介绍柔性板材料
材料的类型和结构在柔性板的设计中非常重要。它主要决定了柔性板的柔软性、电气特性和其他机械特性；它在柔性板的价格中起着重要的作用。我们必须在设计图纸中规定所有的材料。为了更好地解释，建议使用横截面示意图来表示柔性板的层压结构。
FPC 柔性覆铜介质和带胶介质薄膜应符合加工厂家的要求IPC-MF-150，IPC-FC-231 和IPC-FC-232 ，或者符合IPC-FC-241 和IPC-FC-232 规定。这些IPC 根据自然特性对各种材料进行规范分类。从许多材料中选择合适的材料必须考虑以下几点：
1.潮敏特性 2. 阻燃特性 3.电气特性
4.机械特性 5. 热冲击特性
设计者和FPC 加工厂家必须根据成本、性能和制造性来选择材料。
柔性电路板使用的板材因需求而异。可综合考虑应用场合和成本。Polyimide(聚酰亚胺分为胶和无胶)和Polyester(聚酯)。这些材料的特性如下表所示:
| Polyester（有胶） |
Polyimide（有胶） |
Polyimide（无胶） |
|
| 机械特性 |
|||
| 柔软(半径约2.0mm） |
一般 |
好 |
优 |
| 热成型 |
可以 |
不行 |
不行 |
| MODULUS |
2800MPa～5500 MPa |
2500MPa |
4000MPa |
| 撕裂力度 |
800g |
500g |
500g |
| 剥离强度(空气中) |
1050N/M |
1750N/M |
1225N/M |
| 化学/环境特性 |
|||
| 蚀刻（>20%） |
优 |
差 |
好 |
| UV |
PET：差 PEN：一般 |
好 |
优 |
| UL认证/最大工作温度 |
85?～165? |
85?～165? |
105?～200? |
| 阻燃 |
VTM-0（用FR胶） |
VTM-0（用FR胶） |
VTM-0 |
| 电气特性 |
|||
| 介电常数（1MHz） |
3.4 |
3.5 |
3.3 |
| 绝缘强度 |
4-5KV/25μm |
3-5KV/25μm |
5KV/25μm |
| 绝缘阻抗 |
103Ω－cm |
103Ω－cm |
103Ω－cm |
| 热特性 |
|||
| 焊接 |
5秒@246?～260? |
5秒@288(需要预烤) |
5秒@288(不需要预烘烤) |
| 加工、装配特性 |
|||
| 通孔成型 |
有限制 |
优 |
优 |
| 表面安装（IR回流焊） |
PEN-可以 PET-不可以 |
好～优 |
优 |
| Wire bonding |
不行 |
某些胶可以 |
优 |
| Chip(直接粘附) |
差 |
一般～优 |
优 |
表1 比较几种常用基材的特性
1.1.1 聚酰亚胺(Polyimide)
聚酰亚胺(简称PI）是柔性电路加工中最常用的热固化绝缘材料。材料的厚度范围一般为12.5μm(0.5mil) 和125μm(5mil) 。部分厂家可以提供7 mil厚度，常用规格为25μm(1mil) 和12.5μm(0.5mil) ，Polyimide 薄膜，比如DuPont(杜邦)公司Kapton?薄膜具有优异的柔软性能和良好的尺寸稳定性，可在较宽的温度范围内工作。此外，它还是一种阻燃材料，具有突出的耐焊温度性能，在焊接条件下电气性能无损。
1.1.2聚酯(Polyester)
Polyester 是由polyethylene terephthalate（简写PET，聚对苯二甲酸乙二醇酯等DuPont(杜邦)公司Mylar?”薄膜。柔性板的厚度范围一般为25μm（1mil）～125μm（5mil）。它和Polyimide 同样具有极好的柔软性和电气性能。但其尺寸稳定性比在工艺过程中Polyimide 稍差一点。此外，其抗撕裂能力差，对焊接温度敏感。
柔性板导体材料的选择主要取决于特定应用条件下的材料性能。特别是在动态使用中，柔性板需要疲劳寿命长的薄材料。柔性板导体一般包括铜箔、铜镍合金和导电涂料。
