CONDAY 2011 Agenda Motivation für flexible und starr

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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
Flexibel bleiben - eine Technologie für alle Fälle
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
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
Kostenmotivation
Komponente
Diskreter Aufbau
Starr-flexibler
Aufbau
3
1
0,3-0,8
1
3
1
Verbindungstechnik
x
0
Testaufwand
3
1
Logistikaufwand
>3
1
Leiterplattendesign
Leiterplattenproduktion
Bestückung
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
Polyimid 25µm-50µm-75µm-100µm-125µm
Acryl- oder Epoxykleber 25-35µm
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
1x1012Ω
1x1013Ω
1x1011Ω
Lötbadbeständigkeit
Nein/260°C (5s)
400°C (30s)
288°C (30s)
<0,5%
<1%
0,04%
<80ppm
<50ppm
<20ppm
Wasseraufnahme
Ausdehnung
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 zAchsenausdehnung 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)
Verstärkung (FR4, aufgepresst)
Flexible Schaltung, 2-seitig, optional mit perforierter partieller Verstärkung (z.B. für Buchsen)
Bondply (Polyimid mit beidseitig flexiblem Kleber)
Flexible Schaltung, 4-Lagen Multilayer
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
NoFlow-Prepreg
partiell Coverlayer
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
NoFlow-Prepreg
Starrer Bereich
Flexibler
Bereich mit
partiell
aufgebrachtem
Polymer
Starrer Bereich
Aufbauvarianten
Coverlayer-Varianten Flexschaltungen
Polyimid-Coverlayer
Flexlaminat 2-seitig Kupfer
Polyimid-Coverlayer
Polyimid-Coverlayer mit gefrästen oder gelaserten Freistellungen
Photoflex-Coverlayer
Photoflex-Coverlayer
Photostrukturierbare flexible Coverlayer (z.B. PC1025 von DuPont)
Flexlack
Flexlack
Flexibler Lötstopplack
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)
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
Produktionsablauf
Lagen registrieren und stapeln
Pressstifte
Stack Up verpressen
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
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
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
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
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 StarrFlexschaltungen mit flexiblen Innenlagen)
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 LötstopplackBeschichtung 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
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 CuHülsen)
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
IPC-TM-650, 2.4.13 Methode B
bestanden
Isolationswiderstand bei
Raumtemperatur
IPC-TM-650, 2.6.3.2
1,0 x 107 MΩ
Isolationswiderstand nach 4
Tagen bei 35°C
IPC-TM-650, 2.6.3.2
bestanden
Dielectric Strength
IPC-TM-650, 2.5.6.
130 (kV/mm)
Keine
4,8 K/W (10µm Dicke)
IPC-TM-650, 2.6.2
0,01 – 0,02%
Solder Float Resistance 10s bei
288°C
Wärmeleitwiderstand
Feuchtigkeitsaufnahme
Thermische Belastbarkeit und Zuverlässigkeit von Durchkontaktierungen
• TWT 1000 Zyklen -40°C/150°C 15min Haltezeit
• Anschließend Lötbadtest 10s bei 288°C → bestanden
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
Aufbau- und
Designeinflüsse
Materialtyp Flex
Hochdynamisch
Verbund Polyimid - Kupfer
Dynamisch
Kupferqualität (RA/ED)
Polyimid/Kupferdicken
Semidynamisch
Coverlayer (Art, Dicke)
Layout im Flexbereich
Statisch
Biegeradius
Semiflex
Yellowflex
Polyimid-Aufbauten
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
D = 50µm
Kupfer auf Flexlaminat c = 35µm
Zug
Flexibles Laminat D = 50µm
Druck
Biegedorn
R
Gesamtdicke Schaltung T = 135µm
EB = Zulässige Kupferdehnung in %
R = (c/2)*[(100-EB)/EB]-D
Einmalige Biegung, EB = 16% → R ≈ 42µm → R/T ≈ 0,31
Einbaubeanspruchung, EB = 10% → R ≈ 108µm → R/T ≈ 0,8
Dynamische Beanspruchung, EB = 0,3% → R ≈ 5,8mm → R/T ≈ 43
Abschätzen von Biegeradien
Gemäß IPC-2223B, Beispiel 2-lagiges kleberloses Flexmaterial mit
Decklagen, symmetrischer Aufbau (Biegeachse liegt in Symmetrieachse des
Flexlaminats)
Kleber Decklage
Flexibles Laminat d = 50µm
Kleber Decklage
R
Gesamtdicke Schaltung T = 220µm
EB = Zulässige Kupferdehnung in %
R = (d/2 + c)*[(100-EB)/EB]-D
Einmalige Biegung, EB = 16% → R ≈ 0,265mm → R/T ≈ 1,2
Einbaubeanspruchung, EB = 10% → R ≈ 0,49mm → R/T ≈ 2,2
Dynamische Beanspruchung, EB = 0,3% → R ≈ 20mm → R/T ≈ 90
D = 50µm
D = 50µm
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)
Wichtige Punkte in der Übersicht
4
5
3
4
1
2
5
1
3
2
6
6
Original Layout
1
Leiterzüge im Flexbereich breit wählen und gleichmäßig verteilen
2
Leiterzüge im Flexbereich senkrecht zur Biegeachse
3
Große Kupferflächen aufrastern
4
Pads, insbesondere Bestückungspads mit Teardrops ausführen
5
Übergänge flex-starr abrunden und mit Einreißschutz versehen
6
Abstand Außenkante metallisierter Bohrungen zum Flexteil >1mm
Optimiertes Layout
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)
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
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
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
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 (PCBHersteller)
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.

CONDAY 2011 Agenda Motivation für flexible und starr

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