FPC设计应用指南

什么是FPC?

FPC是Flexible Printed Circuit的缩写,也称Flex,即柔性印刷电路板.

指在以PET或PI为基材的铜箔上, 形成线路的可绕折性印刷电路板, 能够适当的承载各式各样的主被动组件及配件, 透过适当组装设计, 被广泛的应用于电子产品的各模块互连.

PC的优点

(1)可以自由弯曲,卷绕,折叠,可依照空间来布局,并在三维空间任意移动和伸缩,从而达到元器件装配和导线连接的一体化.

(2)利用FPC可缩小电子产品的体积和重量,适用电子产品向高密度,薄型化,小型化,高可靠方向发展的需要.因此,FPC在航天,军事,移动通讯,笔记型计算机,PDA,数位相机等产品领域上得到了广泛的应用.

(3)FPC还具有良好的散热性和可焊性以及易于组装,综合成本较低等优点,软硬结合的设计也在一定程度上弥补了软性基材在组件承载能力上的略微不足.

FPC的缺点

(1)一次性初始成本高

由于FPC是为特殊应用而设计,制造的,所以开始的电路设计,布线和底片,模具所需的费用较高.

(2)FPC的更改和修补比较困难

FPC一旦制成后,要更改必须从底片绘制开始,因此不易更改.功能上短断路不良无法比照PCB硬板做修补. 

(3)操作不当易损坏 

组装人员操作不当易引起FPC的损坏,其锡焊和返工需要经过训练的人员操作.

FPC的应用

FPC种类

FPC的应用注意事项

1.避免折﹐压﹐刮﹐划伤,移转运输最好使用Tray盘;

2.不可用手直接接触产品,尤其是手指或PAD部位,以免油脂污染﹐造成焊锡性或导通性问题;

3.手指及PAD部位不可折弯﹐以免造成金属镀层及铜面断裂﹐其它部位如有作弯折加工时﹐不可死折﹐以免造成线路断裂或阻值升高﹔

4.尽快上线使用,避免表面处理部分产生氧化或腐蚀变质;

5.因软板有吸湿性﹐且相对硬板在尺寸稳定性上稍差﹐容易因为外界环境不良而产生涨缩变形﹐故未上线使用时,请不要拆开包装袋,且需保存在恒温恒湿的空间.

1, 铜箔基材CCL(Copper Clad Laminate)

由铜箔+胶+基材三层组合而成.另外也有无胶基材,即铜箔+基材两层组合,其价格较高,适用

于弯折寿命要求10W次以上的产品上.

1.1 铜箔Copper

在材料上分为压延铜及电解铜,在特性上来说,压延铜之机械特性较佳,有挠折性要求时大部分均选用压延铜.厚度则分为1/3Oz,1/2Oz,1Oz,2Oz等四种.

1.2 基材Substrate

分为PI Film及PET Film两种,PI之价格较高,但其耐燃性较佳,PET价格较低,但不耐热,因此若有焊接需求时,大部分均选用PI材质.厚度上一般有1/2mil,1mil,2mil.

1.3 胶Adhesive

胶一般有Acrylic(压克力胶)及Epoxy (环氧树脂胶)两种,最常使用的是Epoxy胶.厚度0.4～2mil,一般使用0.7mil厚的胶.

2,覆盖膜Coverlay

覆盖膜由基材+胶组合而成,其基材分为PI与PET两种.厚度则由0.5～1.4mil.

3,补强材料Stiffener

3.1 作用:软板上局部区域为了焊接零件,增加补强以便安装,补偿其软板厚度.

3.2 材质:PI/PET/FR4/SUS

3.3 结合方式:PSA(Pressure Sensitive Adhesive):感压型(如3M系列)Thermal Set:热固型(结合强度,耐溶剂,耐热,耐潜变)

FPC选材特别关键，关系到FPC的实际使用效果及FPC的成本

材料组成规格

铜箔种类依其制作方法可分为电解铜箔(ED铜)及压延铜箔(RA铜) .

