數(shù)字家電制品fpc技術(shù)的新進(jìn)展

數(shù)字家電制品fpc技術(shù)的新進(jìn)展

1fpc的要求特性隨著數(shù)字家電產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)，如電話、數(shù)字視頻攝影、數(shù)字音韻攝像頭、數(shù)聲燈、多媒體視頻錄制等。fpc在這些產(chǎn)品的內(nèi)部線上的應(yīng)用非常普遍。傳統(tǒng)的FPC一般用作主板之間的跨接線，然而近年來由于保持反復(fù)彎曲的驅(qū)動(dòng)器功能的需要，多層化布線密度的提高，安裝半導(dǎo)體器件、微小芯片元件和連接器的功能模組等，使FPC制品形態(tài)或者用途也發(fā)生了很大變化，迫切要求高密度化和高性能化。圖1描繪了對(duì)于FPC的要求特性的模式。本文就FPC的最新技術(shù)動(dòng)向，F(xiàn)PC的開發(fā)狀況和今后的課題等加以敘述。2圖形形成工藝的探討目前FPC的制造方法一般采用減成法（substracttype），以聚酰亞胺樹脂和銅箔層壓而成的覆銅箔板（CCL,coppercladlaminate）為出發(fā)材料，依次經(jīng)過貼膜（感光性干膜），與負(fù)片掩膜位置重合以后曝光、顯影、蝕劑銅箔等制造工程而形成圖形。聚酰亞胺膜厚度一般為25μm，要求高彎曲特性的設(shè)計(jì)時(shí)可以采用12.5μm的聚酰亞胺膜，另一方面，線路導(dǎo)體的銅箔厚度根據(jù)間距而使用35μm、17.5μm、12μm、9μm、5μm等不同厚度的銅箔。由于減成法是采用濕式蝕劑溶解銅箔的工藝，導(dǎo)體寬度與高度之比（aspect）越大，工藝越難以穩(wěn)定，因此銅箔越薄越有利。為了兼顧高彎曲性和精細(xì)間距化，F(xiàn)PC的厚度將會(huì)愈來愈薄。近年來圖形的最小節(jié)距，一般100μm的單面板為50μm以下，一般200μm的雙面板為100μm以下。采用薄的CCL生產(chǎn)FPC時(shí)，不會(huì)發(fā)生折斷和損傷等不良品的量產(chǎn)工程設(shè)計(jì)非常重要，尤其是搬運(yùn)傳送等處理工藝務(wù)必仔細(xì)。此外精細(xì)節(jié)距FPC設(shè)計(jì)時(shí)，由于導(dǎo)體截面積減少而產(chǎn)生的容許電流值降低必須予以注意，尤其要留意由于導(dǎo)體電阻增大而引起的電壓下降或者溫度上升。雙面板的表面（F面）和背面（B面）的銅箔間導(dǎo)通是必要的，一般以貫通孔（TH,through-hole）工藝和激光導(dǎo)通孔（LVH,laserviahole）工藝為主流。在TH工藝中，采用雙面銅箔的狀態(tài)，經(jīng)過鉆孔貫通CCL，在孔壁上鍍Cu而獲得層間導(dǎo)通。在LVH工藝中，采用蝕劑法除去F面銅箔的孔部銅箔以后，僅僅在聚酰亞胺膜上使用激光鉆孔，然后與TH工藝同樣施行孔內(nèi)壁上鍍Cu而獲得層間導(dǎo)通。照片1表示了TH工藝和LVH工藝的截面狀態(tài)。LVH工藝中使用激光鉆孔有利于實(shí)現(xiàn)小徑化，尤其是如果僅僅在F面鍍Cu而獲得層間導(dǎo)通，那么B面銅箔可以維持極薄，有利于形成精細(xì)線圖形。采用TH工藝的孔徑為0.3mm，采用LVH工藝的孔徑為0.1mm。不過最近有了很大的進(jìn)步，采用TH工藝的孔徑為0.1mm，采用LVH工藝的孔徑為0.05mm。