Kupfergewicht in Rigid-Flex: Warum eine Spezifikation nicht für alle Fälle funktioniert

Vor einigen Jahren bekamen wir ein Starr-Flex-Design auf den Tisch, das bereits mehrere Design-Reviews durchlaufen hatte, bevor es überhaupt in die Fertigung ging. Ein gutes Team, ein gründlicher Prozess, nichts offensichtlich falsch. Als die Leiterplatten zurückkamen, ließ sich der Flexbereich nicht biegen. Überhaupt nicht. Er war über die gesamte Zone starr, die eigentlich flexibel sein sollte. Zu viele Lagen waren über eine zu kurze Strecke hinweg miteinander laminiert.

Beim Re-Spin wurden diese Lagen in der Flexzone voneinander entkoppelt, sodass sie sich unabhängig bewegen konnten. Diese eine Änderung machte den Unterschied zwischen einer funktionierenden und einer nicht funktionierenden Leiterplatte aus.

An dieses Projekt muss ich immer denken, wenn ein Starr-Flex-Design mit einem einzigen Kupfergewicht für die gesamte Leiterplatte spezifiziert wird. Das ist nicht immer falsch, um das klarzustellen. Aber es ist ein Signal, das einen zweiten Blick wert ist, denn das Kupfergewicht in einer Starr-Flex-Leiterplatte ist nicht wirklich eine einzelne Entscheidung, sondern mehrere, und sie wirken mit dem Lagenaufbau auf eine Weise zusammen, die oft erst dann sichtbar wird, wenn sich etwas nicht so bewegt, wie es sollte.

Wichtige Erkenntnisse

• Das Kupfergewicht in Starr-Flex-Designs ist zonenspezifisch. Was im starren Bereich funktioniert, kann in der Flexzone echte Probleme verursachen.
• Der Übergangsbereich zwischen starr und flexibel bringt eigene Anforderungen mit sich.
• Walzgeglühtes Kupfer verhält sich in Flex-Anwendungen anders als galvanisch abgeschiedenes Kupfer, und dieser Unterschied ist wichtig, wenn die Biegelebensdauer eine Anforderung ist.
• Der Lagenaufbau und die Kupferspezifikation müssen gemeinsam entwickelt werden, nicht nacheinander.

Die starre Zone

In den starren Bereichen eines Starr-Flex-Designs ähneln Entscheidungen zum Kupfergewicht stark der üblichen PCB-Praxis. Eine Unze ist ein gängiger Ausgangspunkt. Zwei Unzen kommen ins Spiel, wenn Stromtragfähigkeit oder Impedanz-Anforderungen in diese Richtung drängen. Designregeln, Via-Strukturen und Beschichtungsaspekte sind ähnlich. Das meiste davon ist vertrautes Terrain für alle, die schon einmal starre Leiterplatten entworfen haben.

Hier ist der Haken. Das Kupfergewicht, das Sie in der starren Zone wählen, beeinflusst, was in der Flexzone überhaupt machbar ist, weil beide Teil desselben Laminatsystems sind. Wenn das Kupfer der Außenlagen im starren Bereich schwer ist, wird genau dieses Kupfer in die Flexzone mitgenommen, ob das geplant war oder nicht. Das ist nicht automatisch ein Problem, sollte aber bewusst durchdacht werden.

Die Flexzone

Dies ist die Zone, in der Entscheidungen zum Kupfergewicht den direktesten Einfluss darauf haben, ob die Leiterplatte wie vorgesehen funktioniert.

Schwereres Kupfer bedeutet einen steiferen Schaltkreis. Klingt offensichtlich, aber die praktischen Auswirkungen werden im Layout nicht immer ausreichend berücksichtigt. Halbe Unze Kupfer ist in Flexzonen genau aus diesem Grund üblich. Es lässt sich leichter biegen, verteilt die Spannung gleichmäßiger über den Querschnitt und hält wiederholten Biegezyklen besser stand als schwereres Kupfer. Eine Unze in einer dynamischen Flex-Anwendung sollte vor der Freigabe des Designs mit dem Leiterplattenhersteller besprochen werden. Zwei Unzen sind in einer Flexzone nur selten die richtige Wahl, es sei denn, die Biegeanforderungen sind im Wesentlichen statisch und die Stromtragfähigkeit lässt keine andere Option zu.