铜箔导体层特性

聚酰亚胺(PI)与聚酯(PET)性能比较

ED铜与RA铜性能比较

覆盖膜简称CVL: Cover-lay (or Cover-Layer)

主要作用: 保护线路,绝缘,电性需求,绕折需求

接着剂: Adhesive

主要作用: 将FPC或配件进行粘接叠合

主要成分: 环氧树脂(亚克力),增韧剂,填充剂,硬化剂,促进剂

加强片: Stiffener

主要作用: 局部区域焊接支撑,增加补强,补偿软板厚度

补强的选材

PI 补强：

适用于带有拔插手指的插头板。此类板必须使用 PI 补强，其他类型的板及除插头位的其他位置建议不要采用 PI 补强，此材料强度不够且价格也较高。

FR-4补强

FR-4补强使用于按键、侧键类等大部分板，但此补强要用纯胶压合才能起到较好的补强作用。

钢片补强

钢片补强适用于带连接器的多层板及单双面板。此补强硬度比较高，生产出来的板比较平整，SMT 也比较好操作。建议带连接器的各类板均可使用钢片补强（除需接地的采用金面补强）。

辅料的选材

A.普通的板不需要SMT的可采用不耐高温的胶纸。

B.需要SMT的必须选用耐高温胶纸。

导电材料的选材

1. 导电胶纸

普通导电胶适用于导电性要求不高的。（如普通的按键板类）

导电性能较好的适用于导电性能要求较高且一定要使用胶纸类的。（如特殊的按键板等），但此胶纸一般情况我们不建议使用，因为价格太高。

2. 导电布

此导电布导电性能可以但粘性不是很理想，一般适用于按键板类。

3. 导电纯胶

高强度导电性能物质，一般用于贴钢片，但我们不建议用此导电纯胶，因为价格太高。

1,FPC模具

FPC模具主要用于将产品或生产过程中的零组件通过一定形状的刀具冲切成一定形状.分为刀模,钢刀模,钢模

各种模具性能比较:

一般使用模具的种类:

刀模:加强片模具,背胶模具,分条模具,切边模具,切电镀线模具

钢模:上,下CVL模具,外形模具,手指模具

模具设计方法:

取得外形图形,在距外形边4mm处加定位孔3个,生成AutoCAD文件,标注好尺寸及工艺要求打包给专业生产商制作即可.

半断模具:

当客户或后制程生产需求成微连接时,模具就需要做成半断.

注意在微连接处CVL应1.5mm开窗,在微连接处应增加实铜以防微连接毛边过大,微连接宽度须为1.5mm,以防强度不足.

二次冲型及跳冲:

对于复杂的外形超出模具的最小加工能力或由生产工艺要求时,需要进行二次冲型或跳冲.

二次冲型必须分为两组模具制作:

跳冲模具是指将产品外形进行拆分,在一副模具上进行二次成型的方法；

冲型的步距必须与排版长度相符.

2.FPC设计注意事项

A)FPC 尺寸确定:包括 PIN 数,层数(决定厚度),层数由 FPC 的宽度与 PIN 数及 PIN 的 pitch 等决定,而 FPC 宽度一般由尺寸空间所决定；

B)FPC 在 housing 上的定位:组装定位和保证间隙定位固定；

C)FPC 接地点设计:加接地点,ESD 要求；

D)FPC 连接器在 housing 上 Z 轴方向的固定:Z 轴上的固定一般用泡棉压紧；

E)FPC 硬化区域(粘胶区域)和不硬化区域确定；

F)FPC 两端 connector 焊接后反面加强板尺寸确定；

G).emn 文件转换(一般是提供给 ECAD 文件之要求,包括 2 个文件,一是展开后 FPC 之外形尺寸.emn  文件和外周边缩小 0.3mm(向内 offset0.3mm)外形尺寸之.emn 文件)；

外形公差默认±0.1mm

内部结构到外形公差±0.2mm

定位孔到外边缘距离公差一般为0.3mm

为防止FPC组装后的疲劳断裂问题,设计时FPC的圆角不小于1.0mm,在过轴的区域,外层起保护作用的铜皮区域的宽度为0.2mm.

