Flexible und Starr-Flexible Lösungen bei AT&S Praxisbeispiele Technologie Heute und Zukunftstrends Volker Hofmann Product Manager Flex www.ats.net AT & S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft Fabriksgasse13 A-8700 Leoben Tel +43 (0) 3842 200-0 E-mail info@ats.net
Agenda Der Ursprung der flexiblen Leiterplatten Materialien und Aufbauten Unterschiede bei starrflexiblen Leiterplatten Anwendungsbeispiele Zukunftstrends und Anforderungen Zusammenfassung 1
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Das Problem - Verbindung zwei Leiterplatten 3
Unterschiedliche Lösungsansätze Die Schaltung kann als semiflexible-, flexible- oder starrflexible Leiterplatte hergestellt werden. Alle drei Lösungsansätze haben Vor- und Nachteile und müssen spezifisch, auf die Erfüllung der Aufgabenstellung und der Spezifikationen, überprüft werden. 4
Präsentationsfokus flexible Leiterplatten starrflexible Leiterplatten 5
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Aufbau Basismaterial /-1 Basismaterial einseitiges Basismaterial mit doppelseitiges Basismaterial mit Doppelseitiges Basismaterial kleberlos 7
Aufbau Basismaterial /-2 Basismaterial : Thermoplastischer Hochleistungskunststoff, Kohlenstoffverbindung Folienstärken: 12,5 / 20 / 25 / 50 µm lötbar im Reflowprozess (bleifrei) Epoxykleber: Standard, preiswert, höhere Steifigkeit ED- (Electro Deposited copper): Standard, preiswert, nur flex to install Applikationen RA- (Rolled Annealed Copper): hohe Bruchdehnung, gute dynamische Eigenschaften stärken: 12 / 17,5 / 35 / 70 µm Acrylatkleber: hohe Temperatur- und Medienbeständigkeit, bessere Dynamik stärken: 10 µm - 25 µm Flexible und Starr-Flexible Lösungen bei AT&S / Volker Hofmann / 10. AT&S Technologieforum in Graz / 09.Oktober 2013 8
Aufbau Basismaterial /-3 Material Stärken aus dem täglichen Leben Fingernägel Papier 80g/m² Haare Müllsäcke (blau) Aluminiumfolie Frischhaltefolie 300 700 µm 110 130 µm 60 140 µm 25 40 µm 14 18 µm 10 12 µm 9
Aufbau Isolation, Verklebung /-1 Deckfolie, Lötstopplack, Bonding sheet, Prepreg doppelseitige FPC mit Deckfolie 4-lagen FPC ML mit Deckfolie und Lötstopplack 4-lagen Starrflex mit kleberlosem Basismaterial Deckfolie (PI) Deckfolie (PI) LSL Bonding sheet Bonding sheet D/F (PI) LSL Prepreg Deckfolie (PI) Deckfolie (PI) Prepreg LSL 10
Aufbau Isolation, Verklebung /-2 Deckfolie, Lötstopplack, Bonding sheet, Prepreg Deckfolie: Notwendig für ein stabiles mechanisches Design und für dynamische Applikationen, Verbund über Laminerprozess unter Temperatur und Druck Folienstärken: 12,5 / 25 / 50 µm (stärke ist abhängig von der stärke, 15 / 25 / 30 / 38 µm) Lötstopplack: Photosensitiver flexibler Lötstopplack, Einsetzbar für statische und flex to install Applikationen, auch im Mix mit Deckfolien Prepreg: Ungehärteter Epoxyharz mit Glasfaservernetzung (ähnlich wir FR4 aber ohne ausgehärtetem Harz. Dadurch kann das Prepreg als Klebelage verwendet werden. Prepreg hat keine lagen Prepreg Stärken: 40 / 50 / 60 / 80 µm Deckfolie (PI) Deckfolie (PI) LSL Bonding sheet Bonding sheet D/F (PI) Bonding sheet: folie zwischen unterschiedlichen Basismaterialien, verfügbar auf Epoxy- und Acrylbasis Stärken: 15 / 20 / 25 / 35 / 50 µm LSL Prepreg Deckfolie (PI) Deckfolie (PI) Prepreg LSL Flexible und Starr-Flexible Lösungen bei AT&S / Volker Hofmann / 10. AT&S Technologieforum in Graz / 09.Oktober 2013 11
