柔性基板模块封装技术✴

江平

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

柔性基板模块封装技术✴

江平

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

针对柔性基板模块封装过程中存在的材料选择、叠层方式以及层间干涉等关键问题，提出了采用热应力分析进行材料筛选，通过3D结构叠层以及夹具隔离支撑措施，实现满足电磁兼容、热传导及振动要求的模块整体封装。这些方法和技术可用在适应性要求高的异形空间。

军用电子设备；柔性基板；模块封装；折叠方式；异形空间；电磁兼容

1 概述

柔性板叠层后进行模块灌封集成，保证模块集成后电气性能、电磁兼容及相关环境实验要求。

军事电子装备平台性能要求大幅度提高，体积、重量要求越来越小，特别是作战飞机、卫星等升空平台。其作战性能要求提高，携带各种装备增加，这就要求这些装备平台上使用的电子设备体积、重量减少，也对电路模块功能集成以及体积、重量指标提出了更高要求。军用电子模块正在趋向更加多样、复杂和精密，而在重量、体积上则更轻、更小，对环境的适应能力也要求更高，使用周期内具有更高的可靠性和稳定性。

柔性基板模块集成封装技术是实现样件小型化、轻型化及模块化指标要求的关键技术，能很好地解决军用电子设备小型化、适应性多样化的发展要求，也迎合了未来集成模块的发展方向，具有广阔的应用前景。模块封装要求对前期组装好元器件的

2 柔性基板模块特点

柔性基板作为一种特殊的电子互连技术，有着十分显著的优越性。它具有轻、薄、短、小、结构灵活的特点，适合元件之间要求高密度互联的应用，它除能作静态弯曲外，还能作动态弯曲、卷曲和折叠等，具有较好的适应性，但由于其挠性特性，在稳定性、散热性以及通用性方面也存在一些问题。柔性基板封装模块则能很好解决这些问题。

柔性基板模块封装就是把完成柔性基板叠层组装后的模块放置在比其尺寸略大的模具中，在其间隙中注入导热材料或合成材料，经加热固化进行整体集成，必要时可以在柔性基板之间增加金属板或散热板，来解决诸如公共地、散热、电磁屏蔽等问题。在集成时可以做些工装夹具固定好所有需要集成的每一层，以保证各层的平整度，避免柔板不平整带来的短路。

由于导热材料、柔性基板以及柔性基板上的集成电路可能存在着热膨胀系数不匹配，采用导热材料对叠层组装后的柔性基板模块进行整体集成，在工作状态下会带来可靠性问题。因此，有必要对柔性基板模块的集成进行可靠性仿真分析与优化设计，以选择合理的材料和确定最佳集成方式。应用ANSYS软件对集成柔性基板模块在工作条件下由材料热膨胀系数失配所引起的应力应变、不同集成结构形式引起的应力应变进行仿真分析和优化设计，并根据分析结果确定合适的灌封材料和集成方式。

3 柔性基板模块封装技术

柔性基板模块封装技术是实现样件小型化、轻型化要求的重要技术，而其中封装材料选择、柔性基板叠层方式和层间干涉又是其中的难点，也是实际应用中面临的问题，这些难点问题的解决将为模块的顺利集成灌封奠定坚实的基础。

3.1 封装材料热应力分析

柔性基板的灌封对象（见图1所示）是挠性基板卷曲折叠互联模块，此模块是在挠性基板的不同位置贴装多个元器件，随后将挠性的基板折叠成紧凑的形状，然后在相应的位置上进行灌封，固化后形成的一种3D互联结构。

由于卷曲折叠后，电路板的散热面积减小，且柔性板上存在BGA、QFP等大器件，以及封装后环境实验要求，故在选择集成封装材料时重点考虑了流动性、导热性、热应力及强度等4个方面的要求。

目前柔性基板封装常用的3种典型封装材料是聚氨酯集成封装材料、有机硅集成封装材料及环氧树脂集成封装材料。通过材料本身的性能特征对比分析，本文以依美时远东有限公司的EMS 400-64和美国LORD公司的SC-320两种封装材料作为研究对象，下面针对这两种材料进行柔性基板模块热应力分析，并根据分析结果确定最后的选择。

EMS 400-64为环氧树脂灌封材料，SC-320为有机硅灌封材料，两种材料都具有良好的散热能力，但弹性模量、泊松比、热膨胀系数等性能参数，两种材料有很大差别。为此，通过对两种材料进行热应力分析，以便比较两种材料的性能。热应仿真分析中用到的材料参数见表1。

通过对比分析分别采用EMS400-64材料和SC -320材料时的灌封互联模块热应力分布图可知，采用SC-320材料时，柔性基板模块整体应力、灌封材料的应力、FPCB的应力以及元器件的应力都明显降低，其主要原因有两点：一是SC-320有机硅灌封材料为弹性体，弹性模量非常小；二是SC-320灌封材料导热率高达3.2W／（m·K），散热能力高于EMS400 -6材料。同时，SC-320材料还具有优良的防潮、防尘、防腐蚀、减震的作用，以及良好的电绝缘性和较为简单的灌封工艺。为此，可选择美国LORD公司生产的SC-320为柔性基板模块的灌封材料。

