Ein flexibles PCB-Substrat wird auch FPC (Flexible gedruckte Schaltungen) genannt. Das größte Merkmal dieses Substrats ist seine Dünnheit und Weichheit. Seine elektrischen Eigenschaften ändern sich auch dann nicht, wenn es gebogen wird, was den Vorteil hat, dass es seine Leistungsfähigkeit unter Beweis stellt. Es besteht aus einer Struktur, bei der eine Basisfolie (z. B. Polyimid), bei der es sich um einen Dünnschichtisolator handelt, verwendet wird und auf die eine Klebeschicht und eine Leiterfolie laminiert werden.
Details zum flexiblen PCB-Substrat
Flexible PCB-Substrate zeichnen sich durch ihre Form und Verwendung aus. Es kann aufgrund seiner größten Eigenschaften von „Dünnheit“ und „Weichheit“ gebogen werden, sodass man sagen kann, dass es sich um ein Substrat mit einem hohen Freiheitsgrad handelt. Da sich die elektrischen Eigenschaften auch beim Biegen nicht ändern, hat es darüber hinaus den Vorteil, dass seine Eigenschaften maximiert werden.
Unter Ausnutzung dieser Funktion wird es als Verbindungskabel verwendet, das bewegliche Teile, gebogene Teile, Substrate, die dünner und leichter sein müssen, und Einheiten verbindet. Beispiele für bekannte Anwendungen sind Tastaturen, Taschenrechner, LCD-Monitore und Druckerköpfe.
Darüber hinaus wird es fast immer in beweglichen Teilen wie faltbaren Mobiltelefonen und dreidimensionalen Schaltkreisen wie Kameraobjektiven verwendet. Dieses Substrat wird häufig in der Raumfahrtentwicklung und Luftfahrt eingesetzt, wo Gewichtsreduzierung besonders wichtig ist.
Flexible PCB-Substratstruktur
Einseitiger Aufbau
Es wird hauptsächlich an Orten eingesetzt, an denen viel Bewegung herrscht. Als besonderes Merkmal ist es auf Dünnheit, Flexibilität und geringes Gewicht spezialisiert, und es ist möglich, das Substrat auch an engen Stellen zu verwenden, an denen es schwierig ist, es zu realisieren. Selbstverständlich ist es sehr langlebig und kann auch nach mehrmaligem Zusammenklappen oder Bewegen problemlos verwendet werden.
Doppelseitige Struktur
Es wird verwendet, wenn Sie die Funktionalität erhöhen möchten. Das Besondere daran ist, dass es auch für hohe Dichte geeignet ist und den Grad der Designfreiheit und Funktionsverbesserung erhöhen kann, wenn Sie kompliziertere Schaltkreise wie Querverdrahtungen erstellen möchten. Andererseits ist im Gegensatz zur einseitigen Struktur die bewegliche Haltbarkeit verringert.
Neben einseitigen und doppelseitigen Strukturen gibt es mehrschichtige Strukturen und Starr-Flex-Strukturen.
Unterschied zur starren Platte
Flexible PCB-Substrate und starre Substrate verfügen über ähnliche grundlegende Verarbeitungsprozesse, bei denen die Kupferfolie von kupferkaschierten Laminaten chemisch geätzt wird, um Schaltkreise zu bilden. Durchgangslochstrukturen werden auf die gleiche Weise hergestellt. Der wesentliche Unterschied in der Zusammensetzung und Verarbeitung liegt im Schutz der Schaltkreisoberfläche. Im Allgemeinen werden starre Platinen mit einer Lötmaske bedruckt, während flexible Platinen mit einer Kunststofffolie namens Coverlay laminiert werden.
Wenn Sie als Nächstes über die Verwendung nachdenken, können beide als völlig unterschiedliche Dinge betrachtet werden. Dies liegt daran, dass der Hauptzweck einer starren Platine darin besteht, verschiedene elektronische Komponenten zu montieren und zu verkabeln, während der Hauptzweck einer flexiblen Platine darin besteht, sie als Kabel zu verwenden. Nachfolgend finden Sie eine Vergleichstabelle beider Boards.
