软性/软硬结合的印刷电路板UL认证要点

　　一、专家对于技术议题及认证选项的建议
    大部份的原设备制造商都趋向于使用软性电路，尤其是用于需要更强调讯号完整性的小型装置，因为软性电路板的原材料 — 聚醯亚胺 (Polyimide) 恰能提供这项特点。由于软性电路的散热能力比硬板更胜一筹，其面对无铅焊接的高处理温度也有较佳的耐受性，因此软性电路应用在汽车、手机、数字相机和平面显示器等几类产品的需求量增长最为显著。
    在考虑使用软性电路时 (软性及软硬结合结构)，设计人员除了需要考虑成品的安全性，例如火灾及高温风险，还需要兼顾产品在机械性能的主要设计原素和其它方面的因素，例如电磁屏蔽(EMI Shielding)。
    本文旨在探讨使用软性及软硬结合结构的印刷电路板时，厂商需考虑的技术及认证问题，若厂商能了解其中潜在的问题及可选择的认证方案，将可顺利且有效地适应相关的设计变化。

    二、物料特性
    印刷电路板设计的考虑因素大多与认证评估的考虑范畴十分相似，这些范围不仅限于可供选择的物料种类、结构技术、弯曲循环次数、操作温度应力和技术要求等。《表1》列出了用于建构软性电路板的传统用料。

《表1》建构软性电路的典型物料
    ①绝缘薄膜基材：聚醯亚胺 (Polyimide, PI)、涤纶 (Polyethylene Terephthalate Polyester, PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯 (Polyethylene Naphthalate, PEN)、聚四氟乙烯 (Polytetrafluorethylene, PTFE)、液晶高分子 (Thermotropic Liquid Crystal Polymer, LCP)、环氧树脂 (Epoxy)、芳纶(Aramid)
    ②导体：压延退火铜箔 (Rolled Annealed Copper Foil)、电解铜箔 (Electrodeposited Copper Foil)、铝 (Aluminum)、镍 (Nickel)、不锈钢 (Stainless Steel)
    ③接合剂和接合胶膜：丙烯酸 (Acrylic)、环氧树脂 (Epoxy)、聚醯亚胺 (PI)、涤纶 (PET)、Butyral Phenolic、无胶材料 (Adhesiveless)
    ④覆盖膜：聚醯亚胺 (PI)、涤纶 (PET)、聚四氟乙烯(PTFE)
    ⑤表涂层：软性聚合物涂层( 阻焊剂) Flexible polymer coatings (soldermask)
    ⑥补强板：聚醯亚胺 (PI)、涤纶 (PET)、环氧树脂层压板 (Epoxy (FR-4) Laminate)、金属基材 (Metal Substrates)
    ⑦覆铜板：FR-4、酚醛树脂 (Phenolic, FR-1)、聚醯亚胺 (PI)、聚四氟乙烯 (PTFE)

    三、典型的结构
    软性电路板结构多用于动态和重复弯曲的应用上。软性电路板有可能是单层结构、也有可能是多层结构，而其结构上的最高动态承载力(Ultimate Dynamic Capacity)和耐用性并非能以认证测试计划来确定；硬性电路板则因物料的厚度及特性的关系，结构上多应用于无需屈曲或弯曲的产品上。
    单次弯曲安装 (Bent-to-install) 的印刷电路板结构是专为仅需要将印刷电路板挠曲一次来装嵌或使用的应用而设计，因此单次弯曲安装(Bent-to-install) 或单次屈曲安装(Flex-to-install)的结构可视成品的弯曲循环次数和弯曲半径，采用薄的FR-4、芳纶(Aramid)或聚醯亚胺(Polyimide)物料。
    软硬结合的印刷电路板结构则适用于需在有限的空间以多方位配线(Multi-Dimensional Wiring)连接几块硬性电路板的应用上。大部份的软硬结合印刷电路板均采用单层软性芯板(Singlelayer Flexible Core)，该芯板通常是动态挠曲(Dynamically Flexed)，而外层却是硬板，然后用接合胶膜或接合片(Prepreg)将硬板以狗骨形状般地粘合在软性芯板上。硬板的结构可以是涂上阻焊剂(Soldermask) 的单层或多层FR-4物料。

    四、突破性的结构
    降低软硬结合印刷电路板上的电镀通孔接合剂份量可增加结构的可靠性。鉴于易热膨胀系数(CTE)的降低，无胶系统因而更能承受无铅温度循环。要降低软硬结合结构的胶含量，可使用无胶基材和覆盖膜，或在设计中将多层板的地方使用更少的覆盖膜。
    由于高频电路会将电磁能量放射出来，所以会对附近的电路系统造成干扰，但是电磁波干扰(EMI)的影响是否会严重到要对软性电路做出防护保障，则视不同情况而定。