Aufbau Versteifung, Oberfläche, sonstiges/-1 Versteifung, Oberfläche, sonstiges doppelseitige FPC mit Deckfolie 4-lagen FPC ML mit Deckfolie und Lötstopplack 4-lagen Starrflex mit kleberlosem Basismaterial Deckfolie (PI) Deckfolie (PI) Versteifung Doppelseitiges Klebeband LSL Bonding sheet Bonding sheet D/F (PI) EMI shield LSL Prepreg Deckfolie (PI) Deckfolie (PI) Prepreg LSL 12
Aufbau Versteifung, Oberfläche, sonstiges/-2 Versteifung, Oberfläche, sonstiges Versteifung: Unterschiedliche Materialien: PI, FR4, CEM, PET, Aluminium, Stahl, Aufbringung mittels Klebefolie als heiß- und/oder kaltklebeprozess (thermo-setting adhesive (TSA) oder pressure sensitive adhesive (PSA)) Double tape: Beidseitiges Klebeband, überwiegend drucksensitive typen (Acryl), mit Schutzpapier zur kundenseitigen Nutzung Oberfläche: OSP, ENIG, ENIPEG, galv. Ni/Au, Bondgold, immersion Sn, galv. Pb/Sn, galv. Sn, Lotpastendruck Sn EMI shielding: Silberfolie oder Silberpaste mit Decklack. Die Folie wird über ein Laminierprozess unter Temperatur und Druck aufgebracht. Der verwendete ist ein Leitkleber. Die Gesamtdicke beträgt in Summe 15µm. Die Silberpaste wird über einen Siebdruckprozess aufgebracht. Deckfolie (PI) Deckfolie (PI) stiffener Double tape LSL Bonding sheet Bonding sheet D/F (PI) EMI shield LSL Prepreg Deckfolie (PI) Deckfolie (PI) Prepreg LSL Flexible und Starr-Flexible Lösungen bei AT&S / Volker Hofmann / 10. AT&S Technologieforum in Graz / 09.Oktober 2013 13
Aufbau Versteifung, Oberfläche, sonstiges/-3 Versteifung, Oberfläche, sonstiges Stiffener Metal stiffener Polyimid stiffener Metal Double Tape EMI shield stiffener Polyimid stiffener FR4 Double Tape 14
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Starrflex Schaltungen konventioneller Art /-1 Typischer asymmetrischer Lagenaufbau Decklack / Deckfolie Polyimid Prepreg FR4 2-lagige Starrflex, mit FR4 Basismaterial Gesamtstärke von 0,8 1,6 mm Decklack 16
Starrflex Schaltungen konventioneller Art /-2 Typischer symmetrischer Lagenaufbau Decklack FR4 FR4 Prepreg Polyimid Prepreg FR4 FR4 Decklack Decklack / Deckfolie Decklack / Deckfolie 8-lagige Starrflex, mit FR4 Basismaterial Gesamtstärke von 1,2 2,0 mm 17
Starrflex Schaltungen konventioneller Art /-3 Wie wird die flexible Leiterplatte flexibel? Fräser Das FR4 verbleibt und wird nach dem Bestücken herausgebrochen 18
Starrflex Schaltungen konventioneller Art /-4 Mechanische Bearbeitung zur Entfernung der starren Lagen Flexible Bereiche Vornuten und Gegenfräsen im FR4 19
Starrflex Schaltungen asiatische Art /-1 Typischer symmetrischer Lagenaufbau 6-lagige Starrflex, mit Prepregs und folien Gesamtstärke von 0,48 0,7 mm 20
Starrflex Schaltungen asiatische Art /-2 Mechanische Bearbeitung zur Entfernung der starren Lagen Im Prepreg-Panel werden stanztechnisch, vor dem Laminieren mit der flexiblen Innenlage, die Bereiche, in welchen es flexible werden soll, entfernt und mit folie überspannt. Fotomontage eines fertigen Lieferpanels in eine Prepregpanel 21
