Wie thermoformbare Flex-PCBs entworfen und hergestellt werden

Flexible Schaltungen bleiben eine gewinnbringende Lösung, wenn Haltbarkeit und ein kompaktes Format erforderlich sind. Die offensichtlichen Vorteile, dünner und leichter zu sein sowie die Fähigkeit, gebogen und gefaltet zu werden, sind leicht zu verstehen, und die Technologie wird seit Jahrzehnten verwendet.

Während wir oft Zeit damit verbringen, Materialien zu betrachten, das Design für Flexibilität zu planen und den Herstellungsprozess zu verstehen, werden wir uns heute speziell mit thermoformbaren flexiblen Leiterplatten beschäftigen. Diese Technologie ist besonders interessant, weil die Schaltungen in spezifische Formen geformt werden können, während sie ihre Leistung beibehalten. Wie bei den traditionelleren Anwendungen für flexible Materialien ist das Thermoformen keine neue Technologie, fügt aber sowohl dem Schaltungsentwurf als auch dem Herstellungsprozess eine weitere Ebene der Komplexität hinzu.

Schaltungsentwurfsüberlegungen

Thermoformbare Flex-PCBs sind eine besondere Art von flexiblen Leiterplatten, die während der Herstellung dauerhaft geformt werden können. Flex-PCBs können mechanisch in einen gewünschten statischen Biegeradius gebogen werden, wie Zach Peterson in diesem verlinkten Artikel diskutiert. Im Gegensatz zu den üblichen Flex-PCBs, die sich nur biegen und flexen lassen oder die nach der Herstellung mechanisch fixiert werden, werden thermoformbare Flex-PCBs in feste Formen gegossen.

Sie werden typischerweise an Orten entworfen, wo der Platz begrenzt ist und präzise Formen benötigt werden, wie in Autos, medizinischen Geräten und Wearables. Wenn Sie Anwendungen wie das Armaturenbrett Ihres Autos oder den neuesten tragbaren Gesundheitsmonitor betrachten, machen thermoformbare Flex-PCBs diese schlanken Designs möglich, indem sie in kompakte Räume passen und sich komplexen Formen anpassen.

Beispiel für ein thermoformbares Flex-PCB Bilder von FreddieHong19 auf Github

Wenn es um mechanisches Design geht, müssen Sie darüber nachdenken, wie sich die PCB biegen und flexen wird, sowohl während des Formgebungsprozesses als auch in seiner endgültigen Verwendung. Vermeiden Sie es, Leiterbahnen und Komponenten in Bereichen mit hoher Belastung zu platzieren. Die Verwendung von gekrümmten Leiterbahnen und gestaffelten Vias kann helfen, die Belastung zu verteilen und das Risiko von Rissen zu verringern. Diese sind den spritzgegossenen Verbindungselementen (MIDs) sehr ähnlich, aber der Hauptunterschied ist, dass thermoformbare PCBs ihre Biegung nach der Fertigstellung angewendet bekommen.

Obwohl es scheint, als wäre die thermoformbare Flex-Technologie eine fantastische Lösung in einer Vielzahl von Anwendungen, ist es auch eine schwierige Technologie zu fertigen und anschließend zu entwerfen. Es gibt viele Faktoren zu berücksichtigen, um ein erfolgreiches Ergebnis zu gewährleisten.

Fertigungsprozess für thermoformbare Flex-PCBs

Der Fertigungsprozess für thermoformbare Flex-PCBs umfasst mehrere präzise Schritte, um die gewünschte Form und Funktionalität zu erreichen, und ich denke, es ist wichtig zu betonen, dass Thermoformen keine „Standard“- oder sogar typische Fähigkeit für die meisten Hersteller flexibler Schaltungen ist. Es erfordert strenge Prozesskontrolle und eine weitere Ebene der Prozessfähigkeiten.

Polyimid und Polyester (z. B. Polyethylenterephthalat) sind beliebte Materialauswahlen, da sie flexibel sind und dank ihrer hohen Zersetzungstemperaturen und hohen Glasübergangstemperaturen Hitze vertragen können. Polyimid ist ein Favorit, weil es hohe Temperaturen während des Thermoformungsprozesses aushalten kann, und die Verarbeitung ist von vielen Fertigungsbetrieben gut verstanden.

Thermoformwerkzeuge: Die Erstellung der 2D-Version der flexiblen Schaltung erfolgt, wie Sie es von jedem Fertigungsprozess für flexible Schaltungen erwarten würden. Sobald das Schaltungsmuster erstellt und die Qualitätsprüfung bestanden hat, findet die Thermoformung statt.