Auch die Art der Kupferfolie spielt eine Rolle, und sie gehört zu den Dingen, die ich auf Fertigungszeichnungen am häufigsten unzureichend spezifiziert sehe. Galvanisch abgeschiedenes Kupfer ist in der starren Fertigung der Standard und in starren Zonen völlig in Ordnung. In Flexzonen, die wiederholt gebogen werden, ist jedoch walzgeglühtes Kupfer die bessere Wahl. Seine Kornstruktur verläuft in einer Richtung, die Flexspannungen deutlich besser verkraftet als ED-Kupfer. Wenn die Biegelebensdauer für Ihre Anwendung wichtig ist und RA-Kupfer in der Flexzone nicht ausdrücklich angegeben ist, sollte das genauer betrachtet werden.

Auch die Leiterbahngeometrie wirkt mit dem Kupfergewicht auf eine Weise zusammen, die leicht übersehen wird. Dünneres Kupfer ermöglicht schmalere Leiterbahnen bei einem gegebenen Impedanzziel, was bedeutet, dass sich weniger Kupfermasse mit der Schaltung bewegt. Leiterbahnen senkrecht zur Biegeachse führen, gebogene Leiterführung statt rechter Winkel, ausgewogene Kupferverteilung über den Querschnitt. Alles Standardpraxis im Flexdesign, und all das funktioniert besser mit dem richtigen Kupfergewicht darunter.

Die Übergangszone

Der Bereich, in dem starr auf flexibel trifft, ist der Punkt, an dem viele Starr-Flex-Probleme tatsächlich beginnen, und das Kupfergewicht spielt dabei eine Rolle. Per Definition treten in der Übergangszone Spannungsspitzen auf. Die Schaltung geht von einer eingeschränkten, gestützten Struktur in eine flexible über, und das mechanische Verhalten ändert sich abrupt genau an dieser Grenze. Schweres Kupfer durch den Übergang verschärft diese Abruptheit. Es erzeugt einen steiferen Punkt, der die Flexzone daran hindert, das zu tun, was sie tun muss, und genau das geschah bei der zuvor erwähnten Leiterplatte. Die Lagen waren durch den Übergang hindurch und bis in die Flexzone hinein miteinander verbunden. Das Kupfergewicht erhöhte zusätzlich die Steifigkeit. Das Ergebnis war eine Schaltung, die sich physisch nicht biegen ließ.

Ein paar Dinge helfen hier. Halten Sie das Kupfergewicht zwischen starrer Zone und Flexzone möglichst konstant, statt es direkt an der Kante des starren Bereichs zu erhöhen. Vermeiden Sie es, Flächen mit hohem Kupfergewicht bis ganz an den Rand des starren Bereichs zu führen. Und wenn das Design es zulässt, geben Sie der Übergangszone etwas mehr physische Länge, als zunächst notwendig erscheint. Die Spannungsverteilung verbessert sich mit zunehmender Distanz stärker, als viele erwarten.

Mit dem Leiterplattenhersteller sprechen, bevor der Lagenaufbau final ist

Dies ist eine jener Entscheidungen, die sich deutlich leichter richtig treffen lassen, bevor der Lagenaufbau festgelegt ist als danach. Sobald Lagenzahl, Laminatmaterialien und Kupfergewichte feststehen, wirken sich Änderungen an einem dieser Punkte auf Dicke, Impedanz und manchmal sogar darauf aus, welche Hersteller die Leiterplatte überhaupt fertigen können.

Fragen, die sich früh lohnen: Welcher Typ Kupferfolie ist in ihren Flexaufbauten Standard, und welche Auswirkungen hat die Spezifikation von RA-Kupfer auf Lieferzeit oder Kosten? Welches Kupfergewicht sehen sie am häufigsten für Ihre Biegeanforderung, und wo sind dabei Probleme aufgetreten? Wenn es Bedenken zur Übergangszone gibt, wie haben sie diese bei ähnlichen Designs gelöst?

Hersteller, die regelmäßig Starr-Flex-Leiterplatten bauen, haben gesehen, wie sich diese Entscheidungen später auswirken — auf eine Weise, die sich in einem Design-Review nur schwer nachbilden lässt. Stellen Sie die Fragen.

