Materialien für flexible Leiterplatten

 

Frage: Flex-Designs sind für mich noch Neuland. Was sollte ich über die hierfür verwendeten Materialien wissen?

Wenn Sie sich bisher noch nicht mit flexiblen Materialien beschäftigt haben, wissen Sie womöglich nicht, wo Sie anfangen sollen. Denn genau wie bei starren Leiterplatten gibt es auch hier eine verwirrende Vielfalt von Optionen. Daher kommt es – genau wie bei den Materialien für starre Leiterplatten – zunächst darauf an, sich mit den „Grundlagen“ vertraut zu machen. Sie werden feststellen, dass die meisten Designs innerhalb normaler Parameter liegen. Und sobald Sie die Grundlagen gut kennen, kommen Sie auch besser mit Spezialfällen zurecht.

Um das Thema etwas einzugrenzen, werde ich mich in diesem Blogbeitrag ausschließlich mit reinen Flex-Konstruktionen befassen und die Auseinandersetzung mit Materialien für Rigid-Flex-Designs auf spätere Blogposts verschieben. Werfen wir also zunächst einen Blick auf das gängigste Material für flexible Leiterplatten: Laminatkonstruktionen aus Kupfer und Polyimid.

Grundsätzlich bestehen diese Konstruktionen üblicherweise aus einer Schicht Walzkupferfolie und einer Schicht Polyimid und können klebstoffbasiert oder klebstofflos gefertigt werden. Bei der Herstellung von klebstoffbasierten Materialien können Standard-Acrylkleber oder schwer entflammbare Acrylkleber eingesetzt werden, je nach den Anforderungen an das Endprodukt.

Was ist der Unterschied zwischen Walzkupfer (RA-Kupfer) und Elektrolytkupfer (ED-Kupfer)?

Starre Leiterplatten werden meist mit Elektrolytkupfer (ED-Kupfer) gefertigt. ED-Kupfer wird durch ein galvanisches Verfahren gewonnen, bei dem eine Kupfersulfatlösung in eine langsam rotierende, polierte Trommel geleitet wird. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes lagert sich das Kupfer an der Trommelwand an. Dabei wird die Kupferschicht umso dicker, je langsamer sich die Trommel dreht. Außerdem ist zu beachten, dass die an der Trommel anliegende Seite des Endprodukts eine glattere Oberfläche aufweist.

Flexible Laminate enthalten dagegen typischerweise Walzkupfer (RA-Kupfer). Zur Herstellung dieser Kupferfolien werden reine Kupferbarren in einer Walzanlage ausgewalzt und dann bei hohen Temperaturen geglüht. RA-Kupfer weist im Vergleich zu ED-Kupfer eine höhere Duktilität und Dehnung auf und eignet sich daher bestens für die Fertigung von biegsamen Leiterplatten.

Wann würden Sie klebstofflosen Materialien den Vorzug vor klebstoffbasierten Materialien geben?

Klebstoffbasierte Materialien sind der Standard für flexible Leiterplatten, insbesondere bei reinen Flex-Designs. Sie haben sich über Jahrzehnte bewährt und kommen vor allem bei der Herstellung von einseitigen und doppelseitigen PCBs zum Einsatz. Dabei sind diese Materialien meist billiger als klebstofflose Materialien. Ist das nicht verrückt? Obwohl die Fertigung hier mehr Grundstoffe erfordert, liegen die Kosten niedriger.

Ein typisches klebstoffbasiertes Laminat besteht aus einer Kupferschicht, einer Klebstoffschicht mit einer Dicke von einem mil, einer Polyimidschicht, einer weiteren Schicht Klebstoff und einer zweiten Kupferschicht.

Bei klebstofflosen Materialien fallen die Klebstoffschichten natürlich weg, sodass doppelseitige Laminate um zwei mil dünner sind.

Diese Materialien werden vor allem zur Realisierung von mehrlagigen Flex- oder Rigid-Flex-Designs empfohlen, da sie in Sachen Qualität und Zuverlässigkeit höheren Ansprüchen genügen. Beispielsweise bieten klebstofflose Materialien die Möglichkeit, die Z-Achsen-Ausdehnung von Acrylklebstoffen zu vermeiden und dadurch das Risiko für die Integrität von plattierten Durchkontaktierungen zu minimieren. Außerdem lässt sich bei reinen Flex-Designs mit einer hohen Anzahl von Ebenen durch das Eliminieren der Klebstoffschichten die Dicke des Endprodukts um ein mil pro Kupferlage reduzieren. Das steigert zugleich die Flexibilität.