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Dynamische Applikationen Dynamische Bewegung über vielen 10.000 oder 100.000 Zyklen können als Klapp-oder Schiebemechanismus mit flexiblen Leiterplatten realisiert werden. Dynamische Biegeeigenschaften für mehrlagige Schaltungen können hierbei mit Airgap- Technologie umgesetzt werden. 23
Mobile devices Tablets und Smartphones haben eine so hohe Packungsdichte, das die Verdrahtung und Bestückung von Modulen wie: - Kamera module - Sidekeys - Mikrofonmodule - Vibrationsmodule sowie Anbindungen an USB Port s und Displays nur über dünne flexible Schaltungen realisiert werden können. 24
Medizintechnik Sehr kleine Module wie Hörgeräte, Herzschrittmacher und Ultraschallsensoren, sowie mobile medizintechnische Produkte wir Blutzuckermessgeräte und Insulinpumpen können wegen der Miniaturisierung nicht auf flexible und starrflexiblen Schaltungen verzichten. 25
Sensorik Sensorik wird immer komplexer und kleiner, sodass der Raum durch die Leitplatte dreidimensional ausgenutzt wird. Sensoriken für Wetterballons müssen extrem große Temperaturbereich überstehen und sollten vor allem ein geringes Gewicht haben. 26
Consumer Produkte /-1 Kompaktes Design, kleiner Bauraum und viele Funktionen wie in Videokameras, Fotokameras, Bluetooth Headsets sind ideal mit starrflexiblen Leiterplatten umsetzbar. Es sind starre Flächen für die Bestückung von IC s und BGA s vorhanden und es ist keine Verbindungstechnik der starren Bereichen notwendig. Auch hochvolumige Consumer Produkte sind wirtschaftlich mit Starrflex Lösungen umsetzbar. 27
Consumer Produkte /-2 Kompaktes Design, kleiner Bauraum und viele Funktionen wie bereits zuvor aufgezeigt. Wristbänder, Touchscreen Uhren, GPS Module in Sportuhren. Kontaktierungsmöglichkeiten über edge plating (Kantenverkupferung) 28
Verbindungstechnik Schneller Signale und sehr dünne und komplexe Gehäuse lassen teilweise eine Verwendungen von Kabeln nicht mehr zu. Speziell wenn Signale impedanzkontrolliert zwischen zwei Komponenten geführt werden müssen, kann durch spezielle Leiterbahnpaarungen und Schirmungen eine optimale Übertragung realisiert werden. 29
Hochleistungs Elektronik Steuerungseinheiten mit hoher Dichte an Leistungselektronik und entsprechender Wärmeentwicklung benötigen ein Wärmemanagement. Dünne Multilayer, laminiert auf ein vorgestanztes Aluminiumpanel können den Wärmeabfluss kontrollieren. 30
LED Applikationen mit hoher Leistung /-1 Neue Scheinwerfermodule mit Hochleistungs-LED s benötigen eine Wärmemanagement zur Optimierung der Lebensdauer. Die Steuereinheiten können direkt in der Schaltung integriert werden. Aufwendige Verkabelungen und Kontaktierungen werden dadurch minimiert. Flexible Leiterplatten werden dabei auf vorgestanztes Aluminiumpanels laminiert. 31
LED Applikationen mit hoher Leistung /-2 Seitenmarkierungen und Blinkereinheiten können mit Hochleistungs- LED s kleiner und kompakter gestaltet werden. Die kleinen LED s mit individuellen Reflektoren lassen eine 3D Design zu. Flexible Leiterplatten werden dabei auf vorgestanzte Aluminiumpanels laminiert. 32
