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Konstruktion und Layout von flexiblen Schaltungen

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Konstruktion und Layout von flexiblen Schaltungen

• Flexible Schaltungen (auch FPC- Flexible Printed Circuits genannt) haben sich in den letzten Jahren weltweit in vielen Technologie-Branchen mit neuen Applikationen etabliert.

• Hauptabnehmer für Flexible Schaltungen sind heute Industriebereiche wie: Automotive, Telekommunikation, Computer & Peripherie, Industrie- & Sensortechnik, Maschinenbau, Medizinelektronik sowie Luft- und Raumfahrt.

• Die besonderen Merkmale wie Gewichts- und Platzersparnis, hohe Flexibilität, Kostenreduzierung bei Montage- und Handlingsarbeiten, Qualitätsverbesserungen und Integration von besonderen elektrischen Eigenschaften (z.B. kontrollierte Impedanz) haben die Flexiblen Schaltungen in vielen Bereichen unverzichtbar gemacht.

• Als Basisfolien kommen größtenteils PET (Polyethylenteraphthalat)• PEN (Polyethylennaphthalat) und• PI (Polyimid) zum Einsatz.

• Für viele Entwickler und Konstrukteure sind diese Materialien oftmals Neuland. Gute Layoutkenntnisse über starre Schaltungen sind vorhanden, können aber in vielen Fällen nicht auf Flexible Schaltungen übertragen werden.

• Was ist bei der Konstruktion und Layouterstellung für Flexible Schaltungen zu beachten?

• 1. Basismaterialauswahl• 2. Spezifische Konstruktionsmerkmale• 3. Layoutgestaltung

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1.1 Wichtigste flexible Basismaterialien, technische Daten und Unterschiede

1.1.1 Vergleich von ausgewählten Eigenschaften der wichtigsten flexiblen Basisfolien

1.1.2 Standard-Foliendicken, Kupferdicken und –Sorten, Kleber und Lacke

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1.1.1 Vergleich von ausgewählten Eigenschaften der wichtigsten flexiblen Basisfolien

Basisfolie Dielektrizi-

tätskon- stante

Durch-schlags-festigkeit

(V/µm)

Maximale Betriebs-

temperatur

TG (°C)

Wasserauf-nahme

(%)

Ausdeh-nung (ppm)

PET 3,2 240 105 78 < 0,08 120 PEN 3,16 275 160 120 0,6 65 PI 3,5 204 200 410 < 3,0 70 Unterschiede zwischen starren und flexiblen Materialien

Haftung (N/cm)

Schrumpfung nach dem Ätzen

(%)

Wasseraufnahme (%)

Flexibles Basismaterial PI

≥ 7 0 – 0,2 ≤ 3

Starres Basismaterial FR 4

14 0 – 0,02 0,5

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1.1.2 Standard-Foliendicken, Kupferdicken und –Sorten, Kleber und Lacke

A) Einseitig Cu Material Dicke (mm) Kupfer 0,018 0,035 0,070 (0,105) Kleber 0,015 0,025 Polyimid (PET, PEN) 0,025 0,050 0,075 0,125 B) Zweiseitig Cu Material Dicke (mm) Kupfer 0,018 0,035 0,070 (0,105) Kleber 0,015 0,025 Polyimid (PET, PEN) 0,025 0,050 0,075 0,125 Kleber 0,015 0,025 Kupfer 0,018 0,035 0,070 (0,105) Material Dicke (mm) Kupfer 0,018 0,035 0,070 Polyimid (PET, PEN) 0,025 0,050 Kupfer 0,018 0,035 0,070 Kupfer ED: Bruchdehnung 8 – 10 % (HTE Cu ca. 16%) RA: Bruchdehnung > 10% (IPC-CF-150)

typisch ca. 16% Kleber: Epoxid, Acryl

Polyimide (PET, PEN)KleberKupfer

A ) E in s e it i g K u p fe r

Polyimide (PET, PEN)Kleber

Kleber

Kupfer

Kupfer

B ) Z w e is e it ig K u p fe r

Polyimide (PET, PEN)Kupfer

Kupfer

Z w e is e it ig K u p fe r, k le b e r lo s

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Basismaterialien

PET: Niedriger Preis, sehr eingeschränkt lötbar Betriebstemperatur ca. – 70°C bis + 70°C PEN: Niedriger Preis, eingeschränkt lötbar Betriebstemperatur ca. – 70°C bis + 90°C PI: Hohe Temperaturbelastbarkeit Uneingeschränkte Lötbarkeit Betriebstemperatur ca. – 70°C bis + 110°C, kurzzeitig bis + 200°C

