具有靜電損傷限制特性的柔性電路的製作方法
2023-09-17 21:50:25
專利名稱：具有靜電損傷限制特性的柔性電路的製作方法
背景技術：
微柔性電路廣泛地應用於諸如集成電路(IC)、插件板、噴墨盒、硬碟驅動器(HDD)、醫用儀器以及其它先進的基於柔性電路的電連接。這類連接在製造和裝配包括絕緣材料(塑料，聚合體)的產品和人工操作的過程中需要靜電放電(ESD)保護。ESD所關心的問題是在硬碟製造環境和應用中更為凸顯，特別是對於在滑動觸點中使用較大磁致讀取(GMR)傳感器的磁頭萬向組件。目前商品化的硬碟驅動器(HDD)生產平臺是在40至60兆比特/英寸2[(GB)/in2]，需要靜電放電保護來保護這些敏感的讀取磁頭。ESD的要求可以根據在所有輸入部件和接近處理/裝配工作檯所控制的表面電阻率和摩擦電荷(tribocharge)電壓來指定。許多HDD生產商技術規格表明表面電阻率的指標應該較佳地控制在從大約104歐姆至大約108歐姆的範圍內，並且有摩擦電荷所產生的最大表面電壓必須小於10伏(V)。
根據最新HGA技術的發展路線圖，未來HDD的規劃是在80至100GB/盤或者更高，並且對包括適用於懸浮彎曲(FOS)的柔性電路的輸入部件還將具有更加嚴格的ESD要求(摩擦電荷小於5V)。微驅動器程序、複雜的滑動觸點結構和其它基於懸浮的電氣連接和附著也都需要良好控制的ESD。由ESD所引發的損壞佔了在HDD產業中的大部分HGA產量的損耗，這明顯地影響著整個產業的利益。因此，對於HDD產業來說，控制ESD的能力是十分重要的。
在美國專利(序列號No.09/823,220)中，該申請將薄的、狹窄條狀的導電成分塗覆在至少兩個柔性電路的導電元件之間，以減小靜電電荷的積累以及平衡在所有導電引線之間的電勢。這一申請也披露了在保護覆蓋層之下所設置的導電聚合體層可以使得最終的FOS電路能夠通過HDD行業的嚴格離子汙染測試。
然而，現在已經發現具有在非關鍵性區域的柔性電路部分上塗覆薄的導電聚合體塗層的柔性電路可充分地減小測得的表面電壓。
發明內容
本發明是一種柔性電路，該電路結合靜電電荷(ESD)限制特性並且設計用於計算機所應用的硬碟驅動器的製造。
根據本發明的一個實施例，為了減小可測量表面電壓，可以將薄的導電聚合體塗層塗覆在非關鍵性區域中的部分柔性電路，通過在所塗覆表面上由摩擦電荷引起的電荷能夠流動，使得當導電接地的探頭接觸時受影響的區域可以較快地放電。導電層因為它固有的電阻率，限制了放電的速率。如果塗層是與導電聚合體帶相接觸的，則所產生的電荷也會通過與所塗覆的非關鍵性表面接觸的探頭放電。最終的電路具有所附加的ESD保護，因為通過電荷一旦建立就立即開始放電使得導電錶面能夠對在其表面上所形成的任何電荷進行放電，因此，通過使能夠和控制電壓電平的衰減來降低表面的峰值電壓。由於當能量是通過敏感的GMR傳感器耦合時損壞GMR磁頭的現有能量是與電壓電平成正比的，所以總的能量就要減小。
薄的導電薄膜將會明顯減小絕緣材料的表面電阻率，可以從大約1011歐姆至1014歐姆的範圍減小至大約104歐姆至108歐姆的範圍。
正如這裡所使用的，這些術語可以具有下列含意(1)術語「非關鍵性區域」是指在電路的驅動器柔性鍵合區域和萬向節區域之間的電路的區域。這是通常在裝配過程中用於手持的部分。
(2)術語「層間材料」和「中間層」是指一層材料，例如，設置在電路下面的鬆弛襯墊材料，可用於通過併合將柔性電路帶轉移到印刷機構。
附圖的簡要說明
圖1是在硬碟驅動器中所使用的柔性電路的剖面圖，它具有根據本發明設置在電路非關鍵性區域中的導電聚合體薄膜層的特徵。
圖2是實現本發明方法的示意圖。
圖3顯示了一例已經塗覆在柔性電路帶之間的印刷圖形的實例。
圖4顯示了在電路表面電阻率與在導電聚合體成分中NMP百分比之間的關係。
