Aufbau von Starr-Flex Leiterplatten

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1 Aufbau von Starr-Flex Leiterplatten 1 Uwe Braun Schoeller-Electronics GmbH Head of Internal Sales Deputy Head of Sales Marburger Straße 65 D Wetter Tel. : + 49 (6423) Mobil.: + 49 (1522) u.braun@se-pcb.de

2 Begrüßung und Vorstellung Materialauswahl Konstruktiver Aufbau Alternative Bend It Zuverlässigkeit Tempervorschriften Biegeradien Designrules / Toleranzen UL Konstruktionshinweise Offene Fragen Agenda 2

3 Begrüßung und Vorstellung Materialauswahl Konstruktiver Aufbau Alternative Bend It Zuverlässigkeit Tempervorschriften Biegeradien Designrules / Toleranzen UL Konstruktionshinweise Wärmemanagement Offene Fragen Agenda 3

4 Materialauswahl Flexible Basismaterialien Klassisches Polyimid mit Kleber oder ohne Kleber Polyimid mit Kleber: + vergleichsweise günstig - Kleber limitiert die max. Betriebstemperatur - für hohe Temperatur-Schock Belastungen nicht zu empfehlen 4 Kleberloses Polyimid: + hohe Temperaturbeständigkeit + sehr gute Temperatur-Schock Stabilität + hohe Kupferhaftfestigkeit + einfach zu verarbeiten + sehr geringe Schichtdicken möglich + gleichmäßige elektrische Eigenschaften - etwas teurer

5 Materialauswahl Materialien für flexible Leiterplatten Standard-Foliendicken, Kupferdicken und -sorten, Kleber und Lacke A) Einseitig Cu Material Dicke (mm) Kupfer 0,012; 0,018; 0,035; 0,070; (0,105) Kleber 0,015; 0,025 Polyimid 0,025; 0,050; 0,075, 0,125 B) Zweiseitig Cu Kupfer 0,012; 0,018; 0,035; 0,070; (0,105) Kleber 0,015; 0,025 Polyimid 0,025; 0,050; 0,075; 0,125 Kleber 0,015; 0,025; Kupfer 0,012; 0,018; 0,035; 0,070; (0,105) 5 Kupfer 0,012; 0,018; 0,035; 0,070 Polyimid (kleberlos) 0,025; 0,050; 0,075 Kupfer 0,012; 0,018; 0,035; 0,070 Kupfersorten ED: Bruchdehnung 3 8 % HTE-Cu ca. 10 % nach IPC-4562 RA: Bruchdehnung > 10 % typ. ca. 16 % Klebersorten Epoxid oder Acryl

6 Materialauswahl Vergleich von Eigenschaften der wichtigsten flexiblen Basisfolien 6

7 Materialauswahl 7

8 Materialauswahl Flexible Basismaterialien Material Einheit Polyimid LCP PEEK Schmelzpunkt C T G C e r 3,3 2,9 3,2 tand 0,004 0,0025 0,003 CTE x-y ppm/k CTE z ppm/k E-Modul GPa 0,33 2,25 3,5 Wasserabsorption % 0,8 0,04 0,2 8 Zum Vergleich: Flexibler Acrylkleber CTE x-y: 100 ppm/k, CTE z: 400 ppm/k

9 Materialauswahl Auswahlkriterien für Basismaterialien: Temperaturbelastung der Leiterplatte Biegebeanspruchung Durchschlagsfestigkeit Forderung nach UL-Listung Der Kleber zwischen Trägerfolien und Kupferfolien und die Kleber auf den Deckfolien bestimmen wesentlich die Qualität und Verwendbarkeit der flexiblen Schaltungen. 9

10 Begrüßung und Vorstellung Materialvergleich Konstruktiver Aufbau Alternative Bend It Zuverlässigkeit Tempervorschriften Biegeradien Designrules / Toleranzen UL Konstruktionshinweise Wärmemanagement Offene Fragen Agenda 10

