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PCB柔性電路板制作工藝

  • 2025-07-07 10:57:00
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在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代,電子產(chǎn)品正朝著越來越輕薄、小巧且功能強(qiáng)大的方向演進(jìn)。從可穿戴設(shè)備貼合手腕的舒適設(shè)計(jì),到折疊屏手機(jī)實(shí)現(xiàn)便攜與大屏顯示的完美融合,從醫(yī)療設(shè)備中可彎曲的傳感器精準(zhǔn)貼合人體部位,到汽車內(nèi)部復(fù)雜布線的精簡與高效,背后都離不開一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù) ——PCB 柔性電路板。

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一、材料選擇:奠定柔性電路板的性能基石

(一)柔性基材抉擇

聚酰亞胺(PI):聚酰亞胺堪稱柔性電路板基材中的 “明星材料”。它具有卓越的耐高溫性能,能在 - 200℃至 300℃的極端溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,這一特性使其在航空航天、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)周邊電子設(shè)備等高溫環(huán)境應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色。例如,在飛機(jī)的航空電子系統(tǒng)中,大量使用 PI 基材的柔性電路板,確保設(shè)備在高空低溫以及發(fā)動(dòng)機(jī)附近高溫等復(fù)雜環(huán)境下可靠運(yùn)行。PI 還具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性,耐酸堿腐蝕,能夠有效抵御電子產(chǎn)品在使用過程中可能接觸到的各種化學(xué)物質(zhì)侵蝕。其出色的機(jī)械強(qiáng)度,賦予了柔性電路板良好的柔韌性和抗拉伸能力,多次彎折后依然能保持結(jié)構(gòu)完整和電氣性能穩(wěn)定。不過,PI 也并非十全十美,它的撕裂強(qiáng)度相對(duì)較低,在加工過程中需要特別小心操作,且吸濕率較高,這可能會(huì)對(duì)其電氣性能產(chǎn)生一定影響,因此在儲(chǔ)存和使用過程中要注意防潮。

聚酯(PET):聚酯薄膜也是常用的柔性基材之一。與 PI 相比,PET 價(jià)格更為親民,這使得它在一些對(duì)成本敏感、性能要求相對(duì)不那么嚴(yán)苛的消費(fèi)電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用,如普通的電子玩具、部分可穿戴設(shè)備的簡單連接線路等。PET 具有良好的電氣絕緣性能,能夠有效防止電路短路。其機(jī)械性能適中,具備一定的柔韌性,能滿足一般的彎曲需求。然而,PET 的耐熱性較差,不適合在高溫環(huán)境下直接焊接,這在一定程度上限制了它的應(yīng)用范圍。

其他新興材料:隨著科技的不斷進(jìn)步,一些新興的柔性基材也逐漸嶄露頭角。液晶聚合物(LCP)便是其中之一,它在保持 PI 諸多特性的同時(shí),克服了 PI 的部分缺點(diǎn)。LCP 具有極低的吸濕率,僅為 0.04%,這使得它在潮濕環(huán)境下能更好地保持電氣性能穩(wěn)定。在 1GHz 頻率下,其介電常數(shù)為 2.85,這一特性使其在高速數(shù)字電路和高頻 RF 電路中表現(xiàn)卓越,如 5G 通信設(shè)備中的射頻連接部分。此外,LCP 的熔融形式(TLCP)可以注塑成型并壓制成柔性 PCB 基板,且具有可回收性,符合當(dāng)下環(huán)保理念。

(二)導(dǎo)電材料選用

銅箔類型與特性:銅箔作為柔性電路板中導(dǎo)電線路的核心材料,其質(zhì)量和特性對(duì)電路性能影響重大。常見的銅箔有軋制退火(RA)銅箔和電沉積(ED)銅箔。ED 銅箔通過電解法從 CuSO?溶液中制得,將 Cu2?浸入旋轉(zhuǎn)的陰極輥中并剝離而成。它具有良好的導(dǎo)電性,在對(duì)導(dǎo)電性能要求極高的電路中,如高速信號(hào)傳輸線路,ED 銅箔是理想選擇。而 RA 銅箔則是通過對(duì)高純度銅(>99.98%)進(jìn)行加壓工藝制成,其延展性極佳,在需要頻繁彎折的柔性電路板部分,如可折疊電子設(shè)備的彎折連接處,RA 銅箔能更好地適應(yīng)彎折需求,減少因彎折導(dǎo)致的線路斷裂風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中,需根據(jù)電路的具體功能和使用場景,權(quán)衡選擇合適的銅箔類型。

