Optimale Vorgehensweisen für das Design flexibler PCBs

Mehrere Flex-Unteraufbauten

Zwar ist es möglich, so gut wie jeden Stackup mit starren und flexiblen Abschnitten zu bauen. Es kann aber unglaublich teuer werden, wenn man die Produktionsschritte und die Materialeigenschaften im Vorhinein nicht sorgfältig berücksichtigt. Ein wichtiger Aspekt, den es bei Flex-Schaltungen zu beachten gilt, sind die Spannungen innerhalb der Materialien, die auftreten, wenn die Schaltung gebogen wird. Bei Kupfer, einem Nichteisenmetall, kann es bekanntermaßen zu einer Kaltverfestigung kommen, sodass bei wiederholten Biegezyklen und engen Radien schließlich Ermüdungsbrüche auftreten können. Eine Möglichkeit, dies abzumildern, besteht darin, nur einlagige Flex-Schaltungen zu verwenden, denn dann befindet sich das Kupfer in der Mitte des mittleren Biegeradius und das Foliensubstrat und die Isolations-Deckschicht sind der größten Kompression und Spannung ausgesetzt, wie unten dargestellt.

In ähnlicher Weise ist es oft notwendig, mehrere getrennte Flex-Schaltungen zu verwenden. Allerdings sollten in solchen Fällen Biegungen an überlappenden Bereichen – wo die Länge der Flexbereiche den Biegeradius begrenzt – vermieden werden. Da das Polyimid sehr elastisch ist, stellt dies erfreulicherweise kein Problem dar. Es hält bei wiederholter Bewegung zudem viel länger als mehrere Kupferschichten dies tun würden. Das Kupfer befindet sich in der Mitte des medianen Biegeradius. Daher stehen das Folienträgermaterial und die Deckschicht unter dem größten Druck und der höchsten Spannung.

Bei Schaltungen, die sehr häufig Biegungen ausgesetzt sind, ist es am besten, RA-Kupfer in einer einlagigen Flex-Leiterplatte zu verwenden, um die Ermüdungslebensdauer (in Zyklen vor dem Bruch) des Kupfer in der Schaltung zu erhöhen.

Klebeperlen, Versteifungen und Endpunkte

Es gibt Fälle, in denen Sie die Verwendung von Verstärkungen an den Stellen erwägen müssen, an denen die flexible Schaltung aus der starren Leiterplatte hinaustritt. Das Hinzufügen einer Kleberaupe aus Epoxidharz, Acryl oder Schmelzkleber trägt dazu bei, die Langlebigkeit der Baugruppe zu verbessern. Allerdings kann die Dosierung und Aushärtung dieser Flüssigkeiten mühsame zusätzliche Schritte im Produktionsprozess bedeuten und auch die Kosten erhöhen. Wie immer beim PCB-Design gilt es also Kompromisse zu finden.

Eine automatisierte Flüssigkeitsabgabe ist möglich, hierzu ist jedoch eine sehr enge Zusammenarbeit mit den Montageingenieuren erforderlich, um ein übermäßiges Aufbringen von Klebstoff auf die Baugruppe zu vermeiden. In einigen Fällen muss der Klebstoff von Hand aufgetragen werden, was zeitaufwändig ist und zusätzliche Kosten verursacht. Egal welchen Weg Sie wählen, eine klare Dokumentation für die Mitarbeiter in der Fertigung und Montage ist unabdingbar.

Extreme Enden von Flex-Schaltungen enden normalerweise an einem Steckverbinder, wenn nicht an der starren Haupt-PCB-Baugruppe. In diesen Fällen kann der Endpunkt mit einer Versteifung (dickeres Polyimid mit Klebstoff oder FR-4) versehen werden. Im Allgemeinen ist es dann günstig, auch die Enden der Flex-Schaltung innerhalb der Starr-Flex-Bereiche eingebettet zu lassen.

