Eine doppelseitige, flexible Leiterplatte ermöglicht elektrische Verbindungen in Baugruppen, in denen herkömmliche starre Leiterplatten aufgrund von Bewegungen oder begrenztem Platz nicht einsetzbar sind. In dynamischen Anwendungen können jedoch wiederholte Bewegungen die Leiter und Materialschnittstellen allmählich schwächen.
Für Ingenieure, die flexible Leiterplatten für wiederholtes Biegen entwickeln, besteht die größte Herausforderung darin, die elektrische Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die mechanische Belastung über die gesamte Lebensdauer zu kontrollieren. Dies erfordert eine ganzheitliche Betrachtung des elektrischen Layouts, der mechanischen Konstruktion und des Fertigungsprozesses.
Beim Biegen einer flexiblen Schaltung erfährt die Außenseite der Biegung Zugspannung, während die Innenseite Druckspannungen erfährt. Kupferleiter, die weiter von der neutralen Achse entfernt sind, erfahren im Allgemeinen eine größere mechanische Belastung.
Bei wiederholter Bewegung kann diese zyklische Belastung zu Ermüdungsschäden führen. Kleine Defekte, abrupte Geometrieänderungen und starre Strukturen können lokale Spannungskonzentrationspunkte bilden und letztendlich zum Ausfall des Leiters beitragen.
Die neutrale Achse ist der Bereich, in dem die Biegedehnung gegen null geht. Ihre tatsächliche Lage hängt vom gesamten Schichtaufbau ab, einschließlich Kupfer, dielektrischer Schichten, Deckschicht, Klebeschichten und Versteifungen.
Bei einer doppelseitigen Struktur beeinflussen Position und Dicke des Kupfers auf beiden Seiten das gesamte mechanische Verhalten. Ein Schichtaufbau sollte daher als Gesamtstruktur und nicht als separate Betrachtung jeder einzelnen Kupferschicht bewertet werden.
Zu den häufigsten Fehlerstellen gehören aktive Biegezonen, Übergänge von starr zu flexibel, scharfe Leiterbahnübergänge und Bereiche mit beschichteten Strukturen.
Durchkontaktierungen und durchkontaktierte Löcher führen zu relativ starren Strukturen in der flexiblen Schaltung. Durch deren Platzierung außerhalb aktiver dynamischer Biegebereiche können lokale mechanische Spannungen reduziert und die Zuverlässigkeitsprüfung vereinfacht werden.
Die Kupfersorte beeinflusst die Biegefestigkeit. Walzgeglühtes Kupfer wird häufig für anspruchsvolle Biegeanwendungen eingesetzt, da seine Struktur eine bessere Biegefestigkeit als herkömmliches galvanisch abgeschiedenes Kupfer bietet.
Bei der endgültigen Auswahl des Kupfers sollten auch die Kupferdicke, der Biegeradius, die Leiterbahngeometrie und die erforderliche Anzahl von Biegezyklen berücksichtigt werden.
Polyimid wird aufgrund seiner Flexibilität und thermischen Stabilität, die für kompakte Biegestrukturen erforderlich sind, häufig als Basismaterial für flexible Leiterplatten eingesetzt. In einer doppelseitigen flexiblen Leiterplatte bilden die Polyimidschichten zusammen mit den Kupferschichten und der Deckschicht den kompletten flexiblen Leiterbahnaufbau.
Bei Projekten, die eine definierte Lagenanzahl, Dicke, Kupferstärke und Durchkontaktierungsstruktur erfordern, sollten Ingenieure die gesamte Konstruktion bewerten und nicht nur das Basismaterial auswählen. Die verfügbaren flexiblen Leiterplattenprodukte können im Hinblick auf die erforderlichen Biegebedingungen und elektrischen Anforderungen geprüft werden.
Die Kupferdicke beeinflusst sowohl die elektrische Kapazität als auch die mechanische Flexibilität. Dickeres Kupfer erhöht im Allgemeinen die Steifigkeit eines flexiblen Abschnitts, daher sollten die erforderliche Strombelastbarkeit und die mechanische Beweglichkeit gemeinsam betrachtet werden.
