Rigid-Flex, Flex. Semi-Flex Leiterplatten Technologie. und. Albert Schweitzer Fine Line Gesellschaft Für Leiterplattentechnik mbh Itterpark 4, D-40724

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1 Rigid-Flex, Flex und Semi-Flex Leiterplatten Technologie Albert Schweitzer Fine Line Gesellschaft Für Leiterplattentechnik mbh Itterpark 4, D Copyright Fine Line Vers. 1.1

2 Inhalt Inhaltsangabe Allgemeines Vorteile von flexiblen und starrflexiblen Leiterplatten IPC Standard für Flex und Starrflexible Leiterplatten Basis Materialien im Umfeld der Flex-Technologie Aufbauvarianten Layout und Design-Rules Biegen und Biegeradius Verarbeitungsempfehlungen Schlussbemerkungen

3 Allgemeines

4 Allgemeines Der Einsatz von flexiblen und Starr-flexiblen Leiterplatten eröffnet für viele Applikationen vollkommen neue Möglichkeiten und Vorteile bezüglich Signalübertragung, Baugröße, Stabilität und langfristiger Zuverlässigkeit.

5 Vorteile von flexiblen und Starr-flexiblen Leiterplatten

6 Vorteile von flexiblen und Starr-flexiblen Leiterplatten Die Flex- und Rigid Flex Technologie bietet unter Anderem die folgenden Vorteile: Gewichts- und Volumenreduktion 3-dimensionale Designfreiheit Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindungen durch Polungs- und Kontaktsicherheit sowie Einsparung von Steck- und Leitungskomponenten Definierte Eigenschaften der auf der Leiterplatte befindlichen Leitungssysteme (z.b. Impedanzen) Dynamische und mechanische Belastbarkeit Häufig auch Kostenersparnis für das Gesamt- System

7 IPC Standard für Flex und Starr-Flexible Leiterplatten

8 IPC Standard für flexible und starrflexible Leiterplatten Für Neueinsteiger im Bereich Flex- und Rigid-Flex Leiterplatten lohnt sich die IPC Spezifikation im Umfeld dieser Technologie anzuschauen, da diese auch Bezug nehmen auf die Fertigung von Flexund Rigid-Flex PCBs. Wichtig dabei sind dabei vor allem die IPC Standards: IPC 2223C IPC-6013C. (Verfügbar in Deutsch und Englisch)

9 IPC Standard für flexible und starrflexible Leiterplatten Für Entwickler ist vor allem die IPC-2223C: Design Richtlinien für flexible und starrflexible Leiterplatten wichtig. Sie legt, in Verbindung mit der IPC-2221, die Anforderungen an das Design flexibler Leiterplatten und die Arten der Bauteilmontage und Verbindungsstrukturen fest.

10 IPC Standard für flexible und starrflexible Leiterplatten Von allgemeinem Interesse ist die IPC 6013C: Qualifikation und Leistungsspezifikation für flexible und starrflexible Leiterplatten. Die Richtlinie IPC-6013C enthält umfangreiches Bildmaterial und Tabellen und unter anderem die aktualisierten Anforderungen für die Metallisierung von Oberflächen, Kleberaustritt, gefüllte- durchkontaktierte Löcher und lötbarer Restring für flexible und starrflexible Leiterplatten.

11 IPC Standard für flexible und starrflexible Leiterplatten Wichtig bei der Auswahl von Materialien sind weiterhin die folgenden IPC Standards: IPC-4202 Flexible dielektrische Basismaterialen für gedruckte flexible Schaltungen IPC-4203 Klebemittelbeschichtete dielektrische Folien zur Verwendung als Abdeckschichten bei flexiblen Leiterplatten und flexiblen klebeverbindenden Folien IPC-4204 Flexible, metallbeschichtete Dielektrika für die Herstellung flexibler Schaltungen

12 IPC Standard für flexible und starrflexible Leiterplatten IPC-2223 Typen: Typ 1 Einseitige Flexible Leiterplatte, mit einer leitfähigen Lage, mit oder ohne Versteifung (Stiffener), mit kleberbeschichtetem oder kleberlosem Substrat Kleberbeschichtetes Laminat: Kleberloses Laminat: Source: IPC-2223