弯折区域越长越佳,因为太短的时候,FPC在折弯时会因为内R及外R的伸缩,挤压量不同,应力会集中在有胶/无胶的界线上,寿命较短. 

弯折区域宽地线或假线路设计,外围尽量走较粗的线路,可有效抵抗应力集中现象. 

弯折区域冲切角度越圆滑,越能避免应力集中现象发生,因冲切角度过为直角时,FPC在折弯时其应力会集中该直角处,易造成外围线路最先断裂. 

壳体应避免与弯折软板直接接触,摩擦易造成应力过度集中该点,造成线路断线. 

导通孔的设置:尽量将导通孔集中于非弯折区.

导通孔镀铜后,会变硬,如果靠近FPC的弯折部,会有两个问题:

1,弯折部的硬度加大,不易弯曲.

2,由于经常弯折容易引发导通孔的断裂等不良.

弯折部尽量设置为单层区,一面走线,另一面剥离阻焊,让弯折部尽量柔软.

走线尽量左右对称,FPC的两侧的铜基本一致,避免单侧的应力集中,减少断线. 

为了方便CVL OPEN的设计,尽量避免在PAD间走线.必要时,可进行局部甚至大部分重新布线.

对于双面板线路,应避免上下线路重合,须交错设计.

3.FPC各部件设计要点

覆盖膜

一般原则:

a.主要考虑焊垫尺寸是否足够以确保锡量

b.考虑CVL贴合偏位造成的焊垫减小

c.尽可能采用钻孔,尽量避免钻槽

d.矩形及复杂形状的CVL OPEN采用模具冲出形状具体说明如下:

a.CVL开窗的方法比较

b.CVL设计方式

理想的CVL设计方式是:

PAD间距不变,其余三边单边加大0.3mm.如CVL OPEN在SOLDPASTE的基础上单边加大0.1～0.2mm.

c.CVL开窗方式:

d.注意事项:

不可露出PTH孔

PTH孔边距CVL开口边0.3mm

CVL开口至少有0.2mm的连接

金手指

ZIF手指(Zero Insert Force)

重点要求:手指厚度: 0.3+/-0.03(0.3+/-0.05)    手指偏位:+/-0.1 ,+/-0.075

注意事项:

※ 须在手指根部加防冲耳朵,在两边加防冲偏线

※ 注意设计CVL及加强片贴合标志线

排版

a.排版尺寸的设定:由于涨缩的原因,FPC产品的排版尺寸一般不可太大,建议尺寸为280~350为宜.

b.版边一般保留10～15mm,以便制作各种工艺标志及工艺孔.

c.排版方向应使得有挠折要求的线路平行于CCL的机械方向(MD).

d.版边标志及定位孔

     ※ AOI定位孔:提供AOI定位

     ※ 收卷标志:提供RTR生产的PNL收卷

     ※ 版框方向孔:5个,版边四角各1个,左下角2个.

     ※ CVL贴合定位孔:不定数量,间距为5mm

     ※ 印刷定位孔:4个,沿版框四角

     ※ 印刷对位标靶:3个,版框外

e.注意事项:

单面板:应采用RTR制程,注意设置PNL标志；注意将贴合于背面的加强片及背胶等配件的标志镜向；单面板涨缩不稳定,注意将要将产品外的铜面做成网格以使涨缩均匀.双面板:应注意设计对孔标记,以提高曝光对孔精度及效率.

排版

浮雕板:须在铜箔及CVL上都钻贴合对位检查孔.

利用率

矩形是最好的形状.星,十字,L,T,W,M和N形状会减少利用率,从而增加了成本.

