Entwicklung von Anwendungen für flexible Leiterplatten

Flexible Leiterplatte für Mobiltelefon

Änderungen an Mobiltelefonen führen dazu, dass sich alle Leiterplatten (PCBs, gedruckte Leiterplatten) verändern, insbesondere wenn mehrere flexible Leiterplatten eingesetzt werden. Zunächst bewirken das geringe Gewicht und die Dünnheit von Mobiltelefonen, dass starre Leiterplatten durch flexible Leiterplatten ersetzt werden. Das Flächenverhältnis zwischen starrem Bereich und flexiblem Bereich, das bei Mobiltelefonen genutzt wird, beträgt derzeit ungefähr 80:20, während es künftig 20:80 sein wird. Darüber hinaus ist die für Mobiltelefone verwendete starre Leiterplatte dünnHDI (High Density Interconnect) LeiterplatteMobiltelefone, die hauptsächlich auf starren Leiterplatten basieren, sind 27 mm dick, während solche mit flexiblen Leiterplatten nur 16,8 mm dick sind.

Flexible Leiterplatten, die an verschiedenen Positionen eines Mobiltelefons eingesetzt werden, führen zu unterschiedlichen Strukturen und Anforderungen:

• Tasten-Schaltplatine

Die Schlüsselschalterplatine ist eine vierlagige Leiterplatte mit einer Dicke von weniger als 0,3 mm. Dieses flexible Teil ist mit Bauteilen wie LEDs und Ein-/Ausgangssteckverbindern auf der Oberfläche ausgestattet, die keine Flexibilität erfordern, sodass auf der Oberfläche Lötstoppmaske aufgebracht werden kann. Der Biegebereich dieser vierlagigen flexiblen Leiterplatte besteht aus einem einlagigen Leiter, der in Form eines „S“ gebogen werden kann.

• LCM (Flüssigkristallanzeigemodul)

Das LCM besteht aus einer primären LCD-Flexplatine und einer nachgeordneten LCD-Flexplatine. Erstere ist eine doppelseitige Platine, während letztere einseitig ist. Der nackte Chip und zusätzliche Widerstands- und Kapazitätselemente sollten direkt auf der Flexplatine montiert werden, um das LCD anzusteuern. Die Verbindung des nackten Chip-ICs hängt im Allgemeinen von ACF (anisotrop leitfähiger Folie) ab, und die flexible Leiterplatte muss erhitzt und gepresst werden. Daher sollten kupferkaschierte Polyimidfolien ohne Klebstoff in einseitiger und doppelseitiger Ausführung verwendet werden.

Flexible Leiterplatten, die in Mobiltelefonen verwendet werden, bestehen hauptsächlich aus Polyimidplatten und erfordern Dünnheit, Klebstofffreiheit und Halogenfreiheit. Darüber hinaus sollte die Biegefestigkeit der kupferbeschichteten, nickelbeschichteten und goldbeschichteten Schichten verbessert werden, was zur Verbesserung der gesamten Biegefestigkeit der flexiblen Leiterplatte beiträgt.

Digitale Welle treibt die Entwicklung von mehrlagigen flexiblen Leiterplatten voran

Mehrlagige flexible Leiterplatten wurden in der Anfangsphase der Entwicklung elektronischer Geräte in Laptops, Speicherkarten, Kameras usw. eingesetzt. Mit dem Aufkommen der Digitalisierungswelle werden mehrlagige flexible Leiterplatten nun weit verbreitet in LCDs (Flüssigkristallanzeigen), DVD-Optikköpfen, Digitalkameras, digitalen Videokameras usw. verwendet. So besteht beispielsweise der Verbindungsbereich eines LCD aus einer 8-lagigen flexiblen Leiterplatte mit einer Dicke von 0,6 mm, während eine Digitalkamera eine 6-lagige flexible Leiterplatte nutzt.

Das Design mehrlagiger flexibler Leiterplatten basiert auf dem Konzept, dass Bauteile, Kabelsteckverbinder und Einsteckteile miteinander kombiniert werden. In der Regel wird es als drei- bis zehnlagige Schaltung mit einer minimalen Leiterbahnbreite/-abstand von 0,075 mm/0,075 mm ausgelegt. Die minimale Bohrung für durchkontaktierte Löcher beträgt 0,25 mm und die Bohrung der Anschlussfläche 0,50 mm. Mehrlagige flexible Leiterplatten können auch in BUM-Technologie (Build-Up-Multilayer) gefertigt werden und zeichnen sich aus durchblind/unterirdisch überdessen Öffnung 0,1 mm beträgt und ein Anschluss-Pad, dessen Öffnung 0,3 mm beträgt. Wenn Polyimid als Substratmaterial verwendet wird, kann seine Dicke 25 μm oder 12 μm betragen, und die haftvermittelnden Verbindungsschichten bestehen aus Acrylsäure-Prepreg oder vorimprägniertem Prepreg.

