Flexible und starr-flexible Schaltungen

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1 Flexible und starr-flexible Schaltungen Empfehlungen für head electronic GmbH Seestraße Prien am Chiemsee, Deutschland Telefon: Telefax: Internet: Version 1.0_06/10_sf_Handbuch Seite 1 von 23

2 1. Inhaltsverzeichnis Kapitel Text Seite 1. Inhaltsverzeichnis 2 2. Arten der flexiblen und / oder starr-flexiblen Leiterplatten 4 3. Lagenaufbauvorschläge Symmetrische Lagenaufbauten Doppelseitige flexible Leiterplatte 2 Lagen flexibel Lagen Starr-Flex Leiterplatte davon 2 flexibel Lagen Starr-Flex Leiterplatte davon 4 flexibel Legende zu den Lagenaufbauten 8 4. Werkstoff Flexibles Laminat Kennwerte Klebesysteme Kennwerte Kupferarten Kennwerte Konstruktion Biegeradien Biegeradien für flexible Lagen ohne Durchkontaktierung Biegeradien für flexible Lagen mit Durchkontaktierung Mindestabstand Leiterzugverteilung Einreisschutz Leiterzugbreiten und Abstände Außenlagen (alle Lagen mit galvanischer Verstärkung) Innenlagen (sogenannte Ätzware) Lötaugen und Lochdurchmesser Kupferflächen im flexiblen Bereich Harzfluss und Harzrückzug Fräsungen zwischen den starr-flexiblen Übergängen Kantenversiegelung an den starr-flexiblen Übergängen Sonstiges 21 Version Freigabedatum: 1.0_06/10_sf_Handbuch Seite 2 Seite 2 von 23

3 Kapitel Text Seite Längenmaß Toleranzen bei mechanischer Bearbeitung 21 (Grenzabmaße im Nennmaßbereich) Dicken Toleranzen Positionsgenauigkeit Fräserbreiten Laserschneiden (Grenzabmaße im Nennmaßbereich) Lötstoppmasken LongFlex Verarbeitung Trocknen von Leiterplatten Seite 3 Seite 3 von 23

4 2. Arten der flexiblen und / oder starr-flexiblen Leiterplatten einseitig flexible Schaltungen (ef) (ohne oder mit partieller Verstärkung) doppelseitig flexible Schaltungen (df) (ohne oder mit partieller Verstärkung) mehrlagige flexible Schaltungen; sog. Multiflex (mf) (ohne oder mit partieller Verstärkung) starr-flexible Leiterplatten (sf) o symmetrische Lagenaufbauten o asymmetrische Lagenaufbauten Seite 4 Seite 4 von 23

5 3. Lagenaufbauvorschläge 3.1. Symmetrische Lagenaufbauten Doppelseitige flexible Leiterplatte 2 Lagen flexibel Version Freigabedatum: 1.0_06/10_sf_Handbuch Seite 5 Seite 5 von 23

6 Lagen Starr-Flex Leiterplatte davon 2 flexibel Seite 6 Seite 6 von 23

7 Lagen Starr-Flex Leiterplatte davon 4 flexibel Die flexiblen Lagen sind separiert (d.h. nicht verklebt) Seite 7 Seite 7 von 23

8 Legende zu den Lagenaufbauten Legende zu den Lagenaufbauten PI <> Polyimid (Kapton) RA-Cu <> Walzkupfer (rolled annealed) ED-Cu <> Elektrolyt Kupfer (ElectroDeposition) Deckfolie <> Coverlay Flexmaterial <> flexibles Laminat ; i.d.r. mit PI Trägerfolie und Cu Kaschierung BS <> Bauteilseite LS <> Lötseite Seite 8 Seite 8 von 23