13 IPC Standard für flexible und starrflexible Leiterplatten IPC-2223 Typen: Typ 2 Zweiseitige flexible Leiterplatte, mit zwei leitfähigen Lagen und durchmetallisierten Löchern, mit oder ohne Versteifung (Stiffener), mit kleberbeschichtetem oder kleberlosem Substrat Kleberbeschichtetes Laminat: Kleberloses Laminat: Source: IPC-2223

14 IPC Standard für flexible und starrflexible Leiterplatten IPC-2223 Typen: Typ 3 Flexible Multilayer Leiterplatte, mit min. drei leitfähigen Lagen und durchmetallisierten Löchern, mit oder ohne Versteifung (Stiffener), mit kleberbeschichtetem oder kleberlosem Substrat Kleberbeschichtetes Laminat: Kleberloses Laminat: Source: IPC-2223

15 IPC Standard für flexible und starrflexible Leiterplatten IPC-2223 Typen: Typ 4 Starre und flexible Multilayer Leiterplatte, mit min. drei leitfähigen Lagen und durchmetallisierten Löchern, mit kleberbeschichtetem oder kleberlosem Substrat Kleberbeschichtetes Laminat: Kleberloses Laminat: Source: IPC-2223

16 IPC Standard für flexible und starrflexible Leiterplatten IPC-2223 Typen: Typ 5 Flexible und Starr-flexible Leiterplatte ohne PTH-Vias, mit min. zwei leitfähigen Lagen, keine durchmetallisierte Löcher, mit kleberbeschichtetem oder kleberlosem Substrat Kleberbeschichtetes Laminat: Kleberloses Laminat: Source: IPC-2223

17 Basis Materialien im Umfeld der Flex- Technologie

18 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Die Basis Materialen für Flex und Starr-Flex Leiterplatten lassen sich in drei Kategorien einteilen: Flexible, kupferkaschierte Laminate Schutzfolien, Coverlayer, flexible Lacksysteme Klebesystem flexibel und starr Kupferfolie einseitig Bondply (Kleber-Polyimid-Kleber) Polyimid Coverlayer Kupferfolie zweiseitig Acryl Klebesheet No Flow Prepreg

19 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Die Basis Materialen für Flex und Starr-Flex Leiterplatten lassen sich in drei Kategorien einteilen: Flexible, kupferkaschierte Laminate Schutzfolien, Coverlayer, flexible Lacksysteme Klebesystem flexibel und starr Kupferfolie einseitig Bondply (Kleber-Polyimid-Kleber) Polyimid Coverlayer Kupferfolie zweiseitig Acryl Klebesheet No Flow Prepreg

20 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Überblick über flexible Laminate: PET (Polyethylenterephthalat) Thermoplastische Polyester für simple Anwendungen PEN (Polyethylennaphthalat) Thermoplastische Polyester für simple Anwendungen LCP (Liquid Crystal Polymer) Alternative zu Polyimid, für extrem anspruchsvolle Anwendungen z.b. Hochfrequenz Applikationen Polyimid (Handelsnamen u.a. Kapton) Industriestandard, sehr flexible einsetzbar Semiflex (Basis FR4 oder spezielle Materialen) Nur eingeschränkt flexibel

21 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Vergleich der technischen Eigenschaften von flexiblen Laminaten Eigenschaft PET/PEN Polyimid LCP mit Kleber ohne Kleber Elastizitätsmodul 3000MPa 4500MPa 2300MPa Biegebelastbarkeit akzeptabel sehr gut Sehr gut Cu Haftung 1050N/m 1600N/m 1000N/m Dielektrizitätskonstante 3,3 (1MHz) 3,2 (1MHz) 2,9 (10GHz) Max. Betriebstemperatur 85 C/160 C 220 C 280 C Spannungsfestigkeit 200V/µm 250V/µm 150V/µm Isolationswiderstand 1x10 12 Ω 1x10 13 Ω 1x10 11 Ω Lötbadbeständigkeit Nein/260 C (5s) 400 C (30s) 288 C (30s) Wasseraufnahme <0,5% <1% 0,04% Ausdehnung <80ppm <50ppm <20ppm