11 Konstruktiver Aufbau Die Grundformen des konstruktiven Aufbaues Asymmetrischer Aufbau Symmetrischer Aufbau Typischerweise werden Polyimid-Folien als flexibles Basismaterial eingesetzt. LCP-Material (Liquid Crystalline Polymer) kann alternativ verwendet werden. Es hat gegenüber Polyimid eine geringere Wasseraufnahme und bessere dielektrische Eigenschaften. 11

12 Konstruktiver Aufbau Asymmetrischer Aufbau Geringer Produktionsaufwand Einfach zu verwenden in der weiteren Produktionskette Kostengünstige Konstruktion Snap-Out Technik ist anwendbar 12

13 Konstruktiver Aufbau Beispiele mit asymmetrischer Konstruktion: 3-lagig, 2 Lagen im Flexbereich 3-lagig, 1 Lage im Flexbereich 3-lagig, 1 Lage im Flexbereich 4-lagig, 1 Lage im Flexbereich 13

14 Konstruktiver Aufbau Symmetrischer Aufbau Höhere Planarität durch symmetrischen Lagenaufbau Starres Material auf beiden Außenlagen Höhere Flexibilität, da die flexiblen Lagen nicht mit zusätzlichem Kupferbeschichtet sind Höhere Zuverlässigkeit beim Lötbadtest (Stress) und beim Temperaturwechseltest (Schock) Hochlagige starrflexible Leiterplattenmit vielen flexiblen Lagen sollten aus technischen Gründen immer symmetrisch aufgebaut werden 14

15 Konstruktiver Aufbau Beispiele mit symmetrischer Konstruktion: 4-lagig, 2 Lagen im Flexbereich N-lagig, symmetrisch Hochlagige Starr-Flex-Schaltungen mit vielen flexiblen Lagen sollten aus technischen Gründen immer symmetrisch aufgebaut werden. 15

16 Konstruktiver Aufbau Snap-Out-Technik: Snap-Out-Teile vor dem Entfernen Entfernen der Snap-Out-Teile 16

17 Konstruktiver Aufbau Starrflexible Leiterplatten in SBU-Aufbautechnik Beispiel einer 6-lagigen Multiflex: Flexibler Lötstopplack Cu Polyimid Cu-Folie Cu FR-4 Cu Cu-Folie Cu-Folie L1 L2 L3 L4 L5 L6 17

18 Konstruktiver Aufbau Beispiel einer 18-lagigen Starr-Flex: Cu-Folie Cu-Folie Cu FR-4 Cu Polyimid Polyimid Cu-Folie Cu-Folie Polyimid Polyimid Cu FR-4 Cu Cu-Folie Cu-Folie Deckfolie Deckfolie Deckfolie Deckfolie Deckfolie Deckfolie Deckfolie Deckfolie L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 L11 L12 L13 L14 L15 L16 L17 L18 18

19 Begrüßung und Vorstellung Materialauswahl Konstruktiver Aufbau Alternative Bend It Zuverlässigkeit Tempervorschriften Biegeradien Designrules / Toleranzen UL Konstruktionshinweise Wärmemanagement Offene Fragen Agenda 19

20 Alternative Bend It 20 Neu: Bend It mit asymmetrischem oder symmetrischem Lagenaufbau, komplett aus FR-4 hergestellt Asymmetrisch: Symmetrisch: anstelle von Deckfolie oder flexibler Lötstoppmaske 20

21 Alternative Bend It Komplett aus FR4 hergestellt Frei von flexiblen Materialien wie Polyimid und Acrylkleber Asymmetrische und symmetrische Aufbauten möglich Zwei Flexlagen möglich Kein Tempern vor dem Lötprozess notwendig Standard Herstellungsprozesse ( Keine Sonderprozesse wie bei Polyimid ) Flexibler als tiefengefräste Semiflex Min. Biegeradius = 2 mm Mehrere Biegezyklen möglich Bis zu 180 Biegungen möglich 21

