Der Miniaturisierungs- und Multifunktionstrend bei elektronischen Produkten treibt die Leiterplattenfertigung (Printed Circuit Board, PCB) eindeutig in Richtung hohe Dichte, hohe Präzision, Miniaturisierung und hohe Geschwindigkeit voran. Da flexible Leiterplatten auf flexiblen Substratmaterialien basieren und gebogen werden können, wodurch flexible Leiterplatten leicht und kompakt sind, haben sie in den letzten Jahren zunehmend mehr Anwendungen in elektronischen Produkten gefunden. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Fertigungstechnologie für flexible Leiterplatten machen auch fortschrittliche Leiterplatten wie Starrflex-Leiterplatten und HDI-(High Density Interconnect-)Flex-Leiterplatten bei ihren Herstellungstechnologien rasche Fortschritte.
Darüber hinaus hat der Aufstieg und die Blütezeit intelligenter Endgeräte wie Smartphones und Tablet-PCs auch zu einem deutlich steigenden Bedarf an flexiblen Leiterplatten (Flexible PCB), Starrflex-Leiterplatten (Flex-Rigid PCB) und HDI-Leiterplatten geführt. Es ist absehbar, dass flexible Leiterplatten zu einem Brennpunkt in der Leiterplattenindustrie werden. Die Entwicklung von Leiterplatten steht in engem Zusammenhang mit der Entwicklung von Materialien und Technologien, daher wird dieser Artikel die Entwicklungschancen und -herausforderungen erörtern, denen sich flexible Leiterplatten im Hinblick auf neue Materialien und neue Technologien stellen müssen, und den Entwicklungstrend von Starrflex-Leiterplatten beleuchten.
Entwicklungstrend neuer Materialien und neuer Technologien
Die Innovation von flexiblen Leiterplatten hängt in hohem Maße vom Fortschritt neuer Materialien ab. Materialinnovationen bei Isolier-Substratmaterial, Klebstoff, Metallfolie, Deckschicht und Verstärkungsplatte treiben Leiterplatten zu höherer Leistungsfähigkeit. Da die Herstellung flexibler Leiterplatten höhere Anforderungen an alle Arten von Materialien stellt, werden vielfältige Materialsysteme den Herstellern mehrere Auswahl- und Kombinationsmöglichkeiten bieten. Die Materialeigenschaften zeigen sich in erster Linie im Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), in der Wasseraufnahme, im Grad der Flexibilität und in der Lebensdauer der Biegefestigkeit.
In der Leiterplattenindustrie fördern sich neue Materialien und neue Technologien in der Regel gegenseitig, was sich bei flexiblen Leiterplatten aufgrund ihrer höheren Leistungsanforderungen besonders deutlich zeigt. So schreitet beispielsweise die Mikrovia-Fertigungstechnologie als eine der Kerntechnologien für Innovationen im Leiterplattendesign schneller voran als jede andere Technologie, einschließlich Ätzen, Beschichtung und Verbindungstechnik. Während des Mikrovia-Fertigungsprozesses bei flexiblen Leiterplatten müssen die mechanische Festigkeit und der Verformungskoeffizient der unterschiedlichen Materialien in den verschiedenen Lagen sorgfältig berücksichtigt und die Verformung infolge der Via-Herstellung abgeschätzt werden. Am Ende können so präzise Microvias erfolgreich gefertigt werden.
Da die flexible Leiterplattentechnologie den Vorteil flexibler Substratmaterialien nutzt, ist sie mit der in den letzten Jahren zunehmend verbreiteten Technologie der gedruckten Elektronik kompatibel und komplementär. Daher ist die Frage, wie Drucktechnologie in additiven Prozessen zur Herstellung von Leiterplatten eingesetzt werden kann, ein neues Thema, auf das sich die flexible Leiterplattenindustrie konzentrieren sollte. Folglich werden strenge Anforderungen an die Kompatibilität zwischen Leiterplattenmaterial und Leiterplattenfertigungstechnologie sowie Tinte und Substratmaterial für den Einsatz gedruckter Elektronik gestellt.
Der Fortschritt bei Materialien und Technologien kann den Anwendungsbereich flexibler Leiterplatten weiter erweitern. Zum Beispiel hängt die derzeit führende Rolle von LED-Leiterplatten auf dem Markt vom Design aus starrer Leiterplatte plus Metallrückwand ab. Wenn die hitzebeständigen Eigenschaften des Materials optimiert werden, werden flexible Leiterplatten in dünnen und leichten LED-Produkten eingesetzt werden. Eine weitere bemerkenswerte Anwendung von flexiblen Leiterplatten liegt inAutomobil-LeiterplatteBislang werden in der Automobilindustrie elektrische Komponenten hauptsächlich über Kabelverbindungen realisiert, während entsprechende dünne flexible Leiterplatten um 70 % leichter sind als Kabel. Durch Durchbrüche in der Forschung und Entwicklung von Hochpolymermaterialien wurde der temperaturstabile Arbeitsbereich von derzeit 100 °C bis 125 °C auf 200 °C oder höher erweitert. Neben einer hocheffizienten und hervorragenden elektrischen Induktions- und Steuerungsleistung werden flexible Leiterplatten verstärkt in Automobilen eingesetzt werden und eine Schlüsselrolle spielen.
