Die Herstellung und Fertigung von starr-flexiblen Leiterplatten

Wenn Sie den Fertigungsprozess von starren Leiterplatten schon als komplex empfinden, dann mag es Ihnen so erscheinen, als läge die Herstellung flexibler Leiterplatten auf einer ganz anderen Komplexitätsebene. Jedoch lassen sich viele der Schritte, die bei der Fertigung von starren Standard-Leiterplatten verwendet werden, konzeptionell auf die Herstellung von flexiblen Leiterplatten übertragen. Dieser Artikel bietet einen Überblick über alle Schritte, die im Herstellungsprozess von Flex- und Starrflex-Leiterplatten durchgeführt werden. Diese Prozesse sind den Fertigungsprozessen für starre Leiterplatten sehr ähnlich, jedoch mit anderen Materialgruppen, wie in einem früheren Leitfaden dargestellt.

Der Aufbau von Flex- und Starrflex-Leiterplatten im Überblick

Auf den ersten Blick sieht eine typische flexible oder starr-flexible Leiterplatte ganz normal aus. Allerdings erfordert die Natur solcher Leiterplatten mehrere zusätzliche Schritte im Aufbauprozess. Am Anfang jeder starr-flexiblen Leiterplatte stehen immer ein- oder doppelseitige Flex-Lagen. Der Verarbeiter kann mit vorlaminierter Flexfolie beginnen oder mit einer unverkleideten PI-Folie und dann das Kupfer für die erste Verkleidung laminieren oder plattieren. Zum Laminieren der Folie ist eine dünne Klebstoffschicht erforderlich, während für die klebstofffreie Plattierung eine „Keimschicht” aus Kupfer erforderlich ist. Diese Keimschicht wird zunächst mit Hilfe von Aufdampftechniken (z. B. Sputtern) aufgebracht und liefert die Grundlage, auf die chemisch abgeschiedenes Kupfer aufplattiert wird. Eine solche ein- oder zweiseitige Flex-Schaltung wird gebohrt, durchkontaktiert und geätzt, wobei im Wesentlichen die gleichen Schritte wie bei typischen zweiseitigen Kernen in starren Leiterplatten durchgeführt werden.

Schritte für die Fertigung von Flex-Platten im Detail

Die folgenden Schritte zeigen die Erstellung einer Flex-Schaltung für eine typische doppelseitige flexible Schaltung.

Schritt 1: Auftragen von Klebstoff/Keimbeschichtung

Entweder wird ein Epoxid- oder Acrylkleber aufgetragen, oder es wird durch Sputtern eine dünne Kupferschicht erzeugt, die als Plattierungsgrundlage dient.

Schritt 2: Hinzufügen von Kupferfolie

Die Kupferfolie wird hinzugefügt, entweder durch Laminierung auf den Klebstoff (die gängigere Methode) oder durch chemische Beschichtung der Keimschicht. Neuere Fertigungsverfahren von Materialanbietern ermöglichen als Alternative das klebstofffreie Laminieren von gewalztem, geglühtem Kupfer.

Schritt 3: Bohren

Löcher zu Vias und Pads werden meist mechanisch gebohrt. Mehrere plattierte Flex-Substrate können gleichzeitig gebohrt werden. Dazu werden sie aus mehreren Bändern auf Trommeln kombiniert, zwischen Arbeitsplatten gebohrt und dann auf der anderen Seite der Bohrmaschine auf separate Bänder gerollt. Vorgeschnittene Flex-Platten können kombiniert und zwischen starren Rohlingen auf die gleiche Weise wie starre Kerne gebohrt werden, obwohl dies eine sorgfältigere Registrierung erfordert und die Ausrichtungsgenauigkeit geringer ist. Ultra-kleine Löcher können mit einem Laser gebohrt werden, allerdings verursacht dies erhebliche Mehrkosten, da jede Folie separat gebohrt werden muss. Hierfür würde man Excimer- (ultraviolette) oder YAG- (infrarote) Laser für höhere Genauigkeit (Mikrovias) und CO₂ -Laser für mittlere Löcher (4+ mils) verwenden. Große Löcher und Ausschnitte werden gestanzt, aber dies ist ein separater Schritt im Prozess.

