如何為您的柔性 PCB 設計選擇最佳材料
1 分鐘
軟性印刷電路板(Flex PCB)徹底改變了電子產業。如今我們能將電路裝進極為小巧、輕薄且可撓的外殼中。從穿戴式裝置、醫療植入物到航太系統,FPC 無所不在。這些電路仰賴特殊材料,在機械可撓性與電氣性能之間取得完美平衡。
設計 Flex PCB 時,選擇合適的 基材、膠黏劑與保護塗層組合至關重要。剛性 PCB 的知識已相當成熟,相關資料豐富,但 FPC 設計領域仍缺乏完整資訊。材料本身就是電路的骨幹,直接影響其可靠度。本文將探討最常用的材料,並提供選材指南,協助您依應用需求做出最佳決策。
1. 基材:可撓性的根基
基材是 Flex PCB 的基礎層,也就是軟性電路中「軟」的關鍵。它支撐銅導線,並決定電路板的機械與熱性質。FPC 主要使用三大類材料:
1) 聚醯亞胺(PI):業界標準
2) 聚酯(PET):高性價比替代方案
3) PTFE(鐵氟龍)與 LCP(液晶高分子)
1) 聚醯亞胺(PI):
如同 FR4 在 剛性 PCB 中佔據七成市場並成為低成本與業餘製作的業界標準,聚醯亞胺在 FPC 中也扮演相同角色。憑藉優異的可撓性、耐熱性與介電特性,PI 是 Flex PCB 最廣泛使用的基材,常見於低頻消費電子。主要優點如下:
⦁ 高耐溫(短期可達 260°C)
⦁ 優異的尺寸穩定性
⦁ 良好的化學與溶劑耐受性
2) 聚酯(PET):
聚酯成本比 PI 低,適合要求不高的應用。多用於已完全優化的電路以降低生產成本。耐熱性較低(熔點約 260°C),高溫銲接製程受限。常見應用:穿戴式裝置、拋棄式電子、低功耗感測器。
主要優點:
⦁ 良好介電特性
⦁ 低吸濕
⦁ 大量低成本應用的高性價比選擇
3) PTFE(鐵氟龍)與 LCP(液晶高分子):
PTFE 擁有最佳介電性能,也是價格最高的材料,僅用於高頻訊號完整性或極端化學耐受性的利基應用,多見於研究、航太與醫療植入。與另兩種材料的全方位比較表已列於首段。
2. 膠黏系統:層間結合的關鍵
膠黏劑用於將銅箔貼合至基材,並固定覆蓋膜與補強板。膠的選擇不僅影響接著強度,也關乎可撓性與熱穩定性。以下三種膠/製程最為常見:
⦁ 壓克力膠
⦁ 環氧膠
⦁ 無膠製程
1) 壓克力膠:
壓克力膠為熱塑性或熱固性壓克力樹脂系統,在軟板製程中常用於將銅箔貼合至聚醯亞胺或聚酯基材。常見於一般工業與消費性軟板,但易釋氣並可能吸濕。主要優點:
⦁ 優異接著力與可撓性
⦁ 耐熱可達約 150°C
2) 環氧膠:
用於高耐熱與化學耐久性的關鍵場合。接著強度高,可耐 180°C 以上,適合嚴苛環境。主要優點:
⦁ 熱穩定性高於壓克力
⦁ 良好的化學與溶劑耐受性
3) 無膠製程:
在高可靠度應用中,製造商採用無膠基材,透過鑄造或濺鍍將銅直接貼合至基材。精度高但成本高,用於高密度 PCB 與細間距焊墊。優點包括:
⦁ 更薄結構
⦁ 更佳尺寸穩定性
⦁ 高速電路訊號完整性更佳
3. 保護塗層:覆蓋膜與保護膜
覆蓋膜作為保護層,可絕緣並隔絕銅電路免受環境損害。軟板通常使用覆蓋膜而非傳統防銲漆。兩種覆蓋膜塗層如下:
⦁ 聚醯亞胺覆蓋膜+膠
⦁ 液態感光防銲漆(LPI)
1) 聚醯亞胺覆蓋膜+膠
預塗膠的聚醯亞胺薄膜,提供優異機械強度與絕緣性,可承受反覆撓折不破裂。
2) 液態感光防銲漆(LPI)
LPI 類似剛性板的防銲漆,但已針對軟板調整,相容自動化 PCB 製程,易於細間距元件應用。
4. 選材其他考量
熱需求:
選擇能承受熱循環與長時間高溫的材料。聚醯亞胺與環氧系統通常表現良好。
機械撓折:
FPC 的撓折次數與時間很重要;動態撓折應用需薄且高可撓基材,靜態撓折設計則可用較厚結構。
電氣性能:
高速訊號完整性應用須選低介電損耗材料。高頻與阻抗控制設計可受益於 PTFE 等低介電常數材料。
結語:
Flex PCB 的材料選擇並非一體適用。從穿戴式到航太,每種應用對可撓性、熱議題與訊號完整性都有獨特要求。選對基材、膠黏劑與保護層是電子工程師的核心任務之一。透過理解各種材料的優缺點,工程師能設計出不僅符合、更能超越預期表現的 Flex PCB。
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