玻璃-環氧樹脂時,也被稱為多層撓性板。
多層軟硬結合板基本上是剛性板和撓性板的組合。不過,線路板生產商要成功的將兩者結合起來,需要在剛性和撓性板制造工藝上都有良好的水平。因此,在設計這種PCB前,要清楚的了解PCB制造商的能力和局限性。
基本結構
軟硬結合板在設計時有很多種不同的結構類型。圖1,圖2展示了多層軟硬結合板的基本結構,包括平視圖和截面圖(層壓結構)。
(這是我們公司生產的一款軟硬結合板)
(該軟硬結合板層壓結構圖)
如圖3所示,多層撓性層之間采用不黏合性分層結構,這種結構可以提供更好的彎折性能。在極限的情況下,用這種結構可以制作超過30層的PCB,用在航空航天產品中。因為需要高可靠性,所以不能采用精細線路圖形和微孔技術。而且,采用有鉛元件代替SMT元件,這種結構通常需要設計較大的線寬/線距。以及孔壁銅很厚的大直徑通孔。此類軟硬結合板根據需要可以設計成多種結構,如折疊型、飛燕型,還有書本型等等。
a.不黏合性分層結構
b.飛燕結構
c.書本結構
材料
多層軟硬結合板的材料
需要的材料 | 傳統材料 | 高性能材料 |
撓性基板(FCCL) | 傳統聚酰亞胺膜 | 新型聚酰亞胺膜 |
覆銅板(雙面) | 聚酰亞胺基材,丙烯酸黏合劑(環氧黏合劑) | 無膠型聚酰亞胺基材層壓板(澆鑄型或層壓型) |
覆蓋膜 | 傳統聚酰亞胺涂覆丙烯酸或環氧樹脂黏合劑 | 新型聚酰亞胺涂覆熱熔型聚酰亞胺黏合劑 |
粘結片 | 丙烯酸樹脂膠膜、環氧樹脂膠膜、雙面涂覆丙烯酸膠的聚酰亞胺膜 | 雙面涂覆熱熔型聚酰亞胺樹脂的新型聚酰亞胺膜 |
剛性基板(CCL) | 玻璃-環氧樹脂 | 玻璃-BT樹脂板,玻璃-聚酰亞胺樹脂板 |
以上表格列出了幾種制作軟硬結合板必須要的材料。需要指出的是,隨著技術的進步,這些材料的性能都得到了顯著的提高。
材料在受熱過程中必須要有高耐熱性和良好的尺寸穩定性。高可靠性領域(如軍工、航空航天等)推薦使用厚的聚酰胺胺膜(大于50um),因為基材在加工中需用具有良好的穩定性和耐久性;而消費電子領域基于輕薄短小的發展趨勢,一般采用較薄介質(小于50um)的材料。在有膠覆銅板、覆蓋膜及粘結片中,使用丙烯酸類黏合劑的結合力更好,但是耐熱性略差,收縮率較高;采用環氧類黏合材料具有更好的耐熱性,但是固話時間更長,結合力略差。使用澆鑄或壓合工業制造的無膠覆銅板基材,通常具有更高的耐熱性和更低的熱膨脹系數,而且能夠減少最終成品的板厚,因此在制作軟硬結合板中很有優勢,還可以顯著的減少鉆孔膠渣。不過,這種材料必須在超過300℃的條件下進行加工處理,所以需要特殊的設備和工藝條件。
制造流程
由于軟硬結合板具有多種復雜的結構形式,所以制造流程也不盡相同。圖4展示了一種根據圖5所示的標準流程制造出來的典型軟硬結合板疊層結構。在圖5中,流程從雙面軟撓性覆銅板的制造開始。
(我司生產的常規軟硬結合板)
(常規軟硬結合板生產流程)
除了通孔,其他導體圖形是采用傳統的蝕刻工藝形成的。所以撓性區域導體蓋上無開窗覆蓋膜,多層撓性板之間用已預先在撓性區域開窗的粘結片黏合,這樣不會影響撓性彎折區域。剛性外蓋層(指最外層的剛性區域),使用的是雙面剛性覆銅板。
第一步是加工剛性外蓋層,需要壓合層在外層的電鍍圖形,然后通過數控銑床、沖切或者激光方式,將此剛性層位于撓性區的部分鑼空或者鑼去一半的深度,撓性板和此加工后的剛性外蓋層通過粘結片黏合。粘結片在撓性部分已經預先開好窗。
在層壓過程中,如果剛性外層采用的是鑼空結構,應為撓性部分準備合適的配壓填充板。采用真空壓機可以獲得更好的壓合質量,同時配合一些輔助敷形的材料(PE膜等),這樣壓合過程可以提供給整板均勻的壓力,使得低流動粘結片充分流動填充空隙,尤其是對復雜的結構。在黏合或層壓之前,應根據需要進行適當的烘烤以去除水汽。
層壓后的軟硬結合板可以采用與多層剛性板相似的通孔處理工藝,不同之處在于去鉆污。去鉆污的方法取決于所用的材料。和硬板一樣,在充分烘烤之后進行鉆孔,然后用采用等離子體蝕刻工藝來去除孔壁中的樹脂類殘渣,等離子體處理前同樣需要烘烤,去除水汽。凹蝕滌度一般建議不超過13um,可以采用常規硬板的通孔電鍍工藝,不過電鍍的具體工藝參數應根據通孔的可靠性試驗數據來確定。
接下來的流程和多層剛性板類似,外層蝕刻、覆蓋膜(阻焊膜),表面處理等,都可以采用類似的工藝,在外形制作時,把撓性區的配壓填充板或控深剛性外蓋層在撓性區域對應的部分去除后,即可成型為軟硬結合板。