柔性电路板，又称挠性板，是由在柔性介质表面制作有导体线路来组成，可以包含或不包含覆盖层。一般导体与柔性介质之间是用胶粘接的，尽管目前也有无胶铜箔材料。柔性板介质的介电常数比较低，可以给导体提供良好的绝缘和阻抗性能。同时柔性介质很薄并具有柔性，它同样具有良好的抗拉力、多功能性和散热性能。

不像普通PCB（硬板），FPC 能够以很多种方式进行弯曲、折叠或重复运动。为了挖掘FPC的全部潜能，设计者可以使用多种结构来满足各种需求，如单面板、双面板，多层板和软硬结合板等。

目前市场上存在两种类型的柔性板：印制（蚀刻）的和丝印的。丝印的柔性板又称聚合物厚膜（Polymer Thick Film，简称PTF）柔性板。与普通的印制蚀刻技术不一样，PTF 技术是采用其它工序直接在介质薄膜上丝印导电油墨作为导体。虽然PTF 柔性板的应用场合不断扩大（如很流行的薄膜开关），但是印制的柔性板还是这两种中使用广的。本设计规范中主要关注印制的柔性电路板（Flexible Printed Circuit，简称FPC）的结构和设计方法。本文中提到的柔性板也就是指柔性印制电路板。

 

   柔性板材料介绍

         在柔性板设计中，材料的类型和结构非常重要。它主要决定着柔性板的柔软性、电气特性和其它机械特性等；对柔性板的价格起着重要的作用。我们必须在设计图纸中规定好所有的材料。为了起到更好的说明作用，建议用横截面示意图来表示柔性板的层压结构。

 

 

      FPC 加工厂家可选的柔性覆铜介质和带胶的介质薄膜应该符合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 规范把各种材料按照自然特性分类出来。从众多材料中选择适合的材料必须考虑下列几点：

 

 

 

     

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 加工厂家必须依据成本、性能和可制造性来选择材料。

 

1.1 介质(Dielectrics)

 

      根据需求的不同，柔性电路板使用的板材也不一样。可以从应用的场合及成本等方面加以综合考虑。常用的有Polyimide（聚酰亚胺，分有胶和无胶）和Polyester（聚酯）。这几种材料的特性比较如下表所示：

 

	Polyester（有胶）	Polyimide（有胶）	Polyimide（无胶）
机械特性
柔软性（ 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/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˚（需要预烘烤）	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 几种常用基材特性比较

 

1.1.1 聚酰亚胺(Polyimide)

        聚酰亚胺（简称PI）是柔性电路加工中常用的热固化绝缘材料。材料的厚度范围一般是12.5μm(0.5mil) 和125μm(5mil) 。部分厂家可以提供7 mil厚度的，常用的规格是25μm(1mil) 和12.5μm(0.5mil) ，Polyimide 薄膜，比如DuPont（杜邦）公司的“Kapton®”薄膜，具有优异的柔软性能，良好的尺寸稳定性，可以工作在很宽的温度范围。而且，它还是阻燃材料，具有突出的抵抗焊接温度性能，在焊接条件下电性能丝毫无损。

 

1.1.2聚酯(Polyester)

      Polyester 是由polyethylene terephthalate（简写PET，聚对苯二甲酸乙二醇酯）来制成的，比如DuPont（杜邦）公司的“Mylar®”薄膜。它应用于柔性板的厚度范围一般是25μm（1mil）～125μm（5mil）。它和Polyimide 一样具有极好的柔软性和电气性能。但是它在制程过程的尺寸稳定性比Polyimide 的稍微差些。另外，它的抗撕裂能力也较差，对焊接温度也比较敏感。

 

1.2 导体

     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。特别是在动态使用情况下，柔性板不停地折叠或伸展，就需要具备有长疲劳寿命的薄的材料。柔性板导体一般有铜箔、铜镍合金和导电涂料等。

 

1.2.1 铜箔(Copper foil) 

        在柔性板中常用、经济的导体材料是铜箔。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，是采用电镀方式形成。其铜微粒结晶状态为垂直柱状，易在蚀刻时形成垂直的线条边缘，有利于精细线路的制作；但因为柱状结构易发生断裂，所以在经常弯曲时容易断裂

         压延铜箔，是柔性板制造中使用多的铜箔。其铜微粒结晶呈水平轴状结构，它比电解铜更能适应多次重复挠曲。但是因为压延铜表面比较光滑，在粘胶的那一面需要特殊处理。

 

图2 电解铜和压延铜微粒结晶结构示意图

 

1.2.2 其它导体

        除了铜箔以外，柔性板的其它导体材料还有铜镍合金（比如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

 

1.3 胶(Adhesive)

     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 加工中简单和的胶。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。

 

1.4 无胶压合材料(Adhesiveless Laminates)

     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。

 

1.5 覆盖层(Cover Layer)

     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。

 

1.6补强板(Stiffener) 

     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。

 

 

  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。

 

2.1安装方式

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 叠层、阻抗、屏蔽要求

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。

 

2.3 时序分析、信号质量，串扰要求

     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。

 

2.4 导电能力要求

   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。

 

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。

2.6 环保要求

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。