9 4. Werkstoff 4.1. Flexibles Laminat - Kennwerte Kennwerte Arten Laminat mit Klebesystem Laminat ohne Klebesystem Werkstoff: Polyimid Polyimid Klebesystem: Acryl weitgehend kleberfrei Aussehen: gelb-braun gelb-braun Wasseraufnahme: 1,3 % / 24 h 0,8 % / 24 h Durchschlagfestigkeit: 160 kv / mm (DC) 160 kv / mm (DC) Dicke: 100 µm (50 µm PI + 2x25 µm Klebesystem) 50 µm PI ((100 µm PI)) 18 µm Kupferkaschierung: 18 µm 35 µm 35 µm ((70 µm)) Max. Betriebstemperatur der LP: 105 C 105 C Temperaturbeständigkeit: 288 C / 5 sec 288 C / 10 sec Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz: 3,6 bis 4,0 3,2 Brennbarkeitsklasse: Nicht erfüllt UL94V-0 Handelsbezeichnung: Kapton Kapton Pyralux Pyralux Kurzbezeichnung : LF xxxx AP xxxx Hersteller: Du Pont de Nemours Du Pont de Nemours Prinzipdarstellung des Schichtaufbaus: Legende: Seite 9 Seite 9 von 23

10 4.2. Klebesysteme - Kennwerte Kennwerte Arten Epoxy Klebesystem Acryl Klebesystem Werkstoff: Epoxy Acryl Standarddicke: 25 µm 25 µm Max. Betriebstemperatur der LP: No Flow Prepreg Glasfasergewebe mit Epoxy 45 µm Gewebetyp µm Gewebetyp C 105 C 105 C Temperaturbeständigkeit: 260 C / 5 sec. 288 C / 10 sec. 288 C / 10 sec. Haftfestigkeit: 0,9 KN / m 1,6 KN / m 1,6 KN / m Brennbarkeitsklasse: UL 94 V-0 X UL 94 V-0 Flexibilität: Flexibilität ist gegeben. Anwendung im starren und flexiblen Bereich Flexibilität ist gegeben. Anwendung im starren und flexiblen Bereich Kurzbezeichnung: FR xxxx LF xxxx Hersteller: Du Pont de Nemours 4.3. Kupferarten - Kennwerte Du Pont de Nemours Nicht biegbar, da Glasfaseranteil. Anwendung nur im starren Bereich. Gewebe 104 Gewebe 108(0) Diverse Arten Elektrolytkupfer Walzkupfer Kennwerte ED RA Werkstoff: Elektrolytisch abgeschieden Walzkupfer mit Tempern Standarddicken: 5 µm, 18 µm, 35 µm, (70 µm) 18 µm, 35 µm, (70 µm) Duktilität: 3 % - 8 % 10 % - 15 % Anwendung: vorwiegend im starren Bereich vorwiegend im flexiblen Bereich Seite 10 Seite 10 von 23

11 5. Konstruktion 5.1. Biegeradien Biegeradien für flexible Lagen ohne Durchkontaktierung (sog. Ätzware) Richtwert bei statischer Beanspruchung R = Schaltungsdicke x 6 Richtwerte für dynamische Beanspruchung bitten wir im Hause Hause straschu head electronic Leiterplatten GmbH GmbH zu zu erfragen Biegeradien für flexible Lagen mit Durchkontaktierung Richtwert bei statischer Beanspruchung R = Schaltungsdicke x Seite 11 Seite 11 von 23

12 5.2. Mindestabstand Mindestabstände: Bohrungsrand bzw. Hülsenrand zum starr-flexiblen Übergang k 1,5 mm Metallisierte Flächen zum Randbereich I 0,4 mm Metallisierte Flächen zum Durchbruch J 0,4 mm Leiterzüge zum Rand im starren Bereich u 0,4 mm Leiterzüge zum flexiblen Randbereich z 0,5 mm Seite 12 Seite 12 von 23

13 5.3. Leiterzugverteilung Die Leiterzüge sollen senkrecht zur Biegekante (Übergangszone) verlaufen. Die Leiterzüge sollen möglichst gleichmäßig verteilt werden. Ab 1 mm Breite soll in gleichmäßige Leiterzüge unterteilt werden. Die Leiterzugbreite soll möglichst gleichmäßig sein. Ansonsten besteht eine erhöhte Gefahr der Unterbrechung bei Wechselbiegebeanspruchung. Hinweis: Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen wird empfohlen, alle durchkontaktierten Bohrungen in den starren Bereich zu platzieren Seite 13 Seite 13 von 23