22 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Basisinformationen für Flex Laminate: Materialstärken, Kupfer- und Kleberart: Kupferdicke: 9,18, 35, 70µm, RA oder ED Kupfer (RA = Rolled Annealed; ED = Electrodeposited) Kleberdicke: 25 35µm, Acryl- oder Epoxydkleber Polyimiddicke: 25, 50, 75, 100, 125µm Zweiseitiges Kupferlaminat verklebt Zweiseitiges Kupferlaminat ohne Kleber (adhesiveless) Kupfer Kleber Polyimid Kupfer Polyimid Source: Fineline

23 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Wir haben auf der letzten Folie gelernt, dass es zwei Arten von Kupferfolien für flexible Leiterplatten gibt: RA (Rolled Annealed) Kupfer RA Kupfer wird wegen seiner Eigenschaft, sich bei mechanischer Belastung gut zu verformen (Duktilität), insbesondere für flexible und starrflexible Leiterplatten eingesetzt. Wegen der glatten Oberfläche, ist RA Kupfer auch die erste Wahl bei HF Applikationen. ED (Electrodeposited) Kupfer ED Kupfer Folie ist die Standard Kupferfolie für starre Leiterplatten und damit die am häufigsten eingesetzte Folie in der Leiterplatten- Industrie. Sie wird im großen Stil auch für flexible Leiterplatten eingesetzt, wenn die Flexibilität der Applikation nicht im Vordergrund steht.

24 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Wichtig zu wissen: RA Kupfer Der Walzprozess erzeugt eine sehr glatte Oberfläche und wird deshalb sehr vorteilhaft bei hohen Frequenzen eingesetzt (Skin-Effekt) RA Kupfer Aufgrund der Duktilität, ist RA Kupfer die erste Wahl für Flex-PCBs RA Kupfer RA Folie der kristalline Kornstruktur orientiert sich parallel zur Folienebene RA Kupfer Gewalzte Kupferfolie ist erheblich teurer als ED Folie ED Kupfer Neue ED Kupferfolien mit sehr feinen, nicht säulenförmiger Kornstruktur, beginnt RA Folie in einigen Anwendungen zu ersetzen

25 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Herstellung von RA Kupfer Folie: Hoher Druck durch mechanische Walzen In mehreren Schritten wird die Kupferdicke durch das Walzwerk reduziert, bis sie geeignet ist, für Leiterplatten eingesetzt zu werden. Sie wird nach diesem Prozess geglüht und die Oberfläche wird für eine gute Haftfähigkeit optimiert. Source: TTM

26 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Herstellung von ED Kupfer Folie: Trommelseite der Folie Rotierende Titan Trommel (Kathode) Kupferlösung Anode Matte Folien-Seite Die Trommel dreht sich langsam im Uhrzeigersinn. Das Kupfer wird auf der Trommel auf plattiert. Nach einer 180-Grad-Drehung erreicht das Kupfer seine endgültigen Dicke. Strom Versorgung Source: TTM

27 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Herstellung von ED Kupfer Folie: Galvanisch abgeschiedene Kupferfolie hat zwei verschiedene Oberflächen. Der Trommelseite ist ein Abbild von der Trommeloberfläche und ist ziemlich glatt, während die matte Seite dendritische Eigenschaften hat. Trommelseite Matte Seite Source: TTM

28 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Ein weiteres, sehr wichtiges Feature beim Einsatz von flexiblen Laminaten ist die Unterscheidung in verklebte Laminate kleberlose (adhesiveless) Laminate. Die Vorteile der kleberlosen Flexiblen Laminate werden auf der nächsten Folie dargestellt. Verklebt Kleberlos (Adhesiveless) Kupfer Kleber Polyimid Kupfer Polyimid

29 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Vorteile der kleberlosen flexiblen Laminate: Chemische Resistenz Kleberlosen Laminate sind beständiger gegen aggressive Chemikalien. Hochtemperaturanwendungen Kleberlose Laminate können höhere Temperaturen standhalten und haben eine Bessere Dimensionsstabilität als klebstoffbasierende Materialen. Bis zu 180 C. Dünne und ultradünne Anwendung Kleberlosen Laminate können als dünnere Materialien hergestellt werden. Kontrollierte Impedanz Applikationen Kleberlose Laminate haben eine homogenere dielektrische Struktur, verglichen mit verklebten Laminaten. Höher Anzahl der Lagen Klebstoffe haben ein schlechteres Verhalten bezüglich der Wärmeausdehnung. Dies kann insbesondere bei thermischen Zyklen zu Problem führen. Hochflexible Anwendungen Kleberlose Laminate sind grundsätzlich flexibler.

