Integrierte Systeme mit hoher Zuverlässigkeit durch Starrflex-Leiterplattentechnologie Andreas Schilpp, Würth Elektronik GmbH&Co.

Transkript

1 Integrierte Systeme mit hoher Zuverlässigkeit durch Starrflex-Leiterplattentechnologie Andreas Schilpp, Würth Elektronik GmbH&Co.KG Seite 1

2 Inhalte Einführung in die Starrflex Technologie 1 Entwicklung, Ausprägungen / Varianten 2 Lagenaufbau, Standards 3 Kostenrelevante Designeinflüsse 4 Dschungel oder Design Chain? Seite 2

3 Die Würth Elektronik Unternehmensgruppe Seite 3

4 Leiterplatten Systemhaus Seite 4

5 Europaweite Erreichbarkeit und Kundennähe Seite 5

6 Mehr Kundennähe Den Markt im Blick Seite 6

7 Vorbemerkungen alles, was für starre Leiterplatten gilt, gilt auch für Starrflex.. einiges Zusätzliche ist zu beachten Träger + elektrisches Verbindungselement Verbindung von Modulen viele Prozesse in Design und Herstellung sind gleich spezielle Prozesse wegen des Flexmaterials Polyimid (PI) spezielle Herstellprozesse, um Starrmaterial partiell entfernen zu können Besonderheiten im Design Seite 7

8 Das Konzept Starrflex: Mechatronik starre Leiterplatten mit integrierten flexiblen Verdrahtungslagen Prinzip: Starre Module: Bauteile und Entflechtung, Mechanik Flexbereich: 3D Verbindung der Starrmodule 2D herstellen, prüfen in 3D montieren + einsetzen Seite 8

9 Historie kurzer Blick zurück Quelle: Ruwel 70er Jahre: Flex-Schaltung als Backplane THT-Stecker, gebohrte Verstärkungsleisten Seite 9

10 Integration der Modulverdrahtung F = m x a Zuverlässigkeit weniger Kontakte Verdrahtungsfehler unwahrscheinlich weniger Masse einfachere Testbarkeit einfache Montage Miniaturisierung zusätzliche Ebenen Möglichkeit Falten Einsparung Fläche der Steckerfootprints Gewichtsreduktion Integration Schnittstellen Signalintegrität Berechnung mit Referenzlagen möglich Wegfall der Impedanzsprünge an Steckern / Kabel Seite 10

11 Entwicklung und Ausprägungen PI Flexmaterial: kleberhaltig kleberlos Ersatz Acrylkleber durch Epoxy Prepregs (LowFlow) partielle PI Deckfolie ( Bikini ) oder Flexlack Vereinfachung: einlagige Flexbereiche außen Aufbaubeispiele: einfach komplex symmetrisch asymmetrisch Seite 12

12 Entwicklung und Ausprägungen partiell Coverlay ( Bikini - Technik) vollflächig Coverlay Seite 13

13 Starrflex Lagenaufbauten: Standard Basismaterial Starr: FR4 Tg 150 C, halogenarm, gefüllt - Standarddicken Flex: Polyimid Tg >> 200 C, kleberlos typisch 25µm / 50µm dick ( bis 150µm) Lötstopplack, flexibler Lötstopplack, Polyimid Deckfolien (Coverlay) Aufbaupläne Beispiel: µvia möglich Seite 14

14 Erweiterter Standard Airgap-Aufbauten 2F + 2F + 2F +.. nicht verpresst bis 70µm Kupfer auf Flexmaterial verbessertes Biegeverhalten Multilayer Flexaufbauten 4F / 6F / Pakete verpresst für kurze Biegebereiche für Impedanzanforderungen Seite 15

15 Starrflex Advanced Kombinationen Starrflex mit ECT eingebetteten Komponenten Wärmemanagement, z.b. Al Heatsink Drahtbonden Polymertechnik für Rs, Kontakte und Potis Starrflex für Hochtemperatur bis 200 C Polyimid-Glas mit Tg260, CTI: PLC0 CTE x,y 9, z 25 ppm/k Lötstopplacksystem für Dauertemperatur 150 C geeignet (HELP Projekt) Reine Flexe für Hochtemperatur Polyimidfolie und spezielle Deckfolie Material spezifiziert bis +260 C MOT Kundenqualifikation bis +350 C erfolgreich! Seite 16

16 kostenrelevante Designeinflüsse LP Anzahl und Lage der Flexlagen!! Anzahl der Prozessschritte Flächenverbrauch Länge und Lage der Flexausleger Nutzengestaltung Anzahl Lagen Starrbereich, Via-Technik statische / dynamische Biegung (IPC2223 use A/B) Material (Polyimid 50µm / 75µm / 100µm) Coverlayer Flexlack Seite 17 von 22

