Elektronikfertigung Raum schaffen mit flexiblen Leiterplatten

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AT & S Deutschland GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Moderne Herzschrittmacher, hochentwickelte Hörgeräte und neue Technologien wie smarte Kontaktlinsen müssen heute komplexe Schaltungen auf kleinstem Raum unterbringen.

Die Elektronikindustrie hat in den letzten Jahren einen kontinuierlichen Trend zu immer kleineren und kompakteren Produkten erlebt. Dieser Trend hat die Leiterplattenhersteller dazu veranlasst, innovative Lösungen zu entwickeln, um mit den steigenden Anforderungen Schritt zu halten. Eine der markantesten Entwicklungen war die kontinuierliche Verringerung der Abstände zwischen den Leiterbahnen auf den Platinen. Dies ermöglichte es, komplexere Schaltungen in immer kleineren Gehäusen unterzubringen.

Darüber hinaus hat sich die Anzahl der Lagen in einer Leiterplatte von Jahr zu Jahr erhöht, was zu einer gesteigerten Leistungsfähigkeit der elektronischen Geräte führte. In der Tat sind wir mittlerweile an einem Punkt angelangt, an dem die Leiterzüge und die Abstände zwischen ihnen Dimensionen erreicht haben, die nur noch etwa einem Drittel des Durchmessers eines menschlichen Haares entsprechen. Dies stellt eine erstaunliche technische Leistung dar, hat aber auch dazu geführt, dass etablierte Produktionstechnologien langsam, aber sicher an die Grenzen des technisch und wirtschaftlich Machbaren stoßen.

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Gleichzeitig steigt der Platzbedarf auf der Oberfläche von Leiterplatten weiter an. Dies ist auf die wachsende Zahl von elektronischen Komponenten zurückzuführen, die im SMT-Verfahren (surface mount technology) integriert werden sollen. Die enge Anordnung dieser Komponenten erfordert nicht nur präzise Herstellungstechniken, sondern stellt auch eine Herausforderung für die Wärmeableitung und das Design dar.

Flexible Leiterplatten als Lösung

Eine vielversprechende Lösung für diese Herausforderungen sind dünne, flexible Leiterplatten. Diese bieten genug Platz für die SMT-Bestückung und können während des Einbauprozesses platzsparend zusammengefaltet werden, wodurch auf engstem Raum dennoch ausreichend Fläche für Komponenten zur Verfügung steht (siehe Bild 1). Diese innovative Technologie bietet zahlreiche Vorteile, darunter die Möglichkeit, Steckverbindungen und Verkabelungen durch flexible Leiterplattenbereiche zu ersetzen. Dies führt zu weniger Prozessschritten bei der Herstellung, einem einfacheren Einbau und niedrigeren Kosten bei gleichzeitig höherer Qualität. Darüber hinaus sind die Verbindungen zuverlässiger und widerstandsfähiger gegen äußere mechanische Einflüsse.

Grenzenlose Freiheit

Flexible Schaltungen ermöglichen es, elektronische Baugruppen in Formen zu integrieren, die einst undenkbar waren, und eröffnen eine Welt neuer Möglichkeiten in Branchen wie Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt oder Konsumelektronik. Die Kombination aus Flexibilität und Robustheit in einem einzigen Bauteil eröffnet eine neue Dimension der Designfreiheit. Von medizinischen Implantaten, die sich an die natürlichen Konturen des menschlichen Körpers anpassen, bis hin zu Raumfahrzeugen, die den extremen Bedingungen des Weltraums trotzen können, bieten Flex- und Rigid-Flex Leiterplatten eine unvergleichliche Flexibilität in jedem Sinn des Wortes.

Ausführungsvarianten

AT&S stellt vollflexible Leiterplatten für verschiedenste Anforderungen mit ein bis zehn Lagen auf Polyimidbasis her, bietet aber auch Rigid-Flex-Leiterplatten, die die Vorteile herkömmlicher starrer Leiterplatten aus traditionellen Verbundwerkstoffen mit den Vorzügen von flexiblen Polyimiddesigns verbindet. Es ist mittlerweile sogar möglich, bis zu zehn starre HDI-Lagen aus halogenfreiem Basismaterial mit flexiblen HDI-Lagen aus Polyimid zu kombinieren.