銅箔厚度考量:銅箔的厚度也是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)于一般的信號(hào)傳輸線路,9μm 至 35μm 厚度的銅箔較為常見,能夠滿足大多數(shù)常規(guī)電路的電氣性能要求。但當(dāng)涉及到大電流傳輸?shù)碾娐罚珉娫措娐?,為了降低線路電阻,減少發(fā)熱,可能需要使用更厚的銅箔,如 70μm 甚至更厚。例如,在電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)中,由于需要傳輸較大的電流,采用較厚銅箔制成的柔性電路板能夠確保電力傳輸?shù)母咝Ш头€(wěn)定。

(三)絕緣與覆蓋材料

覆蓋膜(Coverlay):覆蓋膜是柔性電路板表面的重要保護(hù)材料,主要由聚酰亞胺薄膜和熱固性環(huán)氧粘合劑組成。它如同柔性電路板的 “防護(hù)服”,具有出色的耐熱性能,能在高溫環(huán)境下保護(hù)電路不受損傷。同時(shí),它還是良好的電絕緣體,有效防止線路之間的漏電現(xiàn)象。覆蓋膜的柔韌性使其能夠緊密貼合在柔性電路板表面,即使電路板發(fā)生彎折,也能始終保持保護(hù)作用。在一些特殊應(yīng)用中,還會(huì)使用光成像覆蓋膜(PIC),它具有更強(qiáng)的粘合力和良好的抗撓性,且相對(duì)環(huán)保,但缺點(diǎn)是耐熱性稍差,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)較低。

柔性阻焊油墨:柔性阻焊油墨也是常用的絕緣覆蓋材料。它通過印刷的方式涂覆在柔性電路板表面,能夠精確地覆蓋不需要焊接的區(qū)域,防止焊接過程中出現(xiàn)短路現(xiàn)象。與覆蓋膜相比,柔性阻焊油墨成本較低,且在一些對(duì)空間要求極為苛刻的應(yīng)用場景中,能以更薄的厚度實(shí)現(xiàn)絕緣保護(hù)功能。不過,其機(jī)械強(qiáng)度和長期耐彎折性能相對(duì)覆蓋膜略遜一籌,在需要頻繁彎折的部位,可能需要與其他材料配合使用,以確保長期的可靠性。

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二、制作流程:多道工序精雕細(xì)琢出精品

(一)開料與預(yù)處理

尺寸裁剪:根據(jù)設(shè)計(jì)要求,將成卷的柔性基材裁剪成合適的尺寸。這一步看似簡單,卻對(duì)精度要求極高。因?yàn)槌叽绲钠羁赡軙?huì)導(dǎo)致后續(xù)加工過程中出現(xiàn)對(duì)位不準(zhǔn)等問題,影響整個(gè)柔性電路板的質(zhì)量。例如,在制作智能手機(jī)內(nèi)部的柔性電路板時(shí),尺寸精度要求通常控制在 ±0.1mm 以內(nèi),以確保其能與手機(jī)內(nèi)部的其他部件完美適配。

表面清潔與粗化:裁剪后的柔性基材表面可能存在油污、灰塵等雜質(zhì),這些雜質(zhì)會(huì)影響后續(xù)材料之間的粘附力。因此,需要通過化學(xué)清洗、超聲波清洗等方法對(duì)其進(jìn)行徹底清潔。同時(shí),為了增強(qiáng)基材與銅箔或其他后續(xù)添加材料的結(jié)合力,還會(huì)對(duì)基材表面進(jìn)行粗化處理,通過化學(xué)蝕刻或機(jī)械打磨等方式,使基材表面形成微觀的粗糙結(jié)構(gòu),增大表面積,從而提高粘附效果。

(二)鉆孔與金屬化孔處理

鉆孔工藝:在柔性電路板上鉆孔是為了實(shí)現(xiàn)不同層之間的電氣連接以及安裝電子元件。由于柔性電路板的材料柔軟,在鉆孔過程中容易出現(xiàn)膠渣殘留、孔壁粗糙等問題。為了解決這些問題,通常采用排屑能力強(qiáng)的機(jī)械鉆機(jī),并配合特殊的鉆頭和鉆孔參數(shù)。對(duì)于一些超小孔徑(小于 0.3mm)的鉆孔需求,激光鉆孔技術(shù)則更為適用。激光鉆孔能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的微孔加工,孔壁光滑,對(duì)周圍材料的損傷小。例如,在高密度互連(HDI)的柔性電路板中,大量采用激光鉆孔技術(shù)制作微孔,實(shí)現(xiàn)了更密集的電路連接。

