Flex- und Rigid-Flex Technologie · 2017. 9. 1. · IPC-2223 Typen: Typ 3 Flexible Multilayer Leiterplatte, mit min. drei leitfähigen Lagen und durchmetallisierten Löchern, mit

Flex- und Rigid-Flex

Technologie

Von der Materialauswahl

bis zu den Design-Rules

Albert SchweitzerFine Line Gesellschaft

für Leiterplattentechnik mbH

Itterpark 4, D-40724

23.07.2017 Vers. 1.2© Copyright Fine Line

Inhalt

Allgemeines

Vorteile von flexiblen und starr-flexiblen Leiterplatten

IPC Standards für flexible und starr-flexible Leiterplatten

Basis Materialien im Umfeld der Flex-Technologie

Aufbauvarianten

Layout und Design-Rules

Biegen und Biegeradius

Verarbeitungsempfehlungen

Schlussbemerkungen

Inhaltsangabe

Allgemeines

Der Einsatz von flexiblen und starr-flexiblen

Leiterplatten eröffnet für viele Applikationen

vollkommen neue Möglichkeiten und Vorteile

bezüglich Signalübertragung, Baugröße,

Stabilität und langfristiger Zuverlässigkeit.

Allgemeines


Vorteile der Flex- und Rigid-Flex Technologie:

Gewichts- und Volumenreduktion

3-dimensionale Designfreiheit

Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindungen

durch Polungs- und Kontaktsicherheit sowie

Einsparung von Steck- und Leitungskomponenten

Definierte Eigenschaften der auf der Leiterplatte

befindlichen Leitungssysteme (z.B. Impedanzen)

Dynamische und mechanische Belastbarkeit

Häufig auch Kostenersparnis für das Gesamt-

system

IPC Standards für flexible und starr-flexible Leiterplatten

IPC Standards für flexible und starr-flexible

Leiterplatten

Übersicht wichtiger IPC Standards für Flex und Rigid-Flex PCBs:

Design Laminate PCB-Fertigung Baugruppen- Reparatur

für PCB Fertigung NacharbeitIPC-2220-Serie mit IPC-4100-Serie mit IPC-6010-Serie mit J-STD-Serie, z.B. IPC-7711

IPC-2221 (Basis) IPC-4101A (Basis) IPC-6011 (Basis) J-STD-001C IPC-7721A

(Basis)

J-STD-002A

IPC-2222 IPC-4101 IPC-6012 J-STD-020C

(Rigid PCB) (Rigid Base PCB) (Rigid PCB)

IPC-2223 IPC-4103 IPC-6013

(flex PCB) (High Speed Material) (flex. PCB)IPC-2224 (PCMCIA) IPC-4104 (HDI) IPC-6014 (PCMCIA) (IPC-7070)

IPC-2225 (MCM) IPC-4202 IPC-6015 (MCM)

(Flex Dielectrics)

IPC-2226 (HDI-LP) IPC-4203 IPC-6016 (HDI) IPC-7095A

(Flex Coverlayer)

IPC/JPCA-2315 IPC-4204 IPC-6018A Design und

IPC-7351… (Land (Flex Metal Clad) (Microwellen) Fertigung von

Pattern) IPC-4562

(Metal Foil) BGAIPC-A-600G IPC-A-610D

(PCB Abnahme) (Baugruppenabn.)

Wichtig für Entwickler ist vor allem der Standard:

IPC-2223: „Design Richtlinien für flexible und

starrflexible Leiterplatten„

Er legt in Verbindung mit der IPC-2221 die

Anforderungen an das Design flexibler

Leiterplatten und die Arten der Bauteilmontage

und Verbindungsstrukturen fest.


Leiterplatten

Von allgemeinem Interesse ist die IPC 6013C:

„Qualifikation und Leistungsspezifikation für

flexible und starr-flexible Leiterplatten„

Die Richtlinie IPC-6013C enthält umfangreiches

Bildmaterial und Tabellen und unter anderem die

aktualisierten Anforderungen für die Metallisierung

von Oberflächen, Kleberaustritt, gefüllte-, durch-

kontaktierte Löcher und lötbarer Restring für

flexible und starr-flexible Leiterplatten.