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Deckfolie und Lacke

C) Deckfolie Material Dicke (mm) Polyimid (PET, PEN) 0,025 0,050 0,075 0,125 Kleber 0,025 0,050 0,075 Schutzfolie wird nach der mechanischen

Bearbeitung entfernt D) Lack Weiterhin kommen sogenannte Flexlacke (flexibler Lötstopplack, z.B. Firma Peters Typ 2469) erfolgreich zum Einsatz. Diese Lacke können per Siebdruck in Dicken von ca. 0,015 bis 0,025 mm aufgetragen werden.

KleberSchutzfolie

Polyimide (PET, PEN)

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Qualität

Die Qualität der Kleber zwischen Trägerfolien und Kupferfolien und die Kleber auf den Deckfolien bestimmen die Güte und Verwendbarkeit der Flexiblen Schaltungen.

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Verwendbarkeit der Flex-Schaltungen

Bei flexiblen Basismaterialien aus Polyimid kann man zusätzlich das sogenannte kleberlose Trägermaterial einsetzen. Polyimid-Basismaterialien mit Acrylklebern sind sehr gut geeignet für dynamische Beanspruchung bis zu 40 Millionen Biegezyklen bei entsprechendem Layout und Biegeradius. 1000 Temperaturzyklen (- 50° C bis + 150° C) übersteht dieses Material ohne signifikante Funktionsbeeinträchtigung. Polyimid-Basismaterial mit flammhemmendem Kleber (FR) ist UL 94 VTM – 0 gelistet und gemäß IPC Klasse 2 zertifiziert, weist aber nur eine begrenzte dynamische Flexibilität auf. Kleberloses Polyimid-Basismaterial ist ebenfalls UL 94 VTM – 0 gelistet und gemäß IPC Klasse 3 zertifiziert. Die Temperaturbeständigkeit wird mit 1000 h bei 150° C angegeben, weiterhin zeigt es eine sehr gute chemische Resistenz und eine geringe Ausgasung. Angaben über PI-Basismaterialien mit Acryl- und FR-Kleber wurden von DuPont-Unterlagen übernommen.

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1.1.3 Die Beanspruchung der Flexiblen Schaltungen im Feld und bei der Verarbeitung entscheidet über die Wahl des entsprechenden Basismaterials.

a) Temperaturbelastung b) Forderung von UL-Listung c) Biegebeanspruchung d) Durchschlagsfestigkeit

Zu a): Wird eine Flexible Schaltung als reines Verbindungselement zwischen zwei Steckern verwendet und nicht mit üblichen Standard-Lötanlagen gelötet, so kann hier das kostengünstigste Material PET zum Einsatz kommen. Sobald SMD-Bauteile bestückt und automatisch gelötet werden müssen, ist die Verwendung von PEN oder PI erforderlich. Entscheidend hierfür ist das Maschinenequipment und das vorgeschriebene Lotmittel. PEN kann mit entsprechend geeigneten Maschinen und Loten automatisch verarbeitet werden. PI hat hier einen deutlichen Vorteil. Dieses Material ist dafür geeignet, mit allen üblichen Lötverfahren (Wellenlöten, IR-Löten, Handlötung, Dampffasen-Löten) verarbeitet zu werden, auch mit den angekündigten bleifreien Loten (z.B. Silber legiert). Ob Flexible Schaltungen (aus PEN oder PI) für den Einsatz im Feld bei hohen Temperaturen geeignet sind, entscheidet oft das verwendete Klebersystem in den flexiblen Basismaterialien. Da dieses Thema sehr umfangreich ist, sollte hier gemeinsam mit einem kompetenten Hersteller von Flexiblen Schaltungen die richtige Materialauswahl getroffen werden.

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1.1.4 Trocknen von Flexiblen Schaltungen aus Polyimid

Wie in der Tabelle unter 1.1.1 aufgeführt, nimmt Polyimid bis zu 3% Wasser aus der umgebenden Atmosphäre auf. Das ist neben den vielen positiven Eigenschaften des Polyimides ein eindeutiger Nachteil gegenüber den PET- und PEN-Basismaterialien.

