Flex- und Rigid-Flex Technologie

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1 Flex- und Rigid-Flex Technologie Von der Materialauswahl bis zu den Design-Rules Albert Schweitzer Fine Line Gesellschaft für Leiterplattentechnik mbh Itterpark 4, D Copyright Fine Line Vers. 1.2

2 Inhaltsangabe Inhalt Allgemeines Vorteile von flexiblen und starr-flexiblen Leiterplatten IPC Standards für flexible und starr-flexible 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 Vorteile der Flex- und Rigid-Flex Technologie: 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 Gesamtsystem

7 IPC Standards für flexible und starr-flexible Leiterplatten

8 IPC Standards für flexible und starr-flexible Leiterplatten Übersicht wichtiger IPC Standards für Flex und Rigid-Flex PCBs: Design Laminate PCB-Fertigung Baugruppen- Reparatur für PCB Fertigung Nacharbeit IPC-2220-Serie mit IPC-4100-Serie mit IPC-6010-Serie mit J-STD-Serie, z.b. IPC-7711 IPC-2221 (Basis) IPC-4101A (Basis) IPC-6011 (Basis) J-STD-001C IPC-7721A (Basis) J-STD-002A IPC-2222 IPC-4101 IPC-6012 J-STD-020C (Rigid PCB) (Rigid Base PCB) (Rigid PCB) IPC-2223 IPC-4103 IPC-6013 (flex PCB) (High Speed Material) (flex. PCB) IPC-2224 (PCMCIA) IPC-4104 (HDI) IPC-6014 (PCMCIA) (IPC-7070) IPC-2225 (MCM) IPC-4202 IPC-6015 (MCM) (Flex Dielectrics) IPC-2226 (HDI-LP) IPC-4203 IPC-6016 (HDI) IPC-7095A (Flex Coverlayer) IPC/JPCA-2315 IPC-4204 IPC-6018A Design und IPC-7351 (Land (Flex Metal Clad) (Microwellen) Fertigung von Pattern) IPC-4562 (Metal Foil) BGA IPC-A-600G (PCB Abnahme) IPC-A-610D (Baugruppenabn.)

9 IPC Standards für flexible und starr-flexible Leiterplatten Wichtig für Entwickler ist vor allem der Standard: IPC-2223: Design Richtlinien für flexible und starrflexible Leiterplatten Er legt in Verbindung mit der IPC-2221 die Anforderungen an das Design flexibler Leiterplatten und die Arten der Bauteilmontage und Verbindungsstrukturen fest.

10 IPC Standards für flexible und starr-flexible Leiterplatten Von allgemeinem Interesse ist die IPC 6013C: Qualifikation und Leistungsspezifikation für flexible und starr-flexible 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 starr-flexible Leiterplatten.

11 IPC Standards für flexible und starr-flexible 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 IPC-4562 Metallfolien für Leiterplatten

12 IPC Standards für flexible und starr-flexible 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 Standards für flexible und starr-flexible 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 Standards für flexible und starr-flexible 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 Standards für flexible und starr-flexible Leiterplatten IPC-2223 Typen: Typ 4 Starr-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 Standards für flexible und starr-flexible Leiterplatten IPC-2223 Typen: Typ 5 Flexible und starr-flexible Leiterplatte ohne PTH-Vias, mit min. zwei leitfähigen Lagen, keine durchmetallisierten 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 starr-flexible Leiterplatten Es gibt wesentlichen Unterschiede bezüglich dem Basismaterial zwischen Rigid und Flex-Rigid Leiterplatten: 4 Lagen Rigid PCB 4 Lagen Rigid-FLex PCB Soldermask FR-4 Prepreg Soldermask Kupfer FR-4 Prepreg FR-4 Laminat (Glas und Harz) FR-4 Prepreg FR-4 Prepreg Kupfer No-Flow Prepr. No-Flow Prepr. No-Flow Prepr. No-Flow Prepr. Soldermask Coverlayer Coverlayer Bondbly Flex Laminat Bondbly Soldermask

19 Basis Material für flexible und starr-flexible Leiterplatten Die Basis Materialien 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

21 Basis Material für flexible und starr-flexible Leiterplatten Flexible kupferkaschierte Laminate (FCCL, Flexible Copper Clad Laminate) werden im Wesentlichen unterschieden nach: Art des Materials und deren daraus resultierenden technischen Spezifikationen Verklebte und kleberlose Laminate Art des Kupfers, RA oder ED Kupfer (RA = Rolled Annealed; ED = Electrodeposited)