圖5顯示了在電路表面電阻率與塗覆導電聚合體成分之前使用等離子體處理步驟之間的關係。
具體實施方法本發明是一種柔性電路10，它結合了靜電放電(ESD)限制特性，正如圖1所示，並且設計用於硬碟驅動器的製造中。典型的是，HGA是採用手工裝配的。在這種操作過程中，當採用非接地的探頭，工具或夾具來接觸絕緣、保護的塗層，或者接觸諸如橡膠墊之類的其它介質材料時，就會在柔性電路的表面上產生靜電電荷。根據本發明的一個實施例，薄的導電聚合體塗層60塗覆在非關鍵性區域50中的部分柔性電路10上。非關鍵性區域是在電路70的驅動器柔性鍵合區域20和萬向節區域之間的電路區域。這是通常在裝配過程中用於手持的部分。導電聚合體塗層可以塗覆在選擇性沉積保護塗層40的上面。由導電聚合體塗層所形成的導電薄膜層可以明顯減小材料的表面電阻率，可以從大約1011歐姆至1014歐姆的範圍減小至大約104歐姆至108歐姆的範圍。在本實施例中，為了保護電路表面免受ESD，導電聚合體的塗層不一定要接觸導電的引線。
導電聚合體成分可以採用一滾筒至滾筒的印刷工藝連續塗覆，以形成薄的導電聚合體薄膜元件，其最終的固化厚度在大約0.2微米至大約25微米的範圍內，較佳的是在大約0.5微米至大約5微米的範圍內，它可以塗覆在各種絕緣材料上，例如，聚合體薄膜、塑料表面、陶瓷、玻璃、纖維，以及特別是塗覆在柔性電路上。柔性電路可以是聚醯亞胺也可以是液晶聚合體的介質基片，在介質基片的至少一個表面上至少具有一個導電線路。該導電線路可以通過將光刻膠塗覆在介質基片的至少一個表面上，採用所需要的電路圖形對光刻膠進行圖形化，以及採用諸如銅、鎳、金之類金屬對所述電路圖形進行附加電鍍的方法來形成的。另外，也可以採用減法形成電路的方法來創建柔性電路。可以採用諸如化學蝕刻、雷射消融、機械打孔以及其它等等方法在介質薄膜中形成穿孔、盲孔、窗口、介質基片的壓緊或者更薄的區域以及其它等等之類的特性。在形成電路之後，保護性聚合體成分可以選擇性的塗覆也可以整體性的塗覆在電路上。導電聚合體成分可以隨後塗覆在該保護性塗層表面上。
本發明特別涉及一種適用於HGA部件的柔性電路，該HGA部件的表面電阻率在大約104歐姆至108歐姆的範圍內，以及根據導電聚合體薄膜塗層的表面電阻率，摩擦電荷小於50V，更佳的是小於15V。
實例較佳的導電聚合體成分包括導電聚合體、非離子型粘結材料、潤溼劑和薄膜生成元素的混合物。
一種較佳的導電聚合體是一種具有由拜耳公司(Bayer Corporation ofPittsburgh，PA)出品、商標為BaytronTMP-LS的混合聚苯乙烯磺酸鹽(polystyrene sulfonate)的聚-3-4-二氧乙烯噻吩(Poly-3-4-ethylenedioxythiophene)的水性擴散劑，它具有低殘餘離子容量。所提供的導電聚合體懸浮液具有大約為1％至4％的固體按重量計。
一種較佳的非離子粘結材料是Rhoplex HA-16，這是一種由Rohm和Haas公司(Rohm and Haas Company of Philadelphia，PA)出品的自交聯丙烯酸粘結劑。
一種較佳的潤溼劑是由Dupont化學公司(Dupont Chemical Company，Wilmington，DE)出品的ZonylFSN。其化學結構為「RfCH2CH2O(CH2CH2O)xH」，式中Rf＝F(CF2CF2)y，其中，X＝0至大約25，以及Y＝1至大約9。潤溼劑可用於以非常低的濃度來改變表面能量，並且兼容於大多數基於水性或溶劑的溶液。一般，潤滑劑添加的濃度在大約0.1％至大約0.5％的範圍內，按重量計。
