Flexible und starr-flexible Schaltungen Empfehlungen für head electronic GmbH Seestraße 11 83209 Prien am Chiemsee, Deutschland Telefon: +49 8051 6404512 Telefax: +49 8051 6404513 E-Mail: adrian.heller@head-electronic.de Internet: www.head-electronic.de Version 1.0_06/10_sf_Handbuch Seite 1 von 23
1. Inhaltsverzeichnis Kapitel Text Seite 1. Inhaltsverzeichnis 2 2. Arten der flexiblen und / oder starr-flexiblen Leiterplatten 4 3. Lagenaufbauvorschläge 5 3.1. Symmetrische Lagenaufbauten 5 3.1.1. Doppelseitige flexible Leiterplatte 2 Lagen flexibel 5 3.1.2. 4 Lagen Starr-Flex Leiterplatte davon 2 flexibel 6 3.1.3. 8 Lagen Starr-Flex Leiterplatte davon 4 flexibel 7 3.1.4. Legende zu den Lagenaufbauten 8 4. Werkstoff 9 4.1. Flexibles Laminat Kennwerte 9 4.2. Klebesysteme Kennwerte 10 4.3. Kupferarten Kennwerte 10 5. Konstruktion 11 5.1. Biegeradien 11 5.1.1. Biegeradien für flexible Lagen ohne Durchkontaktierung 11 5.1.2. Biegeradien für flexible Lagen mit Durchkontaktierung 11 5.2. Mindestabstand 12 5.3. Leiterzugverteilung 13 5.4. Einreisschutz 14 5.5. Leiterzugbreiten und Abstände 15 5.5.1. Außenlagen (alle Lagen mit galvanischer Verstärkung) 15 5.5.2. Innenlagen (sogenannte Ätzware) 15 5.6. Lötaugen und Lochdurchmesser 16 5.7. Kupferflächen im flexiblen Bereich 17 5.8. Harzfluss und Harzrückzug 18 5.9. Fräsungen zwischen den starr-flexiblen Übergängen 20 5.10. Kantenversiegelung an den starr-flexiblen Übergängen 20 5.11. Sonstiges 21 Version Freigabedatum: 1.0_06/10_sf_Handbuch 24.05.2004 Seite 2 Seite 2 von 23
Kapitel Text Seite 5.11.1. Längenmaß Toleranzen bei mechanischer Bearbeitung 21 (Grenzabmaße im Nennmaßbereich) 5.11.2. Dicken Toleranzen 21 5.11.3. Positionsgenauigkeit 21 5.11.4. Fräserbreiten 21 5.11.5 Laserschneiden (Grenzabmaße im Nennmaßbereich) 21 6. Lötstoppmasken 22 7. LongFlex 23 8. Verarbeitung 24 8.1. Trocknen von Leiterplatten 24 24.05.2004 Seite 3 Seite 3 von 23
2. Arten der flexiblen und / oder starr-flexiblen Leiterplatten einseitig flexible Schaltungen (ef) (ohne oder mit partieller Verstärkung) doppelseitig flexible Schaltungen (df) (ohne oder mit partieller Verstärkung) mehrlagige flexible Schaltungen; sog. Multiflex (mf) (ohne oder mit partieller Verstärkung) starr-flexible Leiterplatten (sf) o symmetrische Lagenaufbauten o asymmetrische Lagenaufbauten 24.05.2004 Seite 4 Seite 4 von 23
3. Lagenaufbauvorschläge 3.1. Symmetrische Lagenaufbauten 3.1.1. Doppelseitige flexible Leiterplatte 2 Lagen flexibel Version Freigabedatum: 1.0_06/10_sf_Handbuch 24.05.2004 Seite 5 Seite 5 von 23
3.1.2. 4 Lagen Starr-Flex Leiterplatte davon 2 flexibel 24.05.2004 Seite 6 Seite 6 von 23
3.1.3. 8 Lagen Starr-Flex Leiterplatte davon 4 flexibel Die flexiblen Lagen sind separiert (d.h. nicht verklebt) 24.05.2004 Seite 7 Seite 7 von 23
3.1.4. Legende zu den Lagenaufbauten Legende zu den Lagenaufbauten PI <> Polyimid (Kapton) RA-Cu <> Walzkupfer (rolled annealed) ED-Cu <> Elektrolyt Kupfer (ElectroDeposition) Deckfolie <> Coverlay Flexmaterial <> flexibles Laminat ; i.d.r. mit PI Trägerfolie und Cu Kaschierung BS <> Bauteilseite LS <> Lötseite 24.05.2004 Seite 8 Seite 8 von 23