由于采用TH工藝和LVH工藝形成的層間導(dǎo)通孔部位存在空隙，就可靠性的觀點(diǎn)而言最好不要在這里安裝元件，因此希望開發(fā)沒有空隙的表面平坦的層間導(dǎo)通技術(shù)。雖然已經(jīng)研究了鍍層或者導(dǎo)電膠填充導(dǎo)通孔和Cu凸塊金屬結(jié)合等技術(shù)，但是現(xiàn)在都處于開發(fā)階段，如何采用適宜的制造技術(shù)仍然是今后的課題。在圖形形成方法中，采用取代減成法的稱為半加成法（semi-additivetype）的工藝制造的FPC已經(jīng)問世。半加成法是在聚酰亞胺膜上形成導(dǎo)電性金屬層，再鍍Cu成長(zhǎng)圖形的技術(shù)。與減成法相比，由于半加成法采用鍍Cu形成Cu圖形，可以形成精細(xì)節(jié)距高板厚/孔徑比（aspect）的優(yōu)良圖形，然而控制鍍層厚度的面內(nèi)波動(dòng)度或者圖形表面的平坦化等量產(chǎn)化技術(shù)十分重要。圖2比較了減成法和半加成法的工藝流程。3反復(fù)彎曲試驗(yàn)FPC最大特點(diǎn)的彎曲性（耐折性）隨著使用環(huán)境或者使用方法的變化而出現(xiàn)了新的課題。高彎曲性FPC用于音頻或者PC的CD/DVD/HDD的檢驗(yàn)（傳感）頭（pick-uphand），但是隨著汽車導(dǎo)航系統(tǒng)（carnvigationsystem）等的普及，車載用途迅速增加。與家庭環(huán)境相比，車載環(huán)境經(jīng)受嚴(yán)酷的高溫狀態(tài)，特別是HDD裝置的自身驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的溫度上升可達(dá)60℃，因此在這種包括環(huán)境溫度在內(nèi)的高溫狀態(tài)下要求FPC具有優(yōu)良的彎曲特性。為了進(jìn)行HDD檢拾頭用的FPC的彎曲性評(píng)價(jià)，采用反復(fù)彎曲實(shí)驗(yàn)的情況較多。圖3表示了反復(fù)彎曲實(shí)驗(yàn)方法。把試樣固定在支持板和可動(dòng)板上，采用高速進(jìn)行彎曲，彎曲半徑為3mm，彎曲速度一般為1500次/min，彎曲壽命要求1000萬次～10億次。影響FPC的彎曲性的主要原因之一是粘結(jié)劑的玻璃化溫度（Tg）。粘結(jié)劑是基材CCL的銅箔與聚酰亞胺粘合的材料，如果在Tg以上的溫度下粘結(jié)劑軟化，那么彎曲性就會(huì)劣化。圖4表示了反復(fù)彎曲試驗(yàn)結(jié)果，比較了傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)型制品與為高溫彎曲用途而開發(fā)的高Tg型制品的特性。由圖4可知，常溫下彎曲試驗(yàn)結(jié)果差別不大，然而在高溫下則會(huì)產(chǎn)生顯著不同。由于標(biāo)準(zhǔn)型制品的Tg是在試驗(yàn)溫度以下，因此在試驗(yàn)溫度氣氛下粘結(jié)劑發(fā)生軟化，彎曲特性就會(huì)劣化。最近開發(fā)了磁盤尺寸1英寸以下的小型HDD裝置,如果設(shè)法裝配到可動(dòng)終端上,則要求HDD裝置的低功率消耗。由此可見,FPC不僅要求高彎曲特性,而且還要求即使微小電流也容易控制,必須考慮到回跳特性低的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在用于彎曲用途的FPC又有了許多新的應(yīng)用，例如折疊型攜帶電話的液晶顯示與電鍵開關(guān)部連接的合葉（kinge）用FPC。