23 Basis Material für flexible und starr-flexible Leiterplatten Überblick über Materialien flexibler 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

24 Basis Material für flexible und starr-flexible 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

26 Basis Material für flexible und starr-flexible Leiterplatten Verklebte (Acryl oder Epoxy Kleber) und kleberlose Kupferlaminate: Zweiseitiges Kupferlaminat verklebt Zweiseitiges Kupferlaminat ohne Kleber (adhesiveless) Kupfer Kleber Polyimid Kupfer Polyimid Source: Fineline

27 Basis Material für flexible und starr-flexible Leiterplatten Beispiele für Adhesive und Adhesiveless Materialien der Firma Dupont: Source: Fineline

28 Basis Material für flexible und starr-flexible Leiterplatten Vorteile der kleberlosen flexiblen Laminate: Chemische Resistenz Kleberlose Laminate sind beständiger gegen aggressive Chemikalien. Hochtemperaturanwendungen Kleberlose Laminate können höheren Temperaturen standhalten und haben eine bessere Dimensionsstabilität als klebstoffbasierende Materialen, bis zu 180 C. Dünne und ultradünne Anwendung Kleberlose Laminate können als dünnere Materialien hergestellt werden. Kontrollierte Impedanz Applikationen Kleberlose Laminate haben eine homogenere dielektrische Struktur verglichen mit verklebten Laminaten. Höhere 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 starr-flexible 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 starr-flexible Leiterplatten eingesetzt. Wegen der glatten Oberfläche ist RA Kupfer auch die erste Wahl bei HF Applikationen. ED (Electrodeposited) Kupfer ED Kupferfolie ist die Standard-Kupferfolie für starre Leiterplatten und damit die am häufigsten eingesetzte Folie in der Leiterplattenindustrie. Sie wird im großen Stil auch für flexible Leiterplatten eingesetzt, wenn die Flexibilität der Applikation nicht im Vordergrund steht.

31 Basis Material für flexible und starr-flexible 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

32 Basis Material für flexible und starr-flexible 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 aufplattiert. Nach einer 180-Grad-Drehung erreicht das Kupfer seine endgültigen Dicke. Strom Versorgung Source: TTM

33 Basis Material für flexible und starr-flexible Leiterplatten Unterschiede von ED- und RA- Kupfer unter dem Mikroskop sichtbar gemacht: MD = machine direction; TD = orthogonal transverse direction Source: Dupont

34 Basis Material für flexible und starr-flexible 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 Duktilitä 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 teurer als ED Folie ED Kupfer Neue ED Kupferfolien mit sehr feinen, nicht säulenförmiger Korn- Struktur beginnt RA Folie in einigen Anwendungen zu ersetzen

35 Basis Material für flexible und starr-flexible Leiterplatten Wichtige Eigenschaften ausgesuchter Laminate: Adhesive, verklebte Laminate: Dupont Pyralux FR: (Acryl Kleber) IPC-4204/A1: Lieferbar in ED und RA Kupfer Materialdicke Polyimide: 12.5, 25, 50, 75 u. 125µm Kleberdicke: 13, 25 u. 50µm Kupferdicke: 17.5, 35 u. 70µm UL 94 VTM-0 flammability rating Taiflex THKD050513: (Epoxy Kleber IPC-4204/A1) Lieferbar in ED und RA Kupfer Materialdicke Kapton: 12.5, 25, 50µm Kleberdicke: 13, 20 u. 50µm Kupferdicke: 12, 17.5, 35 u. 70µm UL 94 V-0 or VTM-0 certified flame resistance rating

36 Basis Material für flexible und starr-flexible Leiterplatten Wichtige Eigenschaften ausgesuchter Laminate: Adhesiveless, kleberlose Laminate: Dupont Pyralux AP: IPC-4204/A11: Lieferbar in ED und RA Kupfer Materialdicke Polyimide: 12.5, 25, 50, 75, 100, 125, u. 150µm (dicker möglich auf Anfrage) Kupferdicke: 5, 9, 12, 17.5, 35 u. 70µm UL 94V-0, UL 796, Taiflex 2LP IPC-4204/A11: Lieferbar in ED und RA Kupfer Materialdicke Kapton: 12.5, 25, 50µm Kupferdicke: 12, 17.5 u. 35µm UL 94 V-0

