柔性PCB一直是现代高密度电子设备的关键推动器,但实现这种高密度设备要求更薄的层和更细的走线。传统的三层柔性电路由铜、聚酰亚胺和黏合剂(bonding adhesives)组成,如今开始让位于更薄、更平滑的两层柔性电路。这种两层柔性电路取消了黏合剂——铜直接沉积在聚酰亚胺上面,因此厚度可以薄至30μm,走线间距小于15μm(0.6mil)。因此,在操作加工好的面板时必须特别小心,防止起皱、被拉伸或刮擦。 20170503flex-1 图1:用折叠式柔性电路连接手机中的电子元件

柔性电路所固有的精密物理特性向业界提出了一些关键的制造挑战,这些挑战解决不好就很可能对良率产生负面影响并对设计的可行性产生潜在影响。为了应对这些挑战,业界开发出了许多柔性支撑技术,这些技术不仅可以支持大规模的柔性印制电路(FPC)生产,而且可以确保高品质的良率和输出。越来越多的柔性电路供应商开始采纳先进的柔性制造技术来提高制造效率和良率,并保持低成本和市场竞争优势。

柔性印制电路的生产设计和制造有别于刚性PCB,在过去十年中,用于支持精密柔性PCB生产并且覆盖所有生产阶段的新方案层出不穷。传统片对片材料处理工艺的改进和最近的自动化卷对卷(R2R)工艺不断推动着柔性电路生产满足越来越高的市场需求。如果你的工作涉及柔性电路,下面介绍的一些技术你应该要知道。 20170503flex-2 图2:智能手机设计中的多个柔性电路

柔性CAM和CAD方案:更好地控制从设计到生产的整个过程

专门针对柔性电路开发的可制造性设计(DFM)软件工具有助于在设计阶段消除生产问题。这些先进的工具可用来实现人工编辑过程的全自动化,从而减少错误和关键的循环次数。在今天许多可用的柔性DFM工具中,有自动的连接点弯曲和表面平滑,也有自动的覆盖层和阻焊层优化,它们可以使得设计达到更快的速度、更高的质量和更高的精度。 20170503flex-3 图3:柔性印制电路面板的分析和生产优化(来源:Frontline PCB Solutions)

基于工具的柔性电路设计分析器可以提供更多的控制功能,它能帮助工程师在设计加工之前、期间和之后对设计进行检查。它们可以用来检查柔性电路板的结构约束条件,并报告与加强剂、空气间隙、预弯曲区域、经常移动的部件、导线重叠和连接以及阻导层有关的问题。 20170503flex-4 图4:典型的多层刚柔结合设计(来源:Frontline PCB Solutions)

可用于柔性印制电路设计的专用CAD和CAM工具有很多,比如Mentor Graphics公司的Xpedition、Frontline公司的GenFlex和InCAM Flex。

可实现高密度和高良率柔性面板的激光钻孔技术

激光钻孔与布线在柔性印制电路生产中很常见。在高密度柔性制造过程中,紫外线激光钻孔技术可以用来直接在铜和聚酰亚胺层上钻直径70μm以下的过孔。高精度激光钻孔能够捕获面板上的目标,精确地对齐钻孔位置,以确保过孔的最佳对准结果。激光机械装置也用于PCB中常见的精确精细布线和槽道切割。激光钻孔支持基于片材的生产,最近也被用于卷对卷生产模式。

激光直接成像:用于非平面柔性材料的精确和失真补偿

目前为止,先进的柔性电路供应商主要依靠激光直接成像(LDI)设备和基于片材的成像技术一起生产双面柔性、刚柔结合和多层柔性材料。LDI因具有以下特点有助于克服柔性生产挑战:

1.高精度的景深(DOF)光学:可以在表面不是很平以及表面高度变化在100μm到300μm之间的柔性材料上成像精细走线。具有大规模光学(LSO)技术的LDI可提供超过300μm的景深,因此可以确保在任何柔性表面上实现最佳走线质量和均匀性。景深小于100μm的其他较低精度成像光学架构形成的走线质量就较低,并且不均匀,最终会影响良率。

2.失真补偿:聚酰亚胺柔性材料在生产过程中容易变形和拉伸。为了补偿这种变化,每个柔性片都要经过测量,然后用补偿校正后的图像进行成像,才能确保精确地对齐图案和钻孔。只有具有高对准精度的数字直接成像解决方案才能根据每个测量过的片材修改和校正图案图像。这种方案可精确对准图案与过孔,支持小捕获焊盘和高密度,因而可实现高良率的柔性印制电路生产。

