CN116671266A - 电介质材料改变以优化柔性电路的电气和机械性能 - Google Patents

Abstract

教导了使用多于一个电介质层的均匀厚度的柔性电路。第一电介质层更柔韧并且能够在第二电介质层不能可靠地弯曲的曲率半径下可靠地弯曲。第二电介质层具有比第一电介质区域更期望的至少一种电特性，例如泄漏。还描述了使用均匀厚度的柔性电路来保护电子壳体中的敏感材料。

Description

电介质材料改变以优化柔性电路的电气和机械性能

背景技术

本公开总体上涉及一种具有柔性电路的电子系统。柔性电路可以在电壳体中。所述电壳体中的所述柔性电路在所述柔性电路的第一区域中以第一曲率半径在特定弯曲部处弯曲或形成。柔性电路中的第一电介质用在第一区域中，柔性电路中的第二电介质用在柔性电路上的具有更长曲率半径或是平坦区域的第二区域中。

发明内容

本发明的实施例提供均匀厚度的柔性电路，所述柔性电路具有第一电介质和第二电介质，所述第一电介质具有允许所述柔性电路弯曲而不损坏所述柔性电路中的电导体的特性，所述第二电介质具有提供比所述第一电介质中的泄漏低的泄漏的特性。

在实施例中，第一电介质具有比第二电介质低的弹性模量，使得第一电介质能够以比第二电介质更小的曲率半径弯曲。第一电介质具有比第二电介质更高的泄漏。

在本发明的实施方式中，对于非限制性实例，第一电介质是“FR”，其中，FR涉及阻燃剂改性的丙烯酸粘合剂。第二电介质是“HT”，指特征在于有利的材料和电特性的一类高温层压材料。这样的材料可以具有比诸如FR的材料更高的玻璃化转变温度(Tg)和更低的损耗特性。第一电介质区和第二电介质区两者可以使用AP芯，在AP芯上形成并蚀刻金属化物以提供电布线路径。在本文中通常使用“AP”，指包括覆铜层压板和结合至铜箔的聚酰亚胺膜的全聚酰亚胺复合材料的一类无粘合剂/高性能层压板材料。AP7163E在此被用作示例性的“AP”膜。

在本发明的实施例中，形成柔性电路中的一个或多个布线层中的导体图案。导体图案可以是将第一半导体芯片耦接至第二半导体芯片的信号导体。电池可以向第一半导体芯片和第二半导体芯片供应能量。导体的图案可以是蛇形图案，该蛇形图案将通过钻孔或撕裂而被破坏以显示对电壳体的损害。