Leiterplatten

Wichtig bei der Auswahl von Materialien sind

weiterhin die folgenden IPC Standards:

IPC-4202 „Flexible dielektrische Basismaterialenfür gedruckte flexible Schaltungen“

IPC-4203 „Klebemittelbeschichtete dielektrischeFolien zur Verwendung als Abdeckschichten

bei flexiblen Leiterplatten und flexiblen

klebeverbindenden Folien“

IPC-4204 „Flexible, metallbeschichtete Dielektrika fürdie Herstellung flexibler Schaltungen“

IPC-4562 „Metallfolien für Leiterplatten“


Leiterplatten

IPC-2223 Typen: Typ 1

Einseitige flexible Leiterplatte,

mit einer leitfähigen Lage,

mit oder ohne Versteifung (Stiffener),

mit kleberbeschichtetem oder kleberlosem Substrat

Source: IPC-2223

Kleberbeschichtetes Laminat: Kleberloses Laminat:


Leiterplatten


Zweiseitige flexible Leiterplatte,

mit zwei leitfähigen Lagen und durchmetallisierten Löchern,



Source: IPC-2223



Leiterplatten


Flexible Multilayer Leiterplatte,

mit min. drei leitfähigen Lagen und durchmetallisierten Löchern,



Source: IPC-2223



Leiterplatten


Starr-flexible Multilayer Leiterplatte,

mit min. drei leitfähigen Lagen und durchmetallisierten Löchern,


Source: IPC-2223



Leiterplatten


Flexible und starr-flexible Leiterplatte ohne PTH-Vias,

mit min. zwei leitfähigen Lagen, keine durchmetallisierten Löcher,


Source: IPC-2223



Leiterplatten

Basis Materialien im Umfeld der Flex-Technologie

Es gibt wesentlichen Unterschiede bezüglich

dem Basismaterial zwischen Rigid und Flex-Rigid Leiterplatten:

FR-4 Laminat

(Glas und Harz)

FR-4 Prepreg

FR-4 Prepreg

FR-4 Prepreg

FR-4 Prepreg

Soldermask

Soldermask

Kupfer Kupfer

Soldermask

Soldermask

Flex Laminat

Coverlayer

Coverlayer

Bondbly

Bondbly

4 Lagen Rigid PCB 4 Lagen Rigid-FLex PCB

No-Flow Prepr.

No-Flow Prepr.

No-Flow Prepr.

No-Flow Prepr.

Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten

Die Basis Materialien für Flex und Starr-Flex Leiterplatten

lassen sich in drei Kategorien einteilen:

Flexible, kupferkaschierte Laminate

Schutzfolien, Coverlayer, flexible Lacksysteme

Klebesystem, flexibel und starr

Kupferfolie

einseitig

Kupferfolie

zweiseitig

Bondply

(Kleber-Polyimid-Kleber)

Polyimid Coverlayer

Acryl Klebesheet

No Flow Prepreg


Art des Materials und deren daraus

resultierenden technischen Spezifikationen

Verklebte und kleberlose Laminate

Art des Kupfers, RA oder ED Kupfer(RA = Rolled Annealed; ED = Electrodeposited)

Flexible kupferkaschierte Laminate

(FCCL, Flexible Copper Clad Laminate)

werden im Wesentlichen unterschieden nach:


Überblick über Materialien flexibler Laminate:

PET (Polyethylenterephthalat)

Thermoplastische Polyester für simple Anwendungen

PEN (Polyethylennaphthalat)

Thermoplastische Polyester für simple Anwendungen

LCP (Liquid Crystal Polymer)

Alternative zu Polyimid, für extrem anspruchsvolle

Anwendungen z.B. Hochfrequenz Applikationen

Polyimid (Handelsnamen u.a. Kapton)

Industriestandard, sehr flexible einsetzbar

Semiflex (Basis FR4 oder spezielle Materialen)

Nur eingeschränkt flexibel


Vergleich der technischen Eigenschaften von flexiblen Laminaten

Eigenschaft PET/PEN Polyimid LCP

mit Kleber ohne Kleber

Elastizitätsmodul 3000MPa 4500MPa 2300MPa

Biegebelastbarkeit akzeptabel sehr gut Sehr gut

Cu Haftung 1050N/m 1600N/m 1000N/m

Dielektrizitätskonstante 3,3 (1MHz) 3,2 (1MHz) 2,9 (10GHz)

Max. Betriebstemperatur 85°C/160°C 220°C 280°C

Spannungsfestigkeit 200V/µm 250V/µm 150V/µm

Isolationswiderstand 1x1012Ω 1x1013Ω 1x1011Ω

Lötbadbeständigkeit Nein/260°C (5s) 400°C (30s) 288°C (30s)