1.2.1 铜箔(Copper foil)
铜箔是柔性板中最常用、最经济的导体材料。铜箔主要分为电解铜箔（ED，Electrodeposited copper）和压延铜箔（RA，Rolled－Annealed copper）。电解铜箔是通过电镀形成的。铜颗粒的晶体状态为垂直柱，蚀刻时容易形成垂直线边缘，有利于精细线的生产；但由于柱结构容易断裂，经常弯曲时容易断裂
压延铜箔是柔性板制造中使用最多的铜箔。其铜颗粒结晶为水平轴结构，比电解铜更适合反复挠度。但由于压延铜的表面相对光滑，在粘合剂的一侧需要特殊处理。
图2 电解铜和压延铜颗粒结构
1.2.2 其它导体
除铜箔外，其他柔性板的导体材料还包括铜镍合金（如Constantan）和导电涂料。导电涂料是导电材料（如银，碳等）混合聚合物粘接剂（如树脂）构成的浆状物。导电涂料印刷在介质表面，然后再覆盖起来。例如银浆，如果覆盖绝缘好的话，它的导电性能也是非常不错的。导电涂料与铜箔相比电气性能稍逊，阻抗系数也比较高，在某些应用柔性场合不适合用它做导体。下表列出各种金属薄膜的特性比较。
| Metal Foils |
Resistance cm*106 |
Temperature Coefficient Of Resistance |
Thermal Conductivity W/m*K |
Tensile Strength (psi) |
Elongation (annealed) % |
| 压延铜 |
1.67 |
0.00393 |
393 |
32000 |
20 |
| 电解铜 |
1.77 |
0.00382 |
393 |
25000 |
12 |
| 铝 |
4.33 |
0.0039 |
255 |
16000 |
30 |
| 不锈钢 |
75 |
- |
6 |
90000 |
40 |
| 铍铜(Beryllium Copper) |
1.72 |
- |
83 |
60000* 200000** |
35-60* 1-4** |
表2 金属薄膜的特性比较
在柔性板设计时，选择合适的胶来粘接导体和介质也是非常重要的。它必须保证FPC 在加工时不脱胶或不过多地溢胶。柔性板常用的胶有丙烯酸（acrylic），改良环氧树脂（modified epoxy）， 酚丁缩醛（Phenolic Butyrals），增强胶，压敏胶等等。下表列举了几种胶的特性。
| Adhesive Type |
Peel Strength Post solder |
Adhesive Flow Mils/mil |
Moisture Absorption Max% |
Surface Resistivity Min |
Dissipation Factor @1MHz |
Dielectric Constant @1MHz |
| Polyester |
N/A* |
10mils max |
2.0 |
104 |
0.02 |
4.0max |
| Acrylic |
7.01b/in min |
5mils max |
6.0 |
105 |
0.05 |
4.0max |
| Epoxy |
8.01b/in min |
5mils max |
4.0 |
104 |
0.06 |
4.0max |
| Polyimide |
5.01b/in |
5mils |
3.0 |
105 |
0.010 |
4.0max |
| min |
max |
|||||
| Butyral: Phenolic |
5.01b/in min |
5mils max |
2.0 |
104 |
0.025 |
3.0max |
表3 常用粘胶的特性比较（一）
表4 常用粘胶的特性比较（二）
2.3.1丙烯酸胶(Acrylic) 、改良丙烯酸胶(Modified Acrylic)