Welche Materialkonstruktionen sind auf dem Markt verfügbar?

Die Auswahl ist riesig. Kupfer ist üblicherweise in Stärken zwischen 9 und 70 μm erhältlich. Das bedeutet jedoch nicht, dass Kupferschichten nicht dicker sein können, sondern nur, dass Ihr Hersteller in diesem Fall das Laminat aus Rohkupfer, Klebstoff und Polyimid selbst herstellen muss und kein vorgefertigtes Laminat verbauen kann. Klebstoffschichten können zwischen 0,5 und 2 mil dick sein, während bei Polyimid Stärken zwischen 0,5 und 5 mil möglich sind. Bei speziellen Anforderungen können Sie also genau die Kombination von Materialien und Materialstärken beschaffen, die jeweils am besten geeignet ist.

Welche Materialkonstruktionen sind am gängigsten und am besten verfügbar?

Obwohl Sie Konstruktionen mit beliebigen Schichtstärken ordern können, ist das nicht immer empfehlenswert. Wenn Sie Kosten und Vorlaufzeiten minimieren möchten, sollten Sie sich auf Konstruktionen mit Klebstoffschichten von einem mil (bei klebstoffbasierten Materialien) sowie mit Kupferstärken von 17 oder 35 μm und Polyimidschichten von einem oder zwei mil beschränken. Diese Kombination ist weit verbreitet, was die Suche nach einem geeigneten Zulieferer in vielen Fällen verkürzt und sich in günstigeren Preisen niederschlägt.

Abgesehen von der Verwendung gängiger Materialkonstruktionen – welche weiteren Möglichkeiten gibt es, die Kosten zu senken?

Neben der allgemeinen Verbreitung und Verfügbarkeit der verschiedenen Materialien gibt es noch einen weiteren wichtigen Kostenaspekt, den Sie berücksichtigen sollten: Ermitteln Sie, welche Materialien Ihr bevorzugter Hersteller auf Lager hat. Denn letztlich setzt hier jeder Hersteller andere Schwerpunkte, was einen beträchtlichen Einfluss auf ihre Materialkosten und Vorlaufzeiten hat. Dies lässt sich an einem einfachen Beispiel illustrieren: Im Allgemeinen sind klebstoffbasierte Materialien billiger als klebstofflose. Doch wenn Ihr Hersteller einen hohen Anteil von Rigid-Flex- oder mehrlagigen Flex-Designs produziert, beschafft er wahrscheinlich regelmäßig klebstofflose Materialien in großen Mengen, was die Kosten reduziert, und verfügt über umfangreiche Lagerbestände, was die Vorlaufzeit der Produktion verkürzt. Daher möchte ich Ihnen empfehlen, schon in der Frühphase des Designprozesses den Kontakt zu Ihrem Hersteller zu suchen. Die meisten Hersteller geben gern über ihre Lagerbestände Auskunft. Und wenn Sie speziell nach den gängigsten Materialien fragen, können Sie sich für eine Option entscheiden, die keine speziellen Materialbestellungen erfordert und somit einen sofortigen Beginn der Produktion ermöglicht.

Sie haben noch Fragen?

In künftigen Blogbeiträgen werde ich mich den Materialien für Rigid-Flex-Designs widmen. Außerdem erfahren Sie dort, wie Sie sicherstellen können, dass die von Ihnen gewählten Materialien und Ihr Design den einschlägigen Best Practices entsprechen. Bei Fragen stehe ich Ihnen gern zur Verfügung. Hinterlassen Sie einfach einen Kommentar zu diesen Blogbeitrag und Sie erhalten mit Sicherheit eine Antwort!

 

 

About the Author

Tara Dunn


Tara is a recognized industry expert with more than 20 years of experience working with: PCB engineers, designers, fabricators, sourcing organizations, and printed circuit board users. Her expertise is in flex and rigid-flex, additive technology, and quick-turn projects. She is one of the industry's top resources to get up to speed quickly on a range of subjects through her technical reference site PCBadvisor.com and contributes regularly to industry events as a speaker, writes a column in the magazine PCB007.com, and hosts Geek-a-palooza.com.

Her business Omni PCB is known for its same day response and the ability to fulfill projects based on unique specifications: lead time, technology and volume.

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