Schritt 4: Metallisierung von Durchkontaktierungen

Sobald die Löcher gebohrt sind, wird Kupfer aufgebracht und auf die gleiche Weise wie bei starren Leiterplattenkernen (allgemein als Cuposit bezeichnet) chemisch metallisiert. Für Durchkontaktierungen in flexiblen Schaltungen wird eine Schichtdicke von mindestens 1 mil empfohlen, um das Pad oder Via mechanisch zu unterstützen, während eine typische kostengünstige starre Leiterplatte nur ½ mil Cuposit haben kann.

Schritt 5: Ätzresistentes Drucken

Die Folienoberflächen werden mit einem lichtempfindlichen, ätzresistenten Lack beschichtet, und mithilfe des gewünschten Maskenmusters wird der Lack belichtet und entwickelt, bevor das chemische Ätzen des Kupfers an der Reihe ist.

Schritt 6: Ätzen und Abisolieren

Nachdem das freiliegende Kupfer geätzt wurde, wird der ätzresistente Lack chemisch per Stripping von der Flex-Schaltung entfernt.

Schritt 7: Isolations-Deckschicht oder Decklack

Die oberen und unteren Bereiche der Flex-Schaltung werden durch zugeschnittene Isolations-Deckschichten geschützt. Möglicherweise sind tatsächlich Bauteile auf Abschnitten der Flex-Schaltung montiert, und in diesem Fall dient die Deckschicht zusätzlich als Lötstoppmaske. Meistens wird als Material für eine Isolations-Deckschicht zusätzliche Polyimidfolie mit Klebstoff verwendet; es sind aber auch klebstofffreie Verfahren möglich. Bei klebstofffreien Verfahren wird eine fotostrukturierbare Lötstoppmaske (die gleiche wie bei starren Leiterplattenabschnitten) verwendet, wobei im Wesentlichen die Isolations-Deckschicht auf die Flex-Schaltung gedruckt wird. Für gröbere, günstigere Designs ist auch der Siebdruck eine Option, bei der diese Decklackschicht durch UV-Bestrahlung abschließend ausgehärtet wird. Im Wesentlichen besteht der Unterschied darin, dass die Isolations-Deckschicht eine laminierte Folie ist, während der Decklack eine aufgetragene Materialbeschichtung ist, die anschließend ausgehärtet werden muss.

Schritt 8: Ausschneiden der Flex-Schaltung

Im letzten Schritt der Erstellung der Flex-Schaltung wird diese ausgeschnitten. Dies wird oft als „Blanking” bezeichnet. Beim Blanking in großen Stückzahlen wird aus Kostengründen ein hydraulischer Stempel- und Matrizensatz verwendet, was mit relativ hohen Werkzeugkosten verbunden ist. Diese Methode erlaubt es jedoch, viele Flex-Schaltungen gleichzeitig auszustanzen. Für Prototypen und kleine Serien wird ein Stanzmesser verwendet. Das Stanzmesser ist im Grunde genommen eine lange Rasierklinge, die durch Biegen dem Umriss der Flex-Schaltung angepasst wird und in einem gefrästen Schlitz in einer Trägerplatte (MDF, Sperrholz oder dicker Kunststoff wie Teflon) befestigt wird. Die Flex-Schaltungen werden dann zum Ausschneiden in das Stanzmesser gedrückt.

Laminierung und Routing

Wenn die Flex-Schaltung Teil eines kombinierten starr-flexiblen Lagenaufbaus sein soll (also die Art von Aufbau, mit der wir uns hier befassen), hört der Prozess an dieser Stelle nicht auf. Denn jetzt haben wir eine Flex-Schaltung, die zwischen den starren Abschnitten einlaminiert werden muss. Dies ist genauso wie ein einzelnes gebohrtes, plattiertes und geätztes Kernlagenpaar, nur viel dünner und flexibler, da kein Glasfasersubstrat zum Einsatz kommt. Wie bereits erwähnt, könnte jedoch je nach Zielanwendung eine weniger flexible Lage aus PI und Glasfaser hergestellt werden. Da diese zwischen starren Abschnitten laminiert wird, muss sie letztendlich in einer Platte eingerahmt werden, die ebenfalls zu den Plattenabschnitten der starren Platte passt. Flex-Schaltungen, die nicht mit starren Abschnitten kombiniert werden, werden temporär auf eine starre Trägerplatte aus MDF oder FR-4-artigen Materialien geklebt.

Wie die geätzten, metallisierten, mit einer Isolations-Deckschicht überzogenen und gestanzten Flex-Platten mit den Glas-Epoxid-Hartplatten kombiniert werden.

