Flex-PCB-Materialien: Eine Einführung

Flexible Leiterplattenmaterialien (Flex-PCB-Materialien) müssen verschiedenen Design- und Betriebszielen genügen. So müssen sie etwa statischem oder dynamischem Biegen gewachsen sein, standardisierte Bestückungsprozesse problemlos durchlaufen oder auch einfache Herstellungsverfahren mit hoher Ausbeute supporten. Flex-PCB-Materialien mögen auf den ersten Blick exotisch erscheinen. Dabei braucht es nicht viel für deren Produktion; schon mit einer relativ kleinen Anzahl von Materialien können Flex- und Starr-Flex-Leiterplatten in großen Mengen hergestellt werden. In diesem Guide schauen wir uns einige der grundlegenden Eigenschaften von Flex-PCB-Materialien genauer an, besonders auch, wie diese zur Herstellung verschiedener flexiblen/starr-flexiblen Leiterplatten verwendet werden können. 

Substratmaterial und Isolations-Deckschicht-Folien

Bei den meisten gängigen starren Leiterplatten wird als Basismaterial ein Glasfasergewebe verwendet, welches mit Epoxidharz imprägniert ist. Es handelt sich hierbei eigentlich um ein organisches Gewebe; und obwohl wir dieses als „starr” bezeichnen, weist eine einzelne Laminatschicht hiervon durchaus eine gewisse Elastizität auf. Erst das ausgehärtete Epoxidharz in seiner Gesamtheit sorgt dafür, dass die Leiterplatte steifer wird. Aufgrund des verwendeten Epoxidharz wird diese Art von PCB auch als organisch starre Leiterplatte bezeichnet. Diese Leiterplattenart ist für viele Anwendungsfälle leider nicht flexibel genug; sie kann allerdings für einfache Baugruppen geeignet sein, bei denen keine ständige Bewegung stattfindet.

Das am häufigsten verwendete Material für flexible PCB-Substrate ist Polyimid. Dieses Material ist sehr flexibel, äußerst robust und unglaublich hitzebeständig.

Flexible Polyimidfolie (Quelle: Shinmax Technology Ltd.)

In den meisten Anwendungsfällen von Flex-Schaltkreisen wird ein flexiblerer Kunststoff als das übliche Netzwerk-Epoxidharz benötigt Das Material, auf welches dann am häufigsten zurückgegriffen wird, ist Polyimid. Es ist sehr flexibel, unglaublich hitzebeständig und äußerst robust (es kann beispielsweise von Hand nicht zerrissen oder merklich gedehnt werden, wodurch es gerade für Produktmontageprozesse hervorragend geeignet ist). Dadurch ist es gegenüber mehrfachen Reflow-Lötzyklen sehr tolerant und bei Temperaturschwankungen auch einigermaßen stabil in der Ausdehnung und Kontraktion.

Ein weiteres häufig verwendetes Material für Flex-Schaltkreise ist Polyester (PET). Im Vergleich zu Polyimid hält jenes allerdings hohen Temperaturen nicht gut stand und übersteht damit auch das Löten nicht ausreichend. Ich habe die Verwendung von PET schon öfters bei sehr kostengünstiger Elektronik beobachtet. Hier enthielt zum Beispiel das flexible Teil mehrere gedruckte Leiter, bei welchen das PET die Hitze der Laminierung nicht überstand. Natürlich wurde hier nicht gelötet, vielmehr wurde der Kontakt durch hohen Druck mit einem isotropen leitfähigen Elastomer hergestellt.

Das Display des fraglichen Produkts (ein Radiowecker) funktionierte aufgrund der schlechten Qualität der Flex-Schaltkreisverbindung auch nie wirklich gut. Bei starren Flex-PCBs halten wir uns daher standardmäßig lieber an PI-Folie – anderes Material ist zwar verfügbar, wird in der Praxis jedoch nur selten gebraucht.

Die gängigen Substrate für Flex-Schaltkreise sind dabei PI- und PET-Folien sowie dünne, flexible Epoxid- und Glasfaserkerne. Für die Isolations-Deckschicht müssen in Schaltkreisen zusätzliche Folien verwendet werden; normalerweise sind dies PI- oder PET-Folien, manchmal auch flexible Lötstoppmaskentinte. Die Deckschicht isoliert die Leiter der äußeren Oberfläche und schützt vor Korrosion und Beschädigung, ähnlich wie dies eine Lötmaske auf einer starren Leiterplatte tut. Die Dicke der PI- und PET-Folien reicht von ⅓ mils bis 3 mils, wobei 1 oder 2 mils typisch sind. Glasfaser- und Epoxidsubstrate sind im Vergleich deutlich dicker und reichen von 2 bis 4 mils.