Wasseraufnahme

Kupfer Kleber Polyimid

Zweiseitiges Kupferlaminat verklebt Zweiseitiges Kupferlaminat ohne Kleber(adhesiveless)

Kupfer Polyimid

Source: Fineline

Verklebte (Acryl oder Epoxy Kleber) und

kleberlose Kupferlaminate:


Beispiele für „Adhesive“ und „Adhesiveless“ Materialien

der Firma Dupont:

Source: Fineline


Vorteile der kleberlosen flexiblen Laminate:

Chemische ResistenzKleberlose Laminate sind beständiger gegen aggressive Chemikalien.

HochtemperaturanwendungenKleberlose Laminate können höheren Temperaturen standhalten und haben eine

bessere Dimensionsstabilität als klebstoffbasierende Materialen, bis zu 180 ° C.

Dünne und ultradünne AnwendungKleberlose Laminate können als dünnere Materialien hergestellt werden.

Kontrollierte Impedanz ApplikationenKleberlose Laminate haben eine homogenere dielektrische Struktur verglichen

mit verklebten Laminaten.

Höhere Anzahl der LagenKlebstoffe haben ein schlechteres Verhalten bezüglich der Wärmeausdehnung.

Dies kann insbesondere bei thermischen Zyklen zu Problem führen.

Hochflexible AnwendungenKleberlose Laminate sind grundsätzlich flexibler.


Wir haben auf der letzten Folie gelernt, dass es zwei

Arten von Kupferfolien für flexible Leiterplatten gibt:

RA (Rolled Annealed) KupferRA Kupfer wird wegen seiner Eigenschaft, sich bei mechanischer

Belastung gut zu verformen (Duktilität), insbesondere für flexible

und starr-flexible Leiterplatten eingesetzt. Wegen der glatten

Oberfläche ist RA Kupfer auch die erste Wahl bei HF Applikationen.

ED (Electrodeposited) KupferED Kupferfolie ist die Standard-Kupferfolie für starre Leiterplatten

und damit die am häufigsten eingesetzte Folie in der Leiterplatten-

industrie. Sie wird im großen Stil auch für flexible Leiterplatten

eingesetzt, wenn die Flexibilität der Applikation nicht im Vordergrundsteht.


In mehreren Schritten wird die

Kupferdicke durch das Walzwerk reduziert,

bis sie geeignet ist, für Leiterplatten eingesetzt zu

werden. Sie wird nach diesem Prozess geglüht und die Oberfläche

wird für eine gute Haftfähigkeit optimiert.

Herstellung von RA Kupfer Folie:

Source: TTM

Hoher Druck durch mechanische Walzen


Herstellung von ED Kupfer Folie:

Source: TTM

Trommelseite der Folie Rotierende Titan Trommel

(Kathode)

Kupferlösung

Anode

Matte Folien-Seite

Strom

VersorgungDie Trommel dreht sich langsam im Uhrzeigersinn.

Das Kupfer wird auf der Trommel aufplattiert. Nach einer

180-Grad-Drehung erreicht das Kupfer seine endgültigen Dicke.


Unterschiede von ED- und RA- Kupfer unter dem Mikroskopsichtbar gemacht:

Source: Dupont

MD = machine direction; TD = orthogonal transverse direction


Wichtig zu wissen:

RA Kupfer

Der Walzprozess erzeugt eine sehr glatte Oberfläche und wird

deshalb sehr vorteilhaft bei hohen Frequenzen eingesetzt (Skin-Effekt)

RA Kupfer

Aufgrund der Duktilitä ist RA Kupfer die erste Wahl für Flex-PCBs

RA Kupfer

RA Folie der kristalline Kornstruktur orientiert sich parallel zur

Folienebene

RA Kupfer

Gewalzte Kupferfolie ist teurer als ED Folie

ED Kupfer

Neue ED Kupferfolien mit sehr feinen, nicht säulenförmiger Korn-

Struktur beginnt RA Folie in einigen Anwendungen zu ersetzen


Wichtige Eigenschaften ausgesuchter Laminate:

„Adhesive“, verklebte Laminate:

Dupont Pyralux® FR: (Acryl Kleber) IPC-4204/A1:Lieferbar in ED und RA Kupfer

Materialdicke Polyimide: 12.5, 25, 50, 75 u. 125µm

Kleberdicke: 13, 25 u. 50µm

Kupferdicke: 17.5, 35 u. 70µm

UL 94 VTM-0 flammability rating

Taiflex THKD050513: (Epoxy Kleber IPC-4204/A1)

Lieferbar in ED und RA Kupfer

Materialdicke Kapton: 12.5, 25, 50µm

Kleberdicke: 13, 20 u. 50µm

Kupferdicke: 12, 17.5, 35 u. 70µm

UL 94 V-0 or VTM-0 certified flame resistance rating


Wichtige Eigenschaften ausgesuchter Laminate:

„Adhesiveless“, kleberlose Laminate:

Dupont Pyralux® AP: IPC-4204/A11:Lieferbar in ED und RA Kupfer

Materialdicke Polyimide: 12.5, 25, 50, 75, 100, 125, u. 150µm (dicker möglich auf Anfrage)

Kupferdicke: 5, 9, 12, 17.5, 35 u. 70µm

UL 94V-0, UL 796,

Taiflex 2LP IPC-4204/A11:

Lieferbar in ED und RA Kupfer

Materialdicke Kapton: 12.5, 25, 50µm

Kupferdicke: 12, 17.5 u. 35µm

UL 94 V-0







Kupferfolie

einseitig

Kupferfolie

zweiseitig

Bondply


Polyimid Coverlayer

Acryl Klebesheet

No Flow Prepreg



Was ist ein Coverlayer?

Ein Coverlayer ist eine flexible Schutzschicht

um freiliegendes Kupfer abzudecken. Der von

den Rigid-Leiterplatten bekannte Lötstopplack

ist spröde und kann deshalb für flexible

Leiterplatten nicht benutzt werden.

Coverlayer haben häufig eine einseitig

aufgebrachte Kleberschicht. In Asien wird dafür

vornehmlich Epoxy Kleber verwendet. In

Europa und USA wird dagegen hauptsächlich

Acryl Kleber eingesetzt.


Polyimid basierend

Beinhaltet Kleberschicht, wird aufgepresst

Freizustellende Bereiche müssen gefräst

oder gelasert werden

Sehr gut für dynamische Flex Anwendungen geeignet

Photostrukturierbar:Wird auflaminiert (Vakuumlaminator)

Folie wird über Filmbelichtung und nasschemisches

Entwickeln strukturiert (Anwendung beinhaltet immer

auch Lötstoppmaskenfunktion)

Max. semidynamische Anwendungen

Welche Arten von Coverlayer gibt es?

Basis Material für flexible und starrflexibleLeiterplatten

Es gibt zwei Möglichkeiten um den Coverlayer aufzubringen:

„Embedded“ Coverlayer:

der Coverlayer bedeckt

die komplette flexible

Schaltung auch im

starren Teil.

„Selektiver“ Coverlayer,

auch „Bikini“ Coverlayer

genannt: Er wird nur

dort aufgebracht, wo

er wirklich benötigt wird


„Bikini“ / „Selective“

Coverlayer:

Der PCB Hersteller lässt die Deckschicht

ein wenig in den starren Stack-up

hineinragen, was die Stabilität der Flex-

schaltung erhöht.

Eliminiert den Einsatz

von Acryl Kleber in

kritischen Bereichen.

Wichtig!

Bei der Realisierung

des Bikini Coverlayers

ist der Einsatz von

„No Flow“ Prepregs

notwendig.

Beispiele für Pyralux® Coverlays

Pyralux® FR - DuPont™ Pyralux® FR coverlay composites are constructed of DuPont™ Kapton® polyimide film, coated on one side with a proprietary flame retardant B-staged modified acrylic adhesive.

Pyralux® LF - DuPont™ Pyralux® LF coverlay composites are constructed of DuPont™ Kapton® polyimide film, coated on one side with a proprietary B-staged modified acrylic adhesive.

Pyralux® LF-B - DuPont™ Pyralux® LF-B is a black polyimide acrylic coverlay made with DuPont™ Kapton® B polyimide film ideal for products where a uniform, aesthetically pleasing appearance is desired.

Pyralux® PC - DuPont™ Pyralux® PC 1000 is a modified acrylic flexible photoimagable dry film coverlay used for single and double sided applications that require fine line resolution along with bend and crease flexibility.