    五、认证要求
    进行印刷电路板的安全认证测试时有一些应用面的考虑因素，例如成品的使用地点和环境、该环境是静态还是动态、绝缘物料的种类和厚度、绝缘层数、导体的重量、镀层和表面处理、以及整体的电路叠合厚度等。
    假如成品的使用地点和环境只需评估易燃性，即可选择为软性印刷电路板申请“仅燃烧认证”。在成品的认证中，如果对于印刷电路板的温度、机械及电气特性没有严格要求，并且只要求印刷电路板的燃烧等级需符合性能标准，这些成品便可使用通过“仅燃烧认证”的印刷电路板。
    随着业界使用的印刷电路板物料在数量和种类数据上的不断攀升，以及印刷电路板结构的愈加多样化，UL为配合这一趋势，于是替软性胶膜(Flex Films)发展出一个类似ANSI的计划。据过往的纪录显示，聚醯亚胺物料(Polyimide)最常被评定成V-0或VTM-0易燃性物料，那么只要为附着某种胶膜的聚醯亚胺物料测试，其结果即可代表其它附着相同胶膜的聚醯亚胺物料。这个类似ANSI的计划就是根据这一事实建立，并说明在何种情况下可为印刷电路板加上替代的聚醯亚胺物料，而无需接受额外测试。不过，此计划适合只接受“仅燃烧认证”的印刷电路板。
    换言之，假如成品的应用需要考虑印刷电路板的易燃性和最高操作环境温度(MOT)级别，软性印刷电路板便需接受包含多项测试的完整检测，其包括易燃性、导体附着强度、起泡(Blistering)和分层(Delamination)测试。此外，根据电路板的应用要求或防电磁波干扰(EMI)的需要，也可能需要进行补强板接合强度、弯曲和银迁移等测试。

    六、总结
    《表2》所列出的十项行动步骤除可帮助厂商快速取得软性印刷电路板认证，也反映出厂商要成功地转换成采用软性或软硬结合的印刷电路板时，必须注意的细微之处。其中，特别要考虑到整个供应炼的影响，包括物料的比较、导体的厚度、表面处理、结构技术、弯曲循环次数、操作温度应力、以及结构的技术和可靠性要求，因此厂商务必要尽早与整个供应链内的伙伴就这些影响面进行有效的沟通。

《表2》印刷电路板认证的更新状况 制造商配合更新时程，进行以下行动方案，将可有效减少软性电路的PCB认证周期。
    ①尽早于产品发展阶段便向UL提出认证申请
    ②与OEM厂确定成品的要求，以决定申请印刷电路板认证时，需要「仅燃烧性能」评估或是完整检测。
    ③以现行的UL后续检验服务报告页（表一及表二、阻焊剂表和制程说明）为模板，详列印刷电路板的结构或拟修改项目。
    ④提出申请时，附上横切面图显示所有可能的结构和物料，包括基膜、覆盖膜、接合剂、接合胶膜、补强板、导体、导电胶、电磁屏蔽和防焊剂。
    ⑤提出申请时列明该结构所使用的每种物料的资料，包括制造商、级别、物料的最小和最大厚度。
    ⑥选择已获得认可的物料作为印刷电路板的材料。
    ⑦列明生产时的最高制程温度及时间，并须已经考量公差范围及/或多次回焊工序。
    ⑧如适用的话，列明组装回焊工序的多项焊接温度及时间的极限(Multiple Solder Limits)。
    ⑨与UL人员确定样本要求，以确保提出适当的测试样本。
    ⑩知会UL您产品预定的出货时间。

参考资料：
1. Elke Kruger and Martin Novotny, “Rigid-Flexible PCBs: A Pliable Solution” Circuitree, March 2006.
2. Joseph Fjelstad, “Back to Basics, Part 7: Getting Started with Flexible Circuits,” Flexible Thinking, Circuitree, January 2006.
3. Markus Willie, “Rigid Flexible PCBs for the Next Generation of Automotive Electronics,” Circuitree, June 2005.
4. Underwriters Laboratories Inc., “Standard for Printed Wiring Boards, UL 796,” Ninth Edition, April 2006.
5. Underwriters Laboratories Inc., “Standard for Flexible Materials Interconnect Constructions, UL 796F,” First Edition, September 2005.