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Technologie Anforderungen Die Technologie für flexible und starrflexible Leiterplatten wird überwiegend getrieben durch die Anforderungen zu Miniaturisierung und zu höher Funktionalität. Diese Anforderung erfordern zu einem dünnere, flexiblere und kompakter aufgebaute Leiterplatten sowie kleinere und hochfunktionale, elektronische Komponenten. Für die Leiterplatten Lieferanten bedeutet das: Neue dünne Materialien müssen qualifiziert und gehandhabt werden Leiterbahnen und Pads müssen verkleinert werden (Fineline) Außenlagen müssen genauer zu den Innenlagen registriert werden Die Außenkontur muss mit engeren Toleranzen erstellt werden Via s müssen verkleinert werden und genauer zueinander und zu den Pads positioniert werden. Dies gilt für Durchganglöcher als auch für Laser via s Laser via s müssen gestapelt werden (stacked via s mit copper filling) Lötstopplack muss positionsgenauer hergestellt werden Möglichkeiten zur Kontrolle und Inspektion der Reproduzierbarkeit müssen installiert werden Wie sehen diese Punkte im Einzelnen aus? 34
Materialanforderungen /-1 Neue dünne Materialien müssen qualifiziert und gehandhabt werden AT&S verfügt über die Erfahrung Basismaterialien mit12,5µm Dicke und 12µm stärke in Serie zu fertigen und handzuhaben. Das dünnste 4-lagige Flexboard hat derzeit eine Dicke von kleiner 150µm Gemessen zwischen den zwei Bestückungsfläche (Oberfläche zu Oberfläche) 35
Materialanforderungen /-2 Neue dünne Materialien müssen qualifiziert und gehandhabt werden Die derzeit dünnste 6-lagige Starrflexschaltung bei AT&S hat eine Gesamtdicke kleiner 500 µm 36
Fineline und Positioneranforderungen Leiterbahnen und Pads müssen verkleinert werden (Fineline) Der bei AT&S installierte prozess ist ein Panelplating-Verfahren. Die einzige Möglichkeit Fineline Leiterbahnen herzustellen, ist die Verwendung dünneren s oder durch Reduktions-Ätzen die Basiskupferdicke zu reduzieren. Die LDI (laser direct imaging) Belichter unterstützen die Machbarkeit des weiteren. Außenlagen müssen genauer zu den Innenlagen registriert werden Auch hierbei unterstützen die LDI Anlagen mit der Möglichkeit einen Korrekturfaktor zu berechnen, um das Design von Innen- und Außenlagen zu kompensieren und entsprechend korrigiert zu belichten Die Außenkontur muss mit engeren Toleranzen erstellt werden Diese Anforderung ist relativ einfach mit einer Laserschnitt Prozess umsetzbar. Die Schnittlinie ist innerhalb einer Toleranz von 25µm und die Gefahr von Karbonisierung (Schmauch- und Verbrennungsrückstände) kann durch Abdeckmaterialien und / oder Reinigungsschritte minimiert werden 37
Via- und stacked via Anforderungen Via s müssen verkleinert werden und genauer zueinander und zu den Pads positioniert werden. Dies gilt für Durchganglöcher als auch für Laser via s Derzeit werden mechanische Durchgangslöcher (PTH) mit 100µm in Serie gefertigt. Die kleinsten Laserlöcher haben einen Durchmesser von 50µm. Zur Realisierung der kleinen Durchmesser ist natürlich der aspect ratio (Lochdurchmesser vs. Lochtiefe) und / oder die Gesamtdicke der Leiterplatte zu berücksichtigen. Die Positionsgenauigkeit des Leiterbilds zu den via s wird, wie bereits erwähnt, durch die Verwendung von LDI Prozessen optimiert. Laser via s müssen gestapelt werden (stacked via s mit copper filling) Derzeit wird dieser Prozess für flexible und starrflexible Leiterplatten bei AT&S qualifiziert und mittelfristig in Serie umgesetzt. Mit dem derzeitigen prozess ist AT&S Korea fähig, flexible Schaltungen mit einem Füllmenge von min. 70% der Laserlöcher zu realisieren. Dies ist jedoch abhängig vom Lagenaufbau, dem aspect ratio und dem Lochdurchmesser. 38
