Starrflexible Leiterplatten mit ZIF-Kontakt

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1 TEC REPORT Ausgabe 08 Juni 2010 Starrflexible Leiterplatten mit ZIF-Kontakt Beste Kontakte zwischen Starrflex-Leiterplatte und ZIF-Stecker Der Leiterplattenspezialist Würth Elektronik stellt seine Systemlösungskompetenz und Kundennähe erneut unter Beweis und bietet jetzt starrflexible Leiterplattenlösungen mit ZIF-Kontakten und speziell abgestimmten ZIF-Steckverbindern aus einer Hand. Kunden aus unterschiedlichsten Bereichen wie Industrie, Automotive, Medizin und Bildverarbeitung profitieren vom besonderen Würthschen Problemlösungsansatz vor allem bei den entscheidenden Punkten Qualität und Kosten. Dadurch werden Starrflex- und Flex-Leiterplatten im Besonderen unter dem Aspekt der Systemkosten immer dann zum erschwinglichen Mittel der Wahl, wenn komplexe Verdrahtungstechnologien auf kleinstem Raum gefordert sind.

2 Flex- und Starrfl ex-leiterplatten werden zunehmend mit der verbreiteten ZIF-Schnittstelle Die verschiedenen ZIF-Kontaktierungsmöglichkeiten ausgeführt und verfügen über einen sogenannten ZIF-Kontakt (ZIF = Zero Insertion Force) für den Anschluss eines ZIF-Steckers. Entsprechende Systemlösungen aus einer Hand bieten Lösbare Verbindungen zwischen Displays und Leiterplatten oder zwischen zwei Leiterplatten werden oft mittels Flexplatten (Flexible Printed Circuits) oder Flachbandkabeln (Flexible sich also an. Bei der Entwicklung des neuen ZIF-Steckverbinders WR-FPC von Würth Elektronik eisos wurde deshalb darauf geachtet, dass sich Systemrelevante Bereiche eng miteinander abstimmen. So ist der ZIF-Steckverbinder WR-FPC dahingehend spezifi ziert, dass er opti- Fine-Pitch-ZIF-Stecker gibt es z.b. mit 1,0 mm und 0,5 mm Pitch. Die Kontaktanordnung Flat Cable) und ZIF-Steckern realisiert. mal für den Anschluss von fl exiblen und starrfl exiblen Leiterplatten passt. Denn bei der besteht dann aus dem auf der Leiterplatte gelöteten ZIF-Stecker und dem ZIF-Kontakt, der Entwicklung des Steckers wurden die engen Toleranzen und Parameter der Leiterplattenfertigung einbezogen. Kunden erhalten FLATcomp damit übergreifende und systematische Beratungsleikabel (FFC), eine komplexere fl exible Leiterplatte (FPC) oder ein Flexausleger bei einer exakt in den ZIF-Stecker passen muss. Dieser ZIF-Kontakt kann ein einfaches Flachbandstungen inklusive nahtlos angepasster Systemkomponenten. Speziell für Entwickler bietet starrfl exiblen Leiterplatte sein. Würth Elektronik ein Design-Kit Leitpolymere für ZIF-Stecker an, in dem eine Auswahl von an Würth Varianten für Elektronik Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ZIF-Kontakte aufzubauen. Um auf die notwendigen Design-Tests enthalten ist. Denn ob stehend oder liegend, Kontakte unten oder oben, der 0,3 mm Leiterplatten-Dicke an den Kontaktstellen zu kommen, werden Starrfl ex-leiterplatten und die in der Regel dünneren Flex-Leiterplatten unterschiedlich behandelt. Bei ZIF-Stecker WR-FPC ist in verschiedenen Varianten erhältlich. Flex-Leiterplatten wird im Kontaktbereich eine Verstärkung aufgeklebt, was einen entsprechenden Handling-Aufwand beim Klebeprozess mit relativ hohen Kosten bedeutet. Bei der Starrfl ex-leiterplatte setzt Würth Elektronik hingegen auf das einfache und kostengünstige Präzisions-Tiefenfräsen, um die geforderte Dicke herzustellen. Abbildung 1: Der ZIF-Steckverbinder von Würth Elektronik eisos ist optimal für den Anschluss von starrfl exiblen Leiterplatten ausgelegt. Durch die traditionell enge Kundenbindung und Kundennähe von Würth Elektronik lassen sich diffi zile und komplexe Kundenlösungen erarbeiten. Wir sind nicht nur Dienstleister, sondern Berater und Problemlöser in der gesamten Flex- und Starrfl ex-thematik, betont Andreas Schilpp, Produktmanager 3D bei Würth Elektronik, ohne Optimierungen geht bei uns keine Anfrage in die Produktion und sei es das Überprüfen