Fortschritte bei Materialien und Herstellung flexibler Leiterplatten

In den letzten Jahren hat die Welt der flexiblen Leiterplatten (Leiterplatten) ein erhebliches Wachstum und technologische Fortschritte erlebt. Diese Entwicklungen haben aufgrund der inhärenten Vorteile von Flexibilität, Schlankheit und Leichtbauweise zu einem Anstieg des Marktanteils und erweiterten Anwendungen geführt. In diesem umfassenden Artikel werden wir die in flexiblen Leiterplatten verwendeten Hauptmaterialien, ihre Leistungsverbesserungen und die sich entwickelnde Landschaft der Herstellungstechnologien für flexible Leiterplatten untersuchen.

Leistungssteigerung durch Substratmaterialien

Die Leistungsfähigkeit flexibler Leiterplatten hängt maßgeblich von den Eigenschaften der verwendeten Substratmaterialien ab. Substrate spielen eine entscheidende Rolle, da sie sowohl als Leiterbahnträger als auch als Isolationsmedium zwischen den Schaltkreisen dienen. Darüber hinaus müssen sie biegsam und rollbar sein, was für flexible Leiterplatten unerlässlich ist.

Gängige Substratmaterialien für flexible Leiterplatten sind Polyimidfolie (PI) und Polyesterfolie (PET). Auch andere Polymerfolien wie Polyethylennaphthalat (PEN), Polytetrafluorethylen ( PTFE ) und Aramid finden Anwendung. Die Wahl des Substratmaterials sollte auf einer sorgfältigen Bewertung seiner Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit basieren.

Polyimid (PI)-Folie

Polyimidfolie, ein duroplastisches Harz, ist ein führendes Substratmaterial für flexible kupferkaschierte Laminate (FCCL). Im Gegensatz zu den meisten duroplastischen Harzen wird PI bei hohen Temperaturen nicht weich und fließt nicht, wodurch es sich hervorragend für flexible Leiterplatten eignet. PI zeichnet sich durch eine hohe thermische Beständigkeit und hervorragende elektrische Eigenschaften aus. Allerdings weist es Nachteile hinsichtlich der Feuchtigkeitsaufnahme und Reißfestigkeit auf. Verbesserte PI-Folien weisen mit 0.7 % eine deutlich geringere Feuchtigkeitsaufnahme auf, verglichen mit der typischen Rate von 1.6 %. Sie weisen außerdem eine verbesserte Dimensionsstabilität auf, wobei die Toleranzen von ±0.04 % auf ±0.02 % reduziert wurden.

Polyesterfolie (PET).

PET-Harz bietet günstige mechanische und elektrische Eigenschaften. Seine Haupteinschränkung ist seine geringe Hitzebeständigkeit, die es für direkte Löt- und Montageprozesse ungeeignet macht. Allerdings ist die Leistung von Polyethylennaphthalat (PEN) der von PET überlegen, bleibt jedoch hinter den Qualitäten von PI zurück, was es für einige Anwendungen zu einer geeigneten Alternative macht.

Flüssigkristallpolymer (LCP)

Bei kompakten HF- und Hochfrequenz-Flex-Designs kann Highleap auch ein LCP-PCB-Fertigungsprojekt zusammen mit dem Flex-Stackup und dem Montagepaket überprüfen.

Um die Einschränkungen von Polyimidsubstraten zu überwinden, hat sich Liquid Crystal Polymer (LCP) als vielversprechende Alternative herausgestellt. LCP ist ein thermoplastisches Material, das zu dünnen, für Leiterplatten geeigneten Folien verarbeitet werden kann. Es weist eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme (0.04 %) und eine Dielektrizitätskonstante von 2.85 (1 GHz) auf und eignet sich daher für digitale Hochfrequenzschaltungen. Die Eigenschaften von LCP, darunter Hochfrequenzkompatibilität, thermische Dimensionsstabilität und geringe Feuchtigkeitsaufnahme, haben zu seiner Einführung in der Herstellung flexibler Leiterplatten geführt.

Halogenfreie Substratmaterialien

Die Elektronikindustrie hat einen Wandel hin zu mehr Umweltverantwortung erlebt. Richtlinien wie RoHS (Restriction of Hazardous Substances) und WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment) verbieten die Verwendung gefährlicher Stoffe in elektronischen Geräten. Infolgedessen wurden halogenfreie Substratmaterialien entwickelt, die den Umweltauflagen entsprechen und heute in starren und flexiblen Leiterplatten weit verbreitet sind.