附图说明

图1A和图1B示出柔性电路的顶视图和截面图，其中布线层和区段具有第一电介质区域和第二电介质区域。

图1C示出了半导体芯片和安装在柔性电路上的半导体芯片的截面图。

图2A示出了在蚀刻和层压截面之前的原材料的截面，其中，FR被用作电介质。

图2B示出了在蚀刻之后图2A的材料的截面。

图2C示出了在蚀刻和层压之后图2A的材料的截面。

图3A示出了在使用HR作为电介质的截面的蚀刻和层压之前的原材料的截面。

图3B示出了在蚀刻之后图3A的原材料的截面。

图3C示出了在蚀刻和层压之后图3A的材料的截面。

图3D示出了FR部分和HT部分的并排比较，两个部分在层压之后具有相同的厚度以在柔性电路的长度上形成均匀的厚度。

图4A和图4B示出了具有示出的FR和HT电介质区域的电气壳体的顶视图和截面图。

图4C示出了包括电壳体内部的印刷电路板(PCB)和芯片的电壳体的截面图。

图5示出了具有折叠180度的柔性电路的电子壳体，其中示出了FR和HT电介质区域。

图6示出了两个层的截面，两个层具有部分重叠的FR截面和HT截面以在电子壳体被打开时增加撕裂。撕裂将断开穿过FR和HR区域的布线层中的一些或全部布线。

图7示出了在电子壳体的边缘附近具有交替的FR和HR的部分，如果电子壳体被撬开，其也促进撕裂以断开在电子壳体的边缘附近的FR和HR区域中的布线。

图8示出了在柔性电路中具有部分“间隙”的柔性电路的层的布局，如果电子壳体被撬开，所述部分“间隙”将有助于撕裂。

图9示出了对于FR和HT电介质区域的泄漏与频率的关系图。

图10示出了用于允许使用其中柔性电路需要比HT区段能够可靠地弯曲更急剧弯曲的FR区段和HT区段能够可靠地使用的HT区段的方法。

具体实施方式

本公开总体上涉及具有需要急剧弯曲或折叠的柔性电路的电子系统。所述柔性电路可以在电壳体中。所述电壳体中的所述柔性电路在所述柔性电路的第一区域中以第一曲率半径在特定弯曲部处弯曲或形成。柔性电路中的第一电介质被用于第一区域中，柔性电路中的第二电介质被用于柔性电路上的具有较长曲率半径和平坦区域之一的第二区域中。柔性电路具有均匀的厚度。

当柔性电路需要比由第二电介质支持的曲率半径更小的曲率半径更尖锐地弯曲时，可以使用本文所述的柔性电路。第二电介质具有更期望的特性，诸如高频信号中的损耗、泄漏、以及膨胀系数。在这种弯曲中，第一电介质用于支持必要的弯曲，而不在柔性电路上的布线中形成裂纹。在不需要这种弯曲(即，柔性电路的“更平坦”部分)的情况下，使用第二电介质，有利地采用上述更期望的特性。

在各种应用中可能需要小的曲率半径。例如，柔性电路可能需要抵靠其自身折回。在另一示例中，电子壳体可以包含敏感的(可能是加密的)组件，并且对篡改(诸如钻入电子壳体中或撬开电子壳体)的检测是需要的。柔性电路可以“形成”到电子壳体的凹部中，通常导致小的曲率半径。柔性电路可包含一个或多个层上的布线图案。钻孔或撬开电子壳体将断开布线图案中的一根或多根布线以暴露篡改。稍后将讨论具有柔性电路的电子壳体的若干附图。

在附图和详细说明中，相似的标号通常指代相似的部件、部件、步骤和过程。

现在参见图1A、图1B和图1C，示出了具有本发明的实施例的柔性电路的顶视图。

图1A是柔性电路101的俯视图。半导体芯片150和151可以通过常规手段安装在柔性电路101上，例如引线接合或表面安装连接。电池152还可以安装在柔性电路101上以向半导体芯片150和151中的一个或两个供应能量。图1B描绘了图1A中的A-A处的截面。

图1B示出了A-A处的截面图。示出了布线层102、103和104。设想更多或更少的布线层。区域110(一个在左边；一个在右边)是使用上述第二电介质的区域，此后将被称为HT区域。区域111使用第一电介质，该电介质能够以小曲率半径可靠地弯曲，此后将被称为FR区域。图1B示出了以曲率半径106弯曲的柔性电路101。弯曲区域称为过渡区。布线层103和104上的布线显示为连续的。布线层102上的布线被示出为布线102A和102B，如果在更脆的HT电介质中实现区域111，其将断开，示出为间隙105。因此，区域111使用FR电介质实现，以防止过渡区中的这种断裂。

图1C示出了安装在柔性电路101上的半导体芯片150，并且示出了芯片、互连和布线图案的放大图。使用表面连接元件161将半导体芯片150安装在柔性电路101上至镀层170，并且下降到上层布线信号过孔171。在保护敏感电路的电子壳体中，柔性电路101可被形成为抵靠电子壳体的凹部并且使用粘合剂465被保持在该凹部中，例如如图4A所示，并且稍后描述。通过钻孔篡改电子壳体的尝试将破坏布线层上的布线图案中的一个或多个，从而检测篡改尝试。