22 Alternative Bend It Bend It Leiterplatten: 22

23 Alternative Bend It Vergleich: Material (Starr / Flex) Flex / Multiflex FR-4 / Polyimid Bend It FR-4 Biegeradius Aufbautechnik Anzahl der flexible Lagen < 0,5 mm asymmetrisch o. symmetrisch mehrlagig 2 mm asymmetrisch o. symmetrisch 2 23

24 Alternative Bend It Kostenvergleich: Ausführung Biegeradius / Flex-Basismaterial Kosten / ET Starr-Flex, 2-lagig R min. = 0,5 mm / Polyimid 100 % Bend It, 2-lagig R min. = 2,0 mm / mod. FR-4 85 % Starr-Flex, 4-lagig R min. = 0,5 mm / Polyimid 100 % Bend It, 4-lagig R min. = 2,0 mm / mod. FR-4 80 % Für eine optimale und kostengünstige Verdrahtungslösung ist eine enge Zusammenarbeit zwischen Entwickler und Hersteller unerlässlich 24

25 Begrüßung und Vorstellung Materialauswahl Konstruktiver Aufbau Alternative Bend It Zuverlässigkeit Tempervorschriften Biegeradien Designrules / Toleranzen UL Konstruktionshinweise Wärmemanagement Offene Fragen Agenda 25

26 Zuverlässigkeit Maßnahmen zur Erhöhung der Zyklenbeständigkeit Sorgfältige Auswahl der Materialien unter Berücksichtigung der Temperaturausdehnungskoeffizienten Vermeidung von Kleber im Lagenaufbau. z.b. durch den Einsatz von kleberlosem Basismaterial und partieller Deckfolie Auswahl geeigneter Bohrdurchmesser und optimierter Bohrparameter. Optimierung von Konstruktion und Design. 26

27 Zuverlässigkeit Eine Schwachstelle bei Konstruktionen mit konventionellem Polyimid sind die Klebersysteme der Deck- und Verbundfolien. Die Kleber haben allgemein einen niedrigen T G -Wert und sehr hohe Temperaturausdehnungskoeffizienten. Besonders der CTE in der z-achse ist sehr hoch und häufig eine Ursache von Hülsenrissen bei Temperaturwechselbelastungen. Deshalb empfehlen wir, im Leiterplatten-Aufbau den Kleber im Bereich der Durchkontaktierungen zu vermeiden. Acrylklebersysteme sind für Dauergebrauchstemperaturen bis max. 150 C geeignet. Sie überstehen Temperaturschocktests von 2000 Zyklen von - 55 C bis C. Oberhalb von 150 C können die herkömmlichen Klebersysteme nur kurzzeitig den Temperaturen ausgesetzt werden. LCP-Material besteht Dauertemperaturen bis über 200 C. Starrflexible Leiterplatten aus LCP-Material überstehen Dauergebrauchstemperaturen von bis zu 180 C. 27

28 Construction Zuverlässigkeit Temperaturzyklenbeständigkeit Schliffbild nach 2500 Zyklen: E3 E4 E5 E6 E7 E8 Thermal Shock Test Cycles To Failure IST (+ 25 C to C) Thermal Shock (- 40 C to C) Abbruch des Tests nach 1300 bzw Zyklen Unsere Erfahrungen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit unter Temperaturbelastung basieren auf über 30 Jahren Praxis im Starrflex- Business. Die Summe dieser Erfahrungen kann ohne großen Mehraufwand eine deutlich höhere Zuverlässigkeit unter Temperaturwechselbelastung zur Folge haben, wie für verschiedene Varianten im linken Bild dargestellt wird. (nach 2500 Zyklen) 28

29 Begrüßung und Vorstellung Materialauswahl Konstruktiver Aufbau Alternative Bend It Zuverlässigkeit Tempervorschriften Biegeradien Designrules / Toleranzen UL Konstruktionshinweise Wärmemanagement Offene Fragen Agenda 29