Lötstopplack- und Inspektionsmöglichkeiten Lötstopplack muss positionsgenauer hergestellt werden Mit dem Standard Belichtungsprozess ist die Lötstopplack Registrierung derzeit auf 50µm limitiert. Bei Einsatz von LDI Belichtern kann die Genauigkeit auf 30µm reduziert werden. Ein spezieller LDI Lötstopplack ist hierzu notwendig, der für die Anwendung auf starrflexiblen Leiterplatten bei AT&S qualifiziert ist. Flexibler LDI Lötstopplack befindet sich derzeit bei den Lackherstellern in der Entwicklung. Möglichkeiten zur Kontrolle und Inspektion der Reproduzierbarkeit müssen installiert werden AT&S verwendet AOI (Automatische Optische Inspektion) Maschinen um das Leiterbahndesign bzgl. Kurzschlüsse und Unterbrechungen zu kontrollieren. Scanner werden verwendet, um die Positionsgenauigkeit der Löcher zu den Bohrdaten zu kontrollieren. Welche Möglichkeiten ergeben sich hierbei für das Leiterplatten Design? 39
Flipchip design in Serienfertigung Flipchipdesign einer 3-lagigen Flexschaltung Line / width: 70µm partiell: 50µm Pad dia: 170µm Laser vias: 50µm LSL Registration: +/-50µm LSL Öffnung: 150 +/-30µm Flipchip mit 46 Kontakten Flipchip mit 32 Kontakten (2 Flipchip Komponenten auf 5 x 10mm Fläche) 40
Schliffbild eines Serienschaltung Beispiel einer 3-lagigen Flexschaltung Einfluss unterschiedlicher aspect ratio s und Unterschied der füllung von Top und Bottom Lage Lasertiefe Bottomlage: 42,5µm (ca. 65% Füllgrad) Lasertiefe Toplage: 30µm (ca. 75% Füllgrad) 41
Design einer dünnen 4-lagigen Flexschaltung Lösungsansatz zur Realisierung von Laservia s von Lage 1 auf 3 bei gleichzeitiger Reduzierung des Laser via Durchmessers. Eine Pad auf Lage 2 wird von Lage 1 und Lage 3 kontaktiert. 42
HDI Design für starrflexible Schaltungen Line / width: 70µm partiell: 50µm Pad dia: min. 200µm LSL dia: 250µm LSL Registration mit Standardprozess ist +/-50µm (die Pads werden um 25µm reduziert). Mit LDI Prozess kann die LSL Registrierung optimiert werden 43
BGA 0,4 Design ohne stacked vias 44
Bilder eines 0,4 BGA Bereiches Top Lage Lage 2 Prepreg Deckfolie D/F Polyimid Innenlage mit Lage 3 und 4 Prepreg Lage 5 45
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Zusammenfassung Der optimale Lösungsansatz (semiflexibel, starrflexibel oder flexibel) sollte frühzeitig bzgl. der Vor- und Nachteile bewertet werden Die Anzahl an Materialien ist vielfältig und muss produktspezifisch im frühen Stadium der Entwicklung gewählt werden Zusatzoptionen wie Versteifungen, double tape, EMI shieldings etc. können individuell und produktspezifisch ergänzt werden Impedanzen und aspect ratio geben eine Grundbasis für den Lagenaufbau und die Gesamtdicke der Schaltung Durch optimale Nutzung von Designrules und Designkniffen können flexible und starrflexible Schaltungen kostenmäßig optimiert werden und dem individuellen Produktanforderungen angepasst werden Die Panelisierung und die Liefernutzengröße sollten im Vorfeld abgestimmt werden, um ggf. minimale Modifikationen vornehmen zu können, um die Flächenausnutzung zu erhöhen 47
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 48