Flexible Leiterplatten Die Chancen der Flex-Leiterplatte als Verdrahtungsträger – ein Ausblick bis 2010

Bei der weiteren Systemintegration von elektronischen Verdrahtungsträgern für Produkte mit Forderungen nach kleinem Gewicht und höchster Funktionalität auf kleinstem Raum gewinnt die flexible Leiterplatte eine immer größere Bedeutung als Aufbau- und Verbindungselement. Voraussetzung ist das Wissen über die Möglichkeiten von Design, Materialen, Verarbeitung, da jede Flexschaltung exakt auf die jeweilige Applikation abgestimmt werden muss.

Anbieter zum Thema

Bürklin GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Die Funktionalität, die Komplexität und die Gebrauchsfähigkeit elektronischer Geräte und Systeme werden grundsätzlich durch den kontinuierlichen technologischen Fortschritt bei der Integration elektronischer Funktionsstrukturen auf dem Chipniveau bestimmt. Die Dynamik der Halbleitertechnologie lässt sich insbesondere an der Entwicklung bei den Mikroprozessoren erkennen, deren Taktfrequenz bis zum Jahre 2011 auf 10 GHz ansteigen wird.

Folgt man dieser und sich weiter entwickelnden Funktionalität auf dem Chipniveau ist auch ableitbar, dass neue bzw. modifizierte bisherige Lösungswege für den Verdrahtungsträger elektronischer Komponenten, die Leiterplatte, für die elektronische Baugruppenfertigung zu gehen sind. Im betrachteten Fall sind das z.B. die Signalwege zwischen den Komponenten, die es gilt mit steigender Arbeitsfrequenz der Prozessoren kontinuierlich zu reduzieren.

In bestimmten Anwendungsbereichen sind nicht nur die dargestellten elektrischen Anforderungen durch die Leiterplatte zu erfüllen, sondern ergänzend Restriktionen bezüglich der Gestaltung der Leiterplatte zur Erschließung der 3. Dimension sowie des Gewichts für mobile Produkte bei minimalen Kosten zu beachten [1].

All diese Fakten führen automatisch in vielen künftigen Applikationen zu einer dünnen und damit flexiblen Leiterplatte. Die flexible Leiterplatte (FPC - Flexible Printed Circuit oder auch FPB - Flexible Printed Board genannt) wird allgemein als flexible Schaltung bzw. flexibler Verdrahtungsträger bezeichnet.

Das Anwendungspotenzial von flexiblen Leiterplatten

Die flexible Schaltung stellt einen extrem anpassbaren und relativ einfachen Verdrahtungsträger dar. Trotzdem hat sie bisher nur ein wenig beachtetes Dasein in der allgemeinen Baugruppentechnologie gespielt. Der gegenwärtige Anwendungsumfang liegt je nach Industrienation zwischen 3 und 8% der Leiterplattenfertigung. Treiber der Anwendung für flexible Leiterplatten waren bisher das Militär und verschiedene mobile Consumer-Produkte.

Die Applikation flexibler Schaltungen in Konsumgütern wurde Ende der 70-iger Jahre erforderlich, um die Marktanforderungen für mobile Produkte nach Kleinheit, Gewicht und Leistungsfähigkeit erfüllen zu können. Als Pionierbeispiele stehen dafür Kameras, Camcorder und tragbare Fernsehgeräte.

Die millionenfache Wiederholbarkeit der Biegsamkeit der Verdrahtung war auch Voraussetzung um neue elektronische Produkte wie Drucker, Festplattenspeicher, Scanner für die Computerperipherie und Klapp-Handys realisieren zu können.