der Nutzenauslegung im Produktionsformat, um etwa auch dort die Kosten zu senken. Der wohlüberlegte Einsatz von Basismaterial hilft beispielsweise, die Kosten zu reduzieren und dabei noch die Qualität zu steigern. Ca. 80 % der Anfragen können wir mit dem bei uns standardisierten Basismaterial abbilden, das wir aus dem vielfältigen Angebot für den Starrfl ex-bereich qualifi ziert haben. Für die restlichen Anwendungen suchen wir mit dem Kunden maßgeschneiderte Lösungen. Abbildung 2: Bei fl exiblen Leiterplatten wird im Kontaktbereich eine Verstärkung aufgeklebt, was allerdings einen höheren Aufwand und höhere Kosten bedeutet. Bei Starrfl ex-leiterplatten setzt Würth Elektronik auf das kostengünstige Präzisions-Tiefenfräsen, um auf die geforderte Dicke zu kommen. 02 Circuit Board Technology Tec Report Ausgabe 08 Juni 2010

3 Herstellungstoleranzen Damit der ZIF-Kontakt optimal in den ZIF-Stecker passt, muss er mit sehr kleinen geometrischen Toleranzen hergestellt werden. Aus diesem Grund sind auch nur plane Löt-Oberfl ächen möglich. Für höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer hat sich in der Praxis die Veredelung mit chemisch Nickel / Gold als vorteilhaft erwiesen. Die Kontur eines einfachen ZIF-Kontakts, die den technischen Anforderungen einer Leiterplattenkontur im Toleranzbereich ± 0,1 mm entspricht, wird durch Fräsen hergestellt. Erhöhte Anforderungen wie etwa ± 50 μm müssen durch Kameraunterstütztes Fräsen oder Laserschneiden realisiert werden. Stege lassen sich bei Starrflex-Leiterplatten in verschiedenen Varianten setzen Damit der Kontakt in den ZIF-Stecker eingeführt werden kann, darf die vorgegebene Kontaktlänge seitlich nicht mit Stegen versehen sein. Die Anbindung durch Stege muss außerhalb des Steckbereichs erfolgen. Dazu gibt es mehrere Varianten: 1) Kann die Kontaktverstärkung nach Abklärung mit dem Kunden in den Flexbereich hinein verlängert werden, dann können stabile Stege im Verstärkungsbereich (FR4 tiefengefräst) gesetzt werden. 2) Ist eine Verlängerung des Verstärkungsbereiches nicht zulässig, so müssen die Stege im Flexbereich direkt im Anschluss an die Verstärkung gesetzt werden. 3) Zwischensteg: Hier bleibt Material in der Gesamtstärke der Leiterplatte stehen und bietet viele Vorteile. 4) Gelaserte Microstege im fl exiblen Bereich: Bei gelaserter Flexkontur können Microstege verwendet werden. Starrmaterial unter dem Flexausleger erhöht die Stabilität des Nutzens. Das Austrennen kann leicht von Hand ohne Werkzeuge erfolgen. 5) Handlingshilfen Ohren : Eine Idee aus der Leiterplattentechnik mit hohem Nutzwert und geringen Kosten. Abbildung 3: Durch den kombinierten Einsatz von präzisem Laserschneiden und Tiefenfräsen bleibt auf der Rückseite der Leiterplatte eine stabile Unterstützung für die Bestückung stehen. Beim herkömmlichen Fräsen (siehe Leiterplatte hinten im Bild) fällt die Unterstützung weg, der Bestückungsnutzen ist weniger stabil. Zeichnungsangaben in den Herstellungsunterlagen Eine fl exible Abzweigung ist ohne entsprechende Angaben in Zeichnungen und/oder ohne Vermassung in den Gerberdaten nicht als ZIF-Kontakt erkennbar. In der Zeichnung sollten deshalb folgende Angaben nach Spezifi kation in den Datenblättern des Steckerherstellers enthalten sein: Länge und Breite des Kontaktbereichs Dicke des Kontaktes (Verstärkung + Flexmaterial + Kupfer) mit Toleranzen. Standard ist 0,3 mm ± 0,05 mm Länge der Verstärkung. Verstärkung muss mit dem Flexlack/Coverlayer überlappen Abstand erster Kontakt zur Kontur mit Toleranz Ideal: Kennzeichnung möglicher Bereiche für Stegeanbindung im Liefernutzen Abbildung 4: Für die Anbindung mit Stegen gibt es mehrere Möglichkeiten: bei der oberen Variante sind die Stege im Flexbereich direkt im Anschluss an die Verstärkung (siehe Variante 2.) Unten bleibt Material in der Gesamtstärke der Leiterplatte stehen und bietet viele Vorteile (siehe Variante 3.).