Pyralux® HXC -DuPont™ Pyralux® HXC is DuPont™ Kapton® MBC black polyimide film coated with epoxy ideal for products where uniform matte black appearance is desired.


http://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-fr.htmlhttp://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-lf.htmlhttp://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-lf-b.htmlhttp://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-pc.htmlhttp://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-hxc.html






Kupferfolie

einseitig

Kupferfolie

zweiseitig

Bondply


Polyimid Coverlayer

Acryl Klebesheet

No Flow Prepreg



Klebesysteme:

Um die verschiedenen Lagen bei einer starrflexiblen

Leiterplatte zu verkleben stehen verschiedene

Materialen und Methoden zur Verfügung.

Sehr wichtig dabei ist das „Bondply“ Material. Es ist

ein Polyimid Material, das auf beiden Seiten mit

Acrylklebstoff beschichtet ist.

Acryl Klebstoff Polyimid

Beispiele für Pyralux® Bondplys

Pyralux® FR - DuPont™ Pyralux® bondply composites are constructed of DuPont™ Kapton® polyimide film coated on both sides with a proprietary flame retardant B-staged modified acrylic adhesive.

Pyralux® LF - DuPont™ Pyralux® bondply composites are constructed of DuPont™ Kapton® polyimide film coated on both sides with a proprietary B-staged modified acrylic adhesive.

Pyralux® TK - DuPont™ Pyralux® TK is a fluoropolymer/polyimide composite double sided copper clad laminate and bondply ideal for high speed digital and high frequency flexible circuit applications.


http://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-fr.htmlhttp://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-lf.htmlhttp://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-tk.html

Was ist ein Stiffener?

Stiffener sind Stücke aus starrem Material, die in

gewünschten Bereichen die flexible Leiterplatte versteifen

um z.B. das Bestücken von Komponenten zu

ermöglichen. Das Versteifungsmaterial kann leitend wie

Metall oder nichtleitend aus Kunststoff oder FR4 sein.

Stiffener Ecke

abgerundet

Polymer Füllung

Ecco Bond


Der „CTE“ Wert (Wärmeausdehnungskoeffizient):

Mit der wichtigste thermische Parameter bei

Leiterplattenbasismaterialien ist der CTE Wert

(Coefficient of Thermal Expansion). Besonders

wichtig dabei ist die Betrachtung der Z-Achse.

Festlegung der Koordinaten

in Leiterplatten:


Um die Wichtigkeit des

Themas CTE zu zeigen, ist

es nützlich auf die Analogie

des Lagenaufbaus einer

Leiterplatte mit einem

gekoppelten Federsystem

hinzuweisen. Die

verschiedenen Materialien,

die bei einer Leiterplatte zum

Einsatz kommen, werden als

Federn mit unterschiedlichen

elastischen Konstanten

betrachtet.


ε = Dehnung


Insbesondere der Einsatz von kleberhaltigen Materialien

erhöht die Gefahr der Delamination:


CTE Werte verschiedener Rigid-Flex Basis Materialen

Material Tg Werte CTE in der Z-Achse

(20 - 300°C)

Acryl Kleber 20 - 60 300 - 700

Polyimide 360 - 410 40

FR-4 Epoxy 100 - 120 60 - 240

Kupfer 17,6

Die CTE Werte einiger flexibler Basismaterialien in der

Übersicht:

Wichtige Features für starrflexible Leiterplatten:

Feature Option 1 Option 2

Anzahl der Lagen 1,2 mehrlagig

Flex clad material verklebt kleberlos

Flex clad copper ED RA

Coverlayer Acryl basierend Epoxy basierend

No flow Prepreg Epoxy basierend P"I basierend

Bikini Ja Nein

Rigid clad material Epoxy basierend P"I basierend

Stiffener ja Nein

Diese Features muss man kennen um eine Rigid-Flex

Leiterplatte entwickeln und bestellen zu können:


Eine große Vielzahl unterschiedlichster Materialien hat

Fastprint als Lagerware vorrätig:


Fastprint Rigid-Flex Material

Item Option 1 Option 2 Option 3

Adehise flex clad material Taiflex Shengyi Dupont

Adhesiveless flex clad material Dupont Panasonic Taiflex

Acryl based coverlayer Dupont

Expox based coverlayer Taiflex Shengyi

Epoxy no flow prepreg 49N Arlon Ventec Isola 406

P"I no flow prepreg 37N Arlon 38N Arlon Ventec

Aufbauvarianten

Flex und Rigid-Flex Technologie

Beispiele für Rigid-Flex

Leiterplatten:

Beispiele für Rigid-Flex

Leiterplatten:

Source: Design Guide 007

Flex und Rigid-Flex Technologie

Flex und Rigid-Flex Technology

Symmetrische Strukturen: Asymmetrische Strukturen:


Beispiele: 2Lagen Flex-Platine mit Stiffener:

Kupfer Kleber Polyimid Bondbly Stiffener

Laminat Verklebt Laminat Kleberlos

Coverlayer


Beispiele: 4-Layer Multilayer PCB mit Stiffener:

Kupfer Kleber Polyimid BondblyCoverlayer Stiffener

Laminat Kleberlos

Klebeschicht der

Coverlayers


Beispiele: 6-Layer Multilayer Rigid Flex Leiterplatte:


Eine kostengünstige Lösung bei eingeschränkter

Biegefähigkeit und großem Biegeradius ist die sog.

Semi-Flex Leiterplatte. Semi-Flex Leiterplatten sind

Standard Rigid FR-4 PCBs, bei denen durch eine

Z-Achsen-Fräsung

ein flexibler Bereich

entsteht. Da der

Standard Lötstopplack

zu spröde ist, muss

hier ein besonderer

Lack eingesetzt

werden.


Beispiel: 8-Layer Multilayer Semi-Flex PCB:

Z-Achse

Fräs-

bereich


Beispiel: 8-Layer Multilayer Semi-Flex PCB:


Sample 1: Sample 2:

Layer: 7

Min. Line Width: 0,086mm

Min. Line Space: 0,201mm

Min. PTH: 0,25mm

LP Thickness: 1,6 +/-0,16mm

Finish: ENIG

Dimensions: 94mm x 100mm

Layers: 10 (2+6C+2)

Min. Line Width: 0,109mm

Min. Line Space: 0,102mm

Min. PTH: 0,2mm

LP Thickness: 1 +/-0,1mm

Finish: ENIG

Dimensions: 90mm x 78,5mm

Layout und Design-Rules

Flex und Rigid-Flex Design Rules

Wichtige Empfehlungen der IPC-2223 zur

Fertigungszeichnung:

Es sollten der Fertigungszeichnung separate

Ansichten hinzugefügt werden, die:

die Konfiguration einer eingebauten flexiblen

Leiterplattenanordnung darstellen,

die kritischen Bereiche, die gefaltet oder gebogen werden

sollen, dargestellt und kennzeichnet,

eine detaillierte Auflistung und Beschreibung der

Materialien enthält.

Eine Schnittzeichnung wird empfohlen.


Abgerundete Ecken in Flex Biegebereiche:

Bevorzugt Akzeptiert Nicht erlaubt

Reduzierte/eliminierte Stress-Konzentrationen, die Zuverlässigkeit

wird verbessert


Leiter-

bahnen im

Biegebereich:

Die Leiterbahnen sollen nach Möglichkeit senkrecht zur Biegung

verlegt werden. Damit wird der Druck auf die Leiterbahnen während

der Biegung minimiert.

Nicht erlaubt Akzeptiert Bevorzugt


Leiterbahnen nicht stapeln:

Durch das Stapeln von Leiterbahnen erhöht sich die Dicke.

Dadurch wird die Flexibilität reduziert.

schlecht

gut


Pads verrunden (fillet):

Es ist eine gute Idee, Pads an jeder möglichen Stelle zu verrunden.

Runde Ecken vermeiden und verringern mögliche Spannungen.

Vor dem Verrunden Nach dem Verrunden


Pads verrunden (fillet):

Jede stärkere Abmessungsänderung kann zu einer übermäßigen

Biegebeanspruchung führen. Dadurch können Risse in der

Kupferfolie in den flexiblen Bereichen entstehen.


Leiterbahnbreite immer maximieren:

Es ist ratsam die Leiterbahnbreite wenn immer möglich zu

maximieren.

Möglichst vermeidenBevorzugt


Die Breite einer Leiterbahn nicht abrupt ändern:

Jede abrupte Änderung der Leiterbahnbreite kann zu

einer potentiellen Schwachstelle bezüglich der

Haltbarkeit einer Flex-Lage führen.