Bevor Sie das Design freigeben

Ein paar Punkte, die es zu prüfen lohnt, bevor das Design in die Fertigung geht. 

• Ist für die gesamte Leiterplatte ein einziges Kupfergewicht angegeben, oder wurden starre Zone, Flexzone und Übergangsbereich tatsächlich separat betrachtet? 
• Ist der Typ der Kupferfolie in der Flexzone spezifiziert, oder wird er dem Standard des Herstellers überlassen? 
• Ist für eine dynamische Flex-Anwendung eine halbe Unze RA-Kupfer entweder spezifiziert oder ausdrücklich ausgeschlossen? 
• Wurde der Lagenaufbau vor der Freigabe mit dem Hersteller abgestimmt und nicht erst, nachdem die ersten Muster eingetroffen sind?

Die Leiterplatte, die sich nicht biegen ließ, hat mir gezeigt, dass ein Design jedes Review bestehen und trotzdem nicht funktionieren kann, wenn Lagenaufbau und Kupferspezifikation nicht als ein gemeinsames System entwickelt wurden. Die Flexzone muss sich tatsächlich biegen können.

Sie möchten Ihr Starr-Flex-Design mit weniger Reibungsverlusten vom Layout bis zur Freigabe bringen? Altium Develop bietet einzelnen Ingenieuren und kleinen Teams Designfähigkeiten auf Altium-Niveau sowie einfache Möglichkeiten, Arbeit zu teilen, Feedback einzuholen und ohne zusätzlichen Overhead synchron zu bleiben. 

Starten Sie mit Altium Develop →

Häufig gestellte Fragen

Welches Kupfergewicht sollte ich in der Flexzone eines Starr-Flex-Designs verwenden?

Eine halbe Unze (0,5 oz) ist der häufigste Ausgangspunkt für Flexzonen. Sie lässt sich leichter biegen, verteilt Spannungen gleichmäßiger und hält wiederholten Biegezyklen besser stand als schwereres Kupfer. Eine Unze ist in statischen Anwendungen machbar, sollte aber vor der Festlegung mit Ihrem Hersteller besprochen werden. Zwei Unzen sind in einer Flexzone nur selten angemessen, es sei denn, die Biegeanforderungen sind im Wesentlichen statisch und die Stromtragfähigkeit lässt keine andere Wahl.

Was ist der Unterschied zwischen walzgeglühtem (RA) und galvanisch abgeschiedenem (ED) Kupfer in Flex-Anwendungen?

Galvanisch abgeschiedenes Kupfer ist der Standard in der starren PCB-Fertigung und funktioniert in starren Zonen gut. Walzgeglühtes Kupfer besitzt eine Kornstruktur, deren Verlauf besser dafür geeignet ist, die Belastung durch wiederholtes Biegen aufzunehmen, weshalb es in Flexzonen mit Anforderungen an die Biegelebensdauer die bevorzugte Wahl ist. Wenn RA-Kupfer auf der Fertigungszeichnung nicht ausdrücklich angegeben ist, verwenden die meisten Hersteller standardmäßig ED-Kupfer, daher lohnt sich eine explizite Spezifikation.

Beeinflusst das Kupfergewicht in der starren Zone die Flexzone?

Ja. Da starre und flexible Zonen Teil desselben Laminatsystems sind, wird schweres Kupfer auf den Außenlagen im starren Bereich in die Flexzone mitgeführt, unabhängig davon, ob das geplant war oder nicht. Das verursacht nicht automatisch Probleme, muss aber bei der Entwicklung des Lagenaufbaus berücksichtigt werden und sollte nicht erst nach der Fertigung auffallen.

Wann sollte ich meinen Hersteller in Entscheidungen zum Kupfergewicht bei einem Starr-Flex-Design einbeziehen?

Bevor der Lagenaufbau finalisiert ist. Sobald Lagenzahl, Laminatmaterialien und Kupfergewichte festgelegt sind, wirken sich Änderungen daran auf Dicke, Impedanz und möglicherweise sogar darauf aus, welche Hersteller die Leiterplatte überhaupt bauen können. Hersteller, die regelmäßig Starr-Flex fertigen, haben gesehen, wie sich diese Entscheidungen später auswirken; sie früh einzubeziehen ist eine der zuverlässigsten Methoden, einen teuren Re-Spin zu vermeiden.