Flexible Leiterplatten sind PCBs mit einem flexiblen Substratmaterial und einigen Kupferschichten, die das Biegen ermöglichen. Diese Flexibilität bringt mehrere Vorteile mit sich, wie effiziente Raumnutzung und Stoß-/Vibrationsbeständigkeit, die in verschiedenen Anwendungen kritisch sind.
Schauen wir uns verschiedene Aspekte dieser PCB an, einschließlich ihrer gängigen Konstruktionsmaterialien, des Herstellungsprozesses, der Vorteile und mehr!
Was ist eine Flexible Leiterplatte?
Wie bereits erwähnt, ist eine flexible PCB eine Leiterplatte mit einem biegsamen Basismaterial, das üblicherweise aus Polyimid besteht.
Die Materialien, aus denen die anderen Schichten bestehen, sind ebenfalls flexibel und können dem Biegen standhalten, ohne zu brechen oder zu reißen.
Sie können Flex-PCBs biegen, falten oder verdrehen, um sie in enge Räume einzupassen, was wichtig ist, wenn Sie möchten, dass sich die Schaltung an die Form des Endproduktgehäuses anpasst, wie z.B. bei einem Wearable.
Ein weiterer wichtiger Vorteil von Flex-PCBs ist ihre Vibrationsbeständigkeit, die sie für Automobil-, Luft- und Raumfahrtanwendungen geeignet macht.
Arten von Flexiblen Leiterplatten
Hier sind die Arten von flexiblen PCBs:
Einseitige Flex-PCBs
Sie sind die häufigsten Flex-PCBs, die Sie finden können. Sie haben eine Leiterschicht mit einem flexiblen dielektrischen Film.
Auch nur einseitig bedruckt, was sie günstiger in der Herstellung macht.
Doppelseitige Flex-PCBs
Sie haben Drucke auf beiden Seiten des dielektrischen Materials. Folglich enthalten sie mehr Komponenten und bieten eine bessere Leistungshandhabung als andere Platinen.
Nachteilig ist, dass sie teurer in der Herstellung sind.
Mehrschicht-Flex-PCBs
Sie haben mehr als zwei Leiterschichten, was sie für militärische und Luft- und Raumfahrtanwendungen geeignet macht.
Außerdem enthalten sie dichte Schaltkreise und sind teurer in der Herstellung.
Starr-Flexible PCBs
Wie der Name schon sagt, sind sie eine Mischung aus starren und flexiblen Leiterplatten. Genauer gesagt sind es starre Leiterplatten mit flexiblen Verbindungssubstraten.
Aufgrund ihrer Konstruktion finden Sie sie hauptsächlich in Smart Devices und militärischen Anwendungen.
HDI Flex-PCBs
HDI ist die Abkürzung für High-Density Interconnect (Hochdichte-Verbindung).
HDI Flex-PCBs haben mehrere Mikrovias und feine Strukturen, die es ermöglichen, eine höhere Verdrahtungsdichte pro Flächeneinheit als bei traditionellen Leiterplatten zu haben.
Die hohe Verdrahtungsdichte erhöht auch die Funktionalität der Platine, da Sie mehr Komponenten darauf montieren können.
Ein weiteres charakteristisches Merkmal von HDI Flex-PCBs ist, dass sie dünnere Substrate als normale flexible Leiterplatten aufweisen, was ihre Größe reduziert und ihre elektrische Leistung erhöht.
Was sind die Vorteile von Flex-Leiterplatten?
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Kompaktes und Leichtes Paket: Flexible PCBs haben dünnere Substrate, Kupferschichten und andere Materialien als ihre starren Gegenstücke. Dünne Materialien bedeuten auch leichte Platinen, was zu einer kleineren Paketgröße und einem geringeren Gewicht für das Endprodukt führt.
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Flexibilität: Flex-Platinen können während der Installation mehrere Ebenen verbinden und können mehrmals gebogen werden, ohne auszufallen.
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Hohe Zuverlässigkeit: Verbindungspunkte sind bei starren Platinen üblich und anfällig für Ausfälle. Flexible PCBs reduzieren die Verbindungspunkte in Schaltkreisen, was die Zuverlässigkeit des Produkts erhöht. Zusätzlich können FPC-Platinen Stößen und Vibrationen standhalten, was Fahrzeugelektronik und andere Produkte hochzuverlässig macht.
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Ermöglicht Hochdichte-Konfigurationen: Da sie extrem enge Räume und Leitungen ermöglichen, schaffen flexible PCBs Platz für hochdichte Gerätepopulationen, um zusätzliche Produktmerkmale zu ermöglichen.