合葉用FPC雖然無須HDD頭部那樣的高溫高速的彎曲性，但是需要0～170°的寬范圍彎曲性。尤其是代表性的稱為α卷的書卷彎曲時(shí)，這種用途的評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法非常重要。照片2表示了制作的特殊彎曲試驗(yàn)機(jī)，它采用接近于實(shí)機(jī)的模擬動(dòng)作進(jìn)行評(píng)價(jià)，活葉部?jī)?nèi)徑6mm以內(nèi)卷纏時(shí)，要求彎曲壽命大約為10萬～20萬次。最近由于液晶顯示的高精細(xì)化或者高像（相）素?cái)z像的采用等，活葉部通過的信號(hào)越來越多，然而活葉部容許的FPC的空間只不過數(shù)毫米，因此如果不使用雙面板再加上精細(xì)線化FPC，那么就無法布線。但是如果彎曲雙面板，由于F/B面的圖形同時(shí)發(fā)生拉伸和收縮的應(yīng)力。為了提高彎曲性，提出了特殊材料要求的新課題，例如提出了在兩枚單面板粘合的彎曲部之間保持空隙，以便緩和彎曲時(shí)的應(yīng)力的所謂中空構(gòu)造的FPC。從制造方面考慮，由于中空構(gòu)造部分的不平坦性，各制造工程中必須設(shè)法解決。從成本方面考慮，由于增加了材料和工程而不經(jīng)濟(jì)。但是在彎曲特性方面，與通常的雙面板相比，中空構(gòu)造的FPC可以獲得約2倍以上的彎曲壽命的改善。今后隨著信號(hào)的高頻化，考慮到EMI屏蔽對(duì)策的構(gòu)造設(shè)計(jì)和材料選擇至關(guān)重要。4用實(shí)理板、積層板作為抗混合材料的織FPC的多層基板大致分為兩種，一種是FPC的任意部分上積層硬質(zhì)板而成為多層板，稱為剛—撓（R-F,rigid-flex）基板，另一種是復(fù)數(shù)FPC的重合而成為多層板，可以實(shí)現(xiàn)比硬質(zhì)更薄的多層板。R-F基板是采用連接器把傳統(tǒng)主板的硬質(zhì)多層板與FPC連接為一體化的基板，它兼有剛性部可以實(shí)現(xiàn)高密度安裝和撓性部可以彎曲的特性，與使用連接器比較時(shí)，具有接點(diǎn)電阻和可靠性優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)。然而迄今為止的R-F基板的表面（最外層）細(xì)節(jié)距化依然是一大課題，因?yàn)樵赗-F基板中，與雙面板比較的表面圖形也是由層間導(dǎo)通時(shí)的厚鍍層構(gòu)成的。由于相對(duì)于TH孔深與孔徑比（aspect）大，如果內(nèi)壁鍍層不厚，則不能保證同等的可靠性?，F(xiàn)在開發(fā)了采用部分鍍層或者積層法的技術(shù)，使精細(xì)圖形化取得了進(jìn)展，可以實(shí)現(xiàn)表層上安裝CSP或者安裝裸芯片元件的R-F基板日益增多。另一方面，僅僅需要薄型多層板的用途時(shí)才使用FPC基板積層的多層板。フジクラ（株）開發(fā)了采用導(dǎo)電膠獲得各層的層間導(dǎo)通的全部聚酰亞胺一次性積層的積層板，稱為APIC(allpolyimideIVHcolaminated），分別地制作各布線層，最后一次性層壓，具有簡(jiǎn)化工程的優(yōu)點(diǎn)。照片3表示了APIC多層板的外觀圖片。5wb或fcb與剛性基板相同，F(xiàn)PC也廣泛應(yīng)用于采用焊料連接電容和電阻等微小芯片元件的表面安裝技術(shù)（SMT,surfacemounttechnology）。