Von Microflex bis Langflex - Flex-Leiterplatten in extremen Formaten
Aus FED-Wiki
von Dr. Christoph Lehnberger, Andus Electronic GmbH
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Zusammenfassung
Der Vortrag stellt zwei Technologien für flexible Leiterplatten vor, welche in letzter Zeit stark nachgefragt werden. Zum einen ist dies die Microflex-Technologie. Hierbei werden ein- oder zweiseitige flexible Feinstleiter-Leiterplatten mittels Laserbearbeitung strukturiert. Die Substrate weisen typischerweise Briefmarkengröße und weniger auf - daher der Name. Wesentliche Vorteile sind: wirtschafliche Nutzengestaltung ohne Zwischenräume, HF-Eigenschaften der Substrate, Synergie mit Platz sparenden Verbindungstechnologien. Die zweite Flex-Technologie kann mit Langflex umschrieben werden. Hierbei handelt es sich um flexible Leiterplatten, deren Länge normalerweise nicht im Panel-Verfahren gefertigt werden kann. Der Bedarf an solchen Leiterplatten erklärt sich aus dem Wunsch nach Ersatz von Kabelbäumen. Neben der Faltung von meanderförmig gefertigten Flexen zu langen Einheiten lassen sich durch Variation von Prozessen und Maschinen diese Flex-Verbinder auch in einem Stück fertigen.
Microflex
Ein- oder zweiseitige flexible Feinstleiter-Leiterplatten, welche mittels Laserbearbeitung strukturiert werden und welche typischerweise Briefmarkengröße und kleiner aufweisen, werden seit wenigen Jahren verstärkt nachgefragt und werden daher zu einer neuen Produktgruppe zusammengefasst.
Eigenschaften und Design
Typische Microflexe lassen sich durch folgende Features charakterisieren:
- Basismaterial: kleberlose Polyimid- Folien von 25 µm oder 50 µm Stärke
- r = 3,4 ; tan () = 0,007
- Aufbau: einseitig oder durchkontaktiert mit Flex-Lack oder Deckfolie
- Laserschnitt: Konturbreite >0,5mm, Schnittbreite 25 µm
- Registiertoleranz: Versatz von Schnittkante zum Leiterbild ca. +/- 10 µm
- Design: Leiterbreite/-abstand: 75 µm, Abstand zur Kontur: 0,2 (0,1) mm
- Breite der Laser-Stege für die Nutzengestaltung: 1 - 2 mm
- Kein Verziehen des Substrat wegen fehlender seitlicher Kräfte beim Schnitt.
- Typische Oberflächen: chem. Zinn, chem. Ni/Au, galv. Ni/Au
Nutzen-Design
Für Microflexe mit einfacher Kontur bietet sich an, die Einzelplatinen im Fertigungsnutzen dicht an dicht anzuordnen, d. h. ohne den üblichen Halterahmen zwischen den Leiterplatten. Dadurch erhöht sich besonders bei kleinen Abmessungen die Flächenausbeute auf nahezu 100% der Belegfläche. Die Bestückung erfolgt in der Regel im Nutzenrahmen, um die Rüstkosten für Einzelteile zu minimieren. Die einzelnen Leiterplatten bleiben an feinen Stegen miteinander verbunden, welche idealerweise nach dem Bestücken durch einfaches Ausknicken bzw. Abschneiden getrennt werden. Die Platzierung der Stege richtet sich sowohl nach kritischen Stellen im Layout als auch nach Vorgaben der mechanischen Stabilität im Bestückungsrahmen.
Einzelplatine →→→→→→→→→→→Bestückungsnutzen
Vorteile
- Starke Miniaturisierung elektronischer Baugruppen. Typische Größe: Briefmarke und kleiner
- Das verwendete Basismaterial eignet sich aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften auch gut für Hochfrequenz-Anwendungen, zumal bei den geringen Abmessungen die dielektrischen Verluste bereits niedrig sind.