Starr-Flex-PCB-Panels

Die starrflexible Schaltung bleibt für den Montageprozess dabei als Gesamtheit im Panel enthalten, so dass die Komponenten platziert und auf die starren Anschlussabschnitte gelötet werden können. Bei manchen Produkten müssen die Komponenten in einigen Bereichen auch auf Flex-Abschnitten montiert werden. In diesem Fall muss das Panel mit zusätzlichen starren Bereichen kombiniert werden, um die Flex-Abschnitte während der Bestückung zu unterstützen. Diese Bereiche werden nicht mit den Flex-Abschnitten verklebt. Sie werden mit einem Fräser mit kontrollierter Tiefe ausgefräst („Mouse-Bites”) und nach der Bestückung schließlich von Hand ausgestanzt.

Beispiel für ein Starr-Flex-PCB-Panel. Zu beachten ist, dass hier die Vorder- und Rückkanten der Leiterplatte sowie die Flex-Schaltung ausgefräst sind. Die starren Seiten sind mit einer V-Nut zum späteren Abbrechen versehen. Dadurch sparen Sie Zeit bei der Montage in das Gehäuse (Quelle: YUXING Shenzhen Electronics Co., LTD.).

Es ist leicht, sich die Probleme beim Design des Lagenaufbaus, der Bauteilplatzierung sowie den Ausschnitten anzusehen und zu denken, wir hätten schon alle Probleme gelöst. Aber denken Sie daran, dass flexible Schaltungen einige knifflige Materialeigenschaften aufweisen. Die Eigenheiten reichen dabei von relativ hohen z-Achsen-Ausdehnungskoeffizienten von Klebstoffen über die geringere Haftung von Kupfer auf PI-Substrat und Isolier-Deckschicht bis hin zur Kaltverfestigung und Ermüdung von Kupfer. Diese können durch das Befolgen einiger Dos und Don'ts jedoch weitgehend kompensiert werden.

Bleiben Sie beim Flex flexibel

Das mag zunächst offensichtlich erscheinen, aber es lohnt sich wirklich, darauf nochmals hinzuweisen. Entscheiden Sie im Voraus, wie viel Biegung vorne benötigt wird und ob die Biegung wiederholbar sein muss, oder ob das Design eine statische Biegung haben soll. Wenn Ihre Flex-Schaltkreisbereiche nur während der Bestückung gefaltet werden und dann in einer festen Position verbleiben – wie z. B. in einem tragbaren Ultraschallgerät – dann sind Sie viel freier in der Anzahl der Lagen, der Art des Kupfers (RA oder ED) und so weiter, die Sie verwenden können. Wenn sich Ihre flexiblen Schaltungsbereiche hingegen ständig bewegen, biegen oder rollen, sollten Sie die Anzahl der Lagen für jeden Unteraufbau der flexiblen Schaltung reduzieren und klebstofffreie Substrate wählen.

Dann können Sie anhand der Gleichungen in IPC-2223 (Gl. 1 für einseitige, Gl. 2 für doppelseitige usw.) den minimal zulässigen Biegeradius für den Flex-Bereich bestimmen, basierend auf der zulässigen Verformung des Kupfers und den Eigenschaften der anderen Materialien.

Diese Beispielgleichung gilt für einen einseitigen Flex-Bereich. Sie kann für eine bestückten Flex-Leiterplatte verwendet werden, obwohl die Lötpunkte an den Komponentenanschlüssen möglicherweise belastet werden, wenn die Biegelinie falsch positioniert ist. Sie müssen EB basierend auf der Zielanwendung auswählen, mit 16 % für die Installation von RA-Kupfer in einer einzigen Falte, 10 % „Flex-to-Install” und 0,3 % für „dynamische” Flex-Designs (Quelle: IPC-2223B, 2008 http://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf). Dynamisch bedeutet hier kontinuierliches Biegen und Rollen während der Nutzung des Produkts, wie z. B. ein TFT-Panel-Anschluss an einem mobilen DVD-Spieler.