图4A和图4B示出了电子壳体400，图4B中为俯视图，和图4A中为B-B处的截面图。电子壳体400包括壳体顶部402、壳体底部401和空腔403。柔性电路101A和101B被示出为形成为壳体顶部402和壳体底部401的凹部内，并且用粘合剂465粘附到壳体顶部402和壳体底部401的轮廓。HT区域110和FR区域111在俯视图4B和截面图4A中示出。在截面图4A中，标记为110的双箭头线，柔性电路101A和101B使用HT区域110；在标记为111的两个双箭头线中，柔性电路101A和101B使用FR区域111，其中过渡区域出现在壳体顶部402和壳体底部401中以容纳过渡区域中的弯曲部。在空腔403中心的平坦区域中，HT区域110被用于利用HT电介质的更期望的电介质参数。实践中，壳体顶部402和壳体底部401的大部分将典型地被HT区域覆盖，如图8所示。目前，图4A和图4B被绘制成强调弯曲区域，实践中，与电子壳体的实际尺寸相比，弯曲区域通常将较小(对于更典型的弯曲区域，见图8)。例如，HT区域110可以是图4B中的区域的90％或更大，FT区域111可以是图4B中的区域的10％或更小。图4B所示的同心矩形布置便于具有不同层压温度的两种不同材料(即，HT区域110和FT区域111)的层压。HT区域110在约300℃被层压，FR区域111在约200℃被层压。

图4C示出电子壳体400，包括夹在如图所示的柔性电路101A和101B之间的印刷电路板(PCB)470的截面。PCB470可用粘合剂465粘附到柔性电路101A和101B。PCB470可以具有电气和机械附接的半导体芯片471和电池472。诸如加密密钥之类的敏感信息可以被存储在半导体芯片471中。当检测到篡改电子壳体400时，电池472可以供应能量以破坏半导体芯片471中的敏感信息。

图5是电子壳体500的示例。柔性电路101被示出为具有180度弯曲。电子壳体500以截面示出并且包括壳体底部501、壳体顶部502和柔性电路101。应当理解，半导体芯片或其他电子部件可安装在柔性电路101上，但是为了简单起见，未在图5中示出。柔性电路101被示出为具有180度弯曲，并且在发生折叠的过渡区处对着自身折回，导致在弯曲处的小曲率半径。HT区域110被示出为用在柔性电路101的平坦部分中，并且FR区域111被示出为在弯曲部处。如前所述，这提供了柔性电路101的具有HT电介质的期望特性的大面积，以及柔性电路101的放弃HT电介质的期望特性但在弯曲区域中获得FR电介质的柔性的相对小的面积。柔性电路101使用粘合剂465粘结到壳体底部501和壳体顶部502。壳体顶部502和壳体底部501可以通过粘合剂、螺钉或其他已知的附接方法附接在它们会合的地方。

现在参见图2A，用于柔性电路101的区域111的原材料被示为在蚀刻和层压之前的原材料。电介质区域111是“FR”电介质区域，其用于柔性电路101必须以小曲率半径弯曲的地方。“小曲率半径”意味着区域111可以在该曲率半径下可靠地弯曲，但是区域110不能在该曲率半径下可靠地弯曲。图2A、图2B、图2C(用于FR区域111电介质)和图3A、图3B和图3C中用于示范性目的的示范性柔性电路101示出了三个芯，但是可设想更多或更少的芯。

图2A示出了参考编号的层和每个层的厚度。

“芯1”201包括0.35密耳(mil)的铜(Cu)金属化物202和204、以及1.0密耳的聚酰亚胺203。如前所述，核201可以是AP7163E。

“结合膜1”231包括0.50密耳FR粘合剂层232和234，以及0.5密耳聚酰亚胺233。

“芯2”211包括0.35密耳的金属化层212和214、以及1.0密耳的聚酰亚胺213。芯211可以是AP7163E。

“结合膜2”241包括≥0.50密耳FR粘合剂层242和244，以及0.5密耳聚酰亚胺243。

“芯3”221包括0.35密耳的金属化层222和224、以及1.0密耳的聚酰亚胺223。核221可以是AP7163E。

图2B示出了在蚀刻金属化层之后图2A的原材料层的截面。如图所示，进行50％蚀刻以产生精细线图案。在实施例中，精细线图案具有沿相同方向延伸的布线，但是交替的布线层具有如图所示的交替的布线和间隔。这可有助于防止钻穿柔性电路101而不断开布线层上的布线。顶部金属化层202和底部金属化层224在图2B中被示出为未被蚀刻；然而，金属化层202和224的部分可以按图案被蚀刻以提供到诸如半导体芯片150和151的电路的金属连接。