Was bedeutet dies für die Verarbeitung der Flexiblen Schaltungen? Da diese Eigenschaft schon seit mindestens 20 Jahren bekannt ist, haben sich alle verarbeitenden Betriebe darauf eingestellt. Polyimid ist hygroskopisch und nimmt daher Feuchtigkeit (Wasser) auf. Dieses Wasser wird bei Erhitzung von über 100° C zu Wasserdampf und nimmt somit ein erheblich größeres Volumen in Anspruch. Bei sehr schneller Erwärmung (Lötprozess) kann dies zur Folge haben, dass der Dampfdruck die Verklebung zwischen den einzelnen Lagen (PI, Kleber, Kupfer) zerstört. Wir sprechen von Delamination. Aus genannten Gründen weisen seriöse Hersteller von Flexiblen Schaltungen aus Polyimidfolien darauf hin, dass die Schaltungen immer vor dem Lötprozess getrocknet werden müssen. Für diesen Temperprozess werden 2 Stunden bei 120°C in einem Umluftofen vorgeschlagen. Nach dem Trocknen müssen die Schaltungen innerhalb von ca. 4 bis 6 Stunden verarbeitet oder trocken zwischengelagert werden. Dies ist seit über 20 Jahren ein Standardprozess, der weltweit von allen Firmen erfolgreich angewendet wird.

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2. Spezifische Konstruktionsmerkmale

Nachdem die Basismaterial-Auswahl erfolgt ist, wird entschieden, wie die Flexiblen Schaltungen weiter

kontaktiert werden sollen.

2.1 Nicht lösbare Lötverbindung

2.2. Lösbare Steckverbindung, Crimpen von Kontakten

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2.1 Nicht lösbare Lötverbindung Nicht lösbare Lötverbindungen werden meistens über Lötaugen und Lötpfosten realisiert. Wegen der schlechteren Haftfestigkeit des Kupfers auf der Trägerfolie (im Vergleich zu FR4) gelten bei der Konstruktion der „Flex-Lötaugen“ besondere Richtlinien. Das Lötauge wird von der Deckfolie umlaufend ca. 0,25 mm überdeckt und dadurch zusätzlich gut befestigt, hierdurch wird der eingelötete Pin belastbar. Nur die Kleberschicht zwischen Lötauge und Trägerfolie ist hier für die Haftfestigkeit des eingelöteten Pins verantwortlich. Bei Belastung bzw. unter hoher Temperatur kann sich das Lötauge leicht von der Trägerfolie lösen.

Polyimid

Polyimid Deckfolie

KupferKleber

Polyimid

Polyimid

KupferKleber

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2.1 Nicht lösbare Lötverbindung

P o l y i m id -F o l ie

P o l y i m id -D e c k f o l ie

K u p f e r

L o t

K le b e r

A n s c h l u s s p i n

Wird z. B. eine Deckfolie aus PI mit hochwertigem Acryl- oder Epoxidkleber verwendet, muss bei der Berechnung des Lötringes der umlaufend austretende Kleber (grün dargestellt) mit ca. 0,2 mm berücksichtigt werden. Bei Deckfolien mit kostengünstigeren Klebersystemen muss mit einem Kleberfluss von bis zu 0,4 mm umlaufend gerechnet werden. Die tropfenförmige Anbindung des Lötauges sollte bei Flexiblen Schaltungen als Standard immer Verwendung finden. Bei eingeengten Platzverhältnissen kann oftmals das ideale Lötauge nicht realisiert werden, dann sollte als Minimallösung ein Lötauge wie hier gezeigt Verwendung finden. Das Lötauge wird an zwei Stellen von breiten Leiterbahnanbindungen befestigt.

Diese Konstruktion ist nicht so stark belastbar wie im oberen Bild dargestellt!