4 Weitere Möglichkeiten beim stabilen Zwischensteg Normalerweise liegt bei Starrfl ex mit innenliegender Flex der ZIF-Kontakt ebenfalls auf dem Flexkern. Das erfordert einige aufwändige Sonderprozesse in der Produktion. Bei Starrfl ex mit Flexlage außen kann ein Wechsel der Kontaktseite notwendig sein. Dieser Seitenwechsel wird durch Vias im starren Zwischenbereich möglich. Abbildung 5: Eine Idee aus der Leiterplattentechnik: Ohren hinter dem ZIF-Kontakt vereinfachen die Handhabung: der Kontakt kann an den Ohren gehalten ganz leicht in den Stecker geführt werden. Abbildung 6: Möglichkeiten für einen stabilen Zwischensteg. Starrflexible Leiterplatten in der Praxis Qualität produzierbar und kosteneffi zient zu machen, hat Priorität bei Würth Elektronik, hebt Starrfl ex-experte Andreas Schilpp hervor, eine wichtige Voraussetzung ist die größtmögliche Standardisierung. Durch unsere interne bereichsübergreifende Systemlösungsabstimmung sind wir in der Lage, innovative Technologien wie Starrfl ex nahezu zu standardisieren und immer mehr Einsatzbereichen verfügbar zu machen. Dies konnten wir schon in vielen Projekten unter Beweis stellen. Und betont Schilpp: Wie in den meisten Bereichen gilt auch hier: Je eher der Kunde den Dienstleister in seine Konzeptionen und Entwicklungsprozesse einbezieht, umso besser lassen sich die Vorteile von Systemlösungen nutzen. Wir können dann nämlich unser Knowhow in der Leiterplattenfertigung rechtzeitig einfl ießen lassen. Dies erweist sich oftmals als Vorteil und lässt sich im Design-Stadium nicht unbedingt vom Kunden erkennen. 04

5 einfacher elektrischer Anschluss durch Flexbereich mit ZIF-Kontakt. Verkabelungen und FLATcomp Lötstellen wurden ersetzt, hochwertige Anschlüsse verwendet und ein Bestückungsprozess für die Heizwiderstände vermieden. Wie sich starrfl exible Multilayer-Leiterplatten gerade auch im Alltag bewähren, zeigt ein piert wurde, kommt die Starrfl ex-technologie zum Einsatz. Mittels einer Adapter-Leiterplatte mit zwei ZIF-Kontakten konnte das Display problemlos und sicher upgedated werden Einsatz als Sensorfl äche zur Steuerung von Motoren in Rollläden, Markisen und Raffstoren inklusive innenliegender Widerstände und Heizung. Hier werden alle typischen Anforderungen erfüllt: hohe Funktionssicherheit und Langlebigkeit, einfache Montage, Resistenz Kontakttoleranzen und eine zusätzlich ausgeklügelte Nutzenauslegung sorgt für einen sta- und zudem mehrfach punkten: lasergeschnittene Flex- bzw. ZIF-Konturen erzielen präzise gegen Öle, Fette, Feuchte und aggressive Umgebungsbedingungen sowie zuverlässiger, bilen Bestückungsnutzen, der im Flexbereich ohne Werkzeuge einfach von Hand ausgelöst werden kann. Leitpolymere von Würth Elektronik Abbildung 7: ZIF-Kontakt ersetzt Verkabelungen bei einer Motorsteuerung für Rollläden und Markisen. Abbildung 9: Lasergeschnittene Flex- bzw. ZIF-Konturen erzielen präzise Kontakttoleranzen. Eine spezielle Ausführung und Realisierung von Kontakten in einem anderen Anwendungsfall war eine semifl exible Leiterplatte aus FR4-Material mit ZIF-Kontakt für standardisierte ZIF- Stecker-Anschlüsse. Hierbei handelte es sich um ein Modul für die optische Anzeige von Temperatur und Luftqualität in einem Luftqualitätssensor. Die einlagige Leiterplatte für große Biegeradien war auch im Kontaktbereich durchweg 0,3 mm dick, so dass sie auch ohne Verstärkung oder Fräsung direkt eingesteckt werden konnte. Weitere Vorteile waren das Wegfallen von Verkabelung zur Hauptplatine, eine einfache Montage und der positive Nebeneffekt, dass das Trocknen vor dem Lötprozess durch die Materialwahl überfl üssig wurde. Auch bei einem Redesign eines MDE-Gerätes, das für die Lagerbestandsverwaltung konzi- *) Anm.: ZIF-Stecker / Nullkraftstecker Der Begriff ZIF (Zero Insertion Force) kommt aus der Sockeltechnik von Bauteilen, hauptsächlich von Prozessoren. Beim ZIF-Sockel werden die Kontakte vor dem Einsetzen des ICs mit einem etwa von einem Hebel betätigten Mechanismus geöffnet, so dass die Kontaktstifte ohne Kraftaufwand in den Sockel eingeführt werden können. Danach wird der Mechanismus wieder verschlossen, wodurch die Kontakte die Kontaktstifte am Sockel fi xieren und die elektrische Verbindung herstellen. Abbildung 8: Semi-fl exible Leiterplatte mit ZIF-Kontakt als Anschluss an ein optisches Modul in einem Luftqualitätssensor. 