Sich entwickelnde Substratmaterialien

Da die Nachfrage nach flexiblen Leiterplatten stetig wächst, werden kontinuierlich Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um neue Substratmaterialien zu erforschen, die die Leistungsfähigkeit flexibler Schaltungen weiter verbessern können. Angesichts von über 2000 weltweit verfügbaren, geeigneten Kunststofffolien besteht zweifellos Potenzial für die Entdeckung von Materialien, die die Grenzen des Designs flexibler Leiterplatten erweitern können.

Die Rolle des Klebstoffs in flexiblen Leiterplatten

Für flexible Polyimid-Konstruktionen, die ein definiertes Klebstoffsystem erfordern, ist das DuPont Pyralux LF-Verfahren für flexible Schaltungen eine nützliche materialspezifische Referenz, bevor die Konstruktion freigegeben wird.

Klebstoff ist eine entscheidende Komponente in flexiblen Leiterplatten, da er für die Verbindung der Kupferfolie und des Trägermaterialfilms verantwortlich ist. Klebstoffe werden in verschiedene Kategorien eingeteilt, darunter PI-Harz, PET-Harz, modifiziertes Epoxidharz und Acrylharz. Unter diesen werden aufgrund ihrer hohen Haftfestigkeit häufiger modifizierte Epoxidharze und Acrylharze verwendet.

Zweischichtiges PI-Substratmaterial

Herkömmliches flexibles kupferkaschiertes Laminat (FCCL) besteht typischerweise aus drei Schichten: Polyimid, Klebstoff und Kupferfolie. Allerdings kann die Klebeschicht manchmal die Leistung flexibler Leiterplatten negativ beeinflussen, insbesondere im Hinblick auf die elektrische Leistung und die Dimensionsstabilität. Um dieses Problem anzugehen, wurde ein zweischichtiges flexibles CCL (2L-FCCL) ohne Klebstoff entwickelt. Diese Weiterentwicklung verbessert nicht nur die Umweltverträglichkeit flexibler Leiterplatten, sondern erfüllt auch die Anforderungen des bleifreien Lötens, indem die Temperaturschwelle von 220 °C auf 260–300 °C angehoben wird. Ein Vergleich zwischen 2L-FCCL ohne Klebstoff und 3L-FCCL mit Klebstoff ist in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt.

Zur Herstellung von 2L-FCCL werden typischerweise drei Methoden verwendet:

1. Galvanotechnik
2. Filmbeschichtung
3. Laminierung

Jede Methode hat ihre Vorteile und wird je nach spezifischen Anforderungen ausgewählt. Für die Walzfertigung und dünnere Substratmaterialien eignet sich beispielsweise die Galvanisierung als kostengünstige Lösung. Die Folienbeschichtung ist ideal für die Massenproduktion und bietet Kosteneffizienz. Die Laminierung hingegen eignet sich hervorragend für die Herstellung doppelseitiger Platten.

Flüssigkristallpolymer (LCP)-Substratmaterial

Liquid Crystal Polymer (LCP) ist ein relativ neues Substratmaterial, das die Einschränkungen von Polyimidsubstraten überwinden soll. LCP-Folie wird mit Kupferfolie beschichtet und einem Heißpressvorgang unterzogen, um einseitige oder doppelseitige kupferkaschierte Laminate (CCL) zu erzeugen. LCP-basierte CCLs bieten außergewöhnliche Eigenschaften, darunter eine niedrige Wasserabsorptionsrate von nur 0.04 % und eine Dielektrizitätskonstante, die mit digitalen Hochfrequenzschaltungen kompatibel ist (2.85 bei 1 GHz). Die Eigenschaften von LCP machen es zur idealen Wahl für Hochfrequenzanwendungen in flexiblen Leiterplatten.

Halogenfreie flexible Substratmaterialien

Umweltvorschriften haben die Elektronikindustrie gezwungen, auf halogenfreie Substratmaterialien umzusteigen. Seit 2003 hat die EU RoHS- und WEEE-Vorschriften eingeführt, die die Verwendung von sechs gefährlichen Stoffen einschränken und die Verarbeitung elektronischer und elektrischer Altgeräte regeln. Diese Vorschriften haben Auswirkungen auf die in Leiterplatten verwendeten Materialien, einschließlich flexibler Leiterplatten. Daher müssen verschiedene Komponenten flexibler Leiterplatten, wie FCCL, Coverlay, Prepreg, Lötstopplack und Verstärkungsplatinen, die Anforderungen an Feuerbeständigkeit und Halogenfreiheit erfüllen.