30 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Beispiele für flexible Laminate: Alle Pyralux kupferkaschierte Laminate sind mit RA Kupfer oder ED Kupfer verfügbar. Dupont Pyralux Adhesive Based Clads Pyralux FR - Pyralux FR acrylic based laminates are made with DuPont Kapton polyimide film and are available in sheet form as single or double sided clads in a wide variety of thicknesses. Pyralux LF - DuPont Pyralux LF products are acrylic-based copper clad laminates, coverlays, bondplys and sheet adhesives and have been the industry standard in high reliability applications in the consumer electronics industry for over 35 years with a proven record of consistency and dependability.

31 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Datenblatt Pyralux AP Flex Material:

32 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Die Basis Materialen für Flex und Starr-Flex Leiterplatten lassen sich in drei Kategorien einteilen: Flexible, kupferkaschierte Laminate Schutzfolien, Coverlayer, flexible Lacksysteme Klebesystem flexibel und starr Kupferfolie einseitig Bondply (Kleber-Polyimid-Kleber) Polyimid Coverlayer Kupferfolie zweiseitig Acryl Klebesheet No Flow Prepreg

33 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Was ist ein Coverlayer? Eine Coverlayer ist eine Schutzschicht auf der Oberseite der Metallfolie in einem Flex-Design. Es bietet einen besseren Schutz gegen Verschleiß und Kratzer im Vergleich zu Lötstopplack hat aber im wesentlichen die gleiche Funktion wie die Lötstoppmaske.

34 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Welche Arten von Coverlayer gibt es? Polyimid basierend Beinhaltet Kleberschicht, wird aufgepresst Freizustellende Bereiche müssen gefräst oder gelasert werden Sehr gut für dynamische Flex Anwendungen geeignet Photostrukturierbar: Wird auf laminiert (Vakuumlaminator) Folie wird über Filmbelichtung und nasschemisches Entwickeln strukturiert (Anwendung beinhaltet immer auch Lötstoppmaskenfunktion) Max. semidynamische Anwendungen

35 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Es gibt zwei Möglichkeiten um den Coverlayer aufzubringen: Embedded Coverlayer, der Coverlayer bedeckt die komplette flexible Schaltung auch im starren Teil. Selektiver Coverlayer, auch Bikini Coverlayer genannt. Er wird nur dort aufgebracht wo er wirklich benötigt wird

36 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Bikini / Selective Coverlayer: Eliminiert den Einsatz von Acryl Kleber in kritischen Bereichen. Wichtig! Bei der Realisierung des Bikini Coverlayers ist der Einsatz von No Flow Prepregs notwendig. Der PCB Hersteller lässt die Deckschicht ein wenig in den starren Stack-up hineinragen was die Stabilität der Flex- Schaltung erhöht.

37 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Der CTE Wert (Wärmeausdehnungskoeffizient): Mit der wichtigste thermische Parameter bei Leiterplattenbasismaterialien ist der CTE Wert (Coefficient of Thermal Expansion). Besonders wichtig dabei ist die Betrachtung der Z-Achse. Festlegung der Koordinaten in Leiterplatten:

38 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Insbesondere der Einsatz von Klebermaterialen erhöht die Gefahr der Delamination:

39 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Der CTE Wert (Wärmeausdehnungskoeffizient): Die Bestimmung des Wärmeausdehnungs- Koeffizienten: Source: Isola

40 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Um die Wichtigkeit des Themas CTE zu zeigen, ist es nützlich auf die Analogie des Lagenaufbaus einer Leiterplatte mit einem gekoppelten Federsystem hinzuweisen. Die verschiedenen Materialien, die bei einer Leiterplatte zum Einsatz kommen, werden als Federn mit unterschiedlichen elastischen Konstanten betrachtet. ε = Dehnung