Der Klebstofftyp wurde erstmals als kupferkaschiertes Laminat für flexible Leiterplattensubstrate praktisch eingesetzt. Diese Art von Herstellungsprozess beginnt mit dem Auftragen eines Klebstoffs auf eine Basisfolie, lässt ihn trocknen, legt dann eine Kupferfolie darauf und wendet zum Abschluss Hitze und Druck an.
Der Klebstofftyp hat die längste Erfolgsgeschichte und wird aufgrund seines niedrigen Preises auch heute häufig verwendet. Kupferkaschierte Laminate vom Klebstofftyp werden im Allgemeinen in Rollenform hergestellt, einige Hersteller stellen sie jedoch in Plattenform her, um die Nachfrage zu befriedigen High-Mix-Produktion mit geringem Volumen.
Art des Klebers
Als Klebstoffe für kupferkaschierte Laminate werden duroplastische Harze wie Epoxidharze und Acrylharze verwendet. Die Leistung dieser Klebstoffe variiert stark je nach Zusammensetzung und Verklebungsbedingungen. Es gibt viele Unterschiede zwischen den Herstellern.
Duroplastische Harze weisen im Allgemeinen eine hohe Hitzebeständigkeit auf, sind jedoch Polyimidharzen immer noch unterlegen. Daher wird die Hitzebeständigkeit von kupferkaschierten Laminaten mit Klebstoff durch den Klebstoff bestimmt.
Viele Basis- und Leiteroptionen
Kupferkaschierte Laminate vom Klebetyp bieten eine größere Auswahl an Materialien. Als Basismaterial können neben Standard-Polyimidfolie auch PET-Folie, PEN-Folie etc. verwendet werden. Es können auch Materialien wie dünne Epoxidglasplatten und Papier verwendet werden. Andererseits können Leiter neben Standard-Elektrolytkupferfolie und gewalzter Kupferfolie auch aus speziellen Metallfolien wie Aluminiumfolie und Edelstahl hergestellt werden.
Klebesucht
Bei kupferkaschierten Laminaten vom Klebstofftyp variieren elektrische Eigenschaften wie Isolierung, mechanische Eigenschaften wie Klebefestigkeit und Biegefestigkeit sowie chemische Eigenschaften wie Flammwidrigkeit und chemische Beständigkeit stark in Abhängigkeit von den Verbindungsbedingungen mit dem Klebstoff.
Sein Klebeharz wird vom Hersteller von kupferkaschiertem Laminat hergestellt. Daher machen die Klebstoffe und Prozessbedingungen des Herstellers von kupferkaschierten Laminaten, selbst wenn die Basisfolie und die Kupferfolie gleich sind, einen großen Unterschied.
Bei kupferkaschierten Laminaten vom Klebetyp entspricht die Dicke der Klebeschicht der des Basisfilms und kann daher bei der Betrachtung der Dünnheit und Flexibilität flexibler Leiterplattensubstrate nicht außer Acht gelassen werden. Daraus entstanden verschiedene Ideen für den klebstofffreien Aufbau kupferkaschierter Laminate.
Casting-Typ
Der Gusstyp war das erste praktische kupferkaschierte Laminat, das keinen Klebstoff verwendet. Da es dünn ist und eine gute Wärmebeständigkeit aufweist, wird es mittlerweile als Standard für Mehrschichtschaltungen und Schaltungen mit hoher Dichte verwendet.
Obwohl die Struktur einfach aussieht, ist die Herstellungsmethode nicht einfach.
Bei der Gießmethode wird ein flüssiges Polyimidharzmaterial gleichmäßig direkt auf die vorbereitete Kupferfolie aufgetragen und einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung (300 °C oder höher) unterzogen, um einen Film zu bilden, und das kupferkaschierte Laminat wird fertiggestellt einmal. Leider haftet Polyimidharz, das als Trägerfolie verwendet werden kann, nicht auf Metall.
Daher wird als Basis eine dünne Schicht eines Polyimidharzmittels aufgetragen, das an Metall haftet und eine hohe Affinität zum Kernpolyimidharz aufweist. Da die Balance als Folie jedoch nur auf einer Seite nicht gut ist, wird auch die andere Seite beschichtet. Mit anderen Worten: Der Basis-Polyimidfilm weist einen dreischichtigen Aufbau auf.