Für die zukünftige Anwendung der FPC gibt es eine Reihe von Gründen, die nachfolgend stichpunktartig genannt werden:

• Geometriereduzierung: Basismaterial ≤25 µm, 3-dimensionale Einbauweise;
• Gewichtsreduktion – je nach Anwendung bis zu 90%;
• Biegsamkeit – millionenfache Wiederholbarkeit;
• Elektrische Eigenschaften: Uniformität in Dicke, hochtfrequenztauglich;
• Prozessierung: planar/Rolle zu Rolle, HDI-Strukturierung mit Mikrovias, graphische Drucktechnologie und Dünnfilmtechnik nutzbar;
• Kostenreduzierung: Fertigung hoch automatisierbar, vereinfachte Logistik und Lagerung;
• Zuverlässigkeitserhöhung: TCE-Ausgleich zum Chip, Reduzierung der Lagenanzahl, Ausschließen von Fehlverdrahtungen, bei Mehrlagenschaltungen jede Lage vor Integration funktionell testbar;
• Wärmemanagement: Wärme teilweise beidseitig abführbar;
• Produktdesign: flex bzw. starr-flex, freies Design;
• Multifunktionalität – getrennte Funktionslagen bzgl. der elektrischen/mechanischen u. optischen Funktion stapelbar;
• Umweltgerecht: geringer Materialeinsatz, halogenfrei, recyclierbar.

Das vorgenannte Potenzial der flexiblen Verdrahtung ermöglicht den Aufbau von Leiterplatten bzw. Verdrahtungsträger komplexester Technologie hinsichtlich Packungsdichte und Funktionalität. Das führte in den letzten Jahren zu einem stetigen Anstieg der Nachfrage von flexiblen Leiterplatten. Die jährliche Zuwachsrate an Flexschaltungen wird gegenwärtig mit 12,4% p. a. bis 2008 prognostiziert. Damit ist die erwartete Zuwachsrate höher als die für Einlagen-, Zweilagen- und Mehrlagenschaltungen (4 bis 6 Lagen).

Vom Nischenprodukt zum Wachstumsträger

Waren im Jahr 2000 rd. 10,7% der Weltleiterplattenproduktion (42,7 Mrd. $) flexible Schaltungen, so ist der wertmäßige Produktionsanteil im Jahr 2004 (Gesamtweltmarkt 38,8 Mrd. $) auf 13,4 % gewachsen. Und während die weltweite Produktion von starren Leiterplatten von 2000 bis 2003 um 26% sank, ging der Produktionswert der flexiblen Schaltungsträger nur halb so stark zurück.

Bis zum Ende der Dekade gehen Marktbeobachter von einem jährlichen Wachstum von 12,4% aus. Weltmarktführer bei FPCs ist Japan mit 40%. Die USA (10,4%), die viele Jahre auf Platz 2 der Weltrangliste rangierten, verlieren massiv Marktanteile durch die Verlagerung nach Südostasien, wovon insbesondere China profitiert. Der Anteil von China (13,9% Weltmarktanteil) und Taiwan (9,3%) ist insbesondere auf die Massenproduktion von Digitalkameras, Mobiltelefonen und Plattenspeichern sowie Druckern zurückzuführen. Der Anteil Europas von 4,3% am Weltmarkt ist dagegen gering. Triebfeder in Europa ist die Automobilindustrie, wo flexible Schaltungen beispielsweise den Kabelbaum ersetzen und als Schaltungsträger und Verbindungselement fungieren.

Zukünftige Anwendungen für FPCs

Gegenwärtig wird die Applikation der flexiblen Leiterplatte als Aufbau- und Verbindungselement im allgemeinen nur mit der Ablösung von Steckverbindern sowie dem Packaging hochkomplexer Schaltkreise als Chipverdrahtungsträger und der Herstellung mobiler Produkte mit einem extremen Drang nach Miniaturisierung bei höchster Performance in Verbindung gebracht.

Es ist jedoch davon auszugehen, dass auf Grund der zuvor dargestellten Performance von Flexschaltungen und einer Verarbeitung im Rolle zu Rolle-Verfahren, diese die Basis für viele zukünftige technische Produkte, vorteilhafter Weise Massenprodukte, bilden werden. Derartige folienbasierte Produktbeispiele innerhalb der nächsten 10 Jahre sind z. B. Komplexverdrahtung in Luft- und Raumfahrt, Automobil, UMTS-Handys, Medizintechnik (besonders Implantate), polytronische Transponder (RFID), das elektronische Papier (vom Buch bis zur. elektronischen Zeitung), dynamisch beanspruchte Signalverarbeitungsnetzwerke und Verbinder (intelligente Kleidung, Mechatronik).