Keine Ecken biegen und gebogene Leiterbahnen verwenden

Im Allgemeinen ist es am besten, wenn Kupferbahnen rechtwinklig zur Biegung einer Flex-Schaltung verlaufen. Es gibt jedoch einige Designsituationen, in denen dies nicht möglich ist. Halten Sie in diesen Fällen die Leiterbahnen so sanft gekrümmt wie möglich; je nach mechanischem Produktdesign können Sie hier beispielsweise stattdessen Biegungen mit konischem Radius verwenden. Auch in Bezug auf das Bild unten ist es am besten, abrupte harte rechtwinklige Leiterbahnen zu vermeiden und sogar noch besser als harte 45°-Ecken zu verwenden, die Bahnen mit Bogen-Ecken-Modi zu routen. Dadurch werden Spannungen im Kupfer beim Biegen deutlich reduziert.

Bevorzugte Biegestellen.

Nicht abrupt die Breiten ändern

Wann immer eine Leiterbahn in ein Pad eintritt – insbesondere wenn es eine Reihe davon gibt, wie etwa bei einem Flex-Schaltkreis-Abschlusswiderstand (siehe unten) – bildet dies eine Schwachstelle, an der das Kupfer mit der Zeit ermüdet. Sofern keine Versteifung oder eine einmalige Falte in der Nähe des Übergangs zur Leiterbahnbreite vorgesehen ist, empfiehlt es sich, von den Pads aus nach unten zu verjüngen (Tipp: Platzieren Sie Tropfen auf den Pads und Vias im Flex-Schaltkreis!).

Änderungen bei der Leiterbahnbreite und die Eingabe von Pads können Schwachstellen verursachen.

Unterstützung für Pads hinzufügen

Aufgrund der wiederholten Belastungen beim Biegen sowie der geringeren Haftung von Kupfer am Substrat (im Vergleich zu FR-4) ist es wahrscheinlicher, dass sich Kupfer auf einer flexiblen Schaltung von einem Polyimidsubstrat ablöst. Daher ist es besonders wichtig, freiliegendes Kupfer abzustützen. Vias/Durchkontaktierungen werden von Natur aus schon unterstützt, da die Durchkontaktierung eine geeignete mechanische Verankerung von einer flexiblen Lage zur anderen bietet. Aus diesem Grund (und wegen der Ausdehnung der z-Achse) empfehlen viele Hersteller bei starr-flexiblen und flexiblen Schaltungen eine weitere Beschichtung der Durchgangslöcher von bis zu 1,5 mils, zusätzlich zu der herkömmlichen Beschichtung bei starren Leiterplatten. Oberflächenmontierte Pads und nicht durchkontaktierte Pads werden als nicht unterstützt bezeichnet und erfordern zusätzliche Maßnahmen, um ein Ablösen zu verhindern.

Unterstützung von durchkontaktierten Pads in flexibler Ausführung mit: Beschichtungen, Verankerungsstutzen und reduzierten Coverlay-Zugangsöffnungen.

SMT-Komponentenpads gehören dabei zu den anfälligsten Konfigurationen, vor allem weil sich die flexible Schaltung unter dem starren Pin und der Lötleiste der Komponente verbiegen kann. Die nachstehende Anordnung von Pads und Leiterbahnen zeigt, wie man das Problem lösen kann: indem man die „Masken”-öffnungen der Isolations-Deckschicht nutzt, um die Pads an 2 Seiten zu verankern. Um dies zu erreichen und trotzdem die richtige Menge an Lötzinn zu ermöglichen, müssen die Pads etwas größer sein als die typischen Footprints einer starren Leiterplatte. Dies verringert natürlich auch die Dichte bei der Montage von flexiblen Schaltkreiskomponenten. Flexible Schaltungen können jedoch naturgemäß im Vergleich zu starren Schaltungen eh nicht sehr dicht sein.

Coverlay-Öffnungen für ein SOW-Paket mit Verankerung am Ende jeden Pads.