激光直接成像(LDI)已被用于80%以上片材方式的大规模精细走线柔性印制电路生产。在卷对卷生产基础设施中对LDI的需求也在不断增长,用于柔性卷轴的LDI技术正在开发中。

自动光学检查(AOI):实现更高水平的质量检查

大多数柔性印制电路产品是双面或单面的。一般来说,这些产品并不需要进行自动光学检查(AOI)。在过去5年中,精细走线柔性电路已经成为智能手机互连的主要部件,因此集成设备制造商要求对单面和双面柔性电路实现更高质量的控制,并使得AOI水平的检查成为强制要求。

聚酰亚胺基材是透明的,因此在检查方面极具挑战性。新开发出来的AOI检查工具具有多种成像功能,能够全面扫描柔性印制电路,确保通过全面检测不会从底部的图案层出现错误。

AOI通常涉及在检查和验证阶段进行面板片材的人工操作。这种手工方法存在操作方面的挑战,经常会损坏易碎的柔性印制电路片材,使得碎片显著增加。

柔性片材薄基材的自动处理是主要的技术挑战,因此转到卷对卷操作模式进行检查和验证的需求与日俱增。 20170503flex-5 图5:自动化的柔性卷自动光学检查系统

今天在亚太地区约有100个AOI系统使用卷对卷的检查和验证模式,主要用于智能手机的生产。这些AOI不仅用于单面和双面柔性电路,也用于刚性层和多层柔性电路的内层检查。

自动光学整形:通过恢复柔性印制电路碎片提高良率

由于精细走线双面柔性印制电路的基材只有30μm,因此缺陷的人工修复或返工在过去一直没能实现——有缺陷的柔性印制电路基本上直接被废弃。但在过去三年中,业界开发出了全自动的铜整形解决方案,可用于整形和挽救精细的柔性印制电路。这种自动化的光学整形解决方案使用先进的荧光成像和激光烧烛工具,它们在一个闭环的整形系统中联合工作,在事实上没有渗透的情况下就能消除细微的短路,而且不会损坏柔性印制电路。这些受损的柔性电路得到恢复,不再被抛弃,从而提高了最终良率,节省了显著的生产成本。最近在卷对卷模式中也实现了自动光学整形技术。

用于阻焊柔性层的直接成像(DI)

没有增强玻璃纤维的纤薄柔性产品在生产过程中容易移动和变形。这些变形在整个生产过程中不断累积,需要在阻焊阶段进行校正。这就解释了智能手机柔性印制电路的阻焊层越来越多地使用直接成像的原因,以及直接成像成为高良率、大批量柔性印制电路生产的一种可选解决方案的原因。

卷对卷处理:消除损坏

虽然片对片工艺的发展受到多步骤批量处理过程和小基板尺寸的阻碍,但卷对卷处理工艺支持高速、连续地处理通常100m长的长柔性卷筒。利用这种方法可以显著地提高生产效率,一卷长的连续生产卷筒可以生产出上万个小型柔性印制电路。卷对卷模式不仅可以适应单面和双面柔性电路,而且适应多层柔性电路的内层处理。 20170503flex-6 图6:高速连续卷对卷处理

卷对卷处理基础设施要求在所有上述生产设备的定制化以及包括化学生产线在内的其他工艺方面作出较大的提前资本投资。这种投资比片对片工艺要求的大得多,因此柔性电路供应商对卷对卷的接纳有所保留是可以理解的。然而,通过消除柔性电路操作损坏,使用卷对卷工艺获得更高质量和更高良率的好处使得它极具成本效益。

本文小结

柔性印制电路对于许多应用来说是无价之宝——更不用说现代智能手机了,在这些应用中柔性印制电路可以提供高水平的图案密度和互连折叠功能。这种技术支持高效的纤薄产品设计,而这样的设计是传统刚性PCB所无法实现的。但生产这些超薄、柔性和精密互连面临诸多的挑战。在整个生产过程中特别需要注意确保这些柔性电路带来的技术优势不会被低良率和低制造效率所冲淡,而后者最终会推高最终设备的成本。

利用高效率的卷对卷处理工艺和先进的激光钻孔、自动光学成像和直接成像技术,再加上针对柔性电路优化的软件工具,柔性电路供应商正在取得全新的规模经济效应,并为设计师提供在竞争激烈的市场中实现产品差异化所需的高度可靠的、高度通用的柔性电路。