14 5.4. Einreisschutz Bei starker mechanischer Beanspruchung der flexiblen Teile ist es sinnvoll, einen sogenannten Einreisschutz einzubringen. In der obigen Darstellung werden Kupfer-Leiterbahnen (ohne elektrische Funktion) parallel zur Außenkante des flexiblen Bereiches geführt. Die Innenwinkel der flexiblen Bereiche sollen mit einem möglichst großen Radius (R) versehen werden, um die Einreisgefahr zu minimieren. Der Standard Radius beträgt 1,2 mm Seite 14 Seite 14 von 23

15 5.5. Leiterzugbreiten und Abstände Außenlagen (alle Lagen mit galvanischer Verstärkung) Kupfer Grundkaschierung Empfehlung Minimale Struktur Anmerkung µm 125 µm µm 125 µm 100 µm für partielle Stellen möglich µm 200 µm µm 250 µm Kein Standard im Hause head electronic GmbH Innenlagen (sogenannte Ätzware) Kupfer Grundkaschierung Empfehlung Minimale Struktur Anmerkung µm 125 µm µm 150 µm µm 225 µm 100 µm für partielle Stellen möglich 125 µm für partielle Stellen möglich Seite 15 Seite 15 von 23

16 Auslegung und und Design 5.6. Lötaugen und Lochdurchmesser Flexible Leiterplatten (ein- oder doppelseitig) Paddurchmesser Empfehlung P = L + 0,6 mm Paddurchmesser Minimum P = L + 0,4 mm Aspect ratio Verhältnis der Leiterplattendicke zum Lochenddurchmesser <= 5 : 1 min. Enddurchmesser: 0,1 mm Multiflex (flexible Leiterplatten mit mehr als 2 Lagen) P = L + 0,6 mm P = L + 0,4 mm <= 5 : 1 min. Enddurchmesser: 0,1 mm Starr-Flexible Leiterplatten (2 bis n Lagen) P = L + 0,6 mm P = L + 0,4 mm <= 6 : 1 min. Enddurchmesser: 0,25 mm Der minimale, theoretische Paddurchmesser kann ggf. in Absprache mir der Fa. head straschu electronic Leiterplatten GmbH GmbH vereinbart vereinbart werden. werden. Für diesen Für diesen Fall kann Fall kein kann ringförmiger kein ringförmiger Restring auf den Leiterplatten garantiert werden. Es werden ggf. funktionslose Lötaugen entfernt und tränenförmige Anbindungen ( tear-drops ) eingebracht (siehe unten): Prinzipdarstellung der tear-drop Anbindung: Version Freigabedatum: 1.0_06/10_sf_Handbuch Seite 16 Seite 16 von 23

17 5.7. Kupferflächen im flexiblen Bereich Große Kupferflächen im flexiblen Bereich (z. B. Abschirmflächen) sind aufzurastern, da die Deckfolie hier zu Delaminierungen neigen. Alternativ wird eine Gitterstruktur oder eine Leiterzugstruktur vorgeschlagen Seite 17 Seite 17 von 23

18 5.8. Harzfluss und Harzrückzug Harz- bzw. Kleberfluss (p): Harz- bzw. Kleberrückzug (o): max. 0,8 mm max. 0,8 mm Seite 18 Seite 18 von 23

19 5.9. Fräsungen zwischen den starren Teilbereichen Die Aussparungen (Fräsungen) zwischen den starren Teilbereichen sollen die folgenden Bedingungen erfüllen: m 1,6 mm n 5,0 mm Seite 19 Seite 19 von 23

20 5.10. Kantenversiegelung an den starr-flexiblen Übergängen Zur Stabilisierung des flexiblen Bereiches kann nach Vereinbarung eine Kantenversiegelung an den starr-flexiblen Übergängen aufgebracht werden. Das folgende Schnittbild zeigt einen schematischen Lagenaufbau und die Darstellung der Kantenversiegelung einer symmetrischen starr-flexiblen Leiterplatte Seite 20 Seite 20 von 23