Leiter

Während die oben erwähnte Billig-Elektronik auf gedruckte Leiter zurückgreifen mag – in der Regel eine Art Kohlenstofffolie oder Tinte auf Silberbasis – ist eigentlich Kupfer das standardmäßige Leitermaterial. Abhängig vom Anwendungsfall müssen dabei verschiedene Arten von Kupfer in Betracht gezogen werden. Laminierte Kupferfolien (Electro-Deposited oder ED) sind üblicherweise für die Verwendung auf starren Leiterplatten gedacht. Diese sind völlig ausreichend, wenn Sie beispielsweise nur den flexiblen Teil eines Schaltkreises verwenden möchten – um etwa Herstellungszeit und -kosten durch das Entfernen von Kabeln und Anschlüssen zu reduzieren. Laminierte Kupferfolien können Sie auch dann verwenden, wenn höhere Kupfergewichte erwünscht sind; zum Beispiel um Hochstrom-führende Leiter auf die kleinstmögliche realisierbare Breite zu beschränken (wie etwa bei planaren Induktoren).

Kupfer ist jedoch auch berüchtigt für seine Kaltverfestigung und sein Ermüdungspotenzial. Wenn Ihre endgültige Anwendung wiederholtes Falten oder Bewegungen des Flex-Schaltkreises erfordert, dann sollten Sie höherwertige „Rolled Annealed“-(RA)-Folien in Betracht ziehen. Der zusätzliche Schritt, die Glühbehandlung der Folie, erhöht die Kosten allerdings erheblich. Das geglühte Kupfer kann dafür jedoch stärker gedehnt werden, bevor es zu Ermüdungsrissen kommt. Zudem wird es so in der Z-Auslenkungsrichtung federnder – genau das, was Sie sich für einen Flex-Schaltkreis, der sich ständig biegt oder rollt, wünschen. Ursächlich hierfür ist, dass durch das Walzen und Glühen die Kornstruktur in der planaren Richtung verlängert wird.

Sie wollen nur den flexiblen Teil des Schaltkreises verwenden, um Herstellungszeit und -kosten durch Entfernen von Kabeln und Anschlüssen zu reduzieren? Dann reicht eine laminierte Kupferfolie, üblich für die Verwendung auf starren Leiterplatten, aus.

Überspitzte Darstellung des Glühprozesses für flexible Leiterplattenmaterialien (offensichtlich nicht maßstabsgetreu). Die Kupferfolie läuft zwischen Hochdruckwalzen hindurch, welche die Kornstruktur in planarer Ausrichtung verlängern. Dadurch wird das Kupfer erheblich flexibler und elastischer.

Klebstoffe

Normalerweise erfordert es Klebstoffe für die Verbindung der Kupferfolie mit PI- (oder anderen) Folien. Denn im Gegensatz zu einer typischen starren FR-4-Leiterplatte ist hier weniger „Zahn“ im geglühten Kupfer vorhanden. Wärme & Druck allein reichen also nicht aus, um eine zuverlässige Verbindung herzustellen. Hersteller bieten vorlaminierte einfache und doppelseitige kupferverkleidete Folien für das Ätzen von Flex-Schaltkreisen an. Sie verwenden dabei Acryl- oder Epoxid-basierte Klebstoffe mit typischen Dicken von ½ und 1 mil. Diese Art von Klebstoffen wurden speziell für flexible Leiterplatten entwickelt.

„Klebstofflose“ Laminate werden aufgrund neuerer Verfahren immer häufiger eingesetzt. Hier wird die PI-Folie direkt mit Kupfer beschichtet oder abgeschieden. Diese Art von Folien wird vor allem dann verwendet, wenn feinere Anschlussraster und kleinere Vias benötigt werden, wie etwa in HDI-Schaltkreisen.

Silikone, Schmelzkleber und Epoxidharze werden auch verwendet, wenn den Flex-zu-Hart-Verbindungen oder Schnittstellen (d. h. die Stelle, an der der flexible Teil des Lagenaufbaus den starren Teil verlässt) Schutzperlen hinzugefügt werden. Diese bieten eine mechanische Verstärkung für den Drehpunkt der Flex-zu-Starr-Verbindung, die sonst bei wiederholter Verwendung schnell ermüden und einreißen oder zerreißen würde.