30 Tempervorschriften Polyimidhaltige Schaltungen müssen vor dem Lötprozess 3 Std. bis 6 Std. bei 140 C getempert werden. Bei geschlossenen Cu Flächen sollte die Temperzeit mind. 6 Std. betragen. Bei chem. Sn Oberfläche darf die Temperatur max. 120 betragen und sollte bevorzugt unter Vakuum bei 100 C getempert werden. 30

31 Tempervorschriften 31

32 Begrüßung und Vorstellung Materialauswahl Konstruktiver Aufbau Alternative Bend It Zuverlässigkeit Tempervorschriften Biegeradien Designrules / Toleranzen UL Konstruktionshinweise Wärmemanagement Offene Fragen Agenda 32

33 Biegeradius Betrachtungen zum Biegeradius Idealisiertes Spannungs- Dehnungsdiagramm Spannung = Kraft / Fläche(Querschnitt) = Dehnung = Längenänderung / Länge = e (%) (Ausdehnung) 33 Elastischer Bereich = 0,3 % Nach IPC-4562: ED-Cu: Bruchdehnung = 3 % (8 %) RA-Cu: Bruchdehnung = 10 % Elastischer Bereich: Nach Entfernen der Kraft wird die ursprüngliche Länge erreicht. In diesem Bereich gilt das Hook sche Gesetz: = E e Elastisch-Plastischer Bereich: Nach Entfernen der Kraft wird die ursprüngliche Länge nur teilweise erreicht. Plastischer Bereich: Irreversibel

34 Biegeradius Betrachtungen zum Biegeradius Einseitige flexible Schaltung R Dehnung: Biegeradius: E R z 2 t D R 2 z 1 E 2 E D EB Beispiel: z Substratdicke D = 50 µm Kupferdicke t = 35 µm Deckfoliendicke d = 50 µm D d 34

35 Biegeradius Betrachtungen zum Biegeradius Zweiseitige flexible Schaltung R Dehnung: Biegeradius: E R D z 2 D R d z 2 D 1 E z 2 E E B d Beispiel: z z Substratdicke D = 50 µm Kupferdicke t = 35 µm Deckfoliendicke d = 50 µm D d d 35

36 Biegeradius SE berechnet den min. Biegeradius über ein selbst erstelltes Berechnungsprogramm 36

37 Begrüßung und Vorstellung Materialauswahl Konstruktiver Aufbau Alternative Bend It Zuverlässigkeit Tempervorschriften Biegeradien Designrules / Toleranzen UL Konstruktionshinweise Wärmemanagement Offene Fragen Agenda 37

38 Designrules 38

39 Designrules 39

40 Toleranzen 40

41 Begrüßung und Vorstellung Materialauswahl Konstruktiver Aufbau Alternative Bend It Zuverlässigkeit Tempervorschriften Biegeradien Designrules / Toleranzen UL Konstruktionshinweise Wärmemanagement Offene Fragen Agenda 41

42 UL Zulassungen SE verfügt über 9 verschiedene UL Zulassungen für Starr-Flex Aufbauten Durch leichte Änderungen am Lagenaufbau kann zu fast jeder Starr-Flex Type eine passende UL Zulassung gefunden werden Gerne beraten wir Sie in jedem speziellen Einzelfall 42

43 Begrüßung und Vorstellung Materialauswahl Konstruktiver Aufbau Alternative Bend It Zuverlässigkeit Tempervorschriften Biegeradien Designrules / Toleranzen UL Konstruktionshinweise Wärmemanagement Offene Fragen Agenda 43

44 Konstruktionshinweise Sollen zweilagige Flexible Schaltungen dynamisch beansprucht werden, muss die Verteilung der Leiterbahnen, wie im linken Bild gezeigt, gleichmäßig in Lücke realisiert werden. Auch kleinere Biegeradien sind hierdurch möglich. Bei dieser Verteilung, werden die Leiterbahnen bei Biegebeanspruchung asymmetrisch belastet, was zu einem frühen Leiterbahnbruch führen kann. 44