Dabei wird die Flexschaltung als Bandleiter, Schaltungsträger, Interposer und als selbstständige elektronische Komponente (z.B. Foliendisplays) einzeln oder kombiniert in Erscheinung treten.

Neben diesen vorstellbaren und zum Teil schon angearbeiteten Applikationen erscheinen für zukünftige Anwendungen als besonders reizvoll neue Aufbaukonzepte für höherlagige Multilayer Leiterplatten (Embedded PCB) sowie die Ausprägung polytronischer und nanoelektronischer Funktionsstrukturen unter Anwendung flexibler Basismaterialien als Aufbau- und Verbindungselement. Diese Vision ist in der Grafik schematisch dargestellt.

Multfunktionale Aufbauweise von Leiterplatten: Hetero-Systemintegration

Der Trend zu Leiterplatten noch höherer Komplexität ist ungebrochen. Als besonders zukunftsträchtig sind deshalb Mehrlagenleiterplatten mit eingebetteten Komponenten (Embedded PCBs) anzusehen. Dabei werden gemäß der Grafik gewünschte optische, mechanische und fluidische Strukturen mittels starrer und flexibler Lagen gestapelt angeordnet und miteinander verpresst.

Der Startschuss für eine derartige multifunktionale Aufbauweise von Leiterplatten ist bereits erfolgt. Diese Form der Systemintegration von differenten Funktionsprinzipien in die Leiterplatte wird auch als Heterointegration bezeichnet. Die Verbindung zwischen den flexiblen Leiterplattenlagen wird ausschließlich über Mikrovia-Lagen realisiert. Damit wird auch eine weitere Reduzierung der Aufbaulagenzahl erreicht. Insgesamt ist daraus zu schlussfolgern, dass in etwa 10 Jahren der Großteil der Leiterplatten in Folienform produziert wird.

An dieser Stelle soll aber auch angemerkt werden, dass seitens des Basismateriales nur wenige Produkte zum gegenwärtigen Zeitpunkt die funktionellen und prozesstechnischen Toleranzforderungen erfüllen. Gute, aber noch nicht preiswerte Materialien für Flexschaltungen hoher Leistungsfähigkeit sind Polyimid und LCP (Liquid Crystal Polymer).

Höchste Funktionalität auf kleinstem Raum

Die Flexschaltung wurde vor 100 Jahren erfunden und hat ihre erste große Anwendung in der Militärtechnik im 2. Weltkrieg gefunden. Seitdem hat sich ihr Anwendungsumfang auf viele technische Produkte erweitert und wird aus heutiger Sicht eine immer größere Bedeutung als Aufbau- und Verbindungselement bei der weiteren Systemintegration elektronischer Verdrahtungsträger für Produkte mit Forderungen nach kleinem Gewicht und höchster Funktionalität auf kleinstem Raum gewinnen.

Die Umsetzung dieser Möglichkeiten mit flexiblen Leiterplatten wird aber nur gelingen, wenn sich der Baugruppen- und Leiterplattenhersteller sowie Systemhersteller das entsprechende Wissen hinsichtlich Material, Verarbeitung und Design aneignen. Dann und nur dann werden flexible Leiterplatten als Alternativlösungen für Teilbereiche der Elektronik verfügbar und für neue technische Produkte nutzbar sein. Es gibt keine Umkehr auf diesem Weg. Wenn die Leiterplatte zur Folie wird, haben die deutschen Leiterplattenhersteller alle Chancen, dabei zu den Schrittmachern zu gehören.

Literatur

[1] Scheel, W.;et al: Electronics Assembly Technology – 2ND Edition, Electrochemical Publications Ltd 2004, Port Erin, Isle of Man, British Isles

[2] Reichl, H.: Systemintegration in der Mikroelektronik, VDE Verlag GmbH Berlin und Offenbach 2005-07-06

*Prof. Dr. Wolfgang Scheel leitet die Abteilung Baugruppentechnologie und Verbindungstechniken beim Fraunhofer IZM in Berlin und Oberpfaffenhofen.

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