丙烯酸胶(Acrylic adhesives) 及其改良胶(Modified Acrylic Adhesives) 是一种热固化材料。材料厚度一般有12.5μm（0.5mil）至100μm（4mil），常用的是0.5mil 和1mil 。它广泛应用于高温柔性场合（如需要铅锡焊接操作），保证在这些应用场合下不脱胶或起泡。它还具有优良的抗化学作用特性，可以抵抗加工过程中化学物质和溶剂的影响。与传统的丙烯酸胶不一样，改良丙烯酸胶具有部分类似热塑性材料的特性。它是用局部横向耦合的方式来改良材料的。当温度大于它的玻璃转化温度时（Tg），胶就粘到铜或介质上。因为材料的局部横向耦合结构，胶可以在需要时重复粘接。像Rogers 公司的“R/Flex® 2005 ”或Dupont 公司的“Pyralux® LF”材料中用的胶就用了改良丙烯酸胶。
2.3.2 改良环氧树脂胶(Modified Epoxy Adhesives)
改良环氧树脂胶具有低的温度膨胀系数，经常应用于多层柔性板或软硬结合板。环氧树脂是一种热固化材料，在它里面加入其它聚合物来得到增加柔性的改良环氧树脂胶。改良环氧树脂胶具有极好的Z 轴膨胀系数特性，还具有高的粘合力，低的潮湿吸收率，以及抵制加工过程化学溶剂的抗化学作用特性。
2.3.3 酚丁缩醛胶(Phenolic Butyrals Adhesives)
酚丁缩醛，如Rogers 公司的“R/Flex® 10000”胶，与环氧树脂一样的也具有热固化特性。除此之外，它的柔性特性增强了，更适合于动态柔性应用。但是它不能粘接聚酰亚胺介质和环氧树脂胶。
2.3.4 增强胶(Reinforce Adhesives)
增强胶是在玻璃纤维中注入环氧树脂或聚酰亚胺树脂来构成的。它最常用于多层FPC 或软硬板的层间粘合。
注入环氧树脂的玻璃纤维，又称半固化片，在软硬结合板中可以用作胶或用作基材薄膜。它与改良丙烯酸胶不同的是因为它的低热膨胀系数（thermal expansion coefficient，简写CTE）和高玻璃转化温度（Tg），显著改善了多层FPC 中的Z 轴稳定性。
注入聚酰亚胺树脂的玻璃纤维，更加增加了软硬结合板金属化孔的Z 轴稳定性。它的CTE 和Tg 比注入环氧树脂的还要好。但是它价钱更贵，生命周期也较短。
2.3.5 压敏胶(Pressure Sensitive Adhesive)
压敏胶（Pressure sensitive adhesives，简称PSA），可能是FPC 加工中最简单和最便宜的胶。正如名字代表的一样，压敏胶不需要特殊的压合过程，可以手工粘贴到介质表面。因为它对温度和多种化学物质敏感，所以它不能用来胶合介质和铜箔。因此压敏胶的主要用途是粘接补强板或把硬板粘到软板上。
随着高密度FPC 的发展，对可靠性和尺寸稳定性要求也越来越高。一些主要的材料供应商如Dupont，Nippon Steel 等提供了一种称为无胶压合的材料。无胶压合材料解决了生产过程中与胶相关的问题（如压合时容易出现胶厚度不均匀、溢胶等），而且厚度减薄了。
覆盖层一般是介质薄膜和胶的压合体，或者是柔性介质的涂层。非导体薄膜或涂层可以选择地覆盖到FPC 表面，起到避免玷污、潮湿、刮痕等保护作用。常见的保护层有覆盖膜（cover film） 和阻焊(Solder mask) 。
1.5.1 覆盖膜(Cover Film)
覆盖膜是介质薄膜和胶的压合体。它所用的胶与前面介绍的一样，厚度一般是25µm。当然也有无胶覆盖膜材料。而介质薄膜和基材介质的一样，主要有下面两种:
1.聚酰亚胺（Polyimide）
介质厚度范围一般有25µm，50µm～125µm。它的 特性与基材介质中介绍的一样，主要是柔软性好，耐 高温
2.聚脂（Polyester）
介质厚度范围一般有（25µm/5 0µm/75µm）。它的特性与基材介质中介绍的一样， 主要是相对便宜，柔曲度好，但不耐高温。
1.5.2 阻焊油墨(Solder Mask)
在某些特定的应用场合，柔性板可以和普通硬板一样使用阻焊油墨来做导体的保护、绝缘层。油墨的颜色多种多样，适合多种使用环境。如摄像头连接的柔性板用黑色油墨避免反光。另外油墨价格便宜，可以采用印刷方式加工，总成本很低。但是它柔性没有覆盖膜的高。