41 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Beispiele für Pyralux Coverlays Pyralux FR - DuPont Pyralux FR coverlay composites are constructed of DuPont Kapton polyimide film, coated on one side with a proprietary B-staged modified acrylic adhesive. Pyralux LF - DuPont Pyralux LF coverlay composites are constructed of DuPont Kapton polyimide film, coated on one side with a proprietary B-staged modified acrylic adhesive. Pyralux LF-B - DuPont Pyralux LF-B is a black polyimide acrylic coverlay made with DuPont Kapton B polyimide film ideal for products where a uniform, aesthetically pleasing appearance is desired. Pyralux PC - DuPont Pyralux PC 1000 is a modified acrylic flexible photoimagable dry film coverlay used for single and double sided applications that require fine line resolution along with bend and crease flexibility. Pyralux HXC -DuPont Pyralux HXC is DuPont Kapton MBC black polyimide film coated with epoxy ideal for products where uniform matte black appearance is desired.

42 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Die Basis Materialen für Flex und Starr-Flex Leiterplatten lassen sich in drei Kategorien einteilen: Flexible, kupferkaschierte Laminate Schutzfolien, Coverlayer, flexible Lacksysteme Klebesystem flexibel und starr Kupferfolie einseitig Bondply (Kleber-Polyimid-Kleber) Polyimid Coverlayer Kupferfolie zweiseitig Acryl Klebesheet No Flow Prepreg

43 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Klebesysteme: Um die verschiedenen Lagen bei einer starrflexiblen Leiterplatte zu verkleben sind stehen verschiedene Materialen und Methoden zur Verfügung. Sehr wichtig dabei ist das Bondply Material. Es ist ein Polyimid Material das auf beiden Seiten mit Acrylklebstoff beschichtet ist. Acryl Klebstoff Polyimid

44 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Beispiele für Pyralux Bondplys Pyralux FR - DuPont Pyralux bondply composites are constructed of DuPont Kapton polyimide film coated on both sides with a proprietary B-staged modified acrylic adhesive. Pyralux LF - DuPont Pyralux bondply composites are constructed of DuPont Kapton polyimide film coated on both sides with a proprietary B-staged modified acrylic adhesive. Pyralux TK - DuPont Pyralux TK is a fluoropolymer/polyimide composite double sided copper clad laminate and bondply ideal for high speed digital and high frequency flexible circuit applications.

45 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Was ist ein Stiffener? Stiffener sind Stücke aus starrem Material die in gewünschten Bereichen die flexible Leiterplatte versteifen um z.b. das Bestücken von Komponenten zu ermöglichen. Das Versteifungsmaterial kann leitend, wie Metall, oder nichtleitend aus Kunststoff oder FR4 sein. Stiffener Ecke abgerundet Polymer Füllung

46 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Diese Features muss man kennen um eine Rigid-Flex Leiterplatte entwickeln und bestellen zu können: Wichtige Features für starrflexible Leiterplatten: Feature Option 1 Option 2 Anzahl der Lagen 1,2 mehrlagig Flex clad material verklebt kleberlos Flex clad copper ED RA Coverlayer Acryl basierend Epoxy basierend No flow Prepreg Epoxy basierend P"I basierend Bikini Ja Nein Rigid clad material Epoxy basierend P"I basierend Stiffener ja Nein

47 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Eine große Vielzahl unterschiedlichster Materialen hat Fastprint als Lagerware vorrätig: Fastprint Rigid-Flex Material Item Option 1 Option 2 Option 3 Adehise flex clad material Taiflex Shengyi Dupont Adhesiveless flex clad material Dupont Panasonic Taiflex Acryl based coverlayer Dupont Expox based coverlayer Taiflex Shengyi Epoxy no flow prepreg 49N Arlon Ventic Isola 406 P"I no flow prepreg 37N Arlon 38N Arlon Ventic

48 Aufbauvarianten

49 Flex und Rigid-Flex Technology Beispiele für Rigid-Flex Leiterplatten:

50 Flex und Rigid-Flex Technology Symmetrische Strukturen: Asymmetrische Strukturen:

51 Flex und Rigid-Flex Technology Beispiele: 2Lagen Flex-Platine mit Stiffener: Laminat Verklebt Laminat Kleberlos Kupfer Kleber Polyimid Coverlayer Bondbly Stiffener