3.2 柔性基板叠层方式

柔性基板模块封装要求将装配好的柔性基板叠层后封装在有限尺寸空间的壳体里，采用何种叠层方式是模块集成封装不可回避的问题。

柔性基板卷曲叠层方式基本思想是通过对平面结构的柔性电路进行平行弯曲折叠实现3D结构。典型结构与叠层流程如图2所示，这种集成模式从本质上将单一的平面结构改变为3D结构［1］。

为了尽可能减小柔性基板折叠对元器件焊点的应力影响，以及防止大器件之间的空间干涉，在元器件布局时，弯曲区不放置器件，把BGA、QFP等大器件都放置在柔性基板叠层后的底面。采用的折叠方式能够最大限度地减少集成模块的体积，有效增大器件相互之间距离，以达到保证大功率元器件散热，避免高密度集成以及对折时引起短路，解决对折时元器件之间的空间干涉和电磁干扰等问题，增大集成灌封空间，有利于后续的整体灌封［2］。具体柔性基板叠层方式三维模型如图3所示。

3.3 层间干涉

设备小型化的发展趋势对封装外壳重量和体积提出了更高的要求。外壳空间有限，层间间隔很小，可能会造成器件短路、散热及电磁兼容等诸多干涉问题。层间干涉问题是模块集成封装技术必须攻关突破的关键点，直接影响整个模块集成封装后的电气性能。

采用高温绝缘胶带和加工支撑夹具两种方式来解决层间干涉问题，实现层间的隔离，确保封装后模块的电气性能。

3.3.1 高温胶带绝缘保护

封装前，可以考虑在柔性基板双面贴上聚酰亚胺高温胶带（见图4所示），能耐300℃高温，有良好的绝缘性能；可横向全贴，也可考虑竖向分段贴胶的方式，可减小粘接拉力的影响。

3.3.2 支撑隔离夹具

双面贴高温绝缘胶带主要是解决层间出现的短路干涉，而支撑隔离夹具不只能避免层间器件干涉，而且能更好地解决层间电磁兼容和散热等干涉问题，确保模块的顺利灌封以及灌封后电气性能的实现。

为了不额外增加模块的重量和减少灌封的尺寸空间，选用2mm宽、11～12mm高的绝缘环氧树脂板作为夹具材料，并对应3层的夹持空间开了3个插槽，间距为1～2mm。加工后的支撑夹具如图5所示。

图6 是没有使用支撑隔离夹具基板的叠层情况，由于柔性基板的挠性特性，放在封装外壳里，出现了扭曲现象，发生了器件相碰的情况，这是不允许的。图7是使用了支撑隔离夹具的情况，很好地解决了干涉问题。

3.4 模块的封装集成

为了确保集成后模块满足振动和高低温冲击环境实验要求，可以选用全灌封的集成方式。

为了保证柔性基板上器件及印制线间的绝缘性，在基板两个表面都贴上了绝缘聚酰亚胺高温胶带，防止层间短路；灌封前需要对插座缝隙处、柔性连接板引出槽以及上下盖板间采用高温胶带进行密封处理，避免有机硅胶材料的外泄和灌封后加温固化时的膨胀效应。

模块集成灌封的基本流程为：对柔性板的正背面用聚酰亚胺胶带粘贴→将柔性板弯成3层沉入腔体→用沉头螺钉对外壳进行安装及固定→室温下灌封→灌封后静止2 h→加温到60℃固化（2 h）→外壳上固定螺丝→清洁处理。封装后模块如图8所示。

4 结束语

通过对柔性基板模块封装技术研究，提出了封装材料的选择方法、优化的叠层方式以及防干涉设计，解决了柔性材料折叠带来的热传导性不良、抗振性差以及层间干涉等关键问题。这些方法和技术对柔性基板叠层实际应用具有指导意义。

柔性基板模块封装技术主要是针对功能集成模块进行研究，达到小型化、重量轻、性能可靠要求。随着关键技术的解决突破，将在军事电子装备中逐渐被应用，特别是异形空间对适应性要求高的环境。

［1］Bivragh Majeed.Thermo-Mechanical Modelling and Thermal Performance Characterisation of a 3-D Folded Flex Module［C］／／Proceedings of 2006 Electronic Components and Technology Conference.Cork，Ireland：IEEE，2006：728-733.

［2］Young Gon Kim.Folded Stacked Package Development［C］／／Proceedings of 2002 Electronic Components and Technology Conference.San Jose，USA：IEEE，2002：1341-1346.

Packaging Technology for Flexible PCB Module

JIANG Ping
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Due to the key problem aboutmaterial choosing，foldingmethod and interbedded interference during the packaging of flexible PCBmodule，an approach based on caloric stress analysis，3D structure and interbedded insulating support is proposed in this paper.It can satisfy electromagnetic compatibility（EMC），heat exchange and the vibration criterion.These technicalmethods can apply to abnormity spacewith high adaptability requirement.

military electronic equipment；flexible PCB；module package；foldingmethod；abnormity space；EMC

the B.S.degree from Guilin University of Electronic Technology in 2004.He is now an engineer.His research concerns electrical connection and PCB design formanufacturing.

1001-893X（2011）11-0117-04

2011-07-17；

2011-09-29

TN80

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.024

江平（1982—），男，四川自贡人，2004年获桂林电子科技大学机械电子工程专业学士学位，现为工程师，主要研究方向为电气互联及印制板可制造设计。

Email：frogsoccer＠sina.com

JIANGPingwas born in Zigong，Sichuan Province，in 1982.He