05 Circuit Board Technology Tec Report Ausgabe 08 Juni 2010

6 Die speziellen Vorteile von starrflexiblen Leiterplatten Die Starrfl ex-technologie ist eine bewährte und zuverlässige Technologie, die insbesondere Platz- und Gewichtsprobleme mit räumlichen Freiheitsgraden löst. Bei frühzeitiger Berücksichtigung und Abstimmung der Möglichkeiten von starrfl exiblen Leiterplatten während des Designs ergeben sich zahlreiche Vorteile: Durch eine dreidimensionale Verdrahtung kann der Platzbedarf minimiert werden. Der Wegfall von Steckern und Folientechnik zwischen den einzelnen Starr-Teilen ermöglicht Gewichtsersparnisse; die Reduzierung von Verbindungsstellen garantiert eine höhere Zuverlässigkeit. Bestückungen lassen sich leichter handhaben als bei rein fl exiblen Leiterplatten. Selbst schwierige Kontaktierungen sind lösbar und vereinfachen so die Montage. Integrierte ZIF-Kontakte schaffen eine einfache Modul-Schnittstelle zur Systemumwelt. Testbedingungen werden vereinfacht; Kompletttest vor Montage wird möglich. Der Logistik- und Montageaufwand der starrfl exiblen Leiterplatten ist deutlich geringer. Komplexere mechanische Konstruktionen bei gleichzeitiger Steigerung des Freiheitsgrades für optimierte Gehäuselösungen sind möglich. Über Würth Elektronik Circuit Board Technology (CBT) Würth Elektronik CBT ist führender Leiterplattenhersteller in Europa mit Produktionswerken in Niedernhall, Rot am See und Schopfheim und produziert Leiterplattensysteme von der Standardleiterplatte bis hin zu zukunftsweisenden Spezialitäten. Der Leiterplattenspezialist liefert anwendungsspezifi sche Lösungen über alle Technologien hinweg und forciert neue Technikentwicklungen beispielsweise im Bereich der Einbettung von aktiven und passiven Bauelementen. Das umfangreiche PCB- Portfolio reicht von doppelseitigen Leiterplatten und Multilayers in allen gängigen Technologien bis hin zu anspruchsvollen Leiterplatten als HDI- oder Starrfl ex-varianten bzw. in Heatsink-Technologie. Über die Würth Elektronik Unternehmensgruppe Würth Elektronik CBT ist neben Würth Elektronik ICS (elektromechanische und elektronische Systemlösungen), Würth Elektronik eisos (passive und elektromechanische Bauelemente) und Würth Solar (CIS-Photovoltaikmodule und Solarstromsysteme) ein Unternehmensbereich der Würth Elektronik Unternehmensgruppe, einem international agierenden, selbstständigen Tochterunternehmen der Würth-Gruppe. Neben eigenen F&E-Projekten ist Würth Elektronik auch in zahlreichen externen Forschungsgemeinschaften wie etwa GloveNet oder TIPS aktiv. Würth Elektronik beschäftigt derzeit rund Mitarbeiter und erwirtschaftete 2009 einen Umsatz von 374 Mio. Euro. Weitere Informationen fi nden Sie unter Mehr Informationen zum Thema erhalten Sie unter Die Realisierung eines ZIF-Kontakts mittels Starrflex-Technologie ist mehr und mehr verbreitet, denn sie bietet einige Vorteile: Einsparung Kontakte/Bauteile Erhöhte Zuverlässigkeit Einsparung in der Beschaffung und Logistik Geringere Baugröße Geringerer Entwicklungsaufwand Würth Elektronik GmbH & Co. KG Circuit Board Technology Salzstr Niedernhall Germany Tel.+49 (0) Fax +49 (0) DIE NECKARPRINZEN Änderungen und Irrtümer vorbehalten. Circuit Board Technology Tec Report Ausgabe 08 Juni