Polyflex - Schaltungen Verkabeln war gestern- Polyflex ist heute
Was ist eine Polyflex-Schaltung? Was ist das Besondere an? Polyflex - ein Neuschäfer Produkt! Nutzen bieten - Nutzen ernten, so lautet ein Grundgedanke unseres Unternehmens. Mit der Entwicklung von ist in unserem Unternehmen ein Produkt entstanden, mit dem wir unseren Kunden preisliche und technologische Vorteile sichern können. Wilfried Neuschäfer Juli, 2008 Polyflex ist die Bezeichnung für einlagige, flexible Schaltungen, die aus einer üblicherweise 250 µm bis 300 µm starken Kupferschicht bestehen und auch in Teilbereichen beidseitig offen sein können. Das bedeutet, dass in diesen Bereichen keine Trägerfolie als Basismaterial vorhanden ist. Darin liegt der wesentlichste Unterschied zu herkömmlichen Flexschaltungen. Löcher und andere Durchbrüche sind in allen beliebigen Formen herstellbar. Um eine Flexibilität in einigen Bereichen der zu erreichen, wird in diesen Bereichen die Kupferschicht auf 100 µm und weniger reduziert. Bei allen üblichen Flexschaltungen muss zum Anschluss an eine herkömmliche Leiterplatte ein entsprechender Stecker angelötet werden. Bei Polyflex werden durch die starken Kupferschichten (250 µm bis 300 µm) bereits richtige Anschlussteile ausgebildet, die in ihrer Stärke vergleichbar mit IC-Anschlusspins sind. Dadurch können direkt eingelötet werden. Selbstverständlich können auch mit Bauteilen bestückt werden. Ein weiterer sehr großer Vorteil ist neben der Flexibilität die sehr große Strombelastbarkeit von Polyflex. Schon bei 250 µm starken Kupferbahnen sind Strombelastungen realisierbar, die auf keiner herkömmlichen Leiterplatte möglich wären (z.b. bei einer 5 mm breiten und 250 µm starken Kupferbahn können 10 Ampere (!) fließen, wobei die Bahntemperatur um 10 C steigt). Siehe Strombelastungsdiagramm. Grundsätzlicher Aufbau einer Polyflex-Schaltung Zur Verdeutlichung der Anwendungsmöglichkeiten der 250 µm starken Kupferschichten und der danach erfolgten Stärkereduzierung auf ca.100 µm - 120 µm dient die nachfolgende Skizze: Beispiel einer Polyflex-Schaltung mit Hochstromleiterbahnen, Signal- Leiterbahnen und herausgeführten frei stehenden Kupfer-Pins. 250 µm Kupfer Kleber Polyimid Lötstelle 100-120 µm Kupfer
Das Biegeverhalten von Ausführungsformen von Konventionelle flexible Schaltungen besitzen hinsichtlich dauerhafter Biegezyklen ein besseres Verhalten als. Bei der genauen Untersuchung der Biegeeigenschaften von Polyflex muss unterschieden werden zwischen dem ca. 100 µm starken flexiblen Bereich und dem Übergangsbereich von 100 µm auf 250 µm Kupfer zu den Kontaktfingern. Folgender Test wurde durchgeführt: Walktest: Biegeradius R = 5 mm, 100 Hübe/min mit parallelen, 100 µm dicken Leiterbahnen. Nach ca. 10.000 Biegezyklen traten erste Haarrisse an der Oberfläche auf, die jedoch erst nach mehr als 150.000 Zyklen zu elektrischen Unterbrechungen führten. Der Übergangsbereich von 100 µm auf 250 µm Cu-Dicke kann selbstverständlich nicht auf höchste Flexibilität ausgelegt sein. An dieser Stelle werden praktisch keine dauerhaften Biegungen durchgeführt. Bei einem Test mit 180 Verbiegung und einem Biegeradius von R = 2 mm und einer zusätzlichen Zugbelastung von 400 p auf die Knickstelle, erfolgte nach ca. 150 Zyklen eine elektrische Unterbrechung der Kupferbahnen. Die ermittelten Werte zeigen, dass das Biegeverhalten von für alle Anforderungen und Situationen während der