17 Annäherung an das Thema Grafik: Herr Gröner Seite 18

18 Design Chain Elektronikentwicklung source: ZVEI Seite 20

19 Design Chain Elektronikentwicklung Projektmanagement Seite 21

20 Design Chain Elektronikentwicklung Projektmanagement Seite 22

21 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Produktidee, Konzept und Technologieauswahl Zielmarkt, ramp-up Modulansatz homogenes System bzw. Integrationsansatz Verfügbarkeit, 2nd source Seite 23

22 Technologieauswahl Leiterplatte neue Disziplin für den Leiterplatten Designer / Design Koordinator die Systembetrachtung!! Starrflex ist Mechatronik = Mechanik + Elektronik! page

23 Modulansatz homogenes System bzw. Integrationsansatz Seite 25

24 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Bauen Sie Ihr Gehäuse noch um die Leiterplatte oder passen Sie Ihre Leiterplatte schon in Ihr Wunschgehäuse ein??? 3 Funktionsspezifikation Mechanik & Elektronik & Software, Größe Anforderungen an die Leiterplatte abgeleitet von den Systemanforderungen Start-up DIN-A4 Seite Seite 26

25 Systemanforderungen Design Guide Seite 4 - Technische Anforderungen - Kommerzielle Anforderungen - Gesetzliche Anforderungen - Zuverlässigkeitsanforderungen - Einsatzbedingungen - Größe / Material / Form - Mechanische Anforderungen - Elektrische Anforderungen - Aufbau- und Verbindungstechnik - Prüfung / Verpackung - Weiterverarbeitung die Starrflex Leiterplatte ist eine strategisch wichtige Komponente! page

26 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Standards und Gesetzliche Regelungen Mission profile, Zuverlässigkeitsanforderungen, Lebensdauer Seite 28

27 IPC-2223 use A/B/C use bzw. Anwendungsklassen use B erfordert definitiv eine ausführliche Spezifikation Für IPC-2223 Use B (continous flexing) and Use D (UL recognition), ist eine Abstimmung mit unseren Spezialisten zwingend! Seite 29

28 Application Flex-rigid 2F+2F+2F+2F use B continuous bending application class: IPC2223 Use B partially coverlay foil Polyimide FR4-material acc. IPC-4101C/128 multiple Reflow soldering leadfree qualified for 20 years use page

29 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Designspezifikation, Mechatronik und Miniaturisierung Dicke der Leiterplatte Definitionen und Dickentoleranz Miniaturisierungsansätze für die Leiterplatte Seite 31

30 Standard Formen, Mechanik Optionen Quader Kiste Zylinder / Stapel Seite 32 von 22

31 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Wie befestigen Sie eigentlich Ihre Leiterplatte und die Flexbereiche im Gehäuse??? 7 8 Projektplanung Mechanik, Montage und Befestigung Leiterplatte, Vibration Seite 33

32 Mechanik: Befestigung einer Leiterplatte - Vibration source: Projekt Hotel Fixing with 9 screws: Seite 34

33 Mechanik: Befestigung einer Leiterplatte - Vibration NO fixation of one rigid area leads to resonance and destruction even with Rigid-Flex! Seite 35

34 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten EMV: Schnittstellen Konzept prüfen bezüglich Abstrahlung und Einkopplung Seite 36

35 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Signalintegrität Simulation, Dokumentation (auch bei einfachen Multilayern) Seite 37

36 Berechnung und Dokumentation 5Ri-4F-5Ri Seite

39 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Thermisches Design Systemkosten Richtpreisangebote, Systemabschätzungen, Shop WEdirekt Seite 42

40 Schluss mit Kabelsalat Verdrahtung 4.0 via Semiflex flach, bestückt, mit Lieferrahmen Seite 43

41 Schluss mit Kabelsalat Verdrahtung 4.0 via Semiflex Komplettsystem Switchbox 12 x 13 ca. 200 x 110 x 70mm³ 156 Relais (Faktor 4!) mit Steuerelektronik Semiflex 1Ri-3Ri Starre Leiterplatte mit tiefengefrästem Biegebereich Seite 44

42 Systemkostenvergleich modular - integriert 46,50 57, Seite 45

43 Systemkostenvergleich modular - integriert Σ Seite 46

44 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Stromlaufplan, Auswahl der Bauteile Auswirkung auf Leiterplattentechnologie! Das komplexeste Bauteil definiert die Komplexität der Leiterplatte Seite 47

45 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Materialauswahl Leiterplatte Anforderungen aus dem Gesamtsystem Seite 48