Die Flex-Schaltung wird zusammen mit den starren und allen anderen flexiblen Abschnitten mit zusätzlichem Klebstoff, Wärme und Druck in die Platte einlaminiert. Dabei wird vermieden, mehrere nebeneinander liegende flexible Abschnitte zu laminieren, es sei denn, Sie entwerfen mehrlagige Flex. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass jeder flexible Abschnitt maximal 2 Kupferlagen hat, sodass die Flexibilität erhalten bleibt. Diese flexiblen Abschnitte werden durch starre Prepregs und Kerne oder PI-Verbundplatten mit Epoxid- oder Acrylklebern getrennt.

Im Wesentlichen wird jede starre Platte separat in den Bereichen geroutet, in denen ein Biegen erlaubt ist. Hier ist ein Beispielprozess für das Laminieren in eine starr-flexible Leiterplatte mit zwei 2-lagigen Flex-Schaltungen, die zwischen drei starren Abschnitten eingebettet sind. Der Lagenaufbau würde aussehen wie unten dargestellt.

Hinweis: Viele Designer scheuen die Verwendung von Klebstoffen aufgrund der inakzeptablen Z-Achsen-Ausdehnung beim Reflow-Löten.

Detailliertes Diagramm des Lagenaufbaus mit durchkontaktierten Löchern für jeden flexiblen Abschnitt sowie fertigen durchkontaktierten Löchern im starren Abschnitt.

In dem oben gezeigten Beispielaufbau sind zwei vorgeätzte und geschnittene Flex-Schaltungen dargestellt, die jeweils doppelseitig und durchkontaktiert sind. Die Flex-Schaltung wurde in eine Endmontageplatte mit Rahmen gestanzt - dadurch bleibt die Flex-Schaltung während der Endmontage nach dem Laminieren mit den starren Plattenabschnitten flach. Während der Montage bestehen sicherlich einige potenzielle Gefahren bei unzureichender Unterstützung von Flex-Schaltungs-Krümmungen und großen offenen Abschnitten, insbesondere angesichts der Hitze eines Reflow-Ofens.

Dieses Beispiel enthält zwar Klebstoffschichten, aber es ist wichtig zu wissen, dass sich viele Konstrukteure davor scheuen, Klebstoffe zu verwenden, da die Z-Achsen-Ausdehnung beim Reflow inakzeptabel ist. FR-4-Prepregs und duroplastische Epoxidharze erzielen jedoch effektiv das gewünschte Ergebnis und werden hier in jeder Hinsicht als „Klebeschichten” betrachtet. Zusätzliche Haftung kann durch die Behandlung des Kupfers auf den flexiblen Lagen erreicht werden, um die „Verzahnung” in den laminierten Prepregs zu verbessern. Hier werden klebstofffreie doppelseitige Flex-Laminate dargestellt. Dabei handelt es sich ausschließlich um Polyimidfolien mit einer verklebbaren Polyimidbeschichtung, auf die die Kupferfolie geklebt ist. DuPont^™ Pyralux^® und Rogers Corp. R/Flex^® sind Beispiele für beliebte klebstofffreie Laminate.

Die Isolations-Deckschicht wird ebenfalls aufgebracht - entweder als Aufkleber, die mit Klebstoff auflaminiert werden oder mithilfe des bereits erwähnten Fotodruckverfahrens. Sobald die endgültigen flexiblen und starren Platten in diesem 6-Lagen-Aufbau zusammengesetzt sind, werden sie mit den äußersten (oberen und unteren) letzten Kupferfolienschichten laminiert. Dann wird eine weitere Bohrung für Löcher gemacht, die von oben nach unten durchkontaktiert werden. Optional könnten auch Blind Vias (von oben bis zur ersten Flex-Platte, von unten bis zur letzten Flex-Platte) mit einem Laser gebohrt werden, was die Designkosten wiederum erhöht. Die Löcher werden von oben nach unten durchplattiert und eventuell vorhandene blinde Durchkontaktierungen sowie die endgültigen Kupfermuster der äußeren Schicht werden geätzt. Die letzten Schritte sind das Aufbringen der oberen und unteren Lötstoppmaske, des oberen und unteren Siebdrucks und der Konservierungsschicht (wie z. B. ENIG) oder die Heißlufteinspeisung (HASL).

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