較佳的添加劑是1-methyl-2-pyrolidone(NMP)。NMP的功能是便於從導電聚合體鏈的主要架構中釋放更多的「自由離子」，以增加導電性。導電性改善的程度主要取決於所添加的NMP的數量。所添加的NMP在大約2％至大約8％的範圍內，按重量計，並且更佳的是在大約2％至大約4％的範圍內，按重量計。
導電聚合體成分可以通過上述成分的組合來製成。特別是，提供的10％至90％導電聚合體擴散劑(Baytron P-LS)，在該擴散劑中已混入所選用的潤滑劑。該擴散劑可以90％至10％丙烯酸乳狀液(RHOPLEX HA-16)和2％至8％NMP的混合物來組合。隨後，最終混合物的ph值可以通過添加大約0.1％至1％的50％銨氫氧化物(NH4OH)溶液從大約3.0調整至大約7.0和8.5的範圍內。表1顯示了一組說明的實例。
表1適用於導電聚合體成分和最終導電聚合體薄膜性能的典型公式
注意所有的導電聚合體成分都包含0.1％-0.3％的ZonylFSN。
導電聚合體成分可以採用一滾筒至滾筒的鋪墊印刷系統塗覆在FOS線路的非關鍵性區域，鋪墊印刷系統包括一個能夠處理從大約70mm至大約300mm寬，較佳的是70mm寬的帶的自動薄帶處理系統，一個印刷臺和一個乾燥臺。該系統的結構和裝配如圖2所示。在保護性塗層塗覆之前或之後，通過移出帶處理設備和把印刷臺插入到柔性線路生產線中該處理工藝可與FOS電路製造予以集成或者此工藝在具有保護塗層的柔性電路的最終帶方面用作為單獨的工藝。
在鋪墊印刷處理工藝中，紙質襯墊或聚合體襯墊可以放在微柔性帶的下面，這樣可以具有防止墨水流到和擴散到不需要的區域。下帶的放置容差可以由鏈輪齒孔(圖3所示的320)控制，該孔設置在柔性電路帶300的一側上，並且可以在下帶中以32間距累計誤差為+/-0.254mm的方式表示。相交的帶印刷的容差有時取決於塗覆的電路，但是通常為大約40密爾。
自動帶處理系統能夠處理從大約70mm到大約300mm寬的帶，較佳的是，70mm寬的帶，它包括在印刷臺220之前的帶放開臺205，以及在烘箱245之後的帶收卷臺260。放鬆臺可以容納下兩滾筒的材料，即，柔性電路215的帶材和一滾筒的中間層材料210。中間層材料的目的是有助於在溶劑蒸發之前包含導電聚合體成分。中間層的寬度基本上與柔性電路帶的寬度相同。通過控制支配到所傳遞的電路表面和區域上的導電聚合體成分數量，中間層可以起到允許電路的背面也可以塗覆的附加作用，從而對電路提供其它ESD的保護。通常，柔性電路是通過介質基片來開孔的，以便於分離各個部分。通過控制導電聚合體成分的數量，通過在柔性電路介質基片和中間層材料之間的這些開孔和毛細孔可以將材料塗覆在背面上。中間層材料可以選自一組包含凸狀中間層、釋放襯底或者Teflon中間層的材料。中間層是由滾筒210放開。隨後，通過柔性電路滾筒，該帶以方向v和相同速度饋出這些滾筒。幾個惰輪用於保持薄膜的適當帶的彈性。隨後，在中間層上的柔性電路帶進入到印刷臺220。
導電聚合體成分塗覆在柔性電路帶上的HDD電路的非關鍵性區域。塗覆方法可以使諸如絲網印刷或者襯墊印刷之類的轉移印刷技術。舉例來說，如圖2所示的印刷臺就是一個襯墊印刷臺。當柔性電路材料215先進入印刷臺時，印刷頭230裝載著導電聚合體成分並且隨之壓印在通過的帶上。印刷頭230設計成可以將導電聚合體成分沉積在HDD電路的非關鍵性區域上且橫跨帶的整個寬度(見圖3)。該步驟可以規定的間距重複，使得沿著帶長度縱向位置上的HDD電路的各行都可以採用類似的方式壓印。一滾筒吸收紙可以結合印刷臺使用，正如圖2所示，以便於在溶劑蒸發之前所包含的導電聚合體成分能夠保持清潔所需的程度。
