Erweiterung der Optionen für Rigid

Ken Ghadia | 10. März 2023

Der Bau von Elektronik in unkonventionellen Formfaktoren mit hoher Packungsdichte ist dank dreidimensionaler Schaltungsdesigns mit flexiblen und starrflexiblen Leiterplatten (PCBs) möglich. Fortschrittliche Anwendungen in medizinischen Geräten, Automobilen und Luft- und Raumfahrtsystemen hängen weitgehend von der Flexibilität und Stabilität ab, die flexible gedruckte Schaltkreise (FPC) bieten. Diese Vorteile haben sie auch in der Wearables-Industrie und in der miniaturisierten Elektronik beliebt gemacht. Der rasante Fortschritt bei Leiterplattenmaterialien und Fertigungstechnologien hat unzählige Konfigurationen in den Flex- und Starr-Flex-Leiterplattendesigns ermöglicht.

Abhängig von der erforderlichen Biegsamkeit Ihres Produkts können Sie für Ihr Design zwischen Flex- oder Starrflex-Leiterplatten wählen. Die Komplexität, die mit der Unterbringung mehrerer Funktionen verbunden ist, erfordert höhere Signalschichten im PCB-Aufbau. Ein flexibles Band überträgt Signale zwischen den Platinen und verfügt über einen ähnlichen Stapel wie der starre Abschnitt. Durch den Einsatz modernster Design- und Layout-Tools können Sie ganz einfach den nötigen Aufbau für Ihr Produkt aufbauen. Es beginnt mit einer gleichmäßig geschichteten, symmetrischen Struktur bis hin zu einer fortschrittlichen Luftspalt-Flexschichtkonstruktion. Wir werden einige der Konfigurationen diskutieren, die in den aktuellen elektronischen Designs verwendet werden.

Eine einfache Starr-Flex-Leiterplatte beginnt mit zwei starren und einer flexiblen Schicht. Diese Konfiguration bietet nur begrenzte Funktionen und wird in heutigen Gadgets kaum noch verwendet. Eine typischere Struktur umfasst vier starre Schichten mit zwei flexiblen Schichten. Tabelle 1 stellt einen gleichmäßig geschichteten, symmetrischen Aufbau dar, der impedanzkontrollierte Leiterbahnen unterstützen kann.

FR4 ist das am häufigsten verwendete starre Isolationsmaterial für Leiterplatten. IPC 2221 bietet eine Liste empfohlener Materialien basierend auf den Produktklassifizierungen. Bänder bestehen aus flexiblem Polyimid. Sie sind im Vergleich zu den Platinen, die sie verbinden, dünner. Ihr Aufbau ähnelt jedoch dem der inneren Schichten der starren Leiterplatte. Die Deckschicht im flexiblen Bereich erfüllt die gleiche Funktionalität wie die Lötmaske des starren Abschnitts. Bei der Herstellung von starr-flexiblen Leiterplatten wird häufig eine LPI-Lötmaske (Liquid Photo Imageable) verwendet.

Vier starre Schichten mit zwei flexiblen Schichten

STARR

BIEGEN

STARR

Lötmaske

Lötmaske

Kupferschicht 1

Kupferschicht 1

FR4-Substrat

FR4-Substrat

Prepreg

Deckschicht

Prepreg

Deckkleber

Kupferschicht 2

Kupferschicht 1

Kupferschicht 2

Polyimidkern – ohne Klebstoff

Polyimidkern – ohne Klebstoff

Polyimidkern – ohne Klebstoff

Kupferschicht 3

Kupferschicht 2

Kupferschicht 3

Prepreg

Deckkleber

Prepreg

Deckschicht

FR4-Substrat

FR4-Substrat

Kupferschicht 4

Kupferschicht 4

Lötmaske

Lötmaske

Tabelle 1

In Tabelle 1 oben gibt es vier Signalschichten im starren Abschnitt und zwei Signalschichten im flexiblen Abschnitt. In jedem allgemein verwendeten Starr-Flex-Leiterplattendesign können bis zu 20 starre Schichten und etwa sechs flexible Schichten vorhanden sein.