P o l y i m id -F o l i e

P o l y i m id -D e c k f o l ie

K u p f e r

L o t

K le b e r

A n s c h l u s s p i n

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2.2 Lösbare Steckerverbindung

Flexible Schaltungen können als lösbare Verbindung, z. B. für die Verwendung von „Nullkraftsteckern“, ausgelegt werden. Diese Stecker sind typisch für Leiterbildraster 0,64 mm, 1,0 mm und 1,25 mm vorgesehen. Die Kontaktierungsdicke wird häufig mit 0,20 oder 0,30 mm angegeben. Durch die Verwendung von unterschiedlichen Foliendicken und Klebern ist es gut möglich, die geforderten Dicken und Toleranzen zu realisieren. Die gestrichelte Linie macht deutlich, dass die Verstärkungsfolien mindestens 2 mm länger sein müssen als die Kante der Deckfolienöffnung. Wird dies nicht berücksichtigt, konstruiert man hier eine sogenannte Sollbruchstelle. Enge Biegeradien dürfen nicht direkt nach dem Stecker beginnen, sonst besteht die Gefahr von Leiterbahnbrüchen. Typische Oberflächen der Steckerkontakte sind SnPb oder NiAu.

Polyim id-Folie

Polyim id-Deckfolie

Verstärkung

Kupfer

Polyim id-Folie

Polyim id-D eckfolie

Verstärkung

Kupfer

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2.2 Crimpen von Kontakten

• Crimpkontakte, können mit entsprechenden Werkzeugen an Flexible Schaltungen kontaktiert werden. Scharfe Metallspitzen durchdringen während des Crimpvorganges die Folien der Flexiblen Schaltungen, umschließen die Leiterbahnen und dringen in das Leiterbild ein. Übliche Raster sind hier 2,54 mm und 1,27 mm. Öffnungen in der Deckfolie sind hierfür nicht notwendig.

• Die genaue Ausführung des Leiterbildes im Crimpbereich ist den Datenblättern der entsprechenden Kontakthersteller zu entnehmen. Kupferdicken von 0,070 mm sind gebräuchlich. Einige Crimpkontakttypen sind auch für Automotiveanwendungen freigegeben.

• Folgende Spezifikationen wurden berücksichtigt:IPC FC 220, NAS 729 und MIL-C-55543.

Polyimid-Folie

Polyimid-Deckfolie

Kupfer

StiftkontaktPin Contact Buchsenkontakt

Receptacle Contact

LötzungeSolder Tab

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3. Layoutgestaltung

Flexible Schaltungen werden vielseitig eingesetzt und bei vielen Anwendungen dynamisch bis zu mehreren Millionen Biegezyklen belastet.In vielen anderen Fällen werden Flexible Schaltungen in kleinste Gehäuse bei minimalen Biegeradien eingebaut.Von dem Leiterbild wird erwartet, dass es all diese Beanspruchungen schadlos übersteht.Werden bei der Erstellung eines Layouts für Flexible Schaltungen bestimmte Grundregeln eingehalten, dann wird hier ein wichtiger Grundstein für den erfolgreichen Einsatz der Flexiblen Schaltungen gelegt.

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3.1 Layoutbeispiele 1

Leiterbahnanbindungen an Lötaugen sollten immer tropfenförmig und abgerundet ausgeführt werden. Eine so groß wie möglich realisierte Lötaugenfläche trägt zur besseren Verankerung der Lötaugen auf den flexiblen Basismaterialien bei.

Die kleinen Lötaugen bieten eine schlechte Verbindung zum flexiblen Basismaterial, was ein Ablösen der Lötaugen vom Trägermaterial zur Folge haben kann. Durch die sehr schmale Leiterbahnanbindung an das Lötauge ist hier bei entsprechender Belastung ein Leiterbahnbruch im Übergang Lötauge – Leiterbahn möglich.

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3.1 Layoutbeispiele 2

Bei richtig ausgeführtem Layout sind die Lötaugenflächen so groß gewählt, dass die Deckfolie / Lack das Lötauge überdeckt. Dies ist insbesondere bei einlagigen Flexiblen Schaltungen notwendig. Bei zweilagig durchkontaktierten Schaltungen werden die Lötaugen von der Ober- zur Unterseite über die Durchkontaktierungshülse wie ein Niet verbunden und dadurch gut befestigt. Sanfte Übergänge von schmalen zu breiten Leiterbahnen sind die beste Voraussetzung für bruchunempfindliche Leiterbahnstrukturen.

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3.1 Layoutbeispiele 3

Die scharfkantigen Ecken im geätzten Kupferleiterbild wirken wie eine Kerbe im Metall. Wird hier gebogen, könnte der Absatz im Leiterbild zu einer Sollbruchstelle werden. Der Übergang von schmalen zu breiteren Leiterbahnen im 90° Winkel sollte immer über ausreichend große Radien realisiert werden.