Einlagige Flex-Schaltkreise

Ein Beispiel für solch eine typische Schnittansicht eines einlagigen Flex-Schaltkreises ist weiter unten abgebildet. Dies ist die gleiche Konstruktion, die für die meisten handelsüblichen FFC-Kabel (Flexible Flat Connector) verwendet wird. Sie stellt dabei eine gute Alternative zur Verwendung von starren Flex-Leiterplatten dar, wenn beispielsweise FFC-Steckverbinder untergebracht werden sollen und die Kosten aber der Hauptfaktor für Designentscheidungen sind. Bei einlagigen Flex-Schaltungen wird das Kupfer vom Materiallieferanten auf die PI-Folie direkt schon vorlaminiert. Daraufhin wird das Kupfer geätzt und mit einer starren Montageplatte durchbohrt. Diese wird schließlich mit einer Polyimid-Isolations-Deckschicht auf Klebstoffbasis laminiert. Sie ist dabei schon vorgestanzt, um die Kupferpads freizulegen. Die Klebstoffe, die bei dieser Anordnung für das Coverlay verwendet werden, können sich dabei herausdrücken. Das wiederum kann jedoch durch eine Vergrößerung der Pads an den exponierten Stellen ausgeglichen werden.

Typischer einlagiger Flex-Schaltkreislagenaufbau.

Es ist wichtig, die Materialien genau zu kennen, die in Flex- und starren Flex-Schaltkreisen verwendet werden. Auch wenn Sie einem Hersteller im Allgemeinen freie Hand bei der Auswahl der Materialien lassen, um die Rentabilität zu gewährleisten, sollten Sie sich der Faktoren bewusst sein, die beim Einsatz in der Praxis zum Versagen einer flexiblen Leiterplatte führen können. Die genaue Kenntnis der Materialeigenschaften hilft auch beim mechanischen Design sowie bei der Bewertung und Prüfung Ihres Produkts. Wenn Sie zum Beispiel an Produkten für die Automobilindustrie arbeiten, dann müssen Dinge wie Hitze, Feuchtigkeit, Chemikalien, Stöße und Schwingungen mit bedacht werden. All dies muss genau bei den Materialeigenschaften modelliert werden, um die Zuverlässigkeit des Produkts und den minimal zulässigen Biegeradius richtig zu bestimmen. Es liegt eine bestimmte Ironie hierin. Denn die Anforderungen, die Sie dazu veranlassen, flexible und starr-flexible PCBs auszuwählen, sind oft an raue Umgebungen gebunden. Preiswerte Unterhaltungselektronikgeräte sind häufig größeren Belastungen ausgesetzt – wie zum Beispiel Vibrationen, Stürzen, Schweiß oder Schlimmerem.

Eine großartige Ressource mit weitaus mehr Details als die in diesem Artikel gezeigte Einführung finden Sie im Lehrbuch von C. F. Coombs aus dem Jahr 2008:

• Coombs, C. F. (Editor, 2008) The Printed Circuits Handbook, 7. Ausgabe. 2008 McGraw Hill.

Beispiel eines Lagenaufbaus

Genau wie bei starren Leiterplatten können auch bei Flex-Leiterplatten und starren Flex-Leiterplatten komplexe Lagenaufbauten entstehen. Dies vor allem dann, wenn mehrere leitende Lagen hinzugefügt werden. Diese Lagenaufbauten können mehrere Flex-Bereiche in derselben Leiterplatte beinhalten, wie in dem unten gezeigten Beispiel. Bei einer reinen Flex-Schaltung (im Gegensatz zur starren Flex-Schaltung) wird die Planung des Lagenaufbaus vereinfacht, und zwar in jedem Abschnitt der Leiterplatte. Es kann jedoch immer noch Punkte geben, welche die Platzierung von Versteifungen in bestimmten Bereichen erfordern. Beispielsweise dort, wo Komponenten montiert sind oder wo die Schaltung abgeschlossen ist.

In Ihrer Design-Software wird jeder dieser Bereiche als eigener Lagenaufbau definiert und auf verschiedene Bereiche des PCB-Layouts angewendet. Wenn es an der Zeit ist, die Leiterplatte zu fertigen, muss jeder Teilbereich der Leiterplatte in Fertigungszeichnungen deutlich dargestellt werden, um die Lagenanordnung und die Materialien in der Leiterplatte zu veranschaulichen. Wir werden in einem späteren Abschnitt auf diesen wichtigen Aspekt des Flex-Designs und der Produktion noch eingehen.

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