Zu den Hauptproblemen, die bei der Herstellung von mehrlagigen flexiblen Leiterplatten überwunden werden müssen, gehören Positionsrekombination, Oberflächenebenheit und Zuverlässigkeit. Die Lagenregistrierung ist ein wichtiger Index für hochdichte mehrlagige Leiterplatten, und Maßänderungen werden häufig durch die hohe Feuchtigkeitsaufnahme des Polyimids verursacht, das als Substratmaterial für flexible Leiterplatten verwendet wird. Daher ist eine Stabilitätsbehandlung vor und nach dem Laminieren äußerst wichtig. SMDs (Surface Mount Devices) werden hauptsächlich inLeiterplattenbestückungund erfordern eine hohe Ebenheit. Zu den Zuverlässigkeitstests für mehrlagige flexible Leiterplatten gehören hauptsächlich Hochtemperatur-, Hochfeuchtigkeits- und Hochdrucktests, Hoch- und Niedertemperaturwechseltests (-65°C bis 125°C) sowie Prüfungen der thermischen Stoßbelastung (300°C).

Mehrlagige flexible Leiterplatten vereinen sowohl die Biegbarkeit flexibler Leiterplatten als auch die Fähigkeit zur Bestückung von Bauteilen. Darüber hinaus sind sie dünner und zuverlässiger alsFlex-Rigid-LeiterplatteDaher werden mehrlagige flexible Leiterplatten von neuen elektronischen Produkten zunehmend breit akzeptiert werden.

Flex-Rigid-Leiterplatte für Automobile

Ein Kraftfahrzeug enthält zahlreiche elektronische Komponenten, darunter 250 spezialisierte elektronische Steuergeräte, die alle über Leiterplatten und Anschlussleitungen verbunden werden müssen, um das gesamte System zu integrieren. Um Miniaturisierung und Zuverlässigkeit zu erreichen, sollten in aktuellen Anwendungen Starrflex-Leiterplatten eingesetzt werden, die Betriebstransducer, Motorsteuergerät, Bremsassistenzsysteme, elektrische Fensterheber, Antriebssystem und intelligente Systeme umfassen.

Um mit den unterschiedlichen Leistungsanforderungen verschiedener Positionen kompatibel zu sein, sind zwei Arten von starrflexiblen Leiterplatten verfügbar: starrflexible Leiterplatten mit mehrfacher Biegbarkeit und starrflexible Leiterplatten mit teilweiser Biegbarkeit.

• Mehrfach biegbare Starrflex-Leiterplatte

Die mehrfach biegbare Starrflex-Leiterplatte nutzt PI-Flexfolie als Substratmaterial und besteht aus einem starren und einem flexiblen Bereich.

Mehrfach biegbare Starrflex-Leiterplatten eignen sich für Bauteile, die auf mehrfaches Biegen ausgelegt sind. Hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit sollten insbesondere die Wärmebeständigkeit und die Maßstabilität im Fokus stehen. Außerdem sollte der CTE (Wärmeausdehnungskoeffizient) der Prepregs in Z‑Richtung gering sein, um zu verhindern, dass die Wände der durchkontaktierten Bohrungen unter Hochtemperatureinwirkung aufreißen. Neben PI-Klebefolie kann auch No-Flow-FR4-Prepreg verwendet werden. Wenn PEN- oder PET-Material eingesetzt wird, ist die Starrflex-Leiterplatte in der Lage, eine relativ stabile Struktur zu erhalten. Um Hochgeschwindigkeitsübertragung und hohe Zuverlässigkeit zu erreichen, kann auch LCP-Material gewählt werden. Starrflex-Leiterplatten, die diese Materialien verwenden, werden gefertigt, ohne dass vor der Bestückung und dem Löten eine Trocknungsbehandlung erforderlich ist, die hingegen notwendig ist, wenn ein PI-Substratmaterial eingesetzt wird.

• Halb-biegsame Starrflex-Leiterplatte

Die halb biegbare Starrflex-Leiterplatte ist eine Art Leiterplatte, die während der Montage, Nacharbeit und Wartung gebogen werden muss, sodass ein biegsames Substratmaterial mit geringer Flexibilität ausgewählt werden sollte, um die Kosten zu senken. Daher wird ein modifiziertes Epoxidharz-Dünn-FR-4-Substrat eingesetzt, um PI-Folie zu ersetzen. Ähnlich wie bei gewöhnlichen doppelseitigen oder mehrlagigen Leiterplatten wird bei der halb biegbaren Starrflex-Leiterplatte lediglich mehr Aufmerksamkeit auf das Leiterbahn-Design und die Dicke des biegbaren Bereichs gelegt.