4. Werkstoff 4.1. Flexibles Laminat - Kennwerte Kennwerte Arten Laminat mit Klebesystem Laminat ohne Klebesystem Werkstoff: Polyimid Polyimid Klebesystem: Acryl weitgehend kleberfrei Aussehen: gelb-braun gelb-braun Wasseraufnahme: 1,3 % / 24 h 0,8 % / 24 h Durchschlagfestigkeit: 160 kv / mm (DC) 160 kv / mm (DC) Dicke: 100 µm (50 µm PI + 2x25 µm Klebesystem) 50 µm PI ((100 µm PI)) 18 µm Kupferkaschierung: 18 µm 35 µm 35 µm ((70 µm)) Max. Betriebstemperatur der LP: 105 C 105 C Temperaturbeständigkeit: 288 C / 5 sec 288 C / 10 sec Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz: 3,6 bis 4,0 3,2 Brennbarkeitsklasse: Nicht erfüllt UL94V-0 Handelsbezeichnung: Kapton Kapton Pyralux Pyralux Kurzbezeichnung : LF xxxx AP xxxx Hersteller: Du Pont de Nemours Du Pont de Nemours Prinzipdarstellung des Schichtaufbaus: Legende: 24.05.2004 Seite 9 Seite 9 von 23
4.2. Klebesysteme - Kennwerte Kennwerte Arten Epoxy Klebesystem Acryl Klebesystem Werkstoff: Epoxy Acryl Standarddicke: 25 µm 25 µm Max. Betriebstemperatur der LP: No Flow Prepreg Glasfasergewebe mit Epoxy 45 µm Gewebetyp 104 75 µm Gewebetyp 1080 105 C 105 C 105 C Temperaturbeständigkeit: 260 C / 5 sec. 288 C / 10 sec. 288 C / 10 sec. Haftfestigkeit: 0,9 KN / m 1,6 KN / m 1,6 KN / m Brennbarkeitsklasse: UL 94 V-0 X UL 94 V-0 Flexibilität: Flexibilität ist gegeben. Anwendung im starren und flexiblen Bereich Flexibilität ist gegeben. Anwendung im starren und flexiblen Bereich Kurzbezeichnung: FR xxxx LF xxxx Hersteller: Du Pont de Nemours 4.3. Kupferarten - Kennwerte Du Pont de Nemours Nicht biegbar, da Glasfaseranteil. Anwendung nur im starren Bereich. Gewebe 104 Gewebe 108(0) Diverse Arten Elektrolytkupfer Walzkupfer Kennwerte ED RA Werkstoff: Elektrolytisch abgeschieden Walzkupfer mit Tempern Standarddicken: 5 µm, 18 µm, 35 µm, (70 µm) 18 µm, 35 µm, (70 µm) Duktilität: 3 % - 8 % 10 % - 15 % Anwendung: vorwiegend im starren Bereich vorwiegend im flexiblen Bereich 24.05.2004 Seite 10 Seite 10 von 23
5. Konstruktion 5.1. Biegeradien 5.1.1. Biegeradien für flexible Lagen ohne Durchkontaktierung (sog. Ätzware) Richtwert bei statischer Beanspruchung R = Schaltungsdicke x 6 Richtwerte für dynamische Beanspruchung bitten wir im Hause Hause straschu head electronic Leiterplatten GmbH GmbH zu zu erfragen 5.1.2. Biegeradien für flexible Lagen mit Durchkontaktierung Richtwert bei statischer Beanspruchung R = Schaltungsdicke x 12 24.05.2004 Seite 11 Seite 11 von 23
5.2. Mindestabstand Mindestabstände: Bohrungsrand bzw. Hülsenrand zum starr-flexiblen Übergang k 1,5 mm Metallisierte Flächen zum Randbereich I 0,4 mm Metallisierte Flächen zum Durchbruch J 0,4 mm Leiterzüge zum Rand im starren Bereich u 0,4 mm Leiterzüge zum flexiblen Randbereich z 0,5 mm 24.05.2004 Seite 12 Seite 12 von 23
5.3. Leiterzugverteilung Die Leiterzüge sollen senkrecht zur Biegekante (Übergangszone) verlaufen. Die Leiterzüge sollen möglichst gleichmäßig verteilt werden. Ab 1 mm Breite soll in gleichmäßige Leiterzüge unterteilt werden. Die Leiterzugbreite soll möglichst gleichmäßig sein. Ansonsten besteht eine erhöhte Gefahr der Unterbrechung bei Wechselbiegebeanspruchung. Hinweis: Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen wird empfohlen, alle durchkontaktierten Bohrungen in den starren Bereich zu platzieren. 24.05.2004 Seite 13 Seite 13 von 23