Fortschritte bei Kupferfolie

Leitfähigkeit ist eine entscheidende Eigenschaft bei flexiblen Leiterplatten und Kupferfolie dient als primäres Leitmaterial. Neben Kupfer werden manchmal auch Legierungsmaterialien wie Aluminium, Nickel, Gold und Silber verwendet. Die Wahl der Kupferfolie hängt von der konkreten Anwendung und Herstellungsmethode ab.

Elektroabscheidung (ED) Kupferfolie

ED-Kupferfolie ist eines der am häufigsten verwendeten leitenden Materialien in flexiblen Leiterplatten. Es zeichnet sich durch eine fischschuppige Kristallstruktur aus, die zu einer glatten Kupferfolie mit guter Zähigkeit führt. ED-Kupferfolie eignet sich gut für dynamisch flexible Leiterplatten, die eine hohe Flexibilität erfordern.

Gewalzte und geglühte (RA) Kupferfolie

RA-Kupferfolie hingegen weist eine säulenförmige Kristallstruktur auf, was zu einer gleichmäßigen und flachen Struktur führt. Diese Art von Kupferfolie ist ideal für Aufrau- und Ätzprozesse. RA-Kupferfolie wird häufig in flexiblen Leiterplatten mit hoher Dichte verwendet.

Neue Anforderungen an Kupferfolie

Da die Nachfrage nach flexiblen Leiterplatten mit hoher Dichte und feineren Rastermaßen im Bereich von 40 μm bis 50 μm steigt, werden neue Anforderungen an die Herstellung von Kupferfolien gestellt. Zu diesen Anforderungen gehören eine geringe Oberflächenrauheit und ultradünne Kupferfolien, um den Anforderungen der Massenproduktion von Leiterplatten gerecht zu werden.

Leitfähige Silberpaste

Bei der Herstellung flexibler Leiterplatten wird leitfähige Tinte verwendet, die auf eine Isolierfolie gedruckt wird, um Draht- oder Abschirmschichten zu erzeugen. Als Material kommt hier hauptsächlich leitfähige Silberpaste zum Einsatz. Es ist wichtig, dass die gedruckte Leitschicht einen geringen Widerstand aufweist, eine feste Verbindung gewährleistet und flexibel bleibt. Darüber hinaus sollte der Druckprozess einfach umsetzbar sein und die Aushärtung schnell erfolgen.

Moderne leitfähige Silberpasten erfüllen diese Anforderungen und ermöglichen die Bildung leitfähiger Muster auf duroplastischen oder thermoplastischen Polymerfilmen, Stoffen und Papier. Diese Technologie erstreckt sich auch auf die Erstellung von Grafiken, die in RFID-Produkten verwendet werden. Endprodukte mit leitfähiger Silberpaste werden strengen Tests auf Lagerung bei hohen Temperaturen, Feuchtigkeitsbeständigkeit und Zyklenleistung bei hohen und niedrigen Temperaturen unterzogen. Leitfähige Silberpaste entspricht den Anforderungen des Umweltschutzes und der Wirtschaftlichkeit.

Lichtempfindliche Deckschicht aus Polyimid (PI).

Herkömmliche PI-/Klebstoff-Deckschichten stoßen bei der Erfüllung der Anforderungen hochdichter, formstabiler und umweltfreundlicher flexibler Leiterplatten an Grenzen. Als Reaktion darauf wurde Photo-Imageable Coverlay (PIC) entwickelt. PIC, basierend auf modifizierten Epoxid- oder Acrylharzen, erfreut sich aufgrund seiner hohen Auflösung, hervorragenden Haftfestigkeit und Flexibilität zunehmender Beliebtheit. Allerdings weisen diese PICs Einschränkungen auf, darunter eine geringe Dimensionsstabilität auf Leiterplatten mit hoher Dichte, eine niedrige Glasübergangstemperatur (Tg) und eine begrenzte thermische Beständigkeit.

Fazit

Flexible Leiterplatten haben in Bezug auf Materialien und Fertigungstechnologien große Fortschritte gemacht. Fortschritte bei Substratmaterialien, Kupferfolien, leitfähigen Pasten und Deckschichten haben neue Möglichkeiten für hochdichte, hochfrequente und umweltfreundliche flexible Leiterplatten eröffnet. Da die Nachfrage nach flexibler Elektronik weiter wächst, ist es klar, dass die laufenden Forschungs- und Entwicklungsbemühungen zu weiteren Innovationen bei Materialien und Prozessen führen werden.

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