In Ihrer PCB-Designsoftware gibt es keine spezielle „Isolations-Deckschicht”-Lage. Sie müssen eine Maskenlage verwenden, um die Öffnung für die Isolations-Deckschicht um die Pads herum zu definieren. Dies kann in der oberen Lötschicht innerhalb des flexiblen Bereichs erfolgen. Platzieren Sie hierzu einfach eine Öffnung in der Maskenlage, um die Öffnung der Isolations-Deckschicht zu definieren (genau wie Sie es mit einer Lötmaske tun würden). Die Pads auf dem Footprint müssen ebenfalls modifiziert werden, um eine genaue Bestückung zu gewährleisten und gerade genug zusätzliche Abdeckung für die Verankerung hinzuzufügen. Unten ist ein Beispiel für einen 0603-Komponenten-Footprint dargestellt.

In diesem Footprint werden die Pad-Größen und die obere Lötschicht verwendet, um zu zeigen, wie die Pads für ein SMD-Passiv und die Öffnung der Isolations-Deckschicht für die Montage auf einer Starr-Flex-Leiterplatte platziert werden sollten. Das obere Lötaugenmuster ist dabei für ein nominales 0603-Gehäuse gedacht, während das untere Muster ein Footprint desselben Bauteils darstellt, jedoch mit einer geänderten Öffnung der Isolations-Deckschicht.

Squeeze-Out zulassen

Wenn eine Isolations-Deckschicht über das Kupfer und das Substrat laminiert wird, wird beim Aufbringen der Deckschicht ein Teil des Klebstoffs aus den Deckschichtöffnungen um die Pads herum „herausgequetscht“. Um dieses „Herausdrücken“ gewährleisten zu können, müssen die Pad-Anschlussfläche und die Zugangsöffnung groß genug sein, so dass ein gewisses Auslaufen des Klebstoffs möglich ist – während natürlich auch immer noch genügend freiliegendes Kupfer für ein starkes Lötpad übrig bleiben muss. IPC-2223 empfiehlt eine 360° Lötbenetzung um das Loch herum für hochzuverlässige Designs und 270° für flexible Designs mit moderater Zuverlässigkeit.

Vergrößern Sie Pads und Öffnungen der Isolations-Deckschicht, um das Herausdrücken des Klebstoffs zu ermöglichen.

Doppelseitiges flexibles Routing

Bei dynamischen doppelseitigen flexiblen Schaltkreisen sollten Sie vermeiden, Leiterbahnen in der gleichen Richtung übereinander zu verlegen. Versetzen Sie stattdessen die Leiterbahnen über benachbarte Lagen hinweg, sodass sie sich nicht überlappen. Dies reduziert die Spannungsbelastung auf den Leiterbahnen, wenn Kupfer gleichmäßiger zwischen den Kupferlagen verteilt ist (siehe unten). Falls sich die Leiterbahnen überlappen, wird eine der Lagen beim Biegen stärker beansprucht, da die Lagen gegeneinander drücken. Durch die Staffelung wird die Spannung über das Flex-Substrat verteilt, sodass die Spannungsverteilung auf den Leiterbahnen annähernd gleichmäßig ist.

Kupferleiterbahnen auf angrenzenden Lagen (oberes Bild) werden nicht empfohlen. Versetzen Sie stattdessen die Leiterbahnen in verschiedene Lagen, damit die Belastung der Leiterbahnen beim Biegen der Baugruppe reduziert wird.

Schraffierte Polygone verwenden

Manchmal ist es notwendig eine Strom- oder Massefläche auf einer flexiblen Schaltung mitzuführen. Die Verwendung von massiven Kupferflächen ist grundsätzlich in Ordnung, solange Sie nichts dagegen haben, dass die Flexibilität erheblich eingeschränkt ist und sich das Kupfer bei Biegungen mit engen Radien möglicherweise verformt. Im Allgemeinen ist es am besten, schraffierte Polygone zu verwenden, um ein hohes Maß an Flexibilität beizubehalten.