5.4. Einreisschutz Bei starker mechanischer Beanspruchung der flexiblen Teile ist es sinnvoll, einen sogenannten Einreisschutz einzubringen. In der obigen Darstellung werden Kupfer-Leiterbahnen (ohne elektrische Funktion) parallel zur Außenkante des flexiblen Bereiches geführt. Die Innenwinkel der flexiblen Bereiche sollen mit einem möglichst großen Radius (R) versehen werden, um die Einreisgefahr zu minimieren. Der Standard Radius beträgt 1,2 mm. 24.05.2004 Seite 14 Seite 14 von 23
5.5. Leiterzugbreiten und Abstände 5.5.1. Außenlagen (alle Lagen mit galvanischer Verstärkung) Kupfer Grundkaschierung Empfehlung Minimale Struktur Anmerkung 5 150 µm 125 µm 18 200 µm 125 µm 100 µm für partielle Stellen möglich 35 250 µm 200 µm 70 300 µm 250 µm Kein Standard im Hause head electronic GmbH 5.5.2. Innenlagen (sogenannte Ätzware) Kupfer Grundkaschierung Empfehlung Minimale Struktur Anmerkung 18 200 µm 125 µm 35 250 µm 150 µm 70 300 µm 225 µm 100 µm für partielle Stellen möglich 125 µm für partielle Stellen möglich 24.05.2004 Seite 15 Seite 15 von 23
Auslegung und und Design 5.6. Lötaugen und Lochdurchmesser Flexible Leiterplatten (ein- oder doppelseitig) Paddurchmesser Empfehlung P = L + 0,6 mm Paddurchmesser Minimum P = L + 0,4 mm Aspect ratio Verhältnis der Leiterplattendicke zum Lochenddurchmesser <= 5 : 1 min. Enddurchmesser: 0,1 mm Multiflex (flexible Leiterplatten mit mehr als 2 Lagen) P = L + 0,6 mm P = L + 0,4 mm <= 5 : 1 min. Enddurchmesser: 0,1 mm Starr-Flexible Leiterplatten (2 bis n Lagen) P = L + 0,6 mm P = L + 0,4 mm <= 6 : 1 min. Enddurchmesser: 0,25 mm Der minimale, theoretische Paddurchmesser kann ggf. in Absprache mir der Fa. head straschu electronic Leiterplatten GmbH GmbH vereinbart vereinbart werden. werden. Für diesen Für diesen Fall kann Fall kein kann ringförmiger kein ringförmiger Restring auf den Leiterplatten garantiert werden. Es werden ggf. funktionslose Lötaugen entfernt und tränenförmige Anbindungen ( tear-drops ) eingebracht (siehe unten): Prinzipdarstellung der tear-drop Anbindung: Version Freigabedatum: 1.0_06/10_sf_Handbuch 24.05.2004 Seite 16 Seite 16 von 23
5.7. Kupferflächen im flexiblen Bereich Große Kupferflächen im flexiblen Bereich (z. B. Abschirmflächen) sind aufzurastern, da die Deckfolie hier zu Delaminierungen neigen. Alternativ wird eine Gitterstruktur oder eine Leiterzugstruktur vorgeschlagen. 24.05.2004 Seite 17 Seite 17 von 23
5.8. Harzfluss und Harzrückzug Harz- bzw. Kleberfluss (p): Harz- bzw. Kleberrückzug (o): max. 0,8 mm max. 0,8 mm 24.05.2004 Seite 18 Seite 18 von 23
5.9. Fräsungen zwischen den starren Teilbereichen Die Aussparungen (Fräsungen) zwischen den starren Teilbereichen sollen die folgenden Bedingungen erfüllen: m 1,6 mm n 5,0 mm 24.05.2004 Seite 19 Seite 19 von 23
5.10. Kantenversiegelung an den starr-flexiblen Übergängen Zur Stabilisierung des flexiblen Bereiches kann nach Vereinbarung eine Kantenversiegelung an den starr-flexiblen Übergängen aufgebracht werden. Das folgende Schnittbild zeigt einen schematischen Lagenaufbau und die Darstellung der Kantenversiegelung einer symmetrischen starr-flexiblen Leiterplatte. 24.05.2004 Seite 20 Seite 20 von 23