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Designfreiheit: Das Design von flexiblen PCBs ist nicht auf zwei Schichten beschränkt. Die Platinen können mehrere Schichten haben, einige kombinieren sogar starre Schaltkreise in verschiedenen Abschnitten. Daher können diese PCBs komplexe Konfigurationen haben, um anspruchsvolle Schaltkreise zu handhaben.
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Verbesserter Luftstrom: Die stromlinienförmigen Designs dieser PCBs ermöglichen es der kühlen Luft, leicht durch das Produkt zu fließen und die Wärme schneller abzuleiten.
Was sind die Nachteile von Flexiblen PCBs?
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Hohe Herstellungskosten: Die Materialien zur Herstellung flexibler Platinen sind teurer als die zur Herstellung starrer PCBs verwendeten. Zusätzlich ist der Herstellungsprozess komplexer und es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit von Beschädigungen bei der Handhabung.
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Schwierig zu Überarbeiten: Das Überarbeiten flexibler Platinen (Reparaturen oder Modifikationen) ist schwierig, da man den Schutzfilm entfernen, das Problem beheben und dann diesen Film wiederherstellen muss.
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Begrenzte Komponentendichten: Die dünne und flexible Natur dieser Platinen begrenzt die Anzahl und Arten von Komponenten, die Sie an Bord montieren können. Hohe Dichten oder große, schwere Komponenten können das Substrat belasten oder sogar zum Brechen bringen.
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Mehrfache Design-Komplexitäten: Einige Designregeln, wie keine Vias in Biegebereichen, das Staffeln von Leitern auf Mehrschichtplatinen, die Verwendung spezifischer Abdeckungen usw., machen das Design flexibler PCBs komplex.
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Anfälligkeit für Schädliche Umweltbedingungen: Flexible Platinen sind anfälliger für Chemikalien, Hitze, Feuchtigkeit und andere Umweltfaktoren als starre Platinen. Daher sind sie möglicherweise nicht die beste Option für einige Anwendungen.
Was sind Gängige Flexible PCB-Materialien?
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Leiter: Das häufigste Leitermaterial in PCBs ist Kupfer, aber das in flexiblen Platinen verwendete muss dünner sein. Es ist also entweder geglühtes gewalztes Kupfer oder galvanisch abgeschiedenes Kupfer. Andere Materialien, die als Leiter verwendet werden können, sind Aluminium, Inconel, Silbertinte, Konstantan und Kupfernickel.
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Klebstoffe: Diese Materialien verbinden die Schichten miteinander und umfassen Epoxid, Acryl oder PSAs (Druckempfindliche Klebstoffe).
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Isolatoren: Isolatoren trennen die leitenden Schichten und umfassen Polyimid, Polyester, PEN, PET, PEEK oder LCP. Lötstopplack, eine Epoxidflüssigkeit, ist ebenfalls ein Isolator.
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Oberflächen: Oberflächenbeschichtungen auf den freiliegenden Kupferbereichen können ENIG, ENEPIG, Zinn, OSP, Hartgold oder Hartnickel sein. Es gibt mehrere andere Optionen, aber ENIG ist die beliebteste.
Warum Versteifungen auf Flex- und Starr-Flex-PCB-Platinen Verwenden?
Versteifungen bieten mechanische Festigkeit für die PCB, was Haltbarkeit und Zuverlässigkeit verbessert. PCB-Versteifungen können auf jeder Seite der Platine hinzugefügt werden, und ihre Anforderungen fallen unter diese Verwendungskategorien:
- Versteifen von Steckerabschnitten zur Verbesserung der Spannungsentlastung bei wiederholtem Einstecken oder beim Tragen großer, schwerer Stecker
- Zur Erfüllung der ZIF (Zero Insertion Force) Dickenanforderungen
- Erstellen einer ebenen Fläche zum Platzieren von SMT-Pads und Komponenten
- Zur Unterstützung bei lokalisierten Biegebeschränkungen
- Reduzierung von Komponentenstress
- Zur Verbesserung der Wärmeableitung (Metallversteifungen)
- Reduzierung der Ausfallwahrscheinlichkeit bei automatisierter Montage
Gibt es Überlegungen beim Design Flexibler Leiterplatten?
Bevor man in den Herstellungsprozess einsteigt, muss die flexible PCB richtig designt werden, und es ist wichtig, diese Designüberlegungen im Kopf zu behalten.
Betriebsumgebung
Berücksichtigen Sie die endgültige Betriebsumgebung der Platine, die bestimmt, ob sie Schutzschichten für Chemikalien, hohe Temperaturen oder Feuchtigkeit benötigt.