Es ist zu erkennen, dass die Flexschichten genau in der Mitte des Stapels platziert sind, um ein symmetrisches Design zu schaffen. Dies wird bevorzugt, um die mechanische Stabilität der Leiterplatte zu erreichen. Obwohl einige Anwendungen asymmetrische Strukturen erfordern, kann eine ausgewogene Stapelung mögliche Verdrehungen oder Verformungen der Platine minimieren.

ZIF-Steckverbinder (Zero Insertion Force) werden häufig zum Verriegeln empfindlicher Flachbandkabel wie FPC-Kabel verwendet. Um einen separaten flexiblen Schaltkreis für ZIF-Stecker zu vermeiden, können Sie Ihr Design direkt mit einer ZIF-Endstückkonstruktion erweitern. Dies spart viel Platz in starren Leiterplattenbereichen und verbessert die Signalkonnektivität.

Betrachtet man das gleiche Beispiel eines gleichmäßig geschichteten symmetrischen Aufbaus mit vier starren Schichten und zwei flexiblen Schichten, können Sie den rechten Abschnitt des Aufbaus modifizieren, um eine ZIF-Schwanzkonstruktion zu integrieren, wie in Tabelle 2 unten gezeigt.

Vier starre Schichten mit zwei flexiblen Schichten und ZIF-Kontakten

STARR

BIEGEN

ZIF-Tail-Konstruktion

Lötmaske

Kupferschicht 1

Polyimid-Versteifung

FR4-Substrat

Klebstoff

Prepreg

Deckschicht

Deckschicht

Deckkleber

Deckkleber

Kupferschicht 2

Kupferschicht 1

Kupferschicht 1

Polyimidkern – ohne Klebstoff

Polyimidkern – klebstofffrei

Polyimidkern – ohne Klebstoff

Kupferschicht 3

Kupferschicht 2

Kupferschicht 2

Prepreg

Deckkleber

Deckschicht

FR4-Substrat

Kupferschicht 4

Lötmaske

Tabelle 2

Die ZIF-Steckerspezifikationen definieren eine strenge Maßtoleranz für die präzise Platzierung der Kontaktfinger. In dieser Konfiguration können maximal vier Flexschichten untergebracht werden. Bei der Konstruktion werden jedoch häufig eine oder zwei flexible Schichten verwendet. Zur Erfüllung der ZIF-Dickenanforderungen ist eine Polyimid-Versteifung mit einer Dicke von etwa 0,05 mm bis 0,20 mm im Lieferumfang enthalten.

Starrflexible Leiterplatten können mit verschiedenen Abschirmungsmethoden entworfen werden, um Produkte wie Mobiltelefone, MRT-Geräte und Radarsysteme vor externen EMI-Strahlungen zu schützen. Eine solche Konfiguration mit einer Abschirmfolienschicht ist in der folgenden Tabelle 3 dargestellt. Auch hier wird die Konfiguration mit vier starren Schichten mit zwei flexiblen Schichten betrachtet. Die Abschirmfolienschicht wird unter Hitze und Druck auf die Außenfläche der Deckschicht laminiert. Diese Methode ist kostengünstiger und beliebter im Vergleich zu Abschirmtechniken mit Kupferschicht oder Silbertinte.

Vier starre Schichten mit abgeschirmten flexiblen Schichten

STARR

BIEGEN

STARR

Lötmaske

Lötmaske

Kupferschicht 1

Kupferschicht 1

FR4-Substrat

Schildschicht

FR4-Substrat

Prepreg

Deckschicht

Prepreg

Deckkleber

Kupferschicht 2

Kupferschicht 1

Kupferschicht 2

Polyimidkern – ohne Klebstoff

Polyimidkern – ohne Klebstoff

Polyimidkern – ohne Klebstoff

Kupferschicht 3

Kupferschicht 2

Kupferschicht 3

Prepreg

Deckkleber

Prepreg

Deckschicht

FR4-Substrat

Schildschicht

FR4-Substrat

Kupferschicht 4

Kupferschicht 4

Lötmaske

Lötmaske

Tisch 3

Die zunehmende Anzahl von Signalschichten wirkt sich auf die Biegefähigkeit von Starrflex-Leiterplatten aus. Um jedoch die Vorteile der Flexibilität und der reduzierten Kosten beizubehalten, empfiehlt IPC, zwei oder mehr flexible Schichten zusammen als einen Satz zu konfigurieren. Eine solche Konfiguration wird als Luftspaltkonstruktion bezeichnet und macht flexible Klebstoffe in den starren Bereichen der Leiterplatte überflüssig. Bei dieser Konfiguration biegen sich die Flex-Sets separat und minimieren Probleme mit der Inkonsistenz der Durchkontaktierungen.