Entwicklungstrend von Flex-Rigid-PCBs
Dank der kombinierten Vorteile von sowohl flexiblen als auch starren Leiterplatten wird die Starrflex-Leiterplatte (Flex-Rigid-PCB) in elektronischen Produkten weit verbreitet eingesetzt. Die in den vorherigen Abschnitten dieses Artikels im Zusammenhang mit flexiblen Leiterplatten diskutierten Entwicklungsaspekte sind gleichermaßen auf die Fertigungstechnologie von Starrflex-Leiterplatten anwendbar. Darüber hinaus ergeben sich bei Starrflex-Leiterplatten aufgrund der größeren Materialunterschiede die meisten technischen Herausforderungen hauptsächlich aus der Auswahl der Materialkombination. So muss beispielsweise während des mehrstufigen Laminierprozesses der CTE-Unterschied in allen Richtungen jeder Materialschicht zusammen mit dem Einsatz von Verstärkungsplatten sorgfältig berücksichtigt werden, damit eine Verformungskompensation umgesetzt und eine hochpräzise Ausrichtung beim Laminieren erreicht werden kann.
Inzwischen ist das strukturelle Design von Starrflex-Leiterplatten ebenfalls ein Schwerpunkt ihrer Weiterentwicklung. Allgemein gesprochen kann eine Starrflex-Leiterplatte mit gleichen Funktionen zahlreiche Designvarianten aufweisen. Das praktische Design sollte auf umfassenden Überlegungen beruhen, einschließlich der Zuverlässigkeit der Produkte, des benötigten Raums, des Gewichts und der Montagekomplexität. Darüber hinaus sollten die Fertigungskapazitäten der Hersteller und Materialfaktoren berücksichtigt werden, um ein optimales Design mit dem am wenigsten ausgewählten Programm zu erreichen. Zum Beispiel können herkömmliche Starrflex-Leiterplatten mit 3 bis 8 Lagen genutzt werden, umflexibles CCL (kupferkaschiertes Laminat)mit verwendeter oder unbenutzter Klebeschicht. Ebenso weist die Decklage des flexiblen Bereichs in starrflexiblen Leiterplatten unterschiedliche Strukturen auf.
Ein weiterer Forschungstrend im Bereich der Flex-Rigid-Leiterplatten liegt inHerstellung von Leiterplatten mit eingebetteten BauteilenIn den meisten Fällen muss das Einbetten von Widerständen und Kondensatoren in einem starren Bereich erfolgen, ohne dass die Leistung des flexiblen Bereichs beeinträchtigt wird. Diese Anwendung stellt zum zweiten Mal strenge Anforderungen an das Material. Darüber hinaus eignet sich flexible Leiterplatte (PCB) gut für die CSP-Technologie (Chip-Scale Package), und die in die Leiterplatte eingebettete Bauteilstruktur bringt Herausforderungen und Anforderungen für die Verpackungstechnologie mit sich.
Zukünftige Erwartungen an flexible Leiterplatten
Flexible Leiterplatten werden sich in Richtung Ultradünnheit und hoher Dichte entwickeln, was mit neuen Technologien weiteren Fortschritt in Bezug auf Materialien, Technologie und Ausrüstung anregen wird. Es ist absehbar, dass sich die Entwicklung flexibler Leiterplatten in naher oder ferner Zukunft auf die folgenden Aspekte konzentrieren wird:
• Dünnere und leichtere Leiterplattenstruktur;
• Höhere Datenverarbeitungsgeschwindigkeit;
• Höhere Betriebstemperatur;
• Höhere Dichte und mehrere Funktionen;
• Leiterplatte mit größerer Fläche und höherer Biegefestigkeit;
• Einbetten von Komponenten;
• Hybridplatine für Schaltung und Lichtweg;
• Kompatibel mit gedruckter Elektronik.
Mit den gebotenen Möglichkeiten bringen alle Anwendungserwartungen extreme Herausforderungen in Bezug aufLeiterplattenmaterialTechnologie und Design. Daher ist das Festhalten an technischer Innovation und eigener Forschung und Entwicklung ein unverzichtbares Prinzip, wenn wir in der Leiterplattenindustrie weit kommen wollen.
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