Möglichst vermeiden Bevorzugt


Riss

Entlastung:

Diese Abbildung zeigt die häufigsten und wirksamsten Methoden um

Risse in einer flexiblen Schaltung zu verhindern.

Entlastungs-

schlitz

Schlitz mit

Entlastungs-

Bohrung

Große

Radien in

den Ecken

Teflon

Verstärkung


Via Design:

Restringe so groß

wie irgend möglich

Tropenförmige Vias

Hinzufügen von kleinen

Erweiterungen (Anchors) an den

Pads, wie oben dargestellt


Via Position :

Vias sind nicht zuverlässig in flexiblen Bereichen

In einer dynamischen Anwendung können Vias sehr

schnell brechen

Vias sind in Ordnung über einer Versteifung (Stiffener),

aber Vias direkt an der Kante eines Stiffeners stellen

ein Risiko dar


Lochabstand zum flexiblen Teil:

Vermeiden Sie Abstände unter 1,25mm/50 mil um eine

hohe Zuverlässigkeit zu garantieren


Stiffener:

Überlegungen zum Thema Stiffener:

Beim Einsatz mehrerer Versteifungen sollten alle gleich dick sein um

die Kosten niedrig zu halten

Stiffeners sollten bis zu den Außenkanten geführt werden

Stiffeners erhöhen die Haltbarkeit von Lötstellen

Stiffeners können zur Zugentlastung benutzt werden

Source: Sierra Circuits

Überlappung

min. 0,75mm

Flex und Rigid-Flex Biegeradius

Statt durchgehender Kupfer-Flächen werden bei flexiblen

und starrflexiblen Leiterplatten häufig kreuzschraffierte

Raster eingesetzt.

Diese Muster haben jedoch einen Einfluss bei

kontrollierten Impedanzen.

Je weniger Kupfer

desto flexibler

die Schaltung!

Biegen und Biegeradius


Wovon hängt die Flexibilität und damit der Biegeradius

einer flexiblen und starrflexiblen Schaltung ab?

Art der eingesetzten Materialien

Die Dicke der

flexiblen

Schaltung

Flex und Rigid-Flex Bending

Auszug IPC-2223 Berechnung des Biege-Radius:

1) Formel für einseitige Leiterplatte mit verklebtem Laminat:

R = (c/2)[(100 - EB)/EB] - D

R = Minimaler Biegeradius in mm

c = Kupferdicke in mm

D = Dielektrische Dicke in mm (Laminat verklebt)

EB = Größe der Kupferdehnung in %

Werte für EB:

RA Kupfer max. ≤16%

ED Kupfer max. ≤11%

Anwendungen für Einbau-Biegebeanspruchung: ≈ 10%

Anwendungen für dynamische Biegebeanspruchung ≈ 0,3%

Anwendungen für Festplatten ≈ 0,1%

Source: IPC-2223

Flex und Rigid-Flex Bending

In der IPC-2223 finden sich unter den Kapiteln:

5.2.3.3.1

und

5.2.3.3.2

weitere Informationen und auch eine Formel für

mehrlagige Flex Leiterplatten.

In der folgenden Folie geben wir Ihnen wichtige

Richtwerte für die Biegeradien an die Hand.


Faustregel zur Berechnung des Biegeradius:

1-Layer, Starr-Flex-PCB: = r(min) = 6 x h

2-Layer, Starr-Flex-PCB: = r(min) = 10 x h

Mulitlayer, Starr-Flex-PCB: = r(min) = (10-15) x h

Stark dynamische belastete Starr-Flex-PCB: = r(min) = 25 x h

"h" ist dabei die Dicke der Flex-Leiterplatte

Gehen Sie bei einer 1-Layer Platine von einem "h" von ca. 150µm und bei

einer 2-Layer Platine von einem "h" von ca. 200µm aus. Dabei sind schon

Sicherheiten eingerechnet.

Ein Beispiel

Eine 2-Lagen Starr-Flex-PCB ist 200µm dick. Aus der Formel oben gilt:

10 x 200µm = 2000µm = 2mm.