图2C示出了在层压之后图2B的原料层的截面。注意，柔性电路111是6.7密耳厚。在该截面中已经去除了金属化层202和224。参考编号指代与图2A和图2B中所示的相同层。

现在参见图3A，用于柔性电路101的区域110的原材料被示为在蚀刻和层压之前的原材料。电介质区域110是在柔性电路101可以以相对大的曲率半径或平坦区域弯曲的情况下使用的“HT”电介质区域。图3A示出了参考编号的层和每个层的厚度。

图3A中的“芯1”301与图2A中的“芯1”201相同，但是将被标记为“芯1”301，并且包括0.35密耳Cu金属化层302、304和1.0密耳聚酰亚胺层303。芯301可以是AP7163E，如AP(AP7163E，DuPont)。

“结合层1”331包括1.50密耳HT聚酰亚胺333。

“芯2”311包括035密耳Cu层312、314和1.0密耳聚酰亚胺313。芯311可以是AP7163E。

“结合膜2”341包括1.50密耳HT聚酰亚胺343。

“芯3”321包括0.35密耳Cu层322、324和1.0密耳聚酰亚胺323。芯321可以是AP7163E。

图3B示出原材料，具有与图3A相同的附图标记，具有在金属化层304、312、314和322中蚀刻的图案。与先前的FR区域截面一样，金属化层302和324可以被蚀刻或不被蚀刻。

图3C示出了柔性电路101在区段110“HT”区域中的截面。参考编号与先前引用的相同。

层叠后柔性电路HT区域110的厚度为6.7密耳，如图3C所示。这是与如图2C所示的柔性电路FR部分111相同的厚度。对于区域111和110，芯部分具有相同的材料和厚度。FR区域111和HT区域110的粘合剂粘接片部分必须被指定，使得在层压之后，柔性电路101的厚度具有均匀的厚度。

虽然为了简单起见，附图单独示出了核(即，与核301、311和321分离的核201、211和221)，但是这些核包括柔性电路101中的所有布线，并且这些核是连续的。例如，芯201和301是延伸柔性电路101长度的相同芯；同样地，芯211和311是延伸柔性电路101长度的相同芯；并且芯221和321是延伸柔性电路101的长度的相同芯。相对照地，用于FR区域111的结合膜(标号231和241)和HT区域110的结合膜(标号331和341)是分开的，并且必须在FR区域111和HT区域110接合的接合处彼此抵靠。

现在参见图6，示出了当电子壳体在篡改事件中被撬开时增加撕裂和折断柔性电路101上的一根或多根布线的可能性的实施例。为了简单起见，电子壳体400(图4A、图4B和图4C)被示出为超过虚线640的电子壳体400的一部分，当偏置打开时，将断开区域111和110中的至少一个中的布线。粘合剂465，诸如环氧树脂或其他强粘合剂，将抵抗撬开并且导致柔性电路101中的断线。FR区域111在弯曲区域631中示出，以容纳作为第一层611和第二层621的FR区域631的小曲率半径。如图4A所示，当柔性电路101形成到空腔403中时，可出现弯曲区域631。如图6所示，第一层611上的FR区域111的区域与第二层621上的HT区域110的区域重叠，如虚线630所示，其中，第一层611上的FR区域111与第二层621上的FR区域111和HT区域110之间的边界重叠。如果电子壳体被撬开，则重叠结构将大大增加在FR区域111和HT区域110上撕裂、断开布线并且由此检测电子壳体的篡改的可能性。

图7示出了另一个实施例，如果电子壳体400被撬开，该实施例增大了撕裂和断开布线柔性电路101的可能性。再次，为了简单起见，仅示出了层711的在虚线740处切割的一部分。在该实施例中，在柔性电路101的单层上，FR区域111和HT区域110的各部分交替并延伸到柔性电路101的边缘，包括在弯曲区域731之上。应理解，在该实施例中，在电子壳体400中，曲率半径必须适应HT区域110的最小曲率半径。