Ein normal schraffiertes Polygon weist aufgrund der Ausrichtung der Schraffurspuren und der „X”s immer noch starke Kupferspannungen in den Winkelrichtungen 0°, 90° und 45° auf. Ein statistisch optimales Schraffurmuster wäre sechseckig. Dies könnte mithilfe einer negativen Kupferlage und einer Reihe von sechseckigen Anti-Pads erfolgen. Aber Sie können die unten gezeigte Schraffur auch schnell durch Ausschneiden und Einfügen von Abschnitten erstellen.

Durch die Verwendung sechseckiger schraffierter Polygone können die Spannungen gleichmäßig auf drei Winkel verteilt werden.

Platzierung von Vias

Bei mehrlagigen flexiblen Bereichen kann es manchmal notwendig sein, Durchkontaktierungen als Übergang zwischen den Lagen anzubringen. Wenn möglich, wird empfohlen, keine Durchkontaktierungen zu platzieren, da diese bei Biegebewegungen schnell ermüden können. Es ist außerdem erforderlich, einen Abstand von mindestens 20 mil (ca. ½ mm) zwischen dem Kupferring der nächstgelegenen Durchkontaktierung und der Schnittstelle zwischen starrer und flexibler Leiterplatte einzuhalten. Im PCB-CAD-Editor entsprechend vorgesehene Regeln für den Kantenabstand von Leiterplatten können dies automatisch umsetzen.

Was die Notwendigkeit der Platzierung von Durchkontaktierungen angeht: Wenn Sie Durchkontaktierungen in einer flexiblen Schaltung benötigen, verwenden Sie am besten den Befehl „Räume”, um Bereiche zu definieren, in denen es nach Ihrem Wissen keine Biegungen geben wird. Verwenden Sie dann die spezifischen Designregeln im PCB-Editor, um die Platzierung von Durchkontaktierungen nur in diesen festen Bereichen zuzulassen. Eine Alternative ist die Verwendung des Lagenaufbaumanagers, um „starre” Bereiche zu definieren, die letztendlich flexibel aber dennoch mit einem starren dielektrischen Versteifungsmaterial beklebt sein sollen.

Definieren von flexiblen Ausschnitten und Ecken

Wenn Sie eine Aussparung oder einen Schlitz im flexiblen Bereich einer Leiterplatte platzieren müssen, sollte die Aussparung ordnungsgemäß abgeschlossen sein. IPC empfiehlt dazu, den Abschluss mit kreisförmigen Abschnitten mit Radien von mehr als 1,5 mm (etwa 60 mils) zu beenden. So soll das Risiko verringert werden, dass die flexiblen Substratmaterialien an den Ecken reißen. Hier gilt im Wesentlichen die Regel, dass Sie immer dann eine tangential gekrümmte Ecke mit einem Radius von mehr als 1,5 mm verwenden sollten, wenn eine Innenecke vorliegt (eine Kantenecke also im Flex-Schaltkreis mit einem Winkel von weniger als 180°). Wenn die Ecke deutlich kleiner (spitzer) als 90° ist, dann stanzen Sie eine kreisförmige Kurve aus. Das Gleiche gilt für die Schlitze in der Flex: Achten Sie hier darauf, dass an jedem Ende ein Entlastungsloch mit einem Durchmesser von mindestens 3 mm (1/8") vorhanden ist. Ein Beispiel hierfür ist unten dargestellt.

Schlitze und Innenecken sollten Ausreißlöcher oder tangentiale Kurven mit einem Radius von mindestens 1,5 mm aufweisen.

Dies repräsentiert keineswegs einen vollständigen Leitfaden für die Entwicklung flexibler Leiterplatten. Die hier aufgeführten Tipps sollen Ihnen aber den Einstieg in viele Produkte erleichtern. Wenn Sie sich jemals unsicher sein sollten, steht Ihnen auch Ihr Fertigungsbetrieb zur Seite. Dieser kann Ihnen beispielsweise nützliche DFM-Richtlinien zur Verfügung stellen – sowohl für Ihre gesamte flexible Leiterplatte als auch flexible Bereiche in einer Starr-Flex-Leiterplatte.

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