45 Konstruktionshinweise Wird z. B. eine Deckfolie aus PI mit hochwertigem Acryl- oder Epoxidkleber verwendet, muss bei der Berechnung des Lötringes der umlaufend austretende Kleber (grün) mit ca. 0,2 mm berücksichtigt werden. Bei eingeengten Platzverhältnissen kann oftmals das ideale Lötauge nicht realisiert werden, dann sollte als Minimallösung ein Lötauge wie hier gezeigt Verwendung finden. 45

46 Konstruktionshinweise Flexible Schaltungen können als lösbare Verbindung, z. B. für die Verwendung von Nullkraftsteckern, ausgelegt werden. Diese Stecker sind typisch für Leiterbildraster 0,64 mm, 1,0 mm und 1,25 mm vorgesehen. Die Kontaktierungsdicke wird häufig mit 0,20 mm oder 0,30 mm angegeben. So wie im linken Bild dargestellt, sollte die Konstruktion nicht ausgeführt werden. 46

47 Konstruktionshinweise Leiterbahnanbindungen an Lötaugen sollten immer tropfenförmig und abgerundet ausgeführt werden. Kleine Lötaugen bieten eine schlechte Verbindung zum flexiblen Basismaterial, was ein Ablösen der Lötaugen vom Trägermaterial zur Folge haben kann. Durch die sehr schmale Leiterbahnanbindung an das Lötauge ist hier bei entsprechender Belastung ein Leiterbahnbruch im Übergang Lötauge Leiterbahn möglich. Bei richtig ausgeführtem Layout sind die Lötaugenflächen so groß gewählt, dass die Deckfolie / Lack das Lötauge überdeckt. 47

48 Konstruktionshinweise Tropfenförmige Lötaugenanbindungen verbessern die Qualität 48

49 Konstruktionshinweise Werden flexible Schaltungen eingeschnitten, um z. B. zwei flexible Ausleger in unterschiedlichen Richtungen zu biegen, so muss bei einem Nullschnitt (linkes Bild), aber auch bei einem Einschnitt (rechtes Bild) eine zusätzliche Kupferbahn als Einreißschutz montiert werden. Der Nullschnitt sollte zusätzlich in einer Bohrung enden. 49

50 Konstruktionshinweise Die links, schematisch dargestellte Flexible Schaltung lässt sich, bedingt durch die beiden Ausleger, nur sehr ungünstig und mit viel Abfall auf einem Produktions-nutzen (rechtes Bild) unterbringen. Wird die zu konstruierende flexible Schaltung in eine Form gebracht, die es ermöglicht, mehr Einzelteile auf einem Produktionsnutzen zu platzieren als in dem ursprünglichen Layout, dann sinken die Einzelteilkosten oft erheblich. 50

51 Nutzenauslegung Fertigungs-Nutzen-Rahmen Einzelteil Einzelteil oder oder Mehrfach- Mehrfach- Nutzen Nutzen Einzelteil Einzelteil oder oder Mehrfach- Mehrfach- Nutzen Nutzen Innerhalb des Fertigungs-Nutzen- Rahmens steht die nutzbare Fläche von ca. 425 x 564 mm zur Verfügung. Die Abstände zwischen den Einzelteilen bzw. Mehrfach-Nutzen und Fertigungs-Nutzen-Rahmen sollten min. 5 mm betragen. Die in diesem Beispiel gewählte Einzelteil- oder Mehrfach- Nutzengröße von 210 x 279,5 mm belegt die gesamte nutzbare Fläche. Die Schaltungskosten werden so sehr niedrig gehalten und unnötiger Abfall wird vermieden

52 Konstruktionshinweise Gestaltung des Starrflex-Überganges: Flexible Außenlage mit partieller Deckfolie Leiterbahnführung im Biegebereich starr flexibel starr R 1,2 1,0 0,3 Typische Maße Deckfolie 52

53 ... das war nun eine Vielzahl an Informationen! Haben Sie noch Fragen? Schoeller Electronics GmbH Uwe Braun ( Head of Internal Sales / Deputy Head of Sales ) Tel : +49 ( 6423 ) Fax : +49 ( 6423 ) u.braun@se-pcb.de Webseite: 53

54 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 54