1.5.3 覆盖膜与油墨的区别
1.覆盖膜优点：弯曲性能好；厚度较厚，保护、绝缘强 度较高。缺点：含有胶的覆盖膜压合时会溢胶，不适 合于小焊盘。焊盘阻焊开窗一般都是钻孔方式；对于实 现直角、方形等开窗需要额外开模或用镭射切割等方 式，难度较大。总成本比较贵。
2，油墨优点：厚度薄，适合于要求薄而且柔性要求不 是很高的场合。颜色多种多样。采用印刷方式加工， 简单。不存在溢胶的问题，适合细间距焊盘。总成本 便宜（是PI 覆盖膜1/4 或更少）。
缺点：因为比较薄，绝缘强度没有PI 覆盖膜的高。弯 折性能较差，一般少于1 万次，对于动态要求很高的 场合就不太适合。
在有器件焊接等很多应用场合中，柔性板需要用补强板（Stiffener，又称加强板）来获得外部支撑。补强板材料有PI 或Polyester 薄膜，玻璃纤维，聚合物材料，钢片，铝片等等。
1，PI 或Polyester 薄膜，它们是柔性板补强板常用材料。常用的厚度是125µm(5mil) ，可以获得一些硬度。
2，玻璃纤维（如FR4），它们也是补强板常用材料。玻璃纤维补强板的硬度比PI 或Polyester 的高，用于要求更硬一些的地方。厚度范围一般是125µm（5mil）～3.175mm（125mil）。但是它的加工相对PI 的困难，而且可能不是某些柔性板加工厂家的常备材料。
3，聚合物(Polyetherimide)，如塑料等。它的吸水率低，耐高压和高温。4，钢片、铝片，支撑硬度高，而且还可以散热。设计中的硬度或散热是主要的关心指标。
据孔令图先生介绍其公司面对电子行业（手机、各种PCB、SMT 生产线、FPC、摄像头、LED 晶片）等相关行业，研发出全自动视觉异型贴装机来替代工人贴装压敏胶、PI、导电胶、双面胶、导热硅胶、散热石墨片、屏蔽盖、标签、保护膜以及读条码、二维码等工作。
柔性板的设计
根据应用需要，确定适合的柔性要求。部分柔性板只是满足不共面连接等的需要，只需要在安装时弯曲一次，安装好以后就固定了。而在部分产品中，比如翻盖手机中通过转轴的柔性板，柔性板就要求一定的弯曲次数。而要求最高的是在硬盘磁头等场合中使用的柔性板，需要更长时间往复弯曲运动。综合起来看，柔性要求可以概括成下列四种：
•弯曲一次(flex one time)
• 弯曲安装(flex to install application)
• 动态柔性(dynamic flex application)
•碟机驱动头应用场合(disk driver application)
柔性要求不一样，选择不同的设计方案、加工板材和加工方式。
柔性板与硬板之间的互连方式主要有下面几种：
•板对板连接器
•连接器加金手指
• Hotbar
• 软硬结合板
考虑采用哪种方式时，需要综合考虑互连高度、有效面积和连接器、加工和组装等成本。还有不同的互连对加工精度的要求。
一般最常用的是板对板连接器，连接器可用表贴、插件和压接型等等。但是该方式FPC 需要贴补强板；组装后比较高；而且连接器价格、组装成本也不低。连接器加金手指方式可以提高互连密度，一般也比较薄；但是金手指加工精度要求较高。而HOTBAR 尽管需要特殊的组装设备，它应用得也越来越普遍了。
2.2.1叠层设计
在设计中常用到单面板、双面板、双面板＋银浆层等等。在需要进行阻抗控制时，双面板或双面板＋银浆层可以根据设计需要自行组合构成微带线和带状线。下面表中列举了用Dupont 公司“Pyralux® FR” 系列的基材和介质＋胶来构成的柔性板。表中所用基材的铜厚都是0.5oz，电镀后的厚度是1.2mil 。其它型号或其它公司的材料请根据设计需求来选择。
| 各层定义 |
层压材料描述 |
材料厚度(in inch): |
杜邦板材型号 |
| Coverlayer Top |
Polyimide Coverlayer |
0.0010 |
FR0110 |
| Adhesive |
0.0010 |
||