图8示出了另一个实施例，如果电子壳体400被撬开，则该实施例增大了撕裂和断开布线的可能性。该实施例也可以被包括作为先前描述的实施例的变体。示出了(图4A和图4B的电子壳体400的)壳体底部401的俯视图。放大部分801示出了在靠近壳体底部401的边缘的平坦区域中的HT区域110中的蛇形布线图案。间隙802是在柔性电路101中具有布线的一个或多个层中的“狭缝”。FR区域111在图4A和图4B中的柔性电路101的边缘处被示为在电子壳体400的边缘处。在图8的实施例中，由于壳体底部401的边缘围绕周边是平坦的，如图所示，可以在平坦部分上使用HT区域110来利用其期望的电性能，而FR区域111用来处理壳体400中的壳体底部401的平坦底部部分的小曲率半径(图4A、图4B)。如图4A和4B所示，HT区域110也将用于平坦的底部部分。层压过程将再次使用约300℃的温度管理层压HR区域110的区域，以及在约200℃的温度管理层压FR区域111环在电子壳体400的壳体底部401的外围的内部。可通过顺序层压较热温度为约300℃的HT区域110，随后层压较冷温度为约200℃的FR区域111来实现不同的层压温度。或者，可以通过在与HR区域110和FR区域111之间的图案相关的不同温度下使用两个板来实现双温度层压。

图9展示以分贝(dB)为单位的电介质泄漏对以千赫(kHz)为单位的频率的示范性曲线图。作为示例，垂直轴的范围可从底部的约-92dB跨越到顶部的-70dB。类似地，水平轴线的范围可从大约0kHz到1.0kHz。柔性电路101的任何层中的布线可能需要承载相对高频信号或具有高频分量的偶然脉冲。该曲线图示出在图9中的FR电介质902中示出的FR区域111对比图9中的HT电介质904中示出的HT110区域中的非常大的功率损耗。在篡改检测应用中，来自电子壳体400内的电池(例如，图1A和图1B中的电池152)的能量可能需要破坏电子壳体400内的半导体芯片(150，151)上的敏感信息。敏感信息可以是例如加密密钥。用信号通知布线中的不连续性的动作可包括删除电子壳体内的加密密钥。在一些实施方式中，电池的最小操作寿命可以由公布的密码安全规范规定，例如，美国政府联邦信息处理标准(FIPS)140-2密码模块的安全要求。在这样的应用中，存储在电池中的能量的保存是重要的。

图10示出了方法1000，方法1000可用于使用HT区域和FR区域制造柔性电路，其中HT电介质区域可被可靠地使用，FR区域HT电介质不能被可靠地使用。

在步骤1010中，选择芯材料，该芯材料在至少一侧上具有可被蚀刻成布线的导电材料。

在步骤1012中，选择包括电介质和在电介质的至少一侧上的粘合剂并且支持第一曲率半径的第一结合层。当层压至芯材料时，第一结合层具有厚度。

在步骤1014中，选择第二结合层。第二结合层具有比第一结合层的相同电或机械特性更理想的至少一个电特性(例如，泄漏)或机械特性(例如，热膨胀系数)。第二结合层不能可靠地以第一曲率半径弯曲。当层压至芯材料时，第二结合层具有厚度。

在步骤1016中，确定电子壳体中需要以第一曲率半径的弯曲的一个或多个区域。

在步骤1018中，确定电子壳体中可以可靠地使用第二结合层的区域。

在步骤1020中，在需要第一曲率半径的弯曲的一个或多个区域中将第一结合层层压到芯材料，并且在能够可靠地使用第二结合层的一个或多个区域中将第二结合层层压到芯材料。

Claims (19)