Biegeradius
Dieser Begriff bezieht sich auf das Verhältnis zwischen Biegeradius und Platinendicke. Das Verhältnis ist wichtig zu berücksichtigen, da Platinen mit unterschiedlicher Schichtanzahl unterschiedliche Biegeradien haben, und je enger der Biegeradius, desto höher die Ausfallwahrscheinlichkeit beim Biegen.
Leiter und Routing
Die Kupferleiterbahnen und ihre Übertragungspfade sollten sorgfältig analysiert werden, um festzustellen, ob sie beim Biegen beeinträchtigt werden. Leiter sollten senkrecht zu den Biegebereichen geroutet werden, um ein Brechen zu vermeiden.
Pad-Verrundungen
Diese Ergänzungen sind notwendig, wenn der Pad-Durchmesser die Breite des Verbindungsstrangs überschreitet, da sie die Ätzausbeute und Materialfestigkeit verbessern.
Reißentlastung
Berücksichtigen Sie einen großen Eckradius, Versteifungen und Entlastungsschlitze, um ein Reißen der PCB zu vermeiden.
Vias
Blind- und vergrabene Vias sollten nur bei Bedarf für Mehrschicht-PCBs verwendet werden, da sie die Fertigungskosten erheblich erhöhen.
Planschichten und Abschirmung
Masse- oder Referenzplanschichten sind entscheidend für Abschirmung, Impedanzkontrolle und Signalintegrität. Diese soliden Kupferschichten machen die Platine jedoch steifer, daher sollten sie in die Berechnung des Biegeradius einbezogen werden.
Signalintegrität und Kontrollierte Impedanz
Faktoren wie die Dielektrizitätskonstante der Isolationsmaterialien, Leiterbahnbreite und der Abstand der Signalleiterbahn von der Referenzebene bestimmen die Signalintegrität und Impedanz.
Wie man Flexible Leiterplatten Herstellt: Schritt-für-Schritt-Herstellungsprozess
Dieser Prozess ist nuanciert, je nachdem ob die flexible Platine eine oder mehrere (2 oder mehr) Schichten hat, folgt aber im Allgemeinen den unten aufgeführten Schritten nach Materialauswahl und Kupferbeschichtung.
Schneiden des Kupferkaschierten Laminats
Die flexible PCB beginnt als Rolle eines kupferkaschierten Laminats, das zu einem halbfertigen Kupferfolienblatt der erforderlichen Verarbeitungsgröße geschnitten wird.
Bohren
Je nach Designdateien werden Löcher mit spezifischen Durchmessern durch das Laminat gebohrt, entweder mechanisch oder mit Laser. Letzteres wird bevorzugt, da es keinen Druck auf die PCB ausübt. Diese Löcher werden dann gereinigt und plattiert.
Trockenfilm-Laminierung
Trockenfilme sind lichtempfindliche Resists, die bei der Übertragung des Schaltungsbildes auf die Kupferschicht helfen. Dieses Fotoresistmaterial wird mit einer beheizten Walze mit dem entsprechenden Druck aufgetragen, um es zu schmelzen und gleichmäßig über dem Kupfer zu formen.
Musterplattierung
Die Musterplattierung kann mit UV-Licht (Fotolithografie) oder LDI durchgeführt werden.
Ätzen
Dieser Prozess erfordert eine korrosive chemische Lösung, um Kupfer aus den nicht ausgehärteten Trockenfilmbereichen zu entfernen. Die Musterplattierung erzeugt einen gehärteten positiven Film auf dem Fotoresistmaterial, um die Schaltung zu bilden. Das Ätzen korrodiert die anderen Abschnitte, um die Schaltung zu hinterlassen.
Trockenfilm-Abziehen und Inspektion
Der gehärtete positive Trockenfilm wird entfernt, um die freiliegende Kupferschaltung zu hinterlassen, die einer Inspektion auf Kurzschlüsse oder offene Schaltkreise mittels AOI unterzogen wird.
Coverlay-Laminierung
Ein Overlay ist ein Film, der auf die PCB aufgetragen wird, um sie vor Oxidation und mechanischen Schäden wie Kratzern zu schützen. Nach dem Auftragen durchläuft die Platine eine Laminierung mit Wärme und Druck unter Verwendung spezifischer Wärme- und Druckparameter, um Schäden zu vermeiden.
Oberflächenbehandlung
Die Oberflächenbehandlung ist wichtig über den freiliegenden Kupferbereichen, um sie vor Oxidation zu schützen. Sie vereinfacht auch das Löten.
Siebdruck
Der Siebdruck gibt die relevanten Informationen auf der Oberfläche an (Testpunkte, Warnsymbole, Logos usw.) und wird mit dem Lötstopplack zum Schutz gedruckt.