Sowohl Staggered als auch stacked Vias sind auf allen Lagen möglich. Die Rigid-Flex-Leiterplatten können danach genau wie herkömmliche Leiterplatten mechanisch bestückt werden. Es stehen verschiedene Endoberflächenoptionen wie OSP / Chemisch Tin, Chemisch Ni/Au, Galvanisch Ni/Au, Chemisch Silber (IMS) und HASL LF zur Verfügung.

Herstellung

Ausgangsbasis für flexible und rigid-flex Leiterplatten ist eine Polyimidfolie, die mit den bekannten Standard-Produktionsschritten der Leiterplattenherstellung, wie zum Beispiel Fotodruck, Ätzen, Galvanik, etc. weiterverarbeitet wird. Das hitzebeständige Polymer Polyimid behält im Vergleich zu herkömmlichen, starren Leiterplattenmaterialien seine physikalischen und elektrischen Eigenschaften auch bei extremer Biegung und Torsion bei.

Polyimid behält seine Stabilität, Integrität und gute Isoliereigenschaften zudem bei Temperaturen, die für viele andere Polymere unerreichbar sind. Dies macht es zum Beispiel zu einem bevorzugten Material in der Luft- und Raumfahrt: Das Hitzeschild des neuen James-Webb-Teleskops besteht aus Polyimid. Die Fähigkeit des Polymers, in solchen anspruchsvollen Umgebungen zu bestehen, ist entscheidend für die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit von Flex- und Rigid-Flex Leiterplatten.

Begrenzt flexibel

Ein Nachteil von polyimidbasierten Leiterplatten ist, dass die Herstellungs- und Entwicklungskosten höher sein können. Auf Basis der 2,5D-Technologie, die das gezielte Entfernen von Teilen der inneren Lagen einer Leiterplatte erlaubt, bietet AT&S seit einigen Jahren auch semi-flexible Leiterplatten aus herkömmlichem FR4-Verbundmaterial an, die bedingte Flexibilität bei niedrigen Kosten ermöglicht. Durch das verwendete FR4-Material sind die Anzahl der Biegezyklen sowie der Biegeradius begrenzt, dafür sind die Materialkosten deutlich geringer als bei vollflexiblen Ausführungen. Semi-flex Leiterplatten sind für Flex-to-install Lösungen gedacht, die nicht mehr als fünf Biegezyklen benötigen.

Simulation spart Kosten

AT&S verfügt über umfangreiches Know-how und modernste Charakterisierungsmethoden im Bereich der mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Substrat- und PCB-Materialien. Dieses Wissen, beispielsweise über die richtungsabhängigen mechanischen Eigenschaften innerhalb eines PCB- oder Substratmaterials, ermöglicht eine noch präzisere Modellierung und damit eingehend ein verbesserte Verzugs- und Zuverlässigkeitssimulation.

Kunden profitieren davon, dass sowohl der Herstellungs-Yield als auch der Bestückungs-Yield signifikant verbessert werden können. Darüber hinaus ermöglichen die komplexen Modelle Rückschlüsse auf die Zuverlässigkeit von Vias und Lötverbindungen eines Systems, was letztendlich zu einem zuverlässigen Produkt für die Endabnehmer führt. Angesichts der steigenden Leistungsdichten aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung in der Elektronik ist ein ausgeklügeltes thermisches Management von Leiterplatten erforderlich, das effizient durch Simulation entwickelt werden kann.

Ausblick: Die Zukunft des Elektronikdesigns

Von intelligenten Wearables bis hin zu autonomen Fahrzeugen: Flex- und Rigid-Flex Leiterplatten werden weiterhin das Design und die Funktionalität elektronischer Geräte und Systeme maßgeblich beeinflussen. Technische Innovationen wie semiflex Leiterplatten und 2,5D-Technologie eröffnen neue Horizonte und führen die Elektronikindustrie in eine aufregende Zukunft, in der Flexibilität, Leistung und Innovation Hand in Hand gehen. (mbf)

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