21 5.11. Sonstiges Längenmaß Toleranzen bei mechanischer Bearbeitung (Grenzabmaße im Nennmaßbereich) 0 mm bis 3,0 mm > 3,0 mm bis 6,0 mm > 6,0 mm bis 30,0 mm > 30,0 mm bis 490,0 mm Flexible Schaltungen + 0,20-0,20 + 0,25-0,25 + 0,30-0,30 + 0,35-0,35 Starr-flexible Schaltungen + 0,15-0,15 + 0,20-0,20 + 0,25-0,25 + 0,30-0, Dicken Toleranzen Die Einzeltoleranz der flexiblen Polyimid- Werkstoffe und starren Laminate beträgt: ± 12 % Positionsgenauigkeit Die Positionsgenauigkeit von partiellen Verstärkungsflächen (z. B. FR4-Verstärkung, Polyimid- Verstärkung) beträgt: ± 0,4 mm Fräserbreiten Standard Fräser- Durchmesser Ggf. mögliche Fräser- Durchmesser 2,4 mm 0,8 mm 1,0 mm 1,2 mm 1,4 mm 1,6 mm 2,0 mm Laserschneiden (Grenzabmaße im Nennmaßbereich) Längenmaß Toleranzen beim Laserschneiden (Grenzabmaße im Nennmaßbereich) ± 0,10 mm Seite 21 Seite 21 von 23

22 6. Lötstoppmasken Als Lötstoppmaske können Deckfolien oder flexible Lötstopplacke verwendet werden. Deckfolien für die flexiblen Bereiche werden vor dem Verpressen mechanisch bearbeitet, um die Lötflächen von Deckfolie freizustellen. Die Freistellungen betragen bei Deckfolien i. d. R. 0,25 mm umlaufend. Bei flexiblen Lötstopplacken beträgt die Freistellung i. d. R. 0,1 mm umlaufend. Die folgenden Prinzipdarstellungen zeigen einige Beispiele: Lötaugen, die einzeln freigestellt sind Lötaugen mit gemeinsamer Freistellung SMD Pads, mit entsprechender Freistellung Version Freigabedatum: 1.0_06/10_sf_Handbuch Seite 22 Seite 22 von 23

23 Flexible Flexible und und starr-flexible starr-flexible Schaltungen Schaltungen Verarbeitung Trocknen von Leiterplatten Definition Trocknen: Wasseraustreiben Definition Tempern: Wärmebehandlung oberhalb TG Die Begriffe Trocknen/Tempern werden sprachlich nicht immer sauber getrennt. Aufgrund der unterschiedlichen Bedeutung wird hier nur noch von Trocknen gesprochen. Basismaterialien speziell Polyimide neigen zur Feuchtigkeitsaufnahme. Beim Löten wird das absorbierte Wasser schlagartig verdampft. Dieser erhöhte Dampfdruck innerhalb der Leiterplatte kann zu Delamination führen. Gerade im Hinblick auf die heute in der SMD-Technik eingesetzten IR-Lötanlagen entsteht eine sehr hohe Materialbeanspruchung. Aus diesem Grund wird von den Leiterplattenherstellern eine Trocknung vor der Bestückung empfohlen. Flexible und starr-flexible Schaltungen neigen zu höherer Feuchtigkeitsaufnahme als starre Leiterplatten. Hier ist ein Trocknen zwingend vorgeschrieben. Lagerbedingungen: Die Leiterplatten sollen in verpacktem Zustand bei 20 C ± 2 C und einer rel. Luftfeuchtigkeit von < 50 % gelagert werden. Eine höhere rel. Luftfeuchtigkeit führt zu einer höheren Feuchtigkeitsaufnahme des Basismaterials. Empfohlen für das Trocknen: Vorgang Trocknen im Umluftofen Verarbeitung nach Trocknen Empfehlung für das Trocknen Einseitig/ Doppelseitig C 2 h (Starr) flexible Schaltungen Multilayer > 8 Lagen Lagen Lagen C 120 C 120 C 120 C 2 h 2 h 4 h 6 h 46 h 8 h 6 h 6 h 6 h Außerhalb obiger Toleranzangabe (Lagerbedingungen) generell vorteilhaft zwingend notwendig Fazit: Das Trocknen von (starr-) flexiblen Leiterplatten ist inzwischen bei allen Anwendern Standard. Es erhöht auch bei starren Leiterplatten - insbesondere bei einer Verarbeitung nach längerer Lagerzeit die Fertigungssicherheit. Freigabedatum: Seite 24 Version 1.0_06/10_sf_Handbuch Seite 23 von 23