Die Isolierschicht schützt freiliegende Leiter und erhält gleichzeitig die für den Stromkreis erforderliche Flexibilität. Ihre Dicke und Anschlüsse sollten zusammen mit dem Kupferlayout und dem Biegebereich überprüft werden.
| Materialfaktor | Allgemeine Überlegungen zur Flexibilität | Auswirkung auf die dynamische Biegung |
| Kupfertyp | RA- oder ED-Kupfer | Kupferkonstruktion beeinflusst die Ermüdungsfestigkeit |
| Kupferdicke | Dünnes bis dickes Kupfer | Dickeres Kupfer erhöht im Allgemeinen die Steifigkeit. |
| Dielektrikum | Polyimid | Die Gesamtdicke beeinflusst die Biegespannung |
| Schutzschicht | Polyimid-Deckschicht | Schützt Leiter und erhält gleichzeitig die Flexibilität |
| Aufstapeln | Symmetrisch oder asymmetrisch | Die Lage der Schichten beeinflusst das mechanische Verhalten |
Durch die direkte Ausrichtung der oberen und unteren Leiterbahnen über derselben Fläche kann die lokale Steifigkeit in einem doppelseitigen Biegeabschnitt erhöht werden.
Wo die Schaltungsarchitektur es zulässt, kann durch versetzte Leiterbahnen zwischen den beiden Kupferschichten eine gleichmäßigere Kupferverteilung in der flexiblen Struktur erreicht werden. Dadurch lässt sich die lokale Steifigkeit in Bereichen, die wiederholten Bewegungen ausgesetzt sind, reduzieren.
Scharfe Ecken können in flexiblen Schaltungen lokale Spannungsspitzen verursachen. Glatte Kurvenführung ist im Allgemeinen vorzuziehen, wenn Leiterbahnen in einen Biegebereich eintreten oder diesen durchlaufen.
Die Leiterbahnrichtung sollte durch die tatsächliche Biegeachse und die Bewegung der Baugruppe bestimmt werden. Durchkontaktierungen können zudem relativ starre Punkte in einer flexiblen Schaltung erzeugen, daher sollten Übergangsdurchkontaktierungen im Allgemeinen in starren oder gestützten Bereichen und nicht innerhalb aktiver Biegebereiche positioniert werden.
Muss eine Durchkontaktierung in der Nähe einer Biegegrenze liegen, ist ihre Position im Hinblick auf den spezifischen Schichtaufbau und die zu erwartende mechanische Bewegung zu überprüfen.
Versteifungen sorgen für eine gezielte mechanische Verstärkung von Bereichen wie Steckverbindern und Bauteilbefestigungspunkten. Sie sollten diese Bereiche stützen, ohne unnötig in den aktiven Biegebereich hineinzuragen.
VictoryPCB führt Polyimid, FR4, Aluminium und Stahl als Verstärkungsmaterialien auf. Die veröffentlichten Dicken der PI-Versteifungen umfassen 0.05 mm, 0.075 mm, 0.1 mm, 0.125 mm, 0.15 mm, 0.2 mm und 0.25 mm.
Der Leitfaden des Herstellers für Leiterplattenversteifungen enthält zusätzliche Informationen zu Versteifungsmaterialien, Dicken, Anwendungen und Befestigungsmethoden.
Kupferrisse können durch übermäßige Biegebeanspruchung, ungeeignete Kupferkonstruktion, abrupte Leiterbahngeometrie oder übermäßige lokale Steifigkeit entstehen.
Die Fehleranalyse sollte zwischen Materialproblemen, Konstruktionsmängeln und fertigungstechnischen Faktoren unterscheiden. Erste elektrische Prüfungen allein decken möglicherweise nicht die Materialermüdung auf, die sich nach wiederholter mechanischer Belastung entwickelt.
Bei Übergängen von starr zu flexibel können höhere Belastungen auftreten, da sich die mechanische Steifigkeit zwischen gestützten und flexiblen Abschnitten ändert.
Die Abdeckungsanschlüsse, die Versteifungskanten, die Leiterführung und die nahegelegenen plattierten Bereiche sollten daher als ein Übergangsbereich und nicht als unabhängige Konstruktionsdetails betrachtet werden.
Steckverbinderbereiche benötigen oft zusätzliche mechanische Unterstützung, da beim Einstecken und Entfernen Kräfte auf die flexible Schaltung übertragen werden können.