1.一种设备，包括：

柔性电路，所述柔性电路进一步包括：

芯，所述芯具有聚酰亚胺层，所述聚酰亚胺层具有表面，布线的图案附接至所述表面；

第一电介质区域，第一电介质区域附接至所述芯的出现过渡区域的表面；

第二电介质区域，第二电介质区域附接至其中所述第一电介质未附接至所述芯的表面处的所述芯的表面；

所述过渡区域是包括特定半径的弯曲部的区域，对于所述特定半径，第一电介质区域能够可靠地弯曲而第二电介质不能够可靠地弯曲；以及

所述柔性电路的厚度在所述柔性电路的长度上是均匀的。

2.根据权利要求1所述的设备，所述第二电介质区域具有比所述第一电介质区域更低的泄漏。

3.根据权利要求1所述的设备，所述第一电介质区域是阻燃丙烯酸粘合剂FR，并且所述第二电介质区域是高温层压材料HT。

4.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：

一个或多个电子部件，所述一个或多个电子部件机械耦接且电耦接至所述柔性电路。

5.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：

电子壳体，所述电子壳体用于容纳所述柔性电路的至少一部分，所述电子壳体包括具有过渡区域的凹陷区域，所述柔性电路的一部分形成在所述过渡区域中。

6.根据权利要求5所述的设备，所述电子壳体进一步包括：

壳体底部，包括所述凹陷区域，所述柔性电路通过粘合剂附接到所述壳体底部的表面。

7.根据权利要求6所述的设备，所述电子壳体进一步包括：

壳体顶部，所述柔性电路通过所述粘合剂附接到所述壳体顶部的表面。

8.根据权利要求7所述的设备，所述布线图案具有重叠的布线层，以在篡改事件中通过钻孔使所述布线图案中的至少一个布线断裂。

9.根据权利要求7所述的设备，选自所述第一电介质区域和所述第二电介质区域中的至少一个的电介质区域具有在使顶部壳体和底部壳体分开的篡改事件中撕裂、断开所述布线图案中的至少一根布线的图案。

10.根据权利要求9所述的设备，待撕裂的图案包括蛇形布线图案，所述蛇形布线图案具有从所述电介质区域的边缘的狭缝以增强撕裂。

11.根据权利要求9所述的设备，在第一电介质层上的第一图案和在第二电介质层上的第二图案在所述第一图案和所述第二图案之间重叠，布置为引起撕裂。

12.一种制造柔性电路的方法，包括：

选择在表面上具有导电材料的芯材料；

选择支持具有第一曲率半径的弯曲部的第一电介质层，第一结合层在与所述芯材料层压时具有厚度；

选择第二电介质层，所述第二电介质层具有比所述第一结合层更期望的电特性，但不能可靠地支持在所述第一曲率半径下的弯曲，第二结合层在与芯材料层压时具有厚度；

确定所述柔性电路的需要以所述第一曲率半径弯曲的第一区域；

确定所述柔性电路的不需要以所述第一曲率半径弯曲的第二区域；以及

将所述芯区域与所述第一电介质层层压在所述柔性电路的所述第一区域中，以及将所述芯区域的剩余部分与所述第二电介质层层压。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括为所述芯选择“AP芯”，其中，“AP芯”是一类无粘合剂高性能层压材料。

14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：

选择“FR”结合层作为第一电介质区域，其中“FR”是柔性层压材料中的阻燃改性的丙烯酸粘合剂；以及

选择“HT”结合层作为第二电介质区域，其中，“HT”是一类高温层压材料。

15.一种用于将敏感材料封闭在电子壳体中的方法，包括以下步骤：

制作电子壳体中的底部壳体，所述电子壳体具有凹陷区域以及在所述底部壳体的边缘与所述凹陷的底部之间的过渡区域；

制作所述电子壳体中的顶部壳体；

粘附柔性电路以覆盖所述顶部壳体和所述底部壳体的内表面，所述柔性电路用于检测对所述电子壳体的篡改；

所述柔性电路具有第一电介质区域以可靠地穿过所述过渡区域；以及

所述柔性电路具有第二电介质区域以覆盖所述柔性电路未被所述第一电介质区域覆盖的区域。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：使用阻燃剂改性的丙烯酸粘合剂材料“FR”作为所述第一电介质区域并且使用高温层压材料“HT”作为所述第二电介质区域。

17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：使用被配置为检测所述电子壳体的篡改的所述柔性电路中的布线图案。

18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：使用所述第一电介质区域和所述第二电介质区域的布局图案来当所述顶部壳体和所述底部壳体被撬开时，增强撕裂以断开所述柔性电路中的布线。

19.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：将印刷电路板PCB放置在所述顶部壳体与所述底部壳体之间，所述PCB进一步具有包含所述敏感材料的半导体芯片。