Elektrische Prüfung
Die elektrische Prüfung erfordert Techniken wie fliegende Sonden oder Nagelbett, um Kurzschlüsse oder offene Schaltkreise in der PCB zu prüfen.
Stanzen
Das Stanzen bezieht sich auf das Schneiden des Blattes in einzelne PCBs, die den Kundenanforderungen (Designdateien) entsprechen.
Inspektion
Eine visuelle Inspektion ist notwendig, um sicherzustellen, dass die flexible Platine keine Kratzer oder Verunreinigungen aufweist.
Verpackung und Versand
Die fertigen PCBs werden entsprechend den Kundenbedürfnissen vor dem Versand verpackt. Wenn der Kunde Montage benötigt, gehen die Platinen zu diesen Werken, um PCBAs vor dem Versand zu bilden.
Wie man den Richtigen Hersteller für Flexible Leiterplatten Wählt
Flexible PCBs sind empfindliche elektronische Platinen, die ordnungsgemäße Designüberlegungen und sorgfältige Handhabung bei der Herstellung benötigen. Daher sollten Sie die drei E's bei der Auswahl Ihres Herstellers für flexible Platinenmontage berücksichtigen. Diese sind Expertise, Ausrüstung und Erfahrung.
Bei FlexiPCB haben wir ein internes Team von Ingenieuren, die unsere Software und modernste Ausrüstung nutzen, um Ihnen bei Folgendem zu helfen:
- Konzeptentwicklung
- Designoptimierung
- Materialauswahl
- PCB-Stackup-Design
- DFM-Analyse
- Signalintegritätsanalyse
- Leistungsintegritätsanalyse
- Thermische Analyse
- Mechanische Analyse
Da diese Platinen empfindlich zu handhaben sind, können wir den Montageprozess für Sie übernehmen, um alle Komplexitäten zu beseitigen, die auf Ihrer Seite entstehen könnten.
Unsere schlüsselfertige PCB-Montagelösung deckt auch Materialbeschaffung und -einkauf, Qualitätskontrolle, Prüfung, Verpackung, Versand, After-Sales-Support und Wartung ab, und wir empfehlen diesen Service, weil er uns ermöglicht, all die riskante und schwierige Arbeit für Sie zu angemessenen Kosten zu erledigen.
FAQs
Sind flexible PCBs zuverlässig?
Im Allgemeinen sind die meisten flexiblen Leiterplatten zuverlässig und langlebig. Das liegt daran, dass Hersteller diese PCBs mit flexiblen Substratmaterialien wie Polyimid herstellen.
Danach verwenden sie sie in Geräten, die flexibel sein müssen.
Zum Beispiel verwenden wir flexible PCBs in tragbaren Geräten wie Uhren.
Nachteilig ist, dass die Zuverlässigkeit Ihrer flexiblen PCB von der Qualität ihrer Konstruktion abhängt. Schlecht hergestellte werden nicht so zuverlässig sein wie hochwertige PCBs.
Warum sind Flexible PCB-Schaltungen teuer?
Einige flexible PCBs sind aus mehreren Gründen teurer als starre PCBs. Erstens sind sie komplexer zu designen und herzustellen.
Folglich setzen Hersteller mehr Ressourcen ein, um eine flexible PCB herzustellen, als sie es bei traditionellen Leiterplatten tun würden.
Zweitens sind flexible PCB-Substrate teurer als die Materialien, die zur Herstellung starrer PCBs verwendet werden.
Zum Beispiel kosten Polyimid-Substrate mehr als die starren Materialien, die Hersteller in traditionellen PCBs verwenden.
Drittens macht die flexible Natur der PCBs den Herstellungsprozess intensiv und zeitaufwendig.
Insgesamt reduziert es die Anzahl der Platinen, die ein Hersteller in einer bestimmten Zeit herstellen kann.
Dadurch steigen die Herstellungskosten, was sich in höheren Verkaufspreisen niederschlägt.
Fazit
Zusammenfassend erfordern flexible PCBs sorgfältige Planung, Überlegung und Sorgfalt beim Designen, Herstellen und Montieren, um ihre beabsichtigten Vorteile zu erreichen.
Diese Vorteile sind entscheidend für aktuelle und zukünftige Generationen von Elektronik, wo kompakte, leichte und zuverlässige Schaltkreise in verschiedenen Anwendungen erforderlich sein werden.
Mit einem zuverlässigen Fertigungspartner wie uns können wir Ihnen langlebige und hochwertige Flex-Leiterplatten zusichern, weil unser Engagement für Exzellenz und kontinuierliche Verbesserung uns an der Spitze der Branche gehalten hat.
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Zuletzt aktualisiert: 1. Dezember 2024