Ein beidseitig kupferkaschiertes Laminat lässt sich nicht direkt im Gießverfahren herstellen. Daher muss ein doppelseitiges kupferkaschiertes Laminat ein thermoplastisches (bei erhöhter Temperatur schmelzendes) Polyimidharz als darunter liegende Polyimid-Klebeschicht verwenden und schließlich eine zweite Kupferfolie laminieren. Die Laminiertemperaturen sind normalerweise recht hoch und liegen über 300 °C.
Materialwahl
Neben Standard-Elektrolytkupferfolie und gewalzter Kupferfolie können auch Legierungsfolien wie Edelstahl für Leiter verwendet werden. Es gibt keine Dickenbeschränkungen. Bei beiden Seiten besteht auch die Möglichkeit, Leiterfolien unterschiedlicher Materialien und Stärken zu kombinieren. Da es jedoch meist im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt wird, ist es nicht so gut, mit einer großen Produktvielfalt umzugehen.
Geringe Auswahl an Basisschichten
Im Allgemeinen gibt es für jeden Hersteller nur eine Art Basisfolienzusammensetzung. Aufgrund des Herstellungsprozesses ist der Dickenbereich auf 12.5–50 µm begrenzt.
Sputtertyp
Mit der Sputter-/Plattierungsart lassen sich leicht die dünnen kupferkaschierten Laminate mit Leiterfolie herstellen, die für die Bildung feiner Schaltkreise erforderlich sind. Daher werden flexible PCB-Substrate, die als Substrate für Display-Treiberschaltungen verwendet werden, in feinen Schaltungen mit einem Musterabstand von weniger als 50 μm verwendet, wie z. B. TAB-Schaltungen (Tape Automated Bonding) und COF-Schaltungen (Chip on Film).
Ausgangspunkt des Herstellungsprozesses ist die Basisfolie.
Bei dieser Art von kupferkaschiertem Laminat wird die Leiterschicht durch Galvanisieren auf der Basisfolie gebildet, die Galvanisierung kann jedoch nicht direkt auf die isolierende Basisfolie (Kunststofffolie) angewendet werden.
Zunächst wird auf der Oberfläche des Films eine dünne leitende Schicht aus einem Metall wie Nickel oder einer Legierung im Vakuum-Sputterverfahren gebildet. Dies wird als Saatschicht bezeichnet. Die Dicke beträgt üblicherweise weniger als 0.1 µm. Sobald die Keimschicht angebracht ist, kann darauf Metall in jeder gewünschten Dicke galvanisiert werden.
Die Saatschicht muss stabil auf der Trägerfolie haften. Im Allgemeinen ist das Rolle-zu-Rolle-Vakuumsputterverfahren nicht sehr flexibel und eignet sich daher nicht für die Produktion von High-Mix- und Low-Volume-Produktionen.
Dicke der flexiblen Leiterplatte
Da dieses Verfahren keinen Hochtemperaturprozess erfordert, ist es technisch möglich, als Basismaterial PET-Folie oder PEN-Folie mit geringer Hitzebeständigkeit zu verwenden. Allerdings handelt es sich bei den meisten Produkten auf dem Markt um kupferkaschierte Laminate auf Basis von Polyimidfolien.
Auch hinsichtlich der Dicke der Basisfolie dürfte es keine technische Grenze geben, sondern es handelt sich tatsächlich um ein kupferkaschiertes Laminat auf dem Markt, bei dem eine Folie mit einer Dicke von 12.5 bis 50 μm zum Einsatz kommt.
Da die Leiterschicht bei diesem Verfahren außerdem durch Elektroplattieren gebildet wird, ist der Freiheitsgrad bei der Leiterdicke groß, aber je dicker der Leiter, desto höher sind die Herstellungskosten. Umgekehrt ist es einfach, eine dünne Leiterschicht herzustellen.
Allerdings handelt es sich aus Kostengesichtspunkten tatsächlich um ein dünnes kupferkaschiertes Laminat mit einer Leiterdicke von weniger als 10 µm auf dem Markt, wobei auch Leiter mit einer Dicke von weniger als 1 µm möglich sind. Um durch Ätzen feine Schaltkreise mit einer Musterbreite von weniger als 30 µm zu bilden, ist ein kupferkaschiertes Laminat mit einer derart dünnen Leiterfolie erforderlich.