- Einsparungen bei Substrat, Assembly und Packaging durch Systemintegration
- MicroFlexe sind für Platz sparende Verbindungstechnologien wie Aluminiumdraht- und Golddraht-Bonden, anisotropes Leitkleben und FlipChip prädestiniert. Erst wenn die miniaturisierten Bauteilträger und Bauteile auch mit entsprechend minimalen Interfaces verbunden werden, erhält man eine bedeutende Reduzierung des Volumens.
Anwendungsfelder
Besonders in der Sensor- und Medizintechnik, aber auch im Bauteil-Packaging lässt sich ein klarer Trend zu immer integrierteren und damit kleineren technischen Lösungen beobachten, die auch die MicroFlex-Technologie einbeziehen.
Beispiele für aktuelle MicroFlex-Anwendungen sind:
- Substrate für das Packaging von aktiven HF-Bauteilen für die elektrisch-optische Kopplung. MicroFlex-Substrate dienen als Träger für optische Empfänger- oder Sender-Halbleiter, werden gemoulded und bilden gleichzeitig die Bauteilanschlüsse.
- In-vivo Humanmedizin: Ansteuerungsleitung für Micro-Sensoren auf Siliziumbasis, welche injiziert werden. Aktuelle Forschungsprojekte arbeiten mit 0,2 mm breiten MicroFlexen, auf denen 2 Leiter Platz finden. Die microanalytischen Messwerte werden online erfasst.
- Neuronen-Forschung: Ankopplung von Nervenzellen an elektronische Sensor- und Aktorschaltungen.
- Optoelektronik: Lasersteuerung
- Display-Anbindung: Verbindung von LCD-Displays u. ä. mit einem Rastermaß von 0,127 mm.
Langflex
Langflexe sind flexible Leiterplatten, deren Länge normalerweise nicht im Panel-Verfahren gefertigt werden kann. Der Bedarf an solchen Leiterplatten erklärt sich aus dem Wunsch nach Ersatz von Kabelbäumen.
Faltflex
Individuelle flexible Leiterplatten von mehreren Metern Länge sind eine große technische Herausforderung. Eine einfache Alternative dazu stellen meanderförmige flexible oder starrflexible Leiterplatten dar, welche sich zu langen geraden Flexverbindern falten lassen. Es sind je Windung zwei Faltungen nötig, welche im 90°-Winkel zueinander stehen. Damit kommt gleichzeitig wieder die TOP-Seite nach oben zu liegen.
Die Faltung kann einfach fixiert werden. Wichtig ist dabei, dass sich noch ein ausreichender Biegeradius im Faltungsbereich einstellen kann, der für Standard-Verbinder ca. 2 mm beträgt.Je nach Breite des Verbinders können mit dieser Anordnung Leiterplatten von mehreren Metern Länge realisiert werden.
Die Vorteile von Faltflexen sind:
- wirtschaftliche Fertigung im Standardpanel
- Auch als Starrflex-Ausführung möglich
- keine besonderen Designeinschränkungen
Langflex
Im Reel-To-Reel (Rolle-zu-Rolle) Fertigungsverfahren lassen sich quasi beliebig lange Flexe herstellen. Wegen hoher Rüstkosten sind jedoch nur hohe Stückzahlen wirtschaftlich und die Technologie beschränkt sich auf die verfügbare Fertigungslinie.
Durch Kombination von Elementen der Reel-To-Reel-Verfahren und der Panel-Fertigung können lange Flexverbinder auch einzeln hergestellt werden.
Die Technologie beschränkt sich auf folgende Eigenschaften:
- Einseitiges Layout
- Strukturen >250 µm
- Deckfolie mit Freisparungen
- Oberfläche chem. Zinn
Nachteil:
- Erhöhter Handlings-Aufwand vs. Einzelpanel
Vorteil:
- Flex-Verbinder ist durchgehend flach und gleichmäßig
Aktuelle Anwendungsfelder:
- Medizintechnik: Verdrahtung von Röntgentischen
- Luftfahrt: Zuleitung für Piezzo-Sensoren und -Aktoren