5.11. Sonstiges 5.11.1. Längenmaß Toleranzen bei mechanischer Bearbeitung (Grenzabmaße im Nennmaßbereich) 0 mm bis 3,0 mm > 3,0 mm bis 6,0 mm > 6,0 mm bis 30,0 mm > 30,0 mm bis 490,0 mm Flexible Schaltungen + 0,20-0,20 + 0,25-0,25 + 0,30-0,30 + 0,35-0,35 Starr-flexible Schaltungen + 0,15-0,15 + 0,20-0,20 + 0,25-0,25 + 0,30-0,30 5.11.2. Dicken Toleranzen Die Einzeltoleranz der flexiblen Polyimid- Werkstoffe und starren Laminate beträgt: ± 12 % 5.11.3. Positionsgenauigkeit Die Positionsgenauigkeit von partiellen Verstärkungsflächen (z. B. FR4-Verstärkung, Polyimid- Verstärkung) beträgt: ± 0,4 mm 5.11.4. Fräserbreiten Standard Fräser- Durchmesser Ggf. mögliche Fräser- Durchmesser 2,4 mm 0,8 mm 1,0 mm 1,2 mm 1,4 mm 1,6 mm 2,0 mm 5.11.5. Laserschneiden (Grenzabmaße im Nennmaßbereich) Längenmaß Toleranzen beim Laserschneiden (Grenzabmaße im Nennmaßbereich) ± 0,10 mm 24.05.2004 Seite 21 Seite 21 von 23
6. Lötstoppmasken Als Lötstoppmaske können Deckfolien oder flexible Lötstopplacke verwendet werden. Deckfolien für die flexiblen Bereiche werden vor dem Verpressen mechanisch bearbeitet, um die Lötflächen von Deckfolie freizustellen. Die Freistellungen betragen bei Deckfolien i. d. R. 0,25 mm umlaufend. Bei flexiblen Lötstopplacken beträgt die Freistellung i. d. R. 0,1 mm umlaufend. Die folgenden Prinzipdarstellungen zeigen einige Beispiele: Lötaugen, die einzeln freigestellt sind Lötaugen mit gemeinsamer Freistellung SMD Pads, mit entsprechender Freistellung Version Freigabedatum: 1.0_06/10_sf_Handbuch 24.05.2004 Seite 22 Seite 22 von 23
Flexible Flexible und und starr-flexible starr-flexible Schaltungen Schaltungen 8. 7. Verarbeitung 8.1. 7.1. Trocknen von Leiterplatten Definition Trocknen: Wasseraustreiben Definition Tempern: Wärmebehandlung oberhalb TG Die Begriffe Trocknen/Tempern werden sprachlich nicht immer sauber getrennt. Aufgrund der unterschiedlichen Bedeutung wird hier nur noch von Trocknen gesprochen. Basismaterialien speziell Polyimide neigen zur Feuchtigkeitsaufnahme. Beim Löten wird das absorbierte Wasser schlagartig verdampft. Dieser erhöhte Dampfdruck innerhalb der Leiterplatte kann zu Delamination führen. Gerade im Hinblick auf die heute in der SMD-Technik eingesetzten IR-Lötanlagen entsteht eine sehr hohe Materialbeanspruchung. Aus diesem Grund wird von den Leiterplattenherstellern eine Trocknung vor der Bestückung empfohlen. Flexible und starr-flexible Schaltungen neigen zu höherer Feuchtigkeitsaufnahme als starre Leiterplatten. Hier ist ein Trocknen zwingend vorgeschrieben. Lagerbedingungen: Die Leiterplatten sollen in verpacktem Zustand bei 20 C ± 2 C und einer rel. Luftfeuchtigkeit von < 50 % gelagert werden. Eine höhere rel. Luftfeuchtigkeit führt zu einer höheren Feuchtigkeitsaufnahme des Basismaterials. Empfohlen für das Trocknen: Vorgang Trocknen im Umluftofen Verarbeitung nach Trocknen Empfehlung für das Trocknen Einseitig/ Doppelseitig 110 120 C 2 h (Starr) flexible Schaltungen Multilayer 1 2 3 8 > 8 Lagen Lagen Lagen 110 120 C 120 C 120 C 120 C 2 h 2 h 4 h 6 h 46 h 8 h 6 h 6 h 6 h Außerhalb obiger Toleranzangabe (Lagerbedingungen) generell vorteilhaft zwingend notwendig Fazit: Das Trocknen von (starr-) flexiblen Leiterplatten ist inzwischen bei allen Anwendern Standard. Es erhöht auch bei starren Leiterplatten - insbesondere bei einer Verarbeitung nach längerer Lagerzeit die Fertigungssicherheit. Freigabedatum: 24.05.2004 Seite 24 Version 1.0_06/10_sf_Handbuch Seite 23 von 23