38 Basis Material für flexible und starr-flexible Leiterplatten Was ist ein Coverlayer? Ein Coverlayer ist eine flexible Schutzschicht um freiliegendes Kupfer abzudecken. Der von den Rigid-Leiterplatten bekannte Lötstopplack ist spröde und kann deshalb für flexible Leiterplatten nicht benutzt werden. Coverlayer haben häufig eine einseitig aufgebrachte Kleberschicht. In Asien wird dafür vornehmlich Epoxy Kleber verwendet. In Europa und USA wird dagegen hauptsächlich Acryl Kleber eingesetzt.

39 Basis Material für flexible und starr-flexible 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 auflaminiert (Vakuumlaminator) Folie wird über Filmbelichtung und nasschemisches Entwickeln strukturiert (Anwendung beinhaltet immer auch Lötstoppmaskenfunktion) Max. semidynamische Anwendungen

40 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

41 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 Flexschaltung erhöht.

42 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 flame retardant 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.

43 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Die Basis Materialien 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

44 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Klebesysteme: Um die verschiedenen Lagen bei einer starrflexiblen Leiterplatte zu verkleben 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

45 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 flame retardant 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.

46 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 Ecco Bond

47 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:

48 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

49 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Insbesondere der Einsatz von kleberhaltigen Materialien erhöht die Gefahr der Delamination:

50 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Die CTE Werte einiger flexibler Basismaterialien in der Übersicht: CTE Werte verschiedener Rigid-Flex Basis Materialen Material Tg Werte CTE in der Z-Achse ( C) Acryl Kleber Polyimide FR-4 Epoxy Kupfer 17,6

51 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

52 Basis Material für flexible und starrflexible Leiterplatten Eine große Vielzahl unterschiedlichster Materialien 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 Ventec Isola 406 P"I no flow prepreg 37N Arlon 38N Arlon Ventec

53 Aufbauvarianten

54 Flex und Rigid-Flex Technologie Beispiele für Rigid-Flex Leiterplatten:

55 Flex und Rigid-Flex Technologie Beispiele für Rigid-Flex Leiterplatten: Source: Design Guide 007

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

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

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

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

60 Flex und Rigid-Flex Technology Eine kostengünstige Lösung bei eingeschränkter Biegefähigkeit und großem Biegeradius ist die sog. Semi-Flex Leiterplatte. Semi-Flex Leiterplatten sind Standard Rigid FR-4 PCBs, bei denen durch eine Z-Achsen-Fräsung ein flexibler Bereich entsteht. Da der Standard Lötstopplack zu spröde ist, muss hier ein besonderer Lack eingesetzt werden.

61 Flex und Rigid-Flex Technology Beispiel: 8-Layer Multilayer Semi-Flex PCB: Z-Achse Fräsbereich

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

63 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

64 Layout und Design-Rules

65 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, eine detaillierte Auflistung und Beschreibung der Materialien enthält. Eine Schnittzeichnung wird empfohlen.

66 Flex und Rigid-Flex Design Rules Abgerundete Ecken in Flex Biegebereiche: Bevorzugt Akzeptiert Nicht erlaubt Reduzierte/eliminierte Stress-Konzentrationen, die Zuverlässigkeit wird verbessert

67 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.

68 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.

69 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.

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

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

72 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.

73 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.

74 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

75 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

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

77 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

78 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.

79 Biegen und Biegeradius

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

81 Flex und Rigid-Flex Bending Auszug IPC-2223 Berechnung des Biege-Radius: 1) Formel für einseitige Leiterplatte mit verklebtem 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% Source: IPC-2223

82 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.

83 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.

84 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

85 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: Source: IPC-2223

86 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 Min. Biegeradius 5 mm Winkel L 45 5 mm 90 9 mm mm Biegerichtung

87 Handling und Verarbeitungsempfehlung

88 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 %).

89 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.

90 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...

91 Flex und Rigid-Flex Verarbeitungsempfehlungen Lötprozesse: Getemperte starr-flexible 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 starr-flexiblen Schaltungen angewandt werden.

92 Schlussbemerkungen

93 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.

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

95 Danke für Ihre Aufmerksamkeit