Montage, der Verarbeitung sowie für Servicefälle mehr als ausreichend ist. werden im starren Bereich üblicherweise mit Kupferstärken von 250 µm oder 300 µm ausgeführt und haben im flexiblen Teil eine Stärke von immerhin noch 100 µm Kupfer. Diese Kupferbahnen werden in Polyimidfolien eingebettet. Einzelne Bereiche der Polyflex-Schaltung können auch mit FR4 Materialien verstärkt werden (z.b. Steckerleistenverstärkungen). Die freiliegenden Kupferoberflächen werden üblicherweise galvanisch mit einer PbSn-Schicht überzogen oder können auf Kundenwunsch auch heißverzinnt (HAL) werden. Zusätzlich ist es möglich, partiell einen kaltverklebten doppelseitigen Klebstofffilm aufzubringen, welcher durch eine Schutzfolie bedeckt ist. Die Kontaktfinger können auf Kundenwunsch entsprechend gebogen werden. Dazu bieten wir Standard-Biegungen an. Für die gängigsten Rastermaße gibt es in unserer Fertigung die passenden Werkzeuge. Flächenschaltung mit rasterversetzt gebogenen Pins Kontaktleiste mit gebogenen Anschlusspins Zwei Polyflexschaltungen im Ausliefernutzen gerade Kontaktfinger 90 gebogen senkrecht montierbar mit Rasterversatz flach montierbar mit Rasterversatz
Sonderformen von Vibrationssicherheit Die überwiegend eingesetzte einlagige Polyflex-Schaltung kann auch zur zweilagigen, durchkontaktierten Version erweitert werden. In diesem Fall weist jedoch nur eine Leiterbahnebene die polyflexspezifischen Eigenschaften auf. Die zweite Leiterebene entspricht einer konventionellen flexiblen Schaltung mit 35 µm oder 70 µm Cu-Dicke. Grundsätzlich neigen flexible Materialien nicht so sehr zu Eigenschwingungen wie starre. Führt man eine gedämpft erzeugte Schwingung auf eine Polyflexschaltung, so bewegt diese sich im gleichen Takt wie der Antrieb, also genauso wie der Schwingungserzeuger. Bedingt durch die flexible Bauform der Polyflexschaltungen, erzeugen diese eine Phasenverschiebung, also eine Dämpfung der Schwingungsamplituden. Die Größe der Phasenverschiebung richtet sich nach der Symmetrie der Schaltungen. Polyflextechnologie auf zwei Ebenen 10 m/s 2 Schiff a 0 20 m/s 2 a Eisenbahn 0-2 Spitzenwerte - 1Grundpegel 2 1 Zusätzliche Flexlage für Signalleitungen 50 m/s 2 2 a LKW 0 1 200 m/s 2 150 a 100 50 Flugzeug 0 10 0 2 5 10 1 2 5 10 2 2 Hz 5 2 1 Mit Kupferschirmlage Schwingungserzeugung durch Beschleunigung bei verschiedenen Verkehrsmitteln Rippen in Längsrichtung führen bei Leiterplatten grundsätzlich zur Schwingungsdämpfung. Im Idealfall gibt es eine mechanische Stabilisierung an beiden Kopfseiten, wodurch eine weitere Dämpfung erreicht wird. Die Schaltungssymmetrie der meisten Polyflexschaltungen entspricht diesen Grundlagen (s. Grafik unten): f freie Seite Rippen Anbindung Anbindung freie Seite
Unsere besondere Stanztechnik für Flex- und Polyflexschaltungen Teilansicht unserer Stanzabteilung Aufgrund eigener Entwicklungen von CNC-Stanzmaschinen, arbeiten wir mit sehr preiswerten Werkzeugen. Unsere Zielsetzung bei der Herstellung unserer Produkte ist immer, unseren Kunden einen maximalen Nutzen zu bieten. Dies setzt natürlich voraus, dass wir unsere Produktion entsprechend optimal planen müssen und immer wieder verbessern. Besonders bei der Herstellung von Flexschaltungen und Polyflex waren wir in der Fertigungsplanung sehr gefordert, da wir für die Serienherstellung Stanzwerkzeuge benötigen, die üblicherweise sehr teuer sind. Fast alle Hersteller solcher Produkte setzen