52 Flex und Rigid-Flex Technology Beispiele: 4-Layer Multilayer PCB mit Stiffener: Laminat Kleberlos Kupfer Kleber Polyimid Coverlayer Bondbly Stiffener

53 Flex und Rigid-Flex Technology Beispiele: 6-Layer Multilayer Rigid Flex Leiterplatte:

54 Flex und Rigid-Flex Technology Beispiel: 8-Layer Multilayer Semi-Flex PCB: Z-Achse Fräs- Bereich

55 Flex und Rigid-Flex Technology Beispiel: 8-Layer Multilayer Semi-Flex PCB:

56 Flex und Rigid-Flex Technology Sample 1: Sample 2: Layers: 10 (2+6C+2) Min. Line Width: 0,109mm Min. Line Space: 0,102mm Min. PTH: 0,2mm LP Thickness: 1 +/-0,1mm Finish: ENIG Dimensions: 90mm x 78,5mm Layer: 7 Min. Line Width: 0,086mm Min. Line Space: 0,201mm Min. PTH: 0,25mm LP Thickness: 1,6 +/-0,16mm Finish: ENIG Dimensions: 94mm x 100mm

57 Layout und Design-Rules

58 Flex und Rigid-Flex Design Rules Wichtige Empfehlungen der IPC-2223 zur Fertigungszeichnung. Es sollten der Fertigungszeichnung separate Ansichten hinzugefügt werden, die: die Konfiguration einer eingebauten flexiblen Leiterplattenanordnung darstellen, die kritischen Bereiche, die gefaltet oder gebogen werden sollen, dargestellt und kennzeichnet, die eine detaillierte Auflistung und Beschreibung der Materialien enthält. Eine Schnittzeichnung wird empfohlen.

59 Flex und Rigid-Flex Design Rules Abgerundete Ecken in Flex Biegebereiche: Bevorzugt Akzeptiert Nicht erlaubt Reduziert / eliminiert Stress Konzentrationen, die Zuverlässigkeit wird verbessert

60 Flex und Rigid-Flex Design Rules Leiterbahnen im Biegebereich: Nicht erlaubt Akzeptiert Bevorzugt Die Leiterbahnen sollen nach Möglichkeit senkrecht zur Biegung verlegt werden. Damit wird der Druck auf die Leiterbahnen während der Biegung minimiert.

61 Flex und Rigid-Flex Design Rules Leiterbahnen nicht stapeln: schlecht gut Durch das Stapeln von Leiterbahnen erhöht sich die Dicke. Dadurch wird die Flexibilität reduziert.

62 Flex und Rigid-Flex Design Rules Pads verrunden (fillet): Vor dem Verrunden Nach dem Verrunden Es ist eine gute Idee, Pads an jeder möglichen Stelle zu verrunden. Runde Ecken vermeiden und verringern mögliche Spannungen.

63 Flex und Rigid-Flex Design Rules Pads verrunden (fillet): Jede stärkere Abmessungsänderung kann zu einer übermäßige Biegebeanspruchung führen. Dadurch können Risse in der Kupferfolie in den flexiblen Bereichen entstehen.

64 Flex und Rigid-Flex Design Rules Leiterbahnbreite immer maximieren: Bevorzugt Möglichst vermeiden Es ist ratsam, die Leiterbahnbreite wenn immer möglich zu maximieren.

65 Flex und Rigid-Flex Design Rules Die Breite einer Leiterbahn nicht abrupt ändern: Möglichst vermeiden Bevorzugt Jede Abrupte Änderung der Leiterbahnbreite kann zu einer potentiellen Schwachstelle bezüglich der Haltbarkeit einer Flex-Lage führen.

66 Flex und Rigid-Flex Design Rules Riss Entlastung: Teflon Verstärkung Entlastungsschlitz Schlitz mit Entlastungs- Bohrung Große Radien in den Ecken Diese Abbildung zeigt die häufigsten und wirksamsten Methoden um Risse in einer flexiblen Schaltung zu verhindern.