| Artwork Top |
Base+Plating Copper |
0.0012 |
FR8510 |
| Adhesive |
0.0010 |
||
| Coverlayer Bottom |
Polyimide Base Material |
0.0010 |
|
| Total Thickness |
0.0052 |
表一单面FPC 层叠结构及材料厚度
| 各层定义 |
层压材料描述 |
材料厚度(in inch): |
杜邦板材型号 |
| Coverlayer Top |
Polyimide Coverlayer |
0.0010 |
FR0110 |
| Adhesive |
0.0010 |
||
| Artwork Top |
Base+Plating Copper |
0.0012 |
FR8515 |
| Adhesive |
0.0010 |
||
| Polyimide Base Material |
0.0010 |
||
| Adhesive |
0.0010 |
||
| Artwork Bottom |
Base+Plating Copper |
0.0012 |
|
| Adhesive |
0.0010 |
FR0110 |
|
| Coverlayer Bottom |
Polyimide Coverlayer |
0.0010 |
|
| Total Thickness |
0.0094 |
表二 双面FPC 层叠结构及材料厚度
| 各层定义 |
层压材料描述 |
材料厚度(in inch): |
杜邦板材型号 |
| Coverlayer Top |
Polyimide Coverlayer |
0.0010 |
FR0110 |
| Adhesive |
0.0010 |
||
| Silver Paste Top |
Silver Shielding |
0.0010 |
SILVER |
| Coverlayer02 |
Polyimide Coverlayer |
0.0020 |
FR0220 |
| Adhesive |
0.0020 |
||
| Artwork Top |
Base Copper+ED copper |
0.0012 |
FR8515 |
| Adhesive |
0.0010 |
||
| Polyimide Base Material |
0.0010 |
||
| Adhesive |
0.0010 |
||
| Artwork Bottom |
Base Copper+ED copper |
0.0012 |
|
| Adhesive |
0.0020 |
FR0220 |
|
| Coverlayer03 |
Polyimide Coverlayer |
0.0020 |
|
| Silver Paste Bottom |
Silver Shielding |
0.0010 |
SILVER |
| Adhesive |
0.0010 |
FR0110 |
|
| Coverlayer Bottom |
Polyimide Coverlayer |
0.0010 |
|
| Total Thickness |
0.0194 |
表三 双面FPC+ 双面银浆层叠结构及材料厚度
2.2.2阻抗设计
柔性板的层压结构比较灵活。可以用双面板、三层板或它们表面再覆银浆的方式来构成微带线和带状线；具体结构可以参考前面表6～表9。确定层压结构以后，可以使用Polar 软件来计算走线阻抗。
当Coverlayer 采用覆盖膜形式而不用绿油时，微带线模型应该采用“Coated Microstrip”形式。否则，计算的阻抗值就会相差较大。