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3.1 Layoutbeispiele 4

Auch hier wirken die scharfen Kanten im 90° Winkel wie Kerben im Metall. Bei Biegebeanspruchung ist an solchen Stellen Bruchgefahr gegeben.

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3.1 Layoutbeispiele 5

Werden auf Flexiblen Schaltungen SMD-Bauteile bestückt, so ist es ratsam, diese Bereiche mit 0,125 mm Polyimidfolie oder 0,50 mm FR4 zu verstärken. Hierdurch wird verhindert, dass im Bauteilebereich gebogen wird, was zur Folge haben kann, dass die Lötstellen beschädigt werden. Leiterbahnanbindungen an SMD-Pads müssen so weit wie möglich vom Biegebereich entfernt sein. Auch die SMD-Pads werden zur besseren Verankerung unter die Deckfolie verlängert. 90° Leiterbahnknicke sind in diesem Bereich (braun dargestellt) zulässig, da hier zusätzlich mit PI oder FR4 verstärkt wurde.

In diesem Layout wurden die SMD-Pads nur nominal ausgelegt, dadurch wird keine zusätzliche Verankerung erreicht. Der Biegebereich (gelb dargestellt) ist zu nah an den SMD-Pads, dadurch ist die Bruchgefahr an der Leiterbahnanbindung der beiden rechten SMD-Pads sehr groß.

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3.1 Layoutbeispiele 6

Werden Flexible Schaltungen eingeschnitten, um z. B. zwei flexible Ausleger in unterschiedliche Richtungen zu biegen, so muss bei einem Nullschnitt (linkes Bild), aber auch bei einem Einschnitt (rechtes Bild), eine zusätzliche Kupferbahn als Einreißschutz montiert werden. Der Nullschnitt sollte zusätzlich in einer Bohrung enden. Die Innenecken des Einschnittes müssen so groß wie möglich als Radius ausgeführt werden. Diese Maßnahmen verhindern wirksam, dass bei mechanischer Belastung die Flexiblen Schaltungen an den beschriebenen Stellen einreißen können.

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Neue flexible Basismaterialienund neue Techniken

Basismaterialien, wie z. B. PET, PEN und PI sind seit Jahrzehnten bekannt und werden weltweit in großen Mengen zu Flexiblen Schaltungen verarbeitet. Diese Materialien wurden schon immer im Detail verbessert. Schon seit einigen Jahren haben die Laser-Bohr- und -Schneidemaschinen bei den Leiterplattenherstellern Einzug gehalten. Auch bei der Herstellung von Flexiblen Schaltungen kommen diese vermehrt zum Einsatz. Mit geeigneten Laser-Maschinen lässt sich Kupfer und Polyimid hervorragend bearbeiten; es entstehen keine unsauberen Kanten, wie bei einer Fräsbearbeitung mit CNC- Maschinen durch Faserbildung.

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Neue BasismaterialienNeue Techniken

Typische Lochdurchmesser bei zweilagigen Flexiblen Schaltungen sind 100µm bei einem Lötaugendurchmesser von 300µm.

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Neue BasismaterialienNeue Techniken

Bei dreilagigen Flexiblen Schaltungen und Sacklöchern von Lage 1 zu 2 und 3 zu 2 sind Lochdurchmesser von 100 µm bei einem Lötaugendurchmesser von 350 µm Standard. Die Durchgangsbohrungen müssen wegen der größeren Dicke der Schaltungen einen Durchmesser von 150 µm und einen Lötaugendurchmesser von 400 µm aufweisen.

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Neue BasismaterialienNeue Techniken

Natürlich hat sich auch das Leiterbild den kleinen Lochdurchmessern angepasst. Bei durchkontaktierten Schaltungen werden Leiterbahnbreiten von 100 µm bis 125 µm in Serie produziert. Einlagige Flexible Schaltungen mit Leiterbahnbreiten von 50 µm sind keine Seltenheit mehr. Kupferschichtdicken von 12 µm, 9 µm oder weniger sind hier Standard. Durch neue, verbesserte Basismaterialien und Fertigungsmethoden wird die Flexible Schaltung auch in Zukunft weltweit neue Absatzmärkte erobern und die Variantenvielfalt wird weiter zunehmen.