Bevor irgendeine Erwärmung beginnt, muss die Form, die für die Formgebung der PCB verwendet wird, vorbereitet werden. Diese Form wird typischerweise aus Materialien hergestellt, die hohe Temperaturen ohne Verformung aushalten können, wie Metall oder hitzebeständige Kunststoffe/Polymere. Die Form muss genau nach den exakten Maßen und der erforderlichen Form für das endgültige PCB-Design maschinell bearbeitet werden. Ein neuer Ansatz für das Thermoformen ist die Verwendung von 3D-gedruckten Formen; siehe zum Beispiel die untenstehenden Formen von Proto3000:

Proto3000 hat thermoformende Formen mittels 3D-Druck hergestellt. (Quelle des Bildes)

Fixierung und Erwärmung: Das flexible PCB-Substrat, das bereits gemustert und beschichtet wurde, wird vorsichtig in die Form eingelegt. Eine korrekte Ausrichtung ist entscheidend, um sicherzustellen, dass sich die PCB der gewünschten Form ohne Fehlausrichtungen oder Verzerrungen anpasst. Dieser Schritt beinhaltet oft die Verwendung von speziell entworfenen Ausrichtungswerkzeugen oder Vorrichtungen, um die PCB während des Erwärmungsprozesses an ihrem Platz zu halten.

Die Erwärmungsphase und die Prozesskontrolle sind kritisch. Die gesamte Baugruppe wird auf eine spezifische Temperatur erhitzt, bei der das Substrat biegsam wird. Diese Temperatur muss präzise kontrolliert werden, um eine Überhitzung zu vermeiden, die das Material oder die leitenden Bahnen beschädigen könnte. Die Erwärmung kann mit verschiedenen Methoden durchgeführt werden, einschließlich Konvektionöfen, Infrarotheizungen oder spezialisierten Thermoformgeräten. Der Schlüssel liegt darin, die Wärme gleichmäßig über die PCB zu verteilen, um eine einheitliche Biegsamkeit zu gewährleisten.

Sobald das Substrat die erforderliche Temperatur erreicht hat, wird es weich und formbar. Die Form gibt der PCB dann die gewünschte dreidimensionale Gestalt. Dieser Schritt muss schnell, aber sorgfältig durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass sich die PCB der Form anpasst, ohne Falten, Blasen oder andere Mängel einzuführen. Der während der Formung angewendete Druck muss gleichmäßig verteilt werden, um das Material nicht zu belasten.

Als Beispiel bietet DuPont eine Thermoformungsanleitung für ihre Kapton-Materialreihe an, einschließlich Vorrichtungen und Presszeit/Temperaturwerte, basierend auf der Tiefe der Form. Lesen Sie hier ihre Richtlinien für Kapton-Folien.

Kühlung und Verfestigung: Nachdem die Leiterplatte geformt wurde, muss sie speziell abgekühlt werden, um ihre neue Form zu verfestigen. Die Kühlung muss kontrolliert werden, um das Einführen von internen Spannungen oder Defekten wie Verwerfungen und Rissen zu vermeiden. Zu schnelles oder zu langsames Abkühlen kann zu Defekten im endgültigen Design führen. Der Kühlprozess kann mit kontrollierter Luftkühlung, Wasserbädern oder integrierten Kühlsystemen innerhalb der Thermoformungsanlagen gesteuert werden. Eine graduelle und gleichmäßige Kühlung ist notwendig, um die Integrität der Leiterplatte zu erhalten.

Das Entfernen der flexiblen Schaltung aus der Form erfordert ebenfalls große Sorgfalt. Nachdem die Leiterplatte aus der Form entfernt wurde, unterzieht sie sich einer weiteren gründlichen Inspektion und Qualitätskontrollen. Dies umfasst visuelle Inspektionen auf Oberflächendefekte, Maßkontrollen, um sicherzustellen, dass die Leiterplatte die gewünschte Form hat, und mechanische Tests zur Bewertung der strukturellen Integrität.

Fortgeschrittene Prozesse bei thermoformierten Flex-PCBs

Das Gebiet der Flex-PCBs entwickelt sich allgemein weiter, mit neuen Fortschritten und Innovationen am Horizont. Die Forschung läuft, um neue Materialien mit verbesserten Eigenschaften zu entwickeln, wie erhöhte Flexibilität, bessere thermische Stabilität und verbesserte elektrische Leistung. Diese Fortschritte werden die potenziellen Anwendungen von thermoformbaren Flex-PCBs erweitern und ihre Zuverlässigkeit verbessern.

Hochdichtere Fertigungstechnologien, wie Laser-Direktstrukturierung (LDS) und additive Fertigungsprozesse (mSAP oder SAP), können High-Density-Interconnect (HDI)-Designansätze in Flex-PCBs bringen, die dann auch in thermoformbaren Geräten verwendet werden könnten. Diese Techniken bieten höhere Präzision, größere Flexibilität im Design und reduzierte Produktionszeiten.

Der Thermoformungsprozess ist ein delikates Gleichgewicht aus präziser Temperaturkontrolle, sorgfältiger Handhabung und rigoroser Qualitätssicherung. Jeder Schritt, vom Erhitzen bis zum Kühlen, muss sorgfältig verwaltet werden, um hochwertige thermoformbare Flex-PCBs zu produzieren, die den Anforderungen ihrer vorgesehenen Anwendungen standhalten können. Wenn Sie ein thermoformbares flexibles Schaltkreis für Ihre Anwendung in Betracht ziehen, arbeiten Sie früh im Designprozess mit Ihrem Hersteller zusammen, um den höchsten Erfolgsgrad sicherzustellen.