Mehrfachschnittwerkzeuge ein, die pro Stanzvorgang mehrere Einzelteile ausstanzen. Wir sind auch an dieser Stelle einen anderen Weg gegangen und haben ein eigenes Maschinenkonzept professionell umgesetzt, wobei wir mit einem Einfachschnittwerkzeug arbeiten und der Stanzautomat über CNC-Steuerung selbständig die Teile in Folge ausstanzt. Unsere Kunden haben dadurch den Vorteil, dass sie ein sehr preiswertes Werkzeug für die Serie einsetzen können und dass weiterhin keine Konturabweichungen entstehen, da alle Serienteile mit demselben Schnittwerkzeug getrennt werden. Beispiel eines Konturwerkzeugs für Folgeschnitte: Oberteil (Stempel) Unterteil (Schneidmatrize) Stanzvollautomat mit elektronischer Zentrierung Eine Sonderform der Polyflexschaltung: Zusätzliche Schirmlage Cu - 250 µm Polyimidfolie Polyimidfolie Isolationsschicht Cu - 35 µm (z.b. als Abschirmlage)
Ideenbeispiele für Polyflex-Strombelastungsdiagramm Einsatzbeispiele von zum einfachen und sicheren Anschluss von Mehrpolsteckern an Leiterplatten: Temperaturanstieg der Leiterbahnen in Abhängigkeit von Strom und Bahnbreite, bei einer Kupferstärke von 250 µm. Ein Vielpolstecker wird mit einer Sensorelektronik verbunden: Sensor Leiterplatte mit Elektronik offen liegende Kupferanschlüsse zum Einlöten in eine Leiterplatte Stromstärke in Ampere verstärkte Polyflex- Schaltung mit dem Lochbild des Anschlusssteckers Anschlussstecker
Technische Daten/Spezifikation* Deckfolien: Standard 0,025 mm Polyimid mit 0,05 mm Kleber, ein Teil der Deckfolien ist UL- gelistet (Brennbarkeitsklassen) Cu-Dickentoleranzen: 0,25 + 0,00 mm/ 0,03 mm, Flexibler Bereich 0,120 ± 0,025 mm Basiskupfer: Standard 0,25 mm dick, nach DIN 40500 Werkstoffeigenschaften bzw. Zusammensetzung nach DIN 1787 (E-CU 57) Zugfestigkeit 250 bis 300 N/mm, Brinellhärte HB Standard 75 ± 5, Hart 95 ± 5 Notwendige Fertigungstoleranzen: Konturmaße untereinander Kontur zu Leiterbild (Schrittstanzenschnitt) Kontur zu Leiterbild (Plattenschnitt/Bandstahlschnitt) Länge der Kontaktfinger Parallelität der Kontaktfinger (gebogen) Lagenversatz max. Teilegröße bei günstigem Schrittstanzenschnitt max. mögliche Teilegröße bei man. Stanzung ± 0,10 mm ± 0,15 mm ± 0,25 mm ± 0,40 mm ± 0,30 mm ± 0,13 mm 100 x 100 mm 400 x 300 mm Ätztoleranzen: Breite der Kontaktfinger Lochdurchmesser Leiterbahnbreite Kupferdicke (Flexbereich) + 0,20 mm/- 0,10 mm ± 0,13 mm + 0,20 mm/- 0,10 mm ± 0,025 mm Leiterbild: minimale Leiterbahnbreiten und Leiterbahnabstände 0,40 mm/0,40 mm Oberflächen: galv. Sn/Pb, galv. Reinzinn Hot-Air - Leveling (HAL) galv. Ni/Au, chem. Ni/Au 0,012 mm plus 100 % (+3 µm/-6 µm Kupfer). Schichtdicke bedeckt bis 0,040 mm. Unsere Musterschaltungen in verschiedenen Ausführungen können Sie jederzeit kostenlos anfordern. *Abweichende Werte können nach Absprache vereinbart werden.
Beispiele einiger Detailhinweise Polyimidfolie passgenaue Montagekontur Konstruktion nach Kundenvorgabe. Der Entwurf wurde auf unserem CAD-System erstellt. doppelseitig freie Lötfläche Foto der realisierten und bei uns gefertigten Polyflexschaltung Fric Kontaktfinger mit 300 µm Cu Flexibel Hohe Strombelastung Direktmontierbar Vibrationssicher Reflowfähig Kostenreduzierend Neuschäfer Elektronik GmbH Siegener Str. 46 D-35066 Frankenberg/Eder Mo-Fr von 8:00 bis 17:00 Uhr fon +49 (0)6451 23003-0 fax +49 (0)6451 23003-50 mail office@neuschaefer.de www.neuschaefer.de by ne-central services 2008