冗余

如果将附连测试板添加到板面中,将降低有效利用率.如果这个附连测试板是用来测阻抗的, 建议用实际的部分代替,可以增加更多的零件以提高使用率.

CCL 材料选择: PI 厚度

通用PI是0.5Mil和1Mil.小于或大于0.5Mil和1Mil的材料作为特殊材料处理.这些特殊的材料比普通的材料贵

CCL 材料选择: 压延铜v.s. 电解铜

无粘接剂 vs. 有粘接剂

一般来说,粘合剂基材料的性能优于无粘性材料,但价格要高.有时,调整结构可以降低价格.例如核心是2Mil PI,它可以用1Mil PI加1Mil胶粘剂代替.总的厚度是一样的,但是价格降了下来.

结构的比较:

层数越多,成本越高,不良也越多.相同层数中,气隙的价格比普通类型的价格更高.“-”是指气动间隙,用于动态多层柔性铰链.

合适的钻头尺寸(通孔)

0.1mm通孔的价格远高于0.2mm.如果空间足够,最好是0.2mm.

0.2,0.25,0.3适用于通孔

盲孔,通孔和埋孔:

HDI FPC的成本比常规FPC多很多.盲孔由激光钻制成,通孔由钻机制造. 尽量通孔,除非必需情况

规格:单激光路径

盲孔大小尽量做一样,否则激光参数需要重新调整,需要很长的时间.

通孔大小

通孔大小尽量做一样,否则当钻头尺寸发生变化时,数控机床需要更换刀具,需要时间,降低了生产效率.

盲孔,通孔

如果需要激光开孔,建议使用激光代替其他钻头来简化工艺.一个工艺(激光通孔)比混合工艺(激光通孔+钻)容易得多.

镀铜:图形电镀与整板电镀

线宽/间距

线宽和间距反映了生产的成品率.线宽越细,价格越高.

覆盖膜和焊料掩膜

如果需要焊料掩膜,需要添加额外的工艺.成本会增加.

对于0201的RLC,BGA,或超过CVL能力的开口,需要焊料掩模工艺.

表面处理

单一处理比混合处理更有效.除非必要.对于Geber布局,镀金是主要的选择.除非电镀板很难电镀在电路上.黄金越厚,价格越高.(金:1～3U＝0.025μm～0.075μm).如果没有接地焊盘或接触焊盘,有机保焊膜是最合适的焊盘.

阻抗控制

公差越紧,价格越高.10%和15%是优选的.

组件放置:

单侧组件焊接比双面组件焊接更容易.有时可以通过折叠简化布局

丝印

一次印刷比两次印刷要好.

电磁波屏蔽材料

EMI屏蔽膜是一个价格非常高的材料.如果FPC加EMI屏蔽膜,价格会大大增加.目前,主要来源是Tatsuta(日本供应商),如SF-PC5000,SF-PC5100,SF -PC5500,SF-PC5600,SF-PC5900.

加强筋/胶粘剂/标签/胶带/其他附件:

如果FPC上有很多附件,比如FR4,不锈钢,PSA,磁带和条形码标签.价格会提高很多.镀镍不锈钢价格高于未镀镍的不锈钢.对于非导电应用,优选没有镀镍的不锈钢.

折叠

折叠越多,价格越高.提高了制造设备的成本.折叠也会影响后续的测试过程,如电子测试和封装.

填充/保形涂料/胶水

如果在FPC上应用特定的胶水,也会增加制造成本.BGA:最好是底部填充胶.(UV不适合.BGA覆盖的胶水不能吸收紫外线固化.对于其他组件,如RLC,开关,二极管和晶体管,UV胶和保形涂料是首选.

钢板毛刺:

不锈钢毛刺规格影响成本.因为制造过程是不同的.化学蚀刻的价格比冲床高很多.它不能用胶粘剂来制造,但冲压方式可以.

背胶/加强筋附接

附着背胶/加强筋需要大量工时.阵列附着比单个附着更有效.