67 Via Design: Flex und Rigid-Flex Design Rules Restringe so groß wie irgend möglich Tropenförmige Vias Hinzufügen von kleinen Erweiterungen (Anchors) an den Pads, wie oben dargestellt

68 Via Position : Flex und Rigid-Flex Design Rules Vias sind nicht zuverlässig in flexiblen Bereichen In einer dynamischen Anwendung, können Vias sehr schnell brechen Vias sind in Ordnung über einer Versteifung (Stiffener), aber Vias direkt an der Kante eines Stiffeners stellen ein Risiko dar

69 Flex und Rigid-Flex Design Rules Lochabstand zum flexiblen Teil: Vermeiden Sie Abstände unter 1,25mm/50 mil um eine hohe Zuverlässigkeit zu garantieren

70 Flex und Rigid-Flex Design Rules Stiffener: Überlegungen zum Thema Stiffener: Beim Einsatz mehrerer Versteifungen sollten alle gleich dick sein, um die Kosten niedrig zu halten Stiffeners sollten bis zu den Außenkanten geführt werden Stiffeners erhöhen die Haltbarkeit von Lötstellen Stiffeners können zur Zugentlastung benutzt werden Überlappung min. 0,75mm Source: Sierra Circuits

71 Flex und Rigid-Flex Biegeradius Statt durchgehender Kupfer-Flächen werden bei flexiblen und starrflexiblen Leiterplatten häufig Kreuzschraffierte Raster eingesetzt. Je weniger Kupfer desto flexibler die Schaltung! Diese Muster haben jedoch einen Einfluss bei kontrollierten Impedanzen.

72 Biegen und Biegeradius

73 Flex und Rigid-Flex Biegeradius Wovon hängt die Flexibilität und damit der Biegeradius einer flexiblen und starrflexiblen Schaltung ab? Art der eingesetzten Materialen Die Dicke der flexiblen Schaltung

74 Flex und Rigid-Flex Bending Auszug IPC-2223 Berechnung des Biege-Radius: 1) Formel für einseitige Leiterplatte mit verklebten Laminat: R = (c/2)[(100 - E B )/E B ] - D R = Minimaler Biegeradius in mm c = Kupferdicke in mm D = Dielektrische Dicke in mm (Laminat verklebt) E B = Größe der Kupferdehnung in % Werte für E B : RA Kupfer max. 16% ED Kupfer max. 11% Anwendungen für Einbau-Biegebeanspruchung: 10% Anwendungen für dynamische Biegebeanspruchung 0,3% Anwendungen für Festplatten 0,1%

75 Flex und Rigid-Flex Bending In der IPC-2223 finden sich unter den Kapiteln: und weitere Informationen und auch eine Formel für mehrlagige Flex Leiterplatten. In der folgenden Folie geben wir Ihnen wichtige Richtwerte für die Biegeradien an die Hand.

76 Flex und Rigid-Flex Biegeradius Faustregel zur Berechnung des Biegeradius: 1-Layer, Starr-Flex-PCB: = r(min) = 6 x h 2-Layer, Starr-Flex-PCB: = r(min) = 10 x h Mulitlayer, Starr-Flex-PCB: = r(min) = (10-15) x h Stark dynamische belastete Starr-Flex-PCB: = r(min) = 25 x h "h" ist dabei die Dicke der Flex-Leiterplatte Gehen Sie bei einer 1-Layer Platine von einem "h" von ca. 150µm und bei einer 2-Layer Platine von einem "h" von ca. 200µm aus. Dabei sind schon Sicherheiten eingerechnet. Ein Beispiel Eine 2-Lagen Starr-Flex-PCB ist 200µm dick. Aus der Formel oben gilt: 10 x 200µm = 2000µm = 2mm.