在印刷之後，柔性電路材料進入到至少一個烘箱中。多餘的溶劑可以烘乾，並且粘結樹脂在烘箱中交聯。較佳的烘箱結構允許進行蒸發溶劑的預焙烘步驟和交聯樹脂和去除任何殘剩溶劑的焙烘步驟。烘箱的預焙烘區域可設置在大約40℃至大約90℃的溫度範圍內。在預焙烘的電路已經饒上上繞臺之後，可以在第二個烘箱中進行在線或者離線的最後焙烘步驟，未示出。最後的焙烘溫度可以設置在在大約120℃至大約180℃範圍內。烘箱可以是紅外烘箱，也可以是強風對流烘箱。
作為襯墊印刷處理工藝，很重要的是導電聚合體薄膜在塗覆表面或在裸露聚醯亞胺基片上的均勻性。這些表面一般都具有較低的表面能量，其範圍在大約28dyne/cm至大約39dyne/cm。表面能量可以使用包含Sherman Treaters(UK)公司出品的標準表面張力溶劑的記號筆來確定。
使用電子顯微鏡技術，可以確定導電聚合體薄膜的厚度分布範圍為大約0.2微米至大約5微米。可以採用增加塗層或者聚醯亞胺上的表面能量的方式來檢測各種常規的表面處理技術步驟，這同樣應該改善粘結和薄膜的均勻性。令人驚訝的是，表面阻力的測量顯示，與沒有採用等離子體處理的表面相比較，等離子體刻蝕提高薄膜的導電性至少10倍。電暈處理應該可以產生類似或者更好的效果。
在電路上塗覆導電聚合體配方之前進行等離子體處理。可以使用混合的氣體等離子體，包括氬氣、氮氣和氧氣。在溫度大約120℃時，帶的速度可設置為大約3mpm。
塗層的厚度可以變化，通過單次、兩次或甚至更多次印刷來增加薄膜的厚度，以及它的導電性。
表面阻力測量可以在單一電路表面上或者在表面上具有導電聚合體薄膜的其它薄膜表面上進行。該測量可以使用具有HRS環狀探頭的Hiresta UP MCP-HT260電阻儀(Mitsubishi Chemical，Tokyo，Japan)來進行。
HGA的ESD敏感性與這部分的可放電能量有關，這可以通過讀/寫磁頭的GMR元件來指導。如果柔性電路的介質表面與其它介質或者沒有接地的導電材料相接觸，在不同的材料分開時，就會建立瞬時電壓電勢，因為存在著來自表面的多餘正電荷或負電荷。如果表面具有高的電阻率，該電荷就會保持著，不會釋放或者放洩。如果材料是導電的，則電荷將會擴散和形成中性電荷(衰減)。對於電路來說，通常需要好的介質材料，使得摩擦電荷效應變得非常一般。
電壓電平直接與電路表面上的電荷點/單元區域的數量有關。一種直接測量表面電壓的方法是使用Isoprobe靜電電壓表-Model 244A(MonroeElectronics，Lyndonville，New York)。對於高阻表面，可以測量這部分的峰值電壓或者電壓範圍，以確定表面處理是否減小了所測得的電壓電平。
圖4顯示在電路的表面電阻率和導電聚合體成分中的NMP百分比之間的關係，其中導電聚合體成分來自於對於給定厚度的導電聚合體薄膜在表1所示的實例。該導電性可以通過塗覆較厚的薄膜進一步增加。
圖5顯示在電路的表面電阻率和在塗覆導電聚合體成分之前使用等離子體處理步驟之間的關係。預處理電路的表面電阻與沒有進行預處理的電路以及沒有ESD保護的導電薄膜層的電路相比較。
權利要求
1.一種結合靜電電荷放電限制特性的柔性電路，其特徵在於，所述電路包括一個選自聚醯亞胺組或者液晶聚合體薄膜的介質基片，在介質基片的至少一個表面上具有至少一個鍍覆的導電線路；所述放電限制特性包括一個選擇性塗覆在至少所述電路的部分非關鍵性區域上的薄的導電聚合體塗層，所述特性將電路的表面電阻率減小至在大約104歐姆至108歐姆，以及所具有的摩擦電荷小於約50V。
2.根據權利要求1所述柔性電路，其特徵在於，所述導電聚合體塗層包括至少1.3重量百分比導電聚合體的大約10至90重量百分比的水性擴散劑，大約4.5重量百分比的非離子自交聯丙烯酸粘結樹脂的大約10至大約90重量百分比的水性乳狀液，，以及大約50重量百分比的氫氧化銨的0.1至1重量百分比的水性溶劑。