Buchbinder Methode:

Auszug aus der IPC-2223:

Die Buchbinder Methode angewandt

in einem ungebundenen Biegebereich

kann in Bereichen verwendet werden,

in denen eine scharfe Kurve

(Radius Dickenverhältnisse

Flex und Rigid-Flex Bending Radius

Buchbinder Methode:

Differential Lengths (Multilayer

and Rigid Flex)

Berechnung der jeweils

zusätzlichen Länge jeder

Flex-Lage nach IPC-2223:

Die nächste Lage wird wie folgt

berechnet:

Source: IPC-2223


Biegeradius Semi-Flex:Berechnung der notwendigen Länge L des

Biegebereiches:

L = Winkel x Radius R x Pi / 180° + 2 x 0,4mm)

Lä

ng

e LSemiflex Biegebereich Länge L

Min. Biegeradius 5 mm

Winkel L

45° 5 mm

90° 9 mm

180° 17 mm

Biegerichtung

Handling und Verarbeitungsempfehlung

Flex und Rigid-Flex Verarbeitungsempfehlungen

Flexible und starrflexible Leiterplatten müssen vor dem

Lötprozess unbedingt getempert (getrocknet) werden.

Polyimid-Folien sind sehr hygroskopisch („Feuchtigkeit

aufnehmend“). Selbst unter Standard-Raumbedingungen

nehmen bereits getrocknete Folien Feuchtigkeit aus der

Luft auf. Flexible und starrflexible Leiterplatten müssen

deshalb vor dem Lötprozess unbedingt getempert und

möglichst bald danach auch verarbeitet werden, denn

innerhalb weniger Stunden erreicht das Polyimid Material

wieder seinen Feuchtigkeits-Sättigungsgrad

(bis max. 3 %).


Die absorbierte Feuchtigkeit kann durch die thermische

Beanspruchung beim Lötprozess zu Delaminationen,

Blasenbildung oder Abrissen führen.

Feuchtigkeitsaufnahme von Rigid-Flex Materialien:


DuPont Pyralux® Flex materials Baking Recommendations Prior to Reflow

We recommend that boards made with Pyralux ® Flex materials are baked prior to

exposure to solder processes (e.g. solder leveling and reflow). Boards are generally

baked at 250 °F (121 °C) from two to ten hours, * depending on the board thickness and

design. Baking removes any moisture that may have been absorbed during processing.

Polyimide films absorb moisture quickly; therefore, soldering and reflow should be done

within 30 minutes after baking.

Vacuum ovens are also used to remove water. Lower temperatures, such as 150-175 °F

(65-80 °C) can be used. This method also reduces the oxidation of the exposed copper

pads.

Boards should be baked prior to soldering by hand, wave, IR and Vapor Phase

soldering. This bake is typically done at 250 °F (121 °C) for two to ten hours, *

depending on the board thickness and design.

Note: Moisture Absorption

Kapton® NH: 2.8%

Pyralux® LF: 1.8%

Pyralux® RF: 1.8%

* Times may vary based on type of materials in board, layer count, % copper

ground planes, size of board, room/area conditions (%RH) etc...

In Abhängigkeit von der Dicke der Leiterplatte

empfiehlt Dupont eine Trockenzeit von

2 bis 10 Stunden bei 120°C


Lötprozesse:

Getemperte starr-flexible Leiterplatten können maximal 6

bis 8 Stunden nach dem Trocknen sowohl hand- als auch

maschinengelötet werden. Die üblicherweise bei starren

Platinen eingesetzte Anlagentechnik, wie Infrarot-,

Konvektions- und Dampfphasenlötung kann auch bei

starr-flexiblen Schaltungen angewandt werden.

Schlussbemerkungen

Schlussbemerkungen

Sprechen Sie bereits in einer frühen Entwicklungsphase

mit Ihrem Lieferanten.

Prüfen Sie dabei, ob Ihr Lieferant in der Lage ist

Ihr Design zu realisieren.

Lassen Sie sich bei der Auswahl des Materials

beraten und unterstützen.

Benutzen Sie die IPC Standards, insbesondere die

IPC-2223 als Referenz für Ihr Design.

Golden Rules:

Literatur Referenzen / References

IPC Organisation “IPC-2223”

IPC Organisation “IPC-6013”

IPC Organisation “IPC-4202 – 4204”

Dupont www.dupont.com

Taiflex www.taiflex.com

Panasonic www.panasonic.com

http://www.dupont.com/http://www.taiflex.com/http://www.panasonic.com/

Danke für Ihre

Aufmerksamkeit

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Flex- und Rigid-Flex Technologie · 2017. 9. 1. · IPC-2223 Typen: Typ 3 Flexible Multilayer Leiterplatte, mit min. drei leitfähigen Lagen und durchmetallisierten Löchern, mit