上图采用“Coated Microstrip”微带线模型计算阻抗FPC 常用的介质是Polyimide ，它的介电常数是3.5（1MHz）。如采用上面“表7”的双面板结构来构成微带线的话，5mil 线宽阻抗可以控制在49 欧左右。与硬板相比，柔性板各层之间的介质一般比较薄，使得走线更加靠近参考平面。这样对阻抗的影响就是阻抗值偏低。如按照表9 所示的层压结构，假设银浆和铜箔都是实心时，线宽6mil 的带状线的阻抗计算是33 欧。如下表所示： 表10 带状线阻抗计算例子
更大的线宽需要达到同样的阻抗要求时，可以采用两种方式来实现，一是增加介质厚度或胶厚， 二是采用网格形状的参考平面。前者会影响FPC 的柔软性。采用网格参考平面，即可实现相应的阻抗要求，柔性也得到改善，但是阻抗的计算就会很复杂。网格对阻抗的影响是在厚度一定的情况下网格孔越大（含铜量越少）阻抗越大，而在实心参考平面时的阻抗最小。目前可以用HFSS 等软件仿真得到阻抗值，或者提出要求请厂家根据经验或专利来控制。
一般可控制的单线阻抗为：25-100 ohm
差分阻抗为：75-125ohm
2.2.3屏蔽控制
当柔性板有EMI 控制要求时，可以增加屏蔽层来实现要求。屏蔽层可以是实心铜皮、铜皮网格和银浆网格等。
实心铜皮：是最普通的屏蔽方式。铜皮可以在FPC 的一边或者两边都有，也可以只覆盖了需要屏蔽的那部分区域。当以实心铜皮为参考层时阻抗控制比较简单，可以直接用软件计算。但是实心铜皮会增加FPC 的层数，使得FPC 加工难度变大；它还增加FPC 的硬度，柔性变差；铜皮屏蔽层也会使得FPC 变厚，影响最小弯曲半径。
铜皮网格：铜皮可以在FPC 的一边或者两边都有，也可以只覆盖了需要屏蔽的那部分区域。当使用铜皮网格时，因为铜量变少，比实心铜皮时的柔性提高了；但是铜皮网格一样会增加FPC 的层数，使得FPC 加工难度变大；铜皮屏蔽层也会使得FPC 变厚，影响最小弯曲半径。当以实心铜皮为参考层时阻抗控制比较简单，可以直接用软件计算。
网格屏蔽层示意图
银浆或银浆网格：当频率高于1MHz 时，银浆的屏蔽效果等效于铜箔的。银浆采用丝印的方式印刷在单面板或多层板的表面（可以只单面印刷）。另外银浆的表面需要有覆盖膜来绝缘。采用银浆的好处是电路的层数没有增加，制造方便，成本低廉。但是银浆比较脆，它不适合动态弯曲要求高或者弯曲半径很小的场合。
当柔性板中走线长度足够长时，就需要分析柔性板的走线延迟；或者因为信号传输过程引起的衰减、失真等问题。有些时候需要增加驱动、匹配或均衡、隔离等技术来保证信号质量要求。
在安排连接器上管脚的信号排序时，需要考虑大电流信号、高速信号、高压信号等对其它信号的影响。同时需要合理安排地管脚，使得回流路径合理。
关键网络的串扰，可通过搭建模型进行仿真，得出满足器件串扰要求的最小信号线间距。在设计时可设网络的间距规则，或设Max Parallelism（信号线平行多长的则间距应多大的列表），作为规则输入到软件中。
控制串扰的主要手段：加大线间距，包地隔离等。
设计FPC 时，需要对信号的电流大小进行充分的评估。FPC 走线宽度、铜皮厚度必须满足载流能力及其裕量要求。特别是电源、地等大电流，需要适当安排连接器管脚个数和走线根数、宽度等。当FPC 上导线或器件温升较高时，可以考虑把FPC 贴到铝基板、钢片等上面，使其充分散热。
其它情况的载流能力可以参考下图：
FPC 载流能力的计算方法与硬板的一样。只是从柔性考虑FPC 用的铜箔比较薄；而且在柔性要求高的场合，FPC 表层铜箔采用局部电镀方式。当采用局部电镀方式时FPC 表层铜箔厚度就不用补偿了。
2.5 PCB设计细节
2.5.1关于走线及弯折处的设计
2.5.2关于Cover layer的设计
欧盟2003 年1 月27 日正式颁布RoHS 指令(Restriction of Hazardous Substances)，限制了相关产品对有毒材料的使用。并将于2006 年7 月1 日要求制造商开始执行。针对FPC 设计来说，要求使用到的介质不能使用有卤素成分。目前有些板材供应商已经生产出无卤素材料。如Dupont 公司的“Pyralux® LF”系列板材。
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