柔性PCB材料的基本特性研究

博客作者：Zachariah Peterson  柔性 PCB 材料需要支持多种设计和操作目标：静态或动态弯曲、能够通过标准装配过程、支持简单的制造程序并实现高产量。柔性 PCB 材料乍一看似乎很奇特，但相对较小的材料组可用于大批量生产柔性和刚柔结合的 PCB 。在本指南中，我们将研究柔性 PCB 材料的一些基本特性，以及如何使用它们来构建柔性/刚柔结合的 PCB 。

基材和覆盖膜 最常见的刚性印刷电路板中使用的基材是浸渍在环氧树脂中的编织玻璃纤维。它实际上是一种织物，虽然我们将这些称为“刚性”，但如果您取出单个层压层，会发现它们具有合理的弹性。固化的环氧树脂使电路板更加坚硬。由于使用了环氧树脂，它们通常被称为有机刚性印刷电路板。这对于许多应用来说不够柔韧，但对于不会持续移动的简单元件来说，它可能是合适的。 用作柔性PCB基板的最常见材料选择是聚酰亚胺。这种材料非常柔韧，而且极其具有耐热性。

对于大多数柔性电路应用，需要比通常的网络环氧树脂更柔韧的塑料。最常见的选择是聚酰亚胺，因为它非常柔韧（您无法用手撕裂或明显拉伸，使其能够耐受产品装配过程），而且耐热性极佳。这使得它对多次焊料回流循环具有高度耐受性，并且在温度波动引起的膨胀和收缩方面相当稳定。 聚酯（PET）是另一种常用的柔性电路材料，但它不能耐受足够高的温度以经受住焊接。我已经看到它用于成本非常低的电子产品，其中柔性部分有印刷导体（PET 无法承受层压的热量），更不用说没有焊接的元素——相反，它通过粗压力与各向同性导电弹性体形成接触。

由于柔性电路连接的质量低下，所讨论产品（定时收音机）中的显示器从未真正妥善运行。因此，对于刚柔结合，我们假设坚持使用 PI 薄膜。（其他材料可用但不经常使用）。

PI 和 PET 薄膜，以及薄的柔性环氧树脂和玻璃纤维内芯，构成了柔性电路的通用基板。然后电路必须使用额外的薄膜（通常是PI或PET，有时是柔性阻焊油墨）作为覆盖层。覆盖层绝缘外表面导体并防止腐蚀和损坏，就像阻焊层在刚性板电路上的作用一样。PI 和 PET 薄膜的厚度范围从⅓密耳到3密耳，通常为1或2密耳。玻璃纤维和环氧树脂基板明显更厚，范围从2密耳到4密耳不等。

导体 虽然上述廉价电子产品可能使用印刷导体——通常是某种碳膜或银基油墨——但铜是最典型的导体选择。根据应用，需要考虑不同形式的铜。如果您只是简单地使用电路的柔性部分，通过移除电缆和连接器来减少制造时间和成本，则可选择通常用于刚性电路板的层压铜箔（电沉积或 ED ）。这也可用于需要较重的铜重量以将高载流导体保持在最小可行宽度的情况，如平面电感器。 但铜也因变形硬化和疲劳而不受欢迎。如果您的最终应用涉及柔性电路的反复弯折或移动，就需要考虑更高等级的轧制退火（RA）箔。显然，对箔进行退火的额外步骤大大增加了成本。但是退火后的铜能够在疲劳开裂之前拉伸得更多，并且在 Z 偏转方向上更具弹性——这正是您想要的可以一直弯曲或滚动的柔性电路。这是因为轧制退火过程在平面方向上拉长了晶粒结构。 如果您只是简单地使用电路的柔性部分，通过移除电缆和连接器来减少制造时间和成本，则可选择通常用于刚性电路板的层压铜箔。

显示应用于柔性 PCB 材料的退火过程的放大图，显然未按比例绘制。铜箔在高压辊之间通过，在平面方向上拉长晶粒结构，使铜在正常情况下更具柔性和弹性。

粘合剂 传统上，需要使用粘合剂将铜箔粘合到 PI（或其他）薄膜上，因为与典型的 FR-4 刚性电路板不同，退火铜中的“齿”较少，仅靠热和压力不足以形成可靠的纽带。此类制造商提供用于柔性电路蚀刻的预层压单面和双面覆铜薄膜，使用典型厚度为½和1密耳的丙烯酸或环氧树脂基粘合剂。这些粘合剂专为实现柔性而开发。 由于涉及直接在 PI 薄膜上镀铜或沉积的新工艺，“无粘合剂”层压板正变得越来越普遍。当 HDI 电路中需要更精细的间距和更小的过孔时，就会选择这些薄膜。 向柔性到刚性接头或接口添加保护珠时，还会使用有机硅、热熔胶和环氧树脂（即其中层堆叠的柔性部分离开刚性部分）。这些为柔性到刚性连接的支点提供机械加固，否则会在重复使用中迅速疲劳、开裂或撕裂。

单层柔性电路 典型的单层柔性电路剖面图例如下所示。这与最常见的成品 FFC（柔性扁平连接器）电缆所使用的结构相同，它是使用刚柔结合 PCB 的替代方案，其中可以容纳 FFC 连接器，成本是推动设计决策的主要因素。在单层柔性电路中，材料供应商将铜预先层压到 PI 薄膜上，然后使用刚性背板蚀刻和钻孔铜。最后，用基于粘合剂的聚酰亚胺覆盖层进行层压，该覆盖层已经过预先打孔以露出铜焊盘。在此布置中用于覆盖层的粘合剂可能会在此过程中挤出，但扩大暴露区域的焊盘即可解决。

典型的单层柔性电路叠层 了解柔性和刚柔结合电路中使用的材料很重要。尽管您通常可以让制造商自由选择材料以确保良率，但您仍应了解可能导致柔性 PCB 在现场出现故障的因素。了解材料特性也有助于产品的机械设计、评估和测试。例如，如果您从事汽车产品方面的工作；热、湿气、化学品、冲击和振动——所有这些都需要使用准确的材料特性进行建模，以确定产品的可靠性和最小允许弯曲半径。具有讽刺意味的是，促使您选择柔性和刚柔结合的驾驶需求通常与恶劣的环境有关。例如，低成本的消费类个人电子设备经常会受到振动、掉落、汗水等更严重的影响。 在 Coombs 的2008年教科书中可以找到一个比本文介绍的内容更详细的重要资源：

叠层示例 就像在刚性 PCB 中一样，随着更多导电层的添加，柔性 PCB 和刚柔结合的 PCB 会具有复杂的叠层。这些叠层可能涉及同一 PCB 中的多个柔性部分，如下方示例所示。对于纯柔性电路（与刚柔结合的电路相反），层堆叠规划得到简化，包括 PCB 的每个部分。然而，在安装元件或电路终端的区域，可能仍有一些点需要放置加固物。

在您的设计软件中，这些部分中的每一个都被定义为自己的叠层，并应用于 PCB 布局中的不同区域。制造电路板时，每个电路板部分都需要在制造图纸中清楚地显示出来，以说明电路板中的层布置和材料。我们将在后面的章节中讨论柔性设计和生产的这个重要方面。 当您准备好选择和指定所需的柔性 PCB 材料时，请使用 Altium Designer 内 Draftsman 软件包中的全套 CAD 功能和自动绘图工具。准备好向制造商发布您的设计数据后，您就可以通过 Altium 365 平台轻松共享和协作您的设计了。您可以在一个软件包中找到设计和生产高级电子产品所需的一切。

审核编辑：黄飞