46 Empfehlungen zur Materialauswahl FR4 layer count Halogen-free FR4 T G 150 C higher copper thicknesses filled buried vias more than 3 solder processes Standard FR4 T G 135 C up to 3 lead-free solder processes Halogen-free FR4 T G 170 C Polyimid/ Glass with fillers CTE(z)!!! unser Standard bei Starrflex verwendet kein Standard FR4 (mehr)!!! board thickness [mm] Seite 49

47 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Prüf- und Teststrategie Absicherung der LP-Technologie in Qualifikation und Serienproduktion Seite 50

48 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Traceability Inhalte und Platzbedarf Seite 51

49 Was muss und soll in die Kennzeichnung? Muss: Hersteller, Datecode Soll: Losnummer UL-Kennzeichnung Muss: Herstellerkennung oder E-Nummer Muss: UL-Type laut Listung Kann: Werkskennzeichnung Kann: UR-Zeichen Kann: Klassifizierung Brennbarkeit Seite 52

50 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Leiterplatten Layout DfM, Designregeln, Restringe Seite 53

51 Wozu sind Restringe da? Layout / Screen: IPC-A-600H: Real life Seite 54

52 Zuverlässigkeit in Layout und Konstuktion Für Zuverlässigkeit ist auch wichtig: kunststoffgerechtes Design verarbeitungsgerechtes Design Befestigung IPC 2223 Ein gutes Beispiel Seite 55

53 Zuverlässigkeit in Layout und Konstuktion Kontakte und Durchkontaktierungen im Flexbereich Vias im Flex grundsätzlich vermeiden! Seite 56

54 Zuverlässigkeit in Layout und Konstuktion Am Übergang Starrbereich zu Biegebereich sollten möglichst größe Radien (z.b. R5) angebracht werden. ❶ ❷ Durch die Radien werden Torsionskräfte (die es bei korrektem Handling gar nicht geben darf!) in Richtung der Mitte des Biegebereichs abgeleitet, weg vom Übergang, und somit unzulässige Torsion und Beschädigung ❷ vermindert. ❶ Wir empfehlen die Verwendung von Biegeeinrichtungen und Vorbiegung vor der Gehäusemontage Seite 57

55 Designoption der außen liegenden Flexlage Seite 58

56 Bauteile immer auf starre Bereiche Standardschablonendruck Standardbestückung Standardlötprozess (kein Handlöten!) Standard-Starrflexprozess kein NiAu-Prozess Innenlage kein Öffnen der Deckfolie keine Vias im Flex gilt auch ZIF- Kontakte! Seite 59

57 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Datenausgabe und Design Bestücknutzen Bestellunterlagen für die Leiterplatte 19 Empfehlung Datenausgabe: Format 3.4 metrisch Seite 60

58 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Produktion Leiterplatte Eildienste, Logistiklösungen Würth Elektronik, Shop WEdirekt Seite 61

59 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Lieferdokumente von Lieferschein bis PPAP Seite 62

60 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Weiterverarbeitung Leiterplatte Download Trocknungsempfehlungen Seite 63

61 24 Punkte, die für Ihre Entwicklung wichtig sein könnten Trennen Bestücknutzen Welche Möglichkeiten hat Ihre Produktion? Seitenschneider? Seite 64

62 Nutzentrennung - Beispiele Zur Liefernutzentrennung sind folgende Prozesse bekannt: Ritznutzen / V-cut panels 1.Stegtrenner (z.b. sog. Hektor) zum Trennen einzelner Stege 2.Trennmesser für kerbgefräste Nutzen (Rollmesser oder feststehende Messer) 3.Laser bis ca. 0,8mm LP-Dicke 4.Fräsen (sehr teure Baugruppen!) 5.Stanzen und Sägen (für große Stückzahlen) 6.Brechen mit Sollbruchstellen Entfernung von Stegen / tab removal Seite 65

63 Nutzentrennung durch Stanzen - Transport Quelle: Fa. acd Seite 66

64 Weiterführende Informationen zu diesem Thema und weiteren Grundlagen wurden bereits in mehreren Webinars ausführlich behandelt. Nachzusehen in unserem Webinar Archiv oder bei Seite 67

65 Neue Produktion Niedernhall Ausrichtung auf Starrflex spezielle Verlegeplätze im Reinraum neue spezielle Prozesse optimierte Abläufe Machen Sie sich selbst ein Bild besuchen Sie uns Seite 68

66 Zusammenfassung Starrflex ist von Natur aus eine Technologie für hohe Zuverlässigkeit die Entwicklung eines elektronischen Systems kann sehr komplex sein erfordert die unterschiedlichsten Disziplinen Netzwerken und Kommunizieren ist elementar WE unterstützt Sie gerne im Rahmen eines Projekts Sie sind schon in der Optimierungsphase? Wir helfen gerne! Kontaktieren Sie uns so früh wie möglich! Seite 69

67 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 70