双面开窗的单面挠性印制板制作工艺

摘要：目前，具有轻、薄、可弯折等特点的挠性印制板应用领域越来越广。其中，在电源模块中，使用的一种双面开窗单面挠性印制板，看似结构简单，实则难点较多。首先介绍该种挠性印制板的结构和工艺流程，其次对镂空焊盘制作、铜面与覆盖膜结合强度、基板尺寸变化规律、覆盖膜对线路填充能力、字符结合强度等方面展开研究，最后得出可行的工艺方法。用此方法加工的挠性印制板通过了导通、高温存储、气密性测试等试验，证明能够满足电源模块电气互联的需求。

0 引言

挠性印制电路板作为电子产品的基板和关键互连件，从简单的消费电子到重要的航空航天设备，几乎被应用于所有电器和电子产品中，是电子互连产品领域发展最快的产品之一。相比传统的刚性印制板，FPCB 具有厚度薄、重量轻、可弯折挠曲等优点，可实现三维（3D）互连安装，提高了电路设计和机械结构设计的自由度，与传统封装相比，挠性封装的总体积和质量约减少约70%；其优良的电性能和热性能，使其电信号得到快速稳定的传输，FPCB的应用范围得到进一步扩大，几乎覆盖所有电子设备［1］。

在电源模块领域中，随着产品向轻、薄、短、小方向发展，电源模块的体积也越来越小。传统电源模块的电气互连采用漆包线方式，其缺点为占用空间多、不美观、操作不方便等。目前，已有厂家采用挠性印制板代替漆包线，实现了电源模块的板级电气互连，有效地解决上述问题。本文对该产品的制作工艺展开研究。

1 产品结构及工艺流程

本文研究的双面开窗单面挠性印制板为3 层结构，从上往下依次为顶层覆盖膜（top cly）、铜层（Cu）和底层覆盖膜（bottom cly），如图1所示。

图1 双面开窗的单面FPCB挠性印制板

本产品制作的最大难点在于镂空焊盘，直接采用传统减成法工艺无法实现制作。因此，本文根据产品结构特点，开发了新的生产工艺流程，如图2所示。

图2 双面开窗的单面FPCB生产工艺流程

2 关键制作技术

2.1 镂空焊盘制作

针对焊盘开窗的方法，设计了3 种方案，分别为激光刻蚀法、干膜保护法和硅橡胶保护法。

2.1.1 激光刻蚀法

紫外（ultraviolet，UV）激光蚀刻技术的原理是使用激光照射在覆盖膜表面，使其材料表面迅速吸收激光能量，直接熔化和蒸发多余的覆盖膜材料，完成焊盘开窗。该方法只需将计算机辅助设计（computer aided design，CAD）的数据经过计算机辅助制造（computer aided manufacturing，CAM）处理后导入系统，即可制作复杂的开窗图形，因此具有工艺流程简单、生产灵活和效率高的优势。

UV激光加工覆盖膜的作用机理较为复杂，作为高分子聚酰亚胺材料，普遍认为其加工机理是冷加工方式。因为碳碳单键（C—C）的键能和碳氮单键（C—N）的键能分别为3.45 eV和3.17 eV，而光子能量为3.5～7.5 eV 的UV 激光大于聚酰亚胺中的C—C 键能和C—N 键能。当UV 激光照射材料表面时，可利用光子能量直接打断聚酰亚胺的化学键，且对材料切割周围区域不产生热量传递，因此被称为冷加工。这种加工方式不仅提高了切割精度和准度，而且在加工后的覆盖膜边缘无毛刺，截面非常光滑［2］。

设备采用德中Direct Laser S5-Pro 型激光切割系统；设置覆盖膜厚度为75 μm；激光器类型为UV；功率12 W；次数为5次～10次。

通过UV 激光刻蚀法可去除覆盖膜，实现焊盘开窗，如图3所示。但UV 激光对铜也会产生蚀刻作用，因此难以做到将覆盖膜的聚酰亚胺材料完全去除干净，且不伤铜层。为了将覆盖膜去除干净，必须适当去除一定厚度的铜层，但如此则在铜焊盘表面形成了应力点，后续受力时，铜焊盘容易被折断。因此，UV激光刻蚀法不适合此产品的加工。

图3 UV激光刻蚀法制作镂空线路

2.1.2 干膜保护法

激光对覆盖膜和铜均有损伤，需要对覆盖膜先开窗再压合铜箔。但在覆盖膜开窗后，必须先保护覆盖膜开窗位置再蚀刻，否则蚀刻液会蚀刻掉开窗位置，如图4 所示。因此，试验采用干膜保护法制作双面开窗单面挠性板。

图4 干膜保护法制作镂空线路

采用干膜保护法能够制作所需宽度的导线，但在显微镜下观察，发现导线在覆盖膜的边缘存在一定宽度的凹痕。由于覆盖膜的厚度为75 μm，干膜的厚度为35 μm，且干膜仅在受热情况下具有一定的流动性，难以完全填充其覆盖膜的开窗位置，存在一定缝隙，在蚀刻过程中，蚀刻液浸入会导致线路被蚀刻，如图5 所示。在后续使用过程中，同导线容易在此处被折断，产品可靠性不高。综上所述，干膜保护法不可行。