77 Flex und Rigid-Flex Biegeradius Buchbinder Methode: Auszug aus der IPC-2223: Die Buchbinder Methode angewandt in einem ungebundenen Biegebereich kann in Bereichen verwendet werden, in denen eine scharfe Kurve (Radius Dickenverhältnisse <6) benötigt wird. diese Technik verwendet progressive Längen im Flex-Bereich (siehe Abbildung 5-12). Die Herstellung ist wegen spezieller Werkzeuge und der aufwendigen Fertigung teuer. Genaue Berechnung, siehe IPC-2223 Source: IPC-2223

78 Flex und Rigid-Flex Bending Radius Buchbinder Methode: Differential Lengths (Multilayer and Rigid Flex) Berechnung der jeweils zusätzlichen Länge jeder Flex-Lage nach IPC-2223: Die nächste Lage wird wie folgt Berechnet:

79 Länge L Flex und Rigid-Flex Biegeradius Biegeradius Semi-Flex: Berechnung der notwendigen Länge L des Biegebereiches: L = Winkel x Radius R x Pi / x 0,4mm) Semiflex Biegebereich Länge L Länge L des Biegebereichs bei Biegeradius [mm] Winkel ,9 4,7 90 7,1 8, ,4 16,5

80 Handling und Verarbeitungsempfehlung

81 Flex und Rigid-Flex Verarbeitungsempfehlungen Flexible und starrflexible Leiterplatten müssen vor dem Lötprozess unbedingt getempert (getrocknet) werden. Polyimid-Folien sind sehr hygroskopisch ( Feuchtigkeit aufnehmend ). Selbst unter Standard-Raumbedingungen nehmen bereits getrocknete Folien Feuchtigkeit aus der Luft auf. Flexible und starrflexible Leiterplatten müssen deshalb vor dem Lötprozess unbedingt getempert und möglichst bald danach auch verarbeitet werden denn innerhalb weniger Stunden erreicht das Polyimid Material wieder seinen Feuchtigkeits-Sättigungsgrad (bis max. 3 %).

82 Flex und Rigid-Flex Verarbeitungsempfehlungen Feuchtigkeitsaufnahme von Rigid-Flex Materialien: Die absorbierte Feuchtigkeit kann durch die thermische Beanspruchung beim Lötprozess zu Delaminationen, Blasenbildung oder Abrissen führen.

83 Flex und Rigid-Flex Verarbeitungsempfehlungen

84 Flex und Rigid-Flex Verarbeitungsempfehlungen DuPont Pyralux Flex materials Baking Recommendations Prior to Reflow We recommend that boards made with Pyralux Flex materials are baked prior to exposure to solder processes (e.g. solder leveling and reflow). Boards are generally baked at 250 F (121 C) from two to ten hours, * depending on the board thickness and design. Baking removes any moisture that may have been absorbed during processing. Polyimide films absorb moisture quickly; therefore, soldering and reflow should be done within 30 minutes after baking. Vacuum ovens are also used to remove water. Lower temperatures, such as F (65-80 C) can be used. This method also reduces the oxidation of the exposed copper pads. Boards should be baked prior to soldering by hand, wave, IR and Vapor Phase soldering. This bake is typically done at 250 F (121 C) for two to ten hours, * depending on the board thickness and design. Note: Moisture Absorption Kapton NH: 2.8% Pyralux LF: 1.8% Pyralux RF: 1.8% In Abhängigkeit von der Dicke der Leiterplatte empfiehlt Dupont eine Trockenzeit von 2 bis 10 Stunden bei 120 C * Times may vary based on type of materials in board, layer count, % copper ground planes, size of board, room/area conditions (%RH) etc...

85 Flex und Rigid-Flex Verarbeitungsempfehlungen Löten Getemperte Starrflexible Leiterplatten können maximal 6 bis 8 Stunden nach dem Trocknen sowohl hand- als auch maschinengelötet werden. Die üblicherweise bei starren Platinen eingesetzte Anlagentechnik, wie Infrarot-, Konvektions- und Dampfphasenlötung kann auch bei starrflexiblen Schaltungen angewandt werden

86 Schlussbemerkungen

87 Schlussbemerkungen Golden Rules: Sprechen Sie bereits in einer frühen Entwicklungsphase mit Ihrem Lieferanten. Prüfen Sie dabei ob Ihr Lieferant in der Lage ist, Ihr Design zu realisieren. Lassen Sie sich bei der Auswahl des Materials beraten und unterstützen Benutzen Sie die IPC Standards, insbesondere die IPC-2223 als Referenz für Ihr Design

88 Literatur Referenzen / References IPC Organisation IPC-2223 IPC Organisation IPC-6013 IPC Organisation IPC Dupont Taiflex Panasonic

89 Danke für Ihre Aufmerksamkeit