Vooruitgang in flexibele PCB-materialen en productie

De afgelopen jaren heeft de wereld van flexibele PCB's (printplaten) een aanzienlijke groei en technologische vooruitgang doorgemaakt. Deze ontwikkelingen hebben geleid tot een toename van het marktaandeel en uitgebreide toepassingen dankzij de inherente voordelen van flexibiliteit, dunheid en lichtgewicht ontwerp. In dit uitgebreide artikel zullen we de primaire materialen onderzoeken die worden gebruikt in flexibele PCB's, hun prestatieverbeteringen en het zich ontwikkelende landschap van flexibele PCB-productietechnologieën.

Verbetering van de prestaties door middel van substraatmaterialen

De prestaties van flexibele printplaten zijn grotendeels afhankelijk van de eigenschappen van de gebruikte substraatmaterialen. Substraten spelen een cruciale rol, omdat ze zowel geleiderdragers als isolerende media tussen de circuits vormen. Bovendien moeten ze buig- en oprolbaar zijn, wat essentieel is voor flexibele printplaten.

Veelgebruikte substraatmaterialen voor flexibele printplaten zijn onder andere polyimide (PI)-folie en polyester (PET)-folie. Ook andere polymeerfolies zoals polyethyleennaftalaat (PEN), polytetrafluorethyleen ( PTFE ) en aramide worden toegepast. De keuze van het substraatmateriaal moet gebaseerd zijn op een zorgvuldige evaluatie van de prestaties en kosteneffectiviteit.

Polyimide (PI)-film

Polyimidefilm, een thermohardende hars, is een toonaangevend substraatmateriaal voor flexibele, met koper beklede laminaten (FCCL). In tegenstelling tot de meeste thermohardende harsen wordt PI niet zacht en vloeit het niet bij hoge temperaturen, waardoor het bij uitstek geschikt is voor flexibele PCB's. PI beschikt over een hoge thermische weerstand en uitstekende elektrische eigenschappen. Het heeft echter een nadeel in termen van vochtopname en scheursterkte. Verbeterde PI-films hebben een aanzienlijk lagere vochtigheidsabsorptie van 0.7%, vergeleken met de typische snelheid van 1.6%. Ze vertonen ook een verbeterde dimensionale stabiliteit, waarbij de toleranties zijn verlaagd van ±0.04% naar ±0.02%.

Polyesterfilm (PET).

PET-hars biedt gunstige mechanische en elektrische prestaties. De belangrijkste beperking is de slechte hittebestendigheid, waardoor het ongeschikt is voor directe soldeer- en assemblageprocessen. De prestaties van polyethyleennaftalaat (PEN) zijn echter superieur aan die van PET, maar blijven achter bij de kwaliteiten van PI, waardoor het in sommige toepassingen een geschikt alternatief is.

Vloeibaar kristalpolymeer (LCP)

Voor compacte RF- en hoogfrequente flexibele printplaatontwerpen kan Highleap ook een LCP PCB-productieproject beoordelen , inclusief de flexibele printplaatopbouw en het assemblagepakket.

Om de beperkingen van polyimidesubstraten aan te pakken, is Liquid Crystal Polymer (LCP) een veelbelovend alternatief gebleken. LCP is een thermoplastisch materiaal dat kan worden verwerkt tot dunne films die geschikt zijn voor PCB's. Het vertoont een lage vochtabsorptie (0.04%) en een diëlektrische constante van 2.85 (1GHz), waardoor het geschikt is voor hoogfrequente digitale circuits. De eigenschappen van LCP, waaronder hoogfrequente compatibiliteit, thermische maatvastheid en lage vochtigheidsabsorptie, hebben geleid tot de toepassing ervan in de flexibele PCB-productie.

Halogeenvrije substraatