UNTERNEHMEN CONDAY 2011 Flexibel bleiben eine Technologie für alle Fälle Referent: Christian Ranzinger Agenda Motivation für flexible und starr-flexible Leiterplatten Technologische Gründe Design-to-cost Branchen Eingesetzte Materialtypen Flexible Materialien Coverlayer, Schutzfolien und flexible Lacke Klebemedien Aufbauvarianten Reine Flexschaltungen, ein- und zweilagig, Multilayer Starr-flexible Schaltungen Klassische Polyimid-Aufbauten Semiflex Yellowflex
Agenda Fertigungstechnologie Grundsätzliche Abläufe und Prozesse Kritische Prozessschritte Zuverlässigkeit und Weiterverarbeitung Relevante Normen Layout- und Designhinweise Anforderungsprofil als integriertes Baugruppenkonzept Materialauswahl und Stack Up Optimierung des elektrischen Layouts, Design-Regeln Ausgewählte Aufbauten Starr-flexible Schaltungen in HDI/SBU-Technologie Mechanische Sonderkonstruktionen Ausblick auf den Workshop Motivation für flexible und starr-flexible Schaltungen Integrationsdichte der Gesamt-Baugruppe Zunehmend hohe Funktionalität bei kleiner und kompakter Bauform gefordert Optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Volumens (3-D statt 2-D) notwendig Resultierend werden Leiterplatten mit ggf. hoher Verbindungsdichte benötigt, die miteinander verbunden werden Verbindungen werden nicht mehr konventionell über Verbinder mit Lötstellen oder Stecker realisiert, sondern sind Teil der Leiterplatte
Motivation für flexible und starr-flexible Schaltungen Technologische Motivation Zuverlässige Anbindung externer Komponenten wie Bedien- und Anzeigeelemente oder periphere Anschlüsse Langzeitzuverlässigkeit auch bei häufigen Biegebeanspruchungen externer Komponenten Höchste Zuverlässigkeit der Baugruppe, da zusätzliche Verbindungselemente und Lötstellen entfallen Gesamtlayout enthält bereits die Verbindungselemente zwischen den Einzelschaltungen Hohe Signalintegrität Kombinierbar mit allen denkbaren starren Materialtypen Klassische Einsatzbereiche sind Medizintechnik Luftfahrt und Militärtechnik Zunehmend auch Automotive und Konsumelektronik Motivation für flexible und starr-flexible Schaltungen Kostenmotivation Komponente Diskreter Aufbau Starr-flexibler Aufbau Leiterplattendesign 3 1 Leiterplattenproduktion 0,3-0,8 1 Bestückung 3 1 Verbindungstechnik x 0 Testaufwand 3 1 Logistikaufwand >3 1 Starr-flexible Leiterplatten sind auf die Fläche bezogen ca. Faktor 2 teurer (bei vergleichbarer Layout-Komplexität), dafür entfallen die zusätzlichen Einmalkosten, wenn verschiedene Typen hergestellt werden müssen Es entfallen die fehlerträchtigen und teuren Verbindungstechnologien (Löten von Flachbandleitungen und Kabeln, Steckverbindungen)
Materialien Baukastensystem, d.h. die Grundmaterialien wiederholen sich Hauptbestandteile sind: Flexible, kupferkaschierte Laminate Coverlayer, Schutzfolien, flexible Lacksysteme Klebesysteme (starr oder flexibel) um die Komponenten zu verbinden Flexmaterial 1-seitig Kupfer Flexmaterial 2-seitig Kupfer Polyimid-Coverlayer Bondply (Kleber-Polyimid-Kleber) Acryl-Klebesheet NoFlow-Prepreg Materialien Flexible Laminate, Überblick PET (Polyethylenterephthalat), PEN (Polyethylennaphthalat): Thermoplastische Polyester Verarbeitung Rolle zu Rolle Bevorzugt für einfache Flexschaltungen im Automotive-Bereich Semiflexible Materialien: Abgedünntes Standard FR4 (Restdicke ca. 200µm), oder: Spezielles Material, z.b. Flexlam der Fa. Nelco (modifiziertes FR4 mit Glasgewebe) in den Dicken 50µm 127µm 1-oder 2-seitig kupferkaschiert Nur für statische Anwendungen geeignet (max. 5 Biegezyklen) LCP (Liquid Crystal Polymer): Alternative zum Polyimid für höchste Zuverlässigkeit und Belastbarkeit Geringere Wasseraufnahme, höhere Dimensionsstabilität Optimal für hohe Frequenzen und Taktraten (definierte HF-Eigenschaften) Sehr teuer
Materialien Polyimid-Laminate Handelsnamen: Kapton, Epoflex, Nikaflex u.a. Variabel bzgl. Kleber, Kupfer- und Polyimidstärken und Kupferqualität (siehe Bild) RA Rolled annealed = Walzkupfer, höhere Bruchdehung, für dynamische Flexanwendungen ED Electrodeposited = elektrolytisches abgeschiedenes Kupfer, niedrigere Bruchdehnung, für statische bis semidynamische Anwendungen Bevorzugt kleberlose Laminate (höhere Stabilität und UL94-V0) Kupferkaschierung 9µm-18µm-35µm-70µm, RA oder ED Acryl- oder Epoxykleber 25-35µm Polyimid 25µm-50µm-75µm-100µm-125µm Kupferkaschierung 9µm-18µm-35µm-70µm, RA oder ED Polyimid 25µm-50µm-75µm-100µm-125µm Acryl- oder Epoxykleber 25-35µm Kupferkaschierung 9µm-18µm-35µm-70µm, RA oder ED Kupferkaschierung 9µm-18µm-35µm-70µm, RA oder ED Varianten 2-seitiges Polyimid-Flexmaterial mit und ohne Kleber Materialien Flexible Laminate, typische Werte Eigenschaft PET/PEN (mit Kleber) Polyimid (ohne Kleber) LCP Biegebelastbarkeit akzeptabel Sehr gut Sehr gut Elastizitätsmodul 3000MPa 4500MPa 2300MPa Cu-Haftung 1050N/m 1600N/m 1000N/m Max. Betriebstemperatur 85 C/160 C 220 C 280 C Dielektrizitätskonstante 3,4 (1MHz) 3,2 (1MHz) 2,9 (10GHz) 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
Materialien Coverlayer Coverlayer allgemein: Flexibler Schutz freileigenden Kupfers, Verwendung auf Innen- und Außenlagen Anwendung bei Flex- und Starr-Flexschaltungen Ggf. mit Lötstoppmaskenfunktion, Kombination verschiedener Typen möglich Coverlayer als Folie Polyimid-basierend: Beinhaltet Kleberschicht, wird aufgepresst Freizustellende Bereiche müssen gefräst oder gelasert werden (dann Lötstoppmaskenfunktion) Für dynamische Flexanwendungen geeignet Photostrukturierbar: Wird auflaminiert (Vakuumlaminator) Foile wird über Filmbelichtung und nasschemisches Entwickeln strukturiert (Anwendung beinhaltet immer auch Lötstoppmaskenfunktion) Max. semidynamische Anwendungen Materialien Alternative Coverlayer: Siebdruck-Polyimid 2-Komponenten System aus Polyamid/Polyimid mit semidynamischen Eigenschaften (bis 10.000 Biegezyklen bereits bestätigt) Aufbringen mittels klassischem Siebdruck Vollflächiger oder partieller Coverlayer Kein separater Kleber wie bei Polyimid-Folien, daher hohe Zuverlässigkeit bei Durchkontaktierungen Kann auch Klebesysteme ersetzen UL94-VO Flexible Lötstopplacke Lötstopplacksysteme mit modifiziertem Epoxy-Harzsystem und reduziertem Füllstoffanteil Aufbringen mittels klassischem Siebdruck Lack wird über Filmbelichtung und nasschemisches Entwickeln strukturiert Ausschließlich statische Anwendungen UL94-V0
Materialien Klebersysteme Verbund zwischen starren und flexiblen Lagen Für Verbindungen im Flexbereich, z.b. bei flexiblen Multilayern, muss das Klebesystem auch flexibel sein: Acrylklebesheet (reines Klebesheet, 25µm oder 50µm) Bondply (Schichtaufbau Kleber Polyimid Kleber), verschiedenste Kleberund Polyimiddicken bzw. Kombinationen verfügbar (wenn Epoxykleber: UL94-V0) Für die Verbindung im starren Bereich hat sich das sog. NoFlow-Prepreg auf Epoxydharzbasis durchgesetzt: Materialeigenschaften vergleichbar mit dem Material der starren Bereiche Glasgewebeverstärkt für höhere Dimensionsstabilität Einfach zu prozessieren (Flexbereiche ausfräsen, Verpressen, Bohren, Desmearing, Metallisieren) Hohe Zuverlässigkeit der Durchkontaktierungen wegen geringer z- Achsenausdehnung und höherem Tg im Vergleich zu den flexiblen Klebern UL94-V0 Kostengünstig Aufbauvarianten Flexschaltungen Reine Flexschaltungen besitzen keinen durchkontaktierten starren Teil Das komplette elektrische Layout befindet sich auf Flexlage(n) (Unterschied zur starr-flexiblen Schaltung!) Mögliche starre Verstärkungen werden nachträglich gesetzt, daher sind z.b. im Steckerbereich nur nicht-durchkontaktierte Bohrungen möglich Typische Flexschaltungen aus Polyimid:1- bis mehrlagig, verschiedenste Coverlayer Semiflexschaltung aus dünnem FR4
Aufbauvarianten Prinzipskizzen Flexschaltungen Coverlayer div. Varianten Flexmaterial 1-seitig Kupfer (ohne Kleber) Verstärkung (FR4 aufgepresst oder Klebefolie) Flexible Schaltung, 1-seitig, optional mit partieller Verstärkung (z.b. für Nullkraftstecker) Coverlayer div. Varianten Flexmaterial 2-seitig Kupfer (ohne Kleber) Coverlayer div. Varianten Verstärkung (FR4, aufgepresst) Flexible Schaltung, 2-seitig, optional mit perforierter partieller Verstärkung (z.b. für Buchsen) Flexible Schaltung, 4-Lagen Multilayer Coverlayer div. Varianten Flexmaterial 2-seitig Kupfer (ohne Kleber) Bondply (Polyimid mit beidseitig flexiblem Kleber) Flexmaterial 2-seitig Kupfer (ohne Kleber) Coverlayer div. Varianten Aufbauvarianten Verstärkungen bei Flexschaltungen Folienverstärkungen auf 1-seitiger bzw. 2-seitiger Flexschaltung für Nullkraftstecker FR4-Verstärkung für die Bestückung mit Steckerleiste auf einer 2-seitigen Flexschaltung
Aufbauvarianten Definition und Eigenschaften starr-flexibler Schaltungen Hybridsysteme, die Eigenschaften von starren und flexiblen Schaltungsträgern in einem Produkt vereinigen Kombination aus starren und flexiblen Lagen (mindestens 2 insgesamt), welche untereinander eine elektrisch leitende Verbindung besitzen (Unterschied zu flexiblen PCB s mit Verstärkungen!) Können vollautomatisch bestückt und gelötet werden, eignen sich für Einpresstechnik und Bonden Aufbauvarianten Prinzipskizzen starr-flexible Schaltungen mit Polyimid Coverlayer/Lötstopplack, div. Varianten Polyimidlage, 1-seitig Kupfer NoFlow-Prepreg Starrer Bereich Flexibler Bereich Starrer Bereich Beliebiges starres Material Lötstopplack Starr-flexible Schaltung, asymmetrischer Aufbau, eine flexible Lage als Außenlage Lötstopplack Starrer Bereich Flexibler Bereich Starrer Bereich Oberer Deckel, beliebiges starres Material Flexibler Coverlayer, partiell NoFlow-Prepreg Polyimidlage, doppelseitig Kupfer NoFlow-Prepreg Flexibler Coverlayer, partiell Unterer Deckel, beliebiges starres Material Lötstopplack Starr-flexible Schaltung, symmetrischer Aufbau, ein flexibler Kern als Innenlage
Aufbauvarianten Semiflex Standard (Starr-Flex ohne Polyimid) Tiefengefräster Flexbereich, ca. 0,25mm Standard FR4 Hergestellt aus konventionellem Basismaterial (FR4) Flexbereich wird partiell über tiefengesteuertes Fräsen mit Spezialwerkzeugen abgedünnt Biegeradius anhängig von Materialdicke und Layout, Anhaltswert: r>10mm Max. 3-5 Biegungen (statische Anwendung, d.h. Einbau und ggf. Reparatur möglich) Schaltung grundsätzlich 1-, 2-lagig oder als Multilayer ausführbar, dabei kann die Top- oder Bottomlage flexibel ausgeführt sein Aufbauvarianten Semiflex Sondermaterial (Starr-Flextechnologie ohne Polyimid) Semiflex-Material partiell Coverlayer NoFlow-Prepreg Starres Material Einsatz eines speziellen, semiflexiblen Laminates Kostengünstig, da kein Polyimid Fertigungstechnologie vergleichbar mit konventionellen Polyimiden (NoFlow in Kombination mit Tiefenfräsen/Sticheln) Biegeeigenschaften etwas besser als Semiflex Standard
Aufbauvarianten Yellow-Flex Alternative im Bereich zwischen Semiflex und Polyimidanwendungen (statisch semidynamisch) Partielles Aufbringen (im späteren Flexbereich) eines flexiblen Polymers auf eine Kupferfolie Anschließendes Verpressen wie bei konventioneller Starr-Flextechnologie Vorteile: Nicht hygroskopisch wie Polyimidfolien, Temperschritte entfallen Ausschließlich konventionelle Fertigungsprozesse möglich (Bohren, Desmearing etc.), da das Polymer nur im nicht-durchkontaktierten Flexbereich aufgebracht wird Günstig bzgl. Materialkostenanteil Starrer Bereich Flexibler Bereich mit partiell aufgebrachtem Polymer Starrer Bereich NoFlow-Prepreg Aufbauvarianten Coverlayer-Varianten Flexschaltungen Polyimid-Coverlayer Polyimid-Coverlayer mit gefrästen oder gelaserten Freistellungen Flexlaminat 2-seitig Kupfer Polyimid-Coverlayer Photoflex-Coverlayer Photostrukturierbare flexible Coverlayer (z.b. PC1025 von DuPont) Flexlaminat 2-seitig Kupfer Photoflex-Coverlayer Flexlack Flexibler Lötstopplack Flexlaminat 2-seitig Kupfer Flexlack
Aufbauvarianten Coverlayer-Varianten Starr-Flex mit Flexlage außen Polyimid-Coverlayer partiell aufgepresst Starrer Bereich Flexibler Bereich Starrer Bereich Lötstopplack (Standard) Partiell aufgepresste Polyimid-Coverlayer (Flexbereich) + Lötstopplack (starre Bereiche) Starrer Bereich Flexibler Bereich Starrer Bereich Photostrukturierbarer Coverlayer Photostrukturierbarer Folien-Coverlayer (z.b. PC1025 von DuPont) vollflächig auf beiden Seiten Photostrukturierbarer Flexlack Starrer Bereich Flexibler Bereich Starrer Bereich Photostrukturierbarer Standard- oder Flexlack Photostrukturierbare Lötstopplacke vollflächig auf beiden Seiten (auf Flexlage zwingend flexibler Speziallack) Aufbauvarianten Coverlayervarianten Starr-Flex mit Flexlage innen Starrer Bereich Flexibler Bereich Starrer Bereich Flexibler Polyimid-Coverlayer, partiell Partiell aufgepresste Polyimid-Coverlayer im Flexbereich (Bikinitechnik) Starrer Bereich Flexibler Bereich Starrer Bereich Siebdruck-Polyimid Vollflächig aufgebrachtes siebdruckfähiges Polyimid (SunFlex)
Fertigungstechnologie Produktionsablauf Starr-Flex mit Polyimidlage Flexible Innenlage strukturieren Partiell im Flexbereich Polyimid-Coverlayer aufpressen 2 Stck. NoFlow Prepregs im Flexbereich ausfräsen 2 Stck. starre Kerne im Flexbereich auf Tiefe vorsticheln/fräsen Fertigungstechnologie Produktionsablauf Lagen registrieren und stapeln Stack Up verpressen Pressstifte
Fertigungstechnologie Produktionsablauf Bohrbild einbringen in Referenz zur Flexlage Entgraten Plasma-Desmearing Weitere Bearbeitung bis inkl. Lötstopplack und Oberflächenfinishing wie eine starre Standard-PCB: Metallisierung der Hülsen Photolithografische Strukturierung der Außenlagen Elektrischer Zwischentest Lötstopplack und Endoberfläche aufbringen Ferigungstechnologie Produktionsablauf Schaltung vor der mechanischen Endbearbeitung Tiefenfräsen/Sticheln der Kontur im flexiblen Bereich, Nutzen ausfräsen
Fertigungstechnologie Kritische Prozessschritte Handling Flexmaterialien allgemein: Lagerzeiten kleberhaltiger Materialien (Laminate, Bondplys, Coverlayer) Transportsysteme Horizontalanlagen, Galvaniken (Spezialgestelle) Laminieren, Lackbeschichtungen Elektrischer Test Entgraten, Bürsten (durch Walzeffekt massive Längenänderungen) Wasseraufnahme bei allen nasschemischen Prozessen und bei längerer Verweilzeit an der Luft ständige Temperschritte Pressen (angepasste Parameter und Verwendung von Flexpads für optimalen Kleberfluss) Alle Registrierprozesse (Bohren, Belichten, Pressen, Fräsen - Ausrichtprobleme aufgrund massiver Dimensionsveränderungen) Photolithografische Prozesse (Risiko elektr. Open/Shorts an den Übergängen): Der Fotoresist muss auf der Paneloberfläche speziell an den Übergängen zwischen starrem und flexiblem Bereich perfekt anhaften Optimaler Kontakt Filmvorlage auch an diesen Übergängen gefordert LDI ist optimal Fertigungstechnologie Bohren und Fräsen von Polyimiden und Hybridaufbauten Schnittgeschwindigkeit FR4 Schnittgeschwindigkeit Polyimid Starr-flexible Schaltungen müssen mit Kompromiss-Parametern gebohrt und gefräst werden Spezielle Werkzeuggeometrien gefordert Veränderte Standzeiten Risiko von Polyimid-Rückständen in den Bohrungen Hülsenprobleme und Metallisierungsdefekte Polyimid-Rückstände in den Bohrungen
Fertigungstechnologie Desmearing von Polyimid und Hybridaufbauten Plasmabehandlung ist universeller Prozess für Polyimid und alle bekannten starren Substrate Stirnflächenbelegung Polyimid hervorragend Massive Rückätzung an Kleberschichten Zuverlässigkeitsproblem Stirnflächenbelegung Polyimid Rückätzung an Kleberschichten Verwendung kleberlose Substrate Bikini-Technik oder Siebdruck-Polyimid als Coverlayer flexibler Innenlagen Fertigungstechnologie Registrierung und Toleranzen Aufgrund der hohen Feuchtigkeitsaufnahme und der deutlich geringeren Dimensionsstabilität kommt es bei flexiblen und starr-flexiblen Schaltungen zu Registrierproblemen, insbesondere bei: Bohrbild zu Leiterbild auf flexiblen Innenlagen Leiterbild Außenlagen zu Bohrbild Lötstoppmaske zu Leiterbild Geometrische Kontur zu Leiterbild Gepresster Polyimid-Coverlayer zum Leiterbild (Freistellungen zu Pads) Lagekorregiertes Bohren und Fräsen (Einrichten mit CCD-Kameras über Pads auf den Flexlagen), ggf. wird das Programm auf Einzelnutzen eingemessen und dabei gedehnt oder geschrumpft Images (Leiterbild Außenlagen, Lötstoppmasken) werden am besten dynamisch auf das jeweilige Panel angepasst LDI-System optimal Strikte Beachtung der Design-Rules des PCB-Herstellers (insbesondere bzgl. Restringe und Freistellungen bei Flexschaltungen und bei Starr- Flexschaltungen mit flexiblen Innenlagen)
Fertigungstechnologie Zuverlässigkeit von Durchkontaktierungen Neben der Biegeproblematik kritischster Punkt bei Schaltungen mit Polyimidmaterial 25µm Mindestkupferstärke in den Hülsen gefordert Material und fertige Schaltung vor thermischen Schocks grundsätzlich tempern: Beim PCB-Hersteller in der Prozesskette, u.a. vor Lötstopplack- Beschichtung und HAL Beim Kunden zwingend vor der Bestückung, empfohlen mind. 2h bei 120 C (wenn Oberfläche chemisch Sn, besser 4h) Weiterverarbeitung innerhalb von 4h empfohlen Durchführung von thermischen Belastungstest (Schocktests, Wechseltests-TWT) Typischer Kundentest: TWT 1000 Zyklen -50 C/+125 C bei 30min Verweildauer (weich: Wechselzeit ca. 3K/min oder hart: Wechselzeit 10s) Typischer Test beim PCB-Hersteller: Wiederholende thermische Schocks bei 288 C/10s, anschließend Durchführung elektrischer Prüfungen und Schliffuntersuchungen Fertigungstechnologie Zuverlässigkeit von Durchkontaktierungen TWT-Untersuchung nach IPC 6012 an starr-flexibler Schaltung mit flexibler Innenlage und Flexlaminat mit Acrylkleber 1000 Zyklen, -60 C/+125 C, 30min High Opens an ca. 3% der Durchkontaktierungen
Materialien Siebdruckfähiges Polyimid Klassische Fenster oder Bikinitechnik: Hoher manueller Aufwand bzw. Materialverbrauch Je nach Anwendung vollflächiger oder partieller Druck Vollflächiger Druck als Alternative für die Kupferabdeckung auf flexiblen Innenlagen Substitution der Fenster- bzw. Bikinitechnik: Reduzierter technologischer Aufwand und kurze Durchlaufzeiten Erhebliche Kosteneinsparung durch effektiven Materialeinsatz Erhebliche Kosteneinsparung bei reduzierten Personaleinsatz Minimierung fertigungstechnischer Probleme (z.b. Zuverlässigkeit Cu- Hülsen) Materialien Fertigungsablauf SunFlex Druck: Die Drucktechnologie ist aufgrund vergleichbarer Materialrheologie ähnlich dem klassischen Lötstopplack horizontales Siebdruckverfahren Keine speziellen Anlagen oder Maschineneinstellungen notwendig Schichtdicken optional bis 50µm erreichbar (Mehrfachdruck möglich) Trocknung: Trocknung 15min bei 80 C (Ofen oder IR-Trocknung im horizontalen Durchlauf) Endaushärtung 60min bei 150 C
Materialien Prozessergebnisse SunFlex Keine Trennschichten, blasenfrei Haftfestigkeit, erreichbare Schichtdicken und Kantenabdeckung i.o. Problemlose Metallisierung (Plasmadesmearing), keine Rückätzung da homogenes Material ohne Kleber Alle Endoberflächen problemlos applizierbar, keine Ablösungen, Unterwanderungen o.ä. Flexible Innenlage mit Siebdruck-Polyimid-Coverlayer Materialien Technische Parameter und Untersuchungen SunFlex Parameter Norm Ergebnis Solder Float Resistance 10s bei 288 C Isolationswiderstand bei Raumtemperatur Isolationswiderstand nach 4 Tagen bei 35 C IPC-TM-650, 2.4.13 Methode B IPC-TM-650, 2.6.3.2 IPC-TM-650, 2.6.3.2 bestanden 1,0 x 10 7 MΩ bestanden Dielectric Strength IPC-TM-650, 2.5.6. 130 (kv/mm) Wärmeleitwiderstand Keine 4,8 K/W (10µm Dicke) Feuchtigkeitsaufnahme IPC-TM-650, 2.6.2 0,01 0,02% Thermische Belastbarkeit und Zuverlässigkeit von Durchkontaktierungen TWT 1000 Zyklen -40 C/150 C 15min Haltezeit Anschließend Lötbadtest 10s bei 288 C bestanden
Layout- und Designhinweise Mechanische Anforderungen Welche Teilplatinen werden zusammenfasst? Konstruktive Vorgaben bzgl. der Einbausituation Anforderungen an die Biegbarkeit und Zyklenzahl Layout- und schaltungstechnische Anforderungen Lagenanzahl insgesamt Anzahl Flexlagen HF- oder Impedanzanforderungen? Einsatzbedingungen Geforderte Zuverlässigkeiten, Lebensdauer Umwelteinflüsse (Temperatur, Feuchte, Chemie) Spezifikation Stack Up Layout (elektrisch und mechanisch) Verwendete Materialien Aufbauvarianten Biegeeigenschaften in Abhängigkeit des Aufbaus Anwendungen Hochdynamisch Dynamisch Semidynamisch Statisch Aufbau- und Designeinflüsse Materialtyp Flex Verbund Polyimid - Kupfer Kupferqualität (RA/ED) Polyimid/Kupferdicken Coverlayer (Art, Dicke) Layout im Flexbereich Biegeradius Semiflex Yellowflex Polyimid-Aufbauten
Layout- und Designhinweise Abschätzen von Biegeradien Gemäß IPC-2223B Beispiel: 1-lagig kleberloses Flexmaterial mit Decklage, Annahme: Kupferlage in neutraler Zone (Symmetrieachse = Biegeachse mittig im Kupfer) Decklage (Polyimid-Coverlayer) Kleber Decklage Kupfer auf Flexlaminat c = 35µm D = 50µm Zug Druck Biegedorn Flexibles Laminat D = 50µm Gesamtdicke Schaltung T = 135µm R E B = Zulässige Kupferdehnung in % R = (c/2)*[(100-e B )/E B ]-D Einmalige Biegung, E B = 16% R 42µm R/T 0,31 Einbaubeanspruchung, E B = 10% R 108µm R/T 0,8 Dynamische Beanspruchung, E B = 0,3% R 5,8mm R/T 43 Layout- und Designhinweise Abschätzen von Biegeradien Gemäß IPC-2223B, Beispiel 2-lagiges kleberloses Flexmaterial mit Decklagen, symmetrischer Aufbau (Biegeachse liegt in Symmetrieachse des Flexlaminats) R Decklage (Polyimid-Coverlayer) Kleber Decklage Kupfer auf Flexlaminat c = 35µm Flexibles Laminat d = 50µm Kupfer auf Flexlaminat c = 35µm Kleber Decklage Decklage (Polyimid-Coverlayer) Gesamtdicke Schaltung T = 220µm E B = Zulässige Kupferdehnung in % D = 50µm D = 50µm R = (d/2 + c)*[(100-e B )/E B ]-D Einmalige Biegung, E B = 16% R 0,265mm R/T 1,2 Einbaubeanspruchung, E B = 10% R 0,49mm R/T 2,2 Dynamische Beanspruchung, E B = 0,3% R 20mm R/T 90
Layout- und Designhinweise Betrachtungen und Vorgaben zum Design Zu prüfen: Notwendige elektrische Lagenzahl im Flexbereich (minimieren!) Leiterbahnbreiten wegen Stromtragfähigkeit Anforderung an Spannungsabfälle Erforderliche Spannungsisolationsabstände EMV-Abschirmung Impedanz Geometrisch/mechanische Bedingungen Anforderung an Flexibilität (Radius, Zyklenzahl) Allgemeine Vorgaben: Materialwahl gemäß Flexibilitätsanforderung Richtwerte Biegeradien: 1-seitig Flexlage > 6 fache Gesamtdicke, bei 2-seitiger Flexlage >12fache Gesamtdicke im Flexbereich ansetzen Neutrale Zone wenn möglich in Mitte der Leiterbahndicke (Symmetrie im Stack Up des Flexbereiches) Wenn geglühtes Walzkupfer: Walzrichtung parallel zur Biegerichtung (Info an Leiterplattenhersteller) Layout- und Designhinweise Wichtige Punkte in der Übersicht 4 4 1 1 5 3 2 5 3 2 6 6 1 2 3 4 5 6 Original Layout Leiterzüge im Flexbereich breit wählen und gleichmäßig verteilen Leiterzüge im Flexbereich senkrecht zur Biegeachse Große Kupferflächen aufrastern Pads, insbesondere Bestückungspads mit Teardrops ausführen Übergänge flex-starr abrunden und mit Einreißschutz versehen Abstand Außenkante metallisierter Bohrungen zum Flexteil >1mm Optimiertes Layout
Layout- und Designhinweise Designvorgaben Leiterbahnen: Im Biegebereich symmetrisch versetzt auf Vor- und Rückseite Im Biegebereich möglichst parallel und senkrecht zur Biegelinie Im Biege- bzw. Flexbereich möglichst breit Übergänge von breit zu schmal kontinuierlich ausführen Leiterzüge sollten mind. 1mm in den starren Bereich laufen Auf Flexlagen Freiflächen möglichst aufrastern Designvorgaben Pads: Lötflächen so groß wie möglich, Paddurchmesser > 2 x Lochdurchmesser Lötflächen nicht dichter als 1mm an den flexiblen Bereich Leiterbahnanbindungen an Lötaugen tropfenförmig ausführen (Teardrops) Designvorgaben Bohrungen: Durchkontaktierte Löcher im Biegebereich vermeiden (galvanisches Kupfer hat geringere Bruchdehnung) Abstand von Bohrungen zu flexiblen Teilen >1mm (Außenkante) Layout- und Designhinweise Designvorgaben Kontur: Runde Fräsübergänge an den Verbundstellen zwischen starrem und flexiblem Teil vorsehen Radius innenliegender Ecken >1,6mm An den Sollbiegestellen für flexible Ausleger zusätzliche Kupferbahnen als Einreißschutz vorsehen Zum Bestücken, Löten und Prüfen starren Nutzenrahmen mit Sollbruchstellen vorsehen Designvorgaben Polyimid-Coverlayer: Wenn der Coverlayer vor dem Pressen strukturiert wird (mechanisch oder per Laser) Deckfolienöffnungen umlaufend ca. 1mm größer als Pad ausführen Wenn höhere Genauigkeiten und feinere Strukturen gefordert sind und kein photostrukturierbarer Coverlayer möglich ist, kann ein vollflächig aufgepresster Coverlayer partiell mit Laserabtragsverfahren geöffnet werden teures Verfahren Partielle Coverlayer im Flexbereich sollten mind. 1mm in den starren Bereich ragen
Layout- und Designhinweise Oberflächen Grundsätzlich sind alle gängigen Oberflächenvarianten möglich und auch etabliert Ni/Au nicht im Flexbereich (Versprödung!) Chem. Sn kritisch bei Tempern Nutzengestaltung Perforationsbohrungen für Reststeganbindungen (auch Einernutzen sinnvoll!) Snap-Out Technik: Starre Teile verbleiben bis nach dem Bestücken im Flexbereich Layout- und Designhinweise Differentielle Längen (Buchbindertechnik) Wenn mehrere flexible Lagen gebogen werden, kann es ansonsten zu Stauchungen und S-bzw. Omega-Biegungen kommen Berechung in IPC-2223B beschrieben Kleberkehlen Spannungsentlastung am Übergang vom starren zum flexiblen Teil Materialien: flexible Epoxydharze, Acrylharze, Silikone, Polysulfude Kleberkehlen
Fertigungstechnologie Relevante Normen Flex und Starr/Flex IPC-2223B Design-Richtlinie für flexible Leiterplatten (Design) IPC-4202 Flexible nichtmetallisierte Dielektrika zur Verwendung in flexiblen Leiterplatten (PCB-Hersteller) IPC- 4203 Kleberbeschichtete dielektrische Folien zur Anwendung als Deckschicht für flexible Leiterplatten und als flexible Verbundfolien (PCB- Hersteller) IPC-4204 Metallbeschichtete flexible Dielektrika zur Verwendung bei der Herstellung flexibler Leiterplatten (PCB-Hersteller) IPC-6013A Qualifikation und Leistungsspezifikation für flexible Leiterplatten (Abnahme, Bestücker) Übergeordnete Gültigkeit (PCB s allgemein) haben u.a.: IPC-TM-650 Handbuch Testmethoden (allgemein) IPC-SM-840 Qualifikation und Leistungsanforderungen für permanente Lötstoppmasken (PCB-Hersteller) IPC-2221 Basisrichtlinie für das Design von Leiterplatten (Design) IPC-2222 Designrichtlinie für starre Leiterplatten (Design) Etc.