金屬化孔處理:對(duì)于雙面、多層或剛撓結(jié)合板等需要進(jìn)行金屬化處理的柔性電路板,在鉆孔后需要進(jìn)行一系列工序,以在孔壁上形成均勻的金屬鍍層。首先進(jìn)行等離子處理,利用等離子體的高能粒子轟擊孔壁,去除孔壁上的有機(jī)物和雜質(zhì),同時(shí)使孔壁表面活化。接著進(jìn)行化學(xué)除膠渣,進(jìn)一步清除鉆孔過程中產(chǎn)生的膠渣,確保孔壁清潔。然后進(jìn)行化學(xué)沉銅,通過化學(xué)反應(yīng)在孔壁上沉積一層極薄的銅層,使原本絕緣的孔壁具有導(dǎo)電性。最后進(jìn)行電鍍銅,通過電解反應(yīng),將銅離子沉積在化學(xué)沉銅層上,進(jìn)一步加厚銅層,以滿足電氣連接和機(jī)械強(qiáng)度的要求。一般來說,柔性電路板孔壁的銅層厚度要求不低于 0.2mm,以確??煽康碾姎膺B接。

(三)圖形轉(zhuǎn)移:電路圖案的精準(zhǔn)復(fù)制

干膜法:干膜是圖形轉(zhuǎn)移過程中常用的材料。首先將干膜(光致抗蝕劑)緊密貼合在柔性電路板表面,通過熱壓的方式使其與基材充分粘附。然后,利用帶有電路圖案的底片,通過曝光機(jī)的紫外光照射,使干膜發(fā)生光聚合反應(yīng)。在曝光過程中,底片上透光部分的干膜會(huì)發(fā)生光聚合反應(yīng),而被底片黑色區(qū)域覆蓋的干膜則不會(huì)反應(yīng)。接著,使用顯影液將未發(fā)生光聚合反應(yīng)的干膜沖洗掉,這樣就在柔性電路板表面留下了與底片圖案一致的干膜保護(hù)區(qū)域,這些區(qū)域?qū)⒃诤罄m(xù)的蝕刻過程中保護(hù)下面的銅箔不被蝕刻掉。干膜對(duì)制程變異和臟污有較高的容忍度,操作相對(duì)簡單,因此在柔性電路板制造中被廣泛應(yīng)用。

光刻膠法:光刻膠法與干膜法原理類似,但光刻膠是一種液態(tài)的光敏材料,通過旋涂、噴涂等方式均勻地涂布在柔性電路板表面。經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮婵荆构饪棠z初步固化。同樣利用帶有電路圖案的掩模進(jìn)行曝光,曝光后通過顯影液顯影,去除未曝光部分的光刻膠,留下固化的光刻膠圖案,以此作為后續(xù)蝕刻的抗蝕層。光刻膠法能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的圖形轉(zhuǎn)移,適用于制作線寬 / 線距極小的精細(xì)電路圖案,如在高端芯片封裝用的柔性電路板制作中,常采用光刻膠法進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移。

(四)蝕刻與退膜:塑造電路的精細(xì)線條

蝕刻工藝:圖形轉(zhuǎn)移完成后,進(jìn)入蝕刻環(huán)節(jié)。蝕刻是通過化學(xué)反應(yīng)將不需要的銅箔去除,留下設(shè)計(jì)所需的導(dǎo)電線路圖案。常用的蝕刻液有酸性氯化銅蝕刻液、堿性蝕刻液等。酸性氯化銅蝕刻液蝕刻速度快,蝕刻質(zhì)量好,但對(duì)設(shè)備有一定腐蝕性;堿性蝕刻液則相對(duì)環(huán)保,但蝕刻速度相對(duì)較慢。在蝕刻過程中,需要精確控制蝕刻液的濃度、溫度、蝕刻時(shí)間以及噴淋壓力等參數(shù)。例如,將酸性氯化銅蝕刻液的溫度控制在 45℃ - 55℃,濃度保持在特定范圍內(nèi),通過精確控制噴淋壓力和速度,能夠確保蝕刻過程均勻、穩(wěn)定,避免出現(xiàn)蝕刻過度或不足的情況,使線路邊緣整齊、光滑,無毛刺和殘留銅箔。