3.根據權利要求2所述柔性電路，其特徵在於，所述放電限制特性包括聚-3-4-二氧乙烯噻吩(Poly-3-4-ethylenedioxythiophene)和聚苯乙烯磺酸鹽(polystyrene sulfonate)的混合物，其中水性擴散劑含有從大約2％至大約3％的導電聚合體。
4.根據權利要求1所述柔性電路，其特徵在於，所述導電聚合體是對可見光譜基本透明的。
5.根據權利要求1所述柔性電路，其特徵在於，進一步包括在所述的電路線路上的選擇性沉積的保護塗層，所述導電聚合體塗層是塗覆在其上面。
6.根據權利要求1所述柔性電路，其特徵在於，所述電路線路是通過將光刻膠塗覆在所述介質基片的至少一個表面上，採用所述電路圖形對光刻膠進行圖形化，以及採用選自包含銅、鎳和金之類導電金屬對所述電路圖形進行附加電鍍的方法來形成。
7.根據權利要求1所述柔性電路，其特徵在於，進一步包括至少一個特性選自包括在所述介質基片中所形成的穿孔、盲孔、窗口和缺口的組。
8.根據權利要求1所述柔性電路，其特徵在於，所述摩擦電荷小於15V。
9.根據權利要求1所述柔性電路，其特徵在於，所述摩擦電荷小於10V。
10.一種適用於形成結合靜電放電限制特性的柔性電路的裝置，其特徵在於，所述該電路包括一個介質基片，所述介質基片在至少其一個表面上至少具有一條鍍覆的導電線路，以及一個選擇性塗覆在至少所述電路的部分非關鍵性區域上的薄的導電聚合體塗層，所述塗層可以採用自動帶處理系統來形成，所述自動帶處理系統能夠處理寬度從大約70mm至大約300mm寬的帶，並且包括一個在印刷臺之前的帶放開臺，一個烘箱和一個在烘箱之後的帶收卷臺，所述帶放開臺具有用於柔性電路滾筒和一個中間層滾筒兩者的滾筒。
11.一種適用於選擇性形成薄的導電聚合體塗層的連續一滾筒至滾筒的印刷處理工藝，所述導電聚合體塗層塗覆在多個柔性電路中的至少部分非關鍵性區域，其特徵在於，所述處理工藝包括提供一滾筒的中間層材料和一滾筒的柔性電路，所述柔性電路具有多個以行定位在滾筒橫向寬度上的電路，以及多個沿著滾筒的縱向定位的行，從滾筒上放開中間層材料至帶上，以帶方向和所設定的速度來移動帶和中間層材料通過柔性電路的滾筒，以帶方向和相同速度將柔性電路從滾筒中饋出，同時籍助於多個惰輪來保持帶的彈性，將帶移進印刷臺，籍助於轉移印刷技術以橫跨一行柔性電路的方式將導電聚合體成分塗覆在所述柔性電路中的至少部分非關鍵性區域，以帶方向將帶移動一個規定的間距，在柔性電路的相鄰行上重複印刷步驟，印刷步驟重複規定間距，從而印刷各行，以及將帶移進乾燥烘箱。
12.根據權利要求11所述處理，其特徵在於，進一步包括在印刷步驟之前的等離子體處理步驟。
13.根據權利要求12所述處理，其特徵在於，使用一種混合氣體等離子體，混合氣體包括氬氣、氮氣和氧氣。
14.根據權利要求11所述處理，其特徵在於，進一步包括在印刷步驟之前的電暈處理。
15.根據權利要求11所述處理，其特徵在於，對所述各個電路進行多次塗覆步驟。
16.根據權利要求11所述處理，其特徵在於，多餘的導電聚合體成分塗覆在電路帶上，以致多餘部分流動通過在帶中的開孔以及在中間層材料和電路帶之間的毛細孔也以薄層導電聚合體塗覆所述介質基片的背面。
全文摘要
一種結合靜電電荷放電限制特性的柔性電路(10)，所述電路包括一個選自聚醯亞胺或者液晶聚合體薄膜的介質基片，在介質基片的至少一個表面上至少具有一個鍍覆的導電線路(30)；所述放電限制特性包括一個選擇性塗覆在至少所述電路的部分非關鍵性區域上的薄的導電聚合體塗層(60)，所述特性將電路的表面電阻率減小至在大約10
文檔編號G11B5/40GK1685774SQ03822776
公開日2005年10月19日 申請日期2003年8月29日 優先權日2002年9月26日
發明者R·S·多茲沃思, J·B·沙伊布納, 張科, C·T·伊, J·M·莫克, Y·P·李 申請人:3M創新有限公司