Tabelle 4 zeigt eine Starr-Flex-Konfiguration mit Luftspaltkonstruktion. Es umfasst einen Stapel mit sechs starren Schichten und vier flexiblen Schichten. Jedes Paar flexibler Schichten ist auf beiden Seiten mit einer Deckschicht gruppiert. Zwischen den beiden Flexlagenpaaren wird gemäß den IPC 2223-Richtlinien ein Luftspalt aufgebaut. Der IPC-Verbindungsstresstest hat erfolgreich eine höhere Zuverlässigkeit einer Starrflex-Leiterplatte mit Luftspaltkonstruktion nachgewiesen, indem eine Musterplatine schnellen Temperaturwechseln ausgesetzt wurde.

Obwohl dieser Prozess eine zusätzliche Deckschicht auf beiden Seiten der Flexpaare hinzufügt, lohnt sich die Implementierung aufgrund der Vorteile einer höheren Ausbeute und einer zuverlässigen Leistung.

Sechs starre Schichten mit vier flexiblen Schichten mit Luftspaltkonstruktion

STARR

BIEGEN

STARR

Lötmaske

Lötmaske

Kupferschicht 1

Kupferschicht 1

FR4-Substrat

FR4-Substrat

Prepreg

Deckschicht

Prepreg

Deckkleber

Kupferschicht 2

Kupferschicht 1

Kupferschicht 2

Polyimidkern – ohne Klebstoff

Polyimidkern – ohne Klebstoff

Polyimidkern – ohne Klebstoff

Kupferschicht 3

Kupferschicht 2

Kupferschicht 3

Prepreg

Deckkleber

Prepreg

Deckschicht

LUFTSPALT

Deckschicht

Deckkleber

Kupferschicht 4

Kupferschicht 3

Kupferschicht 4

Polyimidkern – ohne Klebstoff

Polyimidkern – ohne Klebstoff

Polyimidkern – ohne Klebstoff

Kupferschicht 5

Kupferschicht 4

Kupferschicht 5

Prepreg

Deckkleber

Prepreg

Deckschicht

FR4-Substrat

FR4-Substrat

Kupferschicht 6

Kupferschicht 6

Lötmaske

Lötmaske

Tabelle 4

Bei allen bisher besprochenen Konfigurationen handelt es sich überwiegend um gleichmäßig geschichtete und symmetrische Konstruktionen. Es ist aber auch möglich, einen Stapel mit ungeraden Schichten aufzubauen. Anwendungen, die GND-SIGNAL-GND-Konfigurationen für die doppelseitige Abschirmung in flexiblen Bereichen erfordern, können vorzugsweise die Strategie der ungeraden Schichten anwenden. Dies reduziert die Konstruktionskosten und verbessert die Biegefähigkeit.

Anstatt flexible Schichten in der Mitte des Stapels zu platzieren, können sie für ein asymmetrisches Design nach oben oder unten verschoben werden. Eine solche Konfiguration kann verwendet werden, wenn für ein Design unterschiedliche Anforderungen an die Dicke des Dielektrikums gelten. Die unausgeglichene Konfiguration wirkt sich jedoch auf die mechanische Festigkeit der Platine aus, sodass die Platine während des Montageprozesses angemessen abgestützt werden muss.

Auch Ausführungen mit unterschiedlichen Starrbereichsdicken oder unterschiedlichen Flexschichten sind möglich. Viele Leiterplattenhersteller bieten verschiedene Starr-Flex-Leiterplattenkonfigurationen an, z. B. abreißbare Panels, Kantenbeschichtung, Buchbinderformate usw.

Bei Starrflex-Leiterplatten sind mehrere alternative Designkonfigurationen möglich. Sie können mehrere Funktionalitäten mit verbesserter Schaltkreisdichte und hervorragender Verpackung implementieren. Ein erfahrener Hersteller von starren flexiblen Leiterplatten kann eine praktikable und kostengünstige Konfiguration für Ihre Designanforderungen vorschlagen.

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