退膜處理:蝕刻完成后,需要將作為抗蝕層的干膜或光刻膠去除,這一過程稱為退膜。退膜通常使用專門的退膜液,通過浸泡、噴淋等方式,使退膜液與干膜或光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將其溶解并沖刷掉。退膜完成后,再經(jīng)過水洗和干燥等步驟,使柔性電路板表面清潔,為后續(xù)工序做好準(zhǔn)備。

(五)表面處理:提升電路板的可靠性與可焊性

化學(xué)鍍金:化學(xué)鍍金是在柔性電路板表面通過化學(xué)方法沉積一層金。金具有良好的導(dǎo)電性、可焊性和抗腐蝕性,能為高精度的電子元件提供可靠的焊接連接。在一些高端電子產(chǎn)品,如醫(yī)療精密儀器、航空航天設(shè)備的柔性電路板制造中,常采用化學(xué)鍍金工藝?;瘜W(xué)鍍金層厚度一般在 0.05μm - 0.15μm 之間,既能滿足電氣性能要求,又不會(huì)因金層過厚導(dǎo)致成本過高。

鍍鎳:鍍鎳也是一種常見的表面處理方式。鎳層具有一定的硬度和耐磨性,能夠保護(hù)下面的銅層不被氧化和腐蝕。同時(shí),鎳層可以作為金層或其他金屬層的底層,提高后續(xù)金屬層的附著力。在一些對(duì)可焊性要求不是特別高,但需要較好的耐磨性和耐腐蝕性的應(yīng)用場景中,如汽車電子中的部分傳感器連接線路,會(huì)采用鍍鎳工藝。鍍鎳層厚度通常在 3μm - 5μm 之間。

沉錫:沉錫工藝相對(duì)簡單,成本較低。通過化學(xué)反應(yīng),在柔性電路板表面沉積一層錫。錫具有良好的可焊性,能夠滿足大多數(shù)常規(guī)焊接的需求。然而,錫層在高溫高濕環(huán)境下容易出現(xiàn) “錫須” 現(xiàn)象,即錫層表面生長出細(xì)小的錫絲,可能會(huì)導(dǎo)致電路短路。因此,沉錫工藝適用于對(duì)成本敏感且使用環(huán)境相對(duì)較好的電子產(chǎn)品,如一些消費(fèi)類電子設(shè)備的內(nèi)部連接線路。沉錫層厚度一般在 0.8μm - 1.2μm 之間。

(六)貼覆保護(hù)膜與補(bǔ)強(qiáng)

保護(hù)膜貼覆:為了保護(hù)柔性電路板上的線路免受外界機(jī)械損傷、氧化以及化學(xué)物質(zhì)侵蝕,需要在蝕刻和退膜完成后貼覆保護(hù)膜。保護(hù)膜可以是之前提到的覆蓋膜,也可以是其他具有保護(hù)性能的材料。在貼覆過程中,要確保保護(hù)膜與電路板表面緊密貼合,無氣泡、褶皺等缺陷。對(duì)于需要安裝電子元件的區(qū)域,要精確地留出相應(yīng)的窗口,以便后續(xù)元件焊接。

補(bǔ)強(qiáng)處理:在柔性電路板的一些關(guān)鍵部位,如與連接器連接的區(qū)域、經(jīng)常彎折的部位等,需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理,以增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度,防止在使用過程中出現(xiàn)斷裂等問題。常用的補(bǔ)強(qiáng)材料有聚酰亞胺薄膜、玻璃纖維增強(qiáng)塑料(FR - 4)等。通過在這些關(guān)鍵部位粘貼補(bǔ)強(qiáng)材料,并經(jīng)過適當(dāng)?shù)膲汉咸幚?,使其與柔性電路板牢固結(jié)合,提高整個(gè)電路板的可靠性。

(七)壓合(若有多層結(jié)構(gòu))

對(duì)于多層柔性電路板或剛撓結(jié)合板,需要進(jìn)行壓合處理。在潔凈室內(nèi),將經(jīng)過前面工序處理好的線路層、覆蓋膜、補(bǔ)強(qiáng)材料以及粘合劑等材料按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行預(yù)疊放。然后,通過高溫高壓處理,使粘合劑融化并流動(dòng),填充材料之間的間隙,將各層材料牢固地壓合成一個(gè)整體。壓合過程中,溫度、壓力和時(shí)間的控制至關(guān)重要。一般來說,壓合溫度在 150℃ - 200℃之間,壓力在 5MPa - 10MPa 之間,壓合時(shí)間根據(jù)材料厚度和設(shè)備性能在數(shù)分鐘到數(shù)十分鐘不等。通過精確控制這些參數(shù),確保壓合后的電路板層間結(jié)合緊密,無分層、氣泡等缺陷,滿足電氣性能和機(jī)械性能要求。