导电粘合剂与非导电粘合剂:

如果不锈钢仅用于支撑组件,则不导电TSA是优选的.导电TSA的价格远高于非导电TSA的价格.

一个衬里或释放纸

如果在FPC上用的背胶很少,可以做成一件. 可提高背胶附着效率.

多层弯曲的ZIF端加强筋:

对于多层挠曲,如果需要附加的加强件来支撑ZIF端.可以使用CCL PI或铜补偿总偏差.(需要计算ZIF总量.刚度比较与评价).

材料: FGF-500替代

如果在FPC上使用FGF-500,会大大增加材料成本.FGF-500非常昂贵,仅表现为接地导体.它可以用裸露的地铜代替.由于两次串联连接(从SF-PC5600到FGF 500),接地铜接触比FGF-500具有更小的电阻.通过电路稍作修改,可以方便地实现.

说明: 

CO2激光只可激光PI或经黑化处理的铜面, 一般应用于铜面开

窗(去掉铜露出PI)激光PI, UV激光则可不用开铜窗,直接在铜面激光.

钻孔OR激光打孔

工程目的:双面板为使上下线路导通,先钻孔以利后续镀铜.

导通孔黑化

工程目的:使孔壁中不导电的部份导通,成为导体,使后续的电镀制程得以进行.

导通孔电镀铜

工程目的:使双面板上铜面与下铜面导通.

压膜（干膜贴合）

工程目的:利用加温加热方式将干式感光薄膜与铜面黏合,配合曝光产生化学反应以完成保护铜箔.

曝光

工程目的:将底片上之线路运用光阻方式(如冲洗相片)成形在铜箔基上.负型光阻配合负片底片,运用UV光,将底片线路转移至干膜上.

DES (显影/蚀刻/剥膜)

DES将干膜形成之线路影像信息,转移到铜箔上形成线路.

显影

工程目的:以碱性药液去除未反应之干膜.已反应之干膜因受UV光照射而聚合,形成不溶于碱性药液的分子结构.

蚀刻

工程目的:以蚀铜液去除未受干膜保护之铜箔,受干膜保护之铜箔则形成线路.

剥离干膜

工程目的:去除已反应之干膜.

保护膜压合

工程目的:将覆盖膜完全贴合于经蚀刻后之铜面上,作为在线之保护膜及绝缘层.

镀金

工程目的:增加接触面耐氧化性,耐磨耗性以及导电性.

化学金及电镀金特性比较: 

文字印刷

工程目的:印刷产品辨识文字及生产周期,以利辨识及追踪.

 预冲

   预冲是因为某些零件距外型太近, 打件后无法冲型, 所以在打件前先将该区域冲出.

贴配件

以治具贴合背胶,加强片,钢片,弹片等辅助产品.

补强板贴合

工程目的:增加手指拔插端硬度,增加零件区的支撑力.

导线裁切

工程目的:裁切电镀导线或局部成型,以利后续短断路测试.

外形冲压

工程目的:去除边料,使产品成型.

感光油墨印刷

工程目的:利用印刷方式使感光油墨与铜面黏合,配合曝光产生化学反应以完成保护铜箔及指示零件安放位置.

感光油墨曝光

工程目的:将底片上之开窗处运用光阻方式(如冲洗相片)成形在油墨上.感光油墨也是负型光阻的一种.

显影

工程目的:去除未反应之油墨,达到开窗效果.

油墨烘烤硬化

工程目的:高温烘烤使油墨固化,达到保护线路目的.

空板外观检

依据IPC-6093, 目视外观检察.

外观检验

工程目的:挑除不良品.

材料检测方式

检验规范

• IPC :  Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits

国际检验规范

• JIS  : Japan Industrial Standard

日本工业标准 

• ASTM  :  American Society for Testing and Material

美国材料试验协会 

Solder Float Resistance  (漂锡)

Flexural Endurance  (耐弯曲测试)

其它信赖度测试