Eine lokale Verstärkung kann den Verbindungsbereich verstärken und gleichzeitig die vorgesehene Bewegung des verbleibenden flexiblen Abschnitts ermöglichen. Material und Dicke sollten der Verbindung und den Montageanforderungen entsprechen.
Die Fertigungsunterlagen sollten Kupferart und -dicke, dielektrische Materialien, Deckschicht, Versteifungen, Oberflächenbeschaffenheit und zu erwartende mechanische Bewegungen klar definieren.
Anhand dieser Details kann der Hersteller beurteilen, ob die vorgeschlagene Konstruktion mit dem erforderlichen Produktionsprozess vereinbar ist.
Allgemeine Fertigungsgrenzen für Leiterplatten sollten nicht automatisch als Grenzwerte für jede flexible Schaltung betrachtet werden. Der tatsächliche Materialaufbau, das Bohrverfahren, die Dicke und die Konstruktion der flexiblen Leiterplatte müssen berücksichtigt werden.
Auf der Seite zur Fertigungskapazität von VictoryPCB werden eine minimale Leiterbahnbreite und ein minimaler Leiterbahnabstand von 0.075 mm angegeben , während die umfassenderen Fertigungskapazitäten Materialien wie Polyimid und verschiedene Oberflächenveredelungen umfassen.
Aus diesem Grund sollten die kritischen Abmessungen vor der Werkzeugerstellung im Hinblick auf die spezifische Konstruktion der flexiblen Leiterplatte überprüft werden.
Eine Überprüfung der Fertigungskapazitäten für Leiterplatten kann dazu beitragen, potenzielle Konflikte zwischen Layoutanforderungen und verfügbaren Fertigungsprozessen zu identifizieren.
Die Kosten hängen von der Anzahl der Lagen, der Kupferdicke, dem dielektrischen Aufbau, der Deckschicht, den Verstärkungen, den Bohranforderungen, der Oberflächenbeschaffenheit, den Abmessungen der Platine und dem Produktionsvolumen ab.
Komplexere mechanische Anforderungen können auch den Konstruktions- und Fertigungsaufwand erhöhen. Eine vollständige Fertigungsspezifikation ermöglicht dem Hersteller eine genaue Beurteilung der tatsächlichen Konstruktion.
Dünneres Kupfer ist im Allgemeinen flexibler, da es eine geringere mechanische Steifigkeit aufweist. Für höhere Strombelastbarkeit kann jedoch ein dickerer Leiter erforderlich sein.
Die endgültige Kupferdicke sollte daher ein Gleichgewicht zwischen elektrischen Anforderungen, Biegeradius, Biegezyklen, Leiterbahngeometrie und Gesamtdicke des Leiterbahnaufbaus herstellen.
Durchkontaktierungen werden in dynamischen Biegezonen generell vermieden, da ihre plattierten Strukturen zu mechanischen Spannungskonzentrationen führen können.
Übergangsdurchkontaktierungen sollten nach Möglichkeit in starren oder gestützten Bereichen angeordnet werden. Muss eine Durchkontaktierung in der Nähe einer Biegung platziert werden, ist die Konstruktion hinsichtlich der tatsächlichen Gegebenheiten und der mechanischen Bewegung zu überprüfen.
Die Oberflächenbeschaffenheit sollte entsprechend den elektrischen, löttechnischen, kontakttechnischen und mechanischen Anforderungen der fertigen Schaltung ausgewählt werden.
Die Oberflächenbeschaffenheit sollte im Zusammenhang mit der Lage der Flexzone und der zu erwartenden mechanischen Bewegung betrachtet und nicht unabhängig davon ausgewählt werden.
Ein zuverlässiges Design von doppelseitigen flexiblen Leiterplatten hängt davon ab, dass der Schichtaufbau, die Materialien, die Leiterbahnführung, die Biegebedingungen und der Herstellungsprozess auf die erforderliche mechanische Bewegung abgestimmt sind.
Die Überprüfung dieser Faktoren während des DFM kann Leiterermüdung, Übergangsschäden und Fertigungsprobleme vor Produktionsbeginn reduzieren.
Für eine Designprüfung oder Fertigungsanfrage wenden Sie sich bitte über die VictoryPCB-Kontaktseite an den Hersteller.