Was die Leistung von halb biegsamen Starrflex-Leiterplatten betrifft, weist ihr typischer Typ nur eine Lage Leiterbahn auf, und der biegbare Abschnitt ist 16 mm hoch, mit einem minimalen Biegedurchmesser von 5 mm, der mehr als 10 Biegezyklen standhält. Die weitergehende Anforderung an diesen Typ von Starrflex-Leiterplatte besteht darin, dass der biegbare Abschnitt zwei Lagen Leiterbahnen aufweisen soll, mit einem minimalen Biegedurchmesser von 2 mm, der 10 bis 20 Biegezyklen standhält.

Flexible Leiterplatte für IC-Gehäuse

IC (integrierte Schaltung) wird hergestellt, indem Halbleiter wie Silizium und Germanium zu Wafern verarbeitet und anschließend in Chips geschnitten werden, die dann weiter zu Schaltungen integriert werden. IC führt zu zahlreichen Arten von Gehäusen und entwickelt sich mit Miniaturisierung und hoher Integrationsdichte, wie z. B. DIP (Dual-Inline-Gehäuse), QFP (Quad Flat Package), PGA (Pin Grid Array), BGA (Ball Grid Array), CSP (Chip-Scale Package), SiP (System in a Package) und MCP (Multi-Chip Package) oder MCM (Multi-Chip Module).

Leiterplatten für IC-Gehäuse, auch IC-Trägerplatten genannt, sind ein Zweig der Leiterplattentechnik. IC-Trägerplatten werden in anorganische Platten (Keramikbasis) und organische Platten (Harzbasis) unterteilt, und organische Platten lassen sich in starre und flexible Platten einteilen. Wenn Chips direkt auf flexible Platten montiert werden, entsteht eine Art IC-Trägerband, COF. Mit dem Eintritt der IC-Gehäuse in die Ära von BGA, CSP und MCP wird der Einsatz flexibler Platten stark zunehmen.

Flexible Leiterplatten stehen vor hohen Anforderungen an Dichte und Geschwindigkeit, was sich technisch in drei Aspekten zeigt. Erstens wird der Leiterbahnabstand zunehmend verringert. Die minimale Leiterbahnstruktur von COF‑Bändern beträgt 30 μm (Leiterbahn/Abstand 15 μm/15 μm), was mit herkömmlicher Kupferfolien‑Ätztechnologie nur selten erreicht wird. Daher wird im Allgemeinen ein semiadditives Verfahren eingesetzt. Zweitens muss die Lötstoppmaske auf der Oberfläche des Pads flach und gleichmäßig sein, geeignet für Kugellöten oder Golddrahtbonden. Üblicherweise werden Zinnbeschichtung oder Nickel/Gold‑Beschichtung verwendet, und es sollte eine hochwertige Plattierungsschicht gewählt werden, um die Flexibilität zu erhalten. Drittens sollte das Basismaterial hervorragende Hochfrequenzeigenschaften mit niedriger Dielektrizitätskonstante und geringem dielektrischen Verlust aufweisen.

Zunehmend breitere Anwendungen von Flex-Rigid-PCBs

Die Starrflex-Leiterplatte besteht aus zwei Teilen: starrer Leiterplatte und flexibler Leiterplatte. Die starre Leiterplatte wird aus starrem Substratmaterial mit hoher Festigkeit hergestellt und lässt sich nur schwer biegen. SMDs können fest auf der starren Leiterplatte montiert werden, was sich von dem starren Bereich einer mehrlagigen flexiblen Leiterplatte unterscheidet, der von der Dicke abhängt. Zu den Problemen, mit denen Starrflex-Leiterplatten konfrontiert sind, gehören:

•Der flexible Teil wird zunächst erzeugt, indem ein Substratmaterial mit geringer Feuchtigkeitsaufnahme und ausgezeichneter Maßstabilität ausgewählt wird. PolyimidCCL (kupferkaschierte Leiterplatte)mit einer zweilagigen Struktur schneidet besser ab als Polyimid-CCL mit einer dreilagigen Struktur.

•Der starre Teil besteht hauptsächlich aus FR4-Basismaterial. Die Verbindung zwischen starrem und flexiblem Teil wird durch den Einsatz von Prepreg hergestellt. Um ein Überlaufen von Epoxidharz auf den flexiblen Teil zu verhindern, wird ein vorimprägniertes Material verwendet, bei dem kein oder nur sehr wenig Epoxidharz fließt.

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