(八)文字制作與標(biāo)識(shí)

在柔性電路板表面絲印文字和標(biāo)記符號(hào),這些文字和符號(hào)包括元件標(biāo)識(shí)、產(chǎn)品型號(hào)、生產(chǎn)日期、版本號(hào)等信息。它們對(duì)于后續(xù)產(chǎn)品的識(shí)別、組裝、調(diào)試以及維修都具有重要意義。文字制作通常采用絲網(wǎng)印刷工藝,將帶有文字圖案的絲網(wǎng)模板覆蓋在電路板表面,通過刮板將油墨擠壓通過絲網(wǎng),在電路板上留下清晰的文字和標(biāo)記。油墨要選擇具有良好附著力、耐磨損和耐化學(xué)腐蝕性能的類型,以確保文字和標(biāo)記在長期使用過程中不會(huì)褪色或模糊。

(九)電氣測試與質(zhì)量檢測

電氣性能測試:電氣性能測試是確保柔性電路板質(zhì)量的核心環(huán)節(jié)。通過專業(yè)的測試設(shè)備,對(duì)柔性電路板的線路導(dǎo)通性、絕緣電阻、阻抗等參數(shù)進(jìn)行全面檢測。導(dǎo)通性測試用于檢查線路是否存在斷路情況,確保電流能夠順利通過;絕緣電阻測試則是檢測不同線路之間、線路與基板之間的絕緣性能,防止漏電現(xiàn)象發(fā)生。對(duì)于高速信號(hào)線路,阻抗匹配至關(guān)重要,需使用阻抗分析儀等設(shè)備,精確測量線路的特性阻抗,確保其與信號(hào)源和負(fù)載的阻抗相匹配,減少信號(hào)反射和損耗。例如,在 5G 通信設(shè)備的柔性電路板制造中,要求高速信號(hào)線路的阻抗誤差控制在 ±10% 以內(nèi),以保障信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。

外觀檢測:外觀檢測主要通過人工目檢或自動(dòng)光學(xué)檢測(AOI)設(shè)備,對(duì)柔性電路板的表面進(jìn)行仔細(xì)檢查。查看線路是否清晰、完整,有無短路、斷路、蝕刻過度或不足等現(xiàn)象;阻焊層是否均勻,有無氣泡、針孔;文字絲印是否清晰、準(zhǔn)確,位置是否正確等。任何外觀上的缺陷都可能影響柔性電路板的性能和可靠性,必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。AOI 設(shè)備具有檢測速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn),能夠快速掃描整個(gè)電路板表面,通過圖像識(shí)別算法檢測出各種外觀缺陷。

可靠性測試:可靠性測試用于模擬柔性電路板在實(shí)際使用過程中可能面臨的各種環(huán)境條件,檢驗(yàn)其長期穩(wěn)定性和可靠性。常見的可靠性測試包括高溫存儲(chǔ)測試、高低溫循環(huán)測試、濕熱測試、彎折測試等。高溫存儲(chǔ)測試將柔性電路板放置在高溫環(huán)境(如 125℃)下存儲(chǔ)一定時(shí)間(如 1000 小時(shí)),觀察其性能是否發(fā)生變化,以評(píng)估其在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性;高低溫循環(huán)測試則讓柔性電路板在高溫(如 85℃)和低溫(如 - 40℃)之間反復(fù)循環(huán),測試其在溫度劇烈變化環(huán)境下的適應(yīng)能力;濕熱測試通過將柔性電路板置于高溫高濕環(huán)境(如溫度 85℃、濕度 85% RH)中,檢測其抗潮濕和耐腐蝕性能;彎折測試則模擬柔性電路板在使用過程中的彎折情況,通過反復(fù)彎折一定次數(shù),觀察線路是否出現(xiàn)斷裂、開路等問題,評(píng)估其耐彎折性能。不同應(yīng)用場景的柔性電路板對(duì)可靠性測試的要求不同,例如,可穿戴設(shè)備中的柔性電路板由于需要頻繁彎折,對(duì)彎折測試的要求更為嚴(yán)格,一般要求能夠承受數(shù)萬次甚至數(shù)十萬次的彎折而不出現(xiàn)性能下降。

(十)成型與最終檢驗(yàn)

成型工藝:根據(jù)客戶的最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求,將大尺寸的柔性電路板加工成特定的形狀