FPC與硬質(zhì)基板不同，F(xiàn)PC厚度薄，各部分的厚度因有無增強(qiáng)板而有不同，如何抑制安裝面的高度波動(dòng)度、翹曲和起伏，確保以平坦性狀態(tài)安裝元件相當(dāng)重要。在FPC上安裝半導(dǎo)體裸芯片稱為COF(chiponflex），大致分為金屬絲連（焊）接（WB,wirebonding）技術(shù)和倒芯片連（焊）接（FOB,flipohipbouding）技術(shù)兩種。WB技術(shù)是采用φ（20～30）μm的極細(xì)Au線，利用熱和超聲波連接半導(dǎo)體電極（1st）和FPC電極（2nd）之間的技術(shù)。它基本上相同于半導(dǎo)體封裝內(nèi)部采用的技術(shù)，但是FPC電極相對(duì)于半導(dǎo)體封裝中引線架的硬質(zhì)金屬來說，2nd連（焊）接是與FPC樹脂膜上的Cu布線進(jìn)行連（焊）接，因此必須選擇可以抑制聚酰亞胺膜或者粘結(jié)材料的超聲波耗散和基板熱變化的安裝條件。FCB技術(shù)是在端子上形成稱為凸塊的微小突起物，把裸芯片顛倒過來與基板的端子一次性連接的技術(shù)。FPC上必須形成與半導(dǎo)體的端子相吻合的圖形，因此抑制尺寸變化或者安裝部位的翹曲和起伏的圖形設(shè)計(jì)特別重要。由于聚酰亞胺膜基材的吸水率提高，與Si的熱膨脹系數(shù)（CTE)3×10-6/℃相比，聚酰亞胺膜的CTE大到30×10-6/℃，因此連接部位容易集中由于溫濕度產(chǎn)生的膨脹和收縮的應(yīng)力。為此必須選擇CTS低的且與FPC的附著性優(yōu)良的密封材料填充凸塊的空隙。利用FCB技術(shù)的制品有如照片4所示的使用各向異性導(dǎo)電膜（ACF,anisotropicconductivefilm）和如照片5所示的使用焊料凸塊兩種方式。為了實(shí)現(xiàn)今后的50μm節(jié)距以下的精細(xì)節(jié)距COF安裝，希望開發(fā)可以抑制FPC變形的低溫低應(yīng)力的安裝方式，需要與W/B技術(shù)同樣的利用超聲波的F/C技術(shù)，或者需要包括低溫硬化型粘結(jié)材料等裝置和材料在內(nèi)的技術(shù)革新。6限制使用fpc的圖像隨著全球的環(huán)境意識(shí)的提高，F(xiàn)PC也需要環(huán)境友好的FPC。歐洲預(yù)定2006年7月施行的ROHS(restrictionofhazardoussubstance）法令或者日本的環(huán)境污染物質(zhì)排出和移動(dòng)登錄法已經(jīng)確定了有實(shí)物質(zhì)和使用限制物質(zhì)。FPC的端子鍍層或者元件安裝時(shí)使用的焊料中的Pb都符合法令限制使用的物質(zhì)。為了適應(yīng)無Pb化的要求，使用了Sn-Cu合金鍍層或者Sn-Ag-Cu系焊膏。隨著無Pb焊料的熔點(diǎn)上升，包括芯片元件的耐熱溫度提高或者再流焊裝置的多區(qū)段化等在內(nèi)的材料和裝置的整合正在積極進(jìn)行中。此外無鹵化FPC的要求也日益提高，這是因?yàn)槿绻蜏厝紵鼵l、Br等鹵化物質(zhì)，則會(huì)產(chǎn)生有害的二口惡英（dioxine）。フジクラ（株）開發(fā)了降低粘結(jié)材料中作阻燃劑的后Br新材料，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于制品中。7fpc的研制和發(fā)展今后為了適應(yīng)FPC的高密度化和高性能化的要求，必須積極地開發(fā)比聚酰亞胺的