图5 干膜保护法制作镂空线路影像

2.1.3 硅橡胶保护法

由于干膜保护法制作的铜线易被浸蚀，改换保护材料为黏稠态的硅橡胶，即在底层覆盖膜开窗区域涂覆硅橡胶，待硅橡胶固化后再蚀刻，实现镂空线路的制作，如图6所示。

图6 硅橡胶保护法制作镂空线路

采用硅橡胶保护法能够制作出所需宽度的导线，且硅橡胶完全填充至覆盖膜的开窗腔体内，在蚀刻时可阻挡溶液对导线的浸蚀，确保导线完整。

2.2 铜面处理方式与结合力的关系

本挠性板采用铜箔与覆盖膜压合的方式制作。对铜箔表面采用不同的处理方式，铜箔与基材之间剥离强度也不相同。试验采用喷砂、化学微蚀和黑化3 种方式处理铜面，再对铜箔和覆盖膜快压，并在180 ℃、2 h 高温固化后，开展剥离强度测试。

剥离强度大小顺序依次为：黑化（2 875.0 N/m）＞微蚀（2 270.0 N/m）＞喷砂（2 121.7 N/m）。3 种测算结果均满足GJB 7548—2012《挠性印制板通用规范》中表5的要求。

分别对初始状态、喷砂后、微蚀后和黑化后的铜箔进行扫描电镜观察，扫描电镜图片如图7所示。由图7 可知，初始状态的铜箔表面呈单向纹路，较光滑；喷砂后的铜箔表面呈坑洼状，较为粗糙；微蚀后的铜箔表面呈山峰状的纹路，较为粗糙；黑化后的铜箔表面呈蜂窝状，空隙较多。综上所述，铜箔微观表面的状态决定其与覆盖膜的结合力，表面越粗糙，比表面积越大，铜箔与覆盖膜的接触面积越大，且能够形成啮咬状态，因此剥离强度越大。就操作便捷性，喷砂＞微蚀＞黑化，因此，综合考虑铜箔表面采用喷砂处理。

图7 铜箔表面不同处理方式扫描电镜

2.3 挠性板尺寸变化约束

相较于刚性材料，挠性材料不含玻璃纤维。没有玻璃纤维布的束缚，挠性板尺寸非常不稳定，其尺寸变化率最大为0.10%，这给挠性板的覆盖膜对位、钻孔、图形转移、外形切割等加工带来不便，甚至造成产品报废。

为了改善挠性板的尺寸稳定性，在前期工程文件设计阶段，除了设计产品的有效图形（工艺区），还增加了覆铜作为优化措施，以确保整个标准板被铜约束。测量优化前后产品的尺寸变化见表1。由表1 可知，优化后的产品尺寸变化率小于优化前，因此增加覆铜可显著改善挠性板的尺寸稳定性。

表1 挠性板优化前后的尺寸变化 单位：mm

2.4 覆盖膜厚度与铜厚的关系

分别用杜邦LF0210 和LF0110 与厚度100 μm、75 μm 和35 μm 铜 压 合。结 果 表 明，LF0110 与100 μm、75 μm铜贴合后导线之间存在气泡，主要是由于胶层厚度为25 μm的LF0110难于填充较厚的导线；胶层为50 μm的LF0210填充效果较好。因此选用LF0210的覆盖膜贴覆100 μm及以下的铜线。

2.5 字符结合力

挠性板的外表面一般贴覆1 层覆盖膜，覆盖膜为双层结构，由聚酰亚胺（polymide，PI）和胶层组成。PI 的表面亲水性差，较光滑，对于文字制作，难度较大，喷印后的文字易脱落。本文采取酒精清洁、喷砂处理和等离子处理3 种方式开展试验。

酒精的作用是清洁PI 的表面，防止其表面的脏污造成结合力下降；喷砂是通过物理作用，使PI 表面形成粗糙状态，增大比表面积，增强结合力；等离子处理是活化PI 表面，增加活性。试验结果显示，酒精清洁和喷砂处理后的PI 表面文字会被胶带黏附掉，而等离子处理的PI 表面结合力较大，文字不会被粘掉。因此，选用等离子处理法制作文字。

3 结语

针对一种双面开窗单面FPCB 制作难点，本文从镂空焊盘制作、铜面与覆盖膜结合强度、基板尺寸变化规律、覆盖膜对线路填充能力、字符结合强度等方面展开研究。研究表明，该双面开窗单面FPCB 制作工艺可行，产品耐弯折性能良好。使用挠性印制板可以降低电源模块的组装难度，节省空间。采用该方法加工的挠性板通过了导通、高温存储、气密性测试等试验，证明能够满足电源模块电气互连的需求。

参考文献

[1] 张怀武,何为,林金堵,等.现代印制电路原理与工艺[M].北京:机械工业出版,2010:216-218.

[2] 冯力.激光在刚挠结合板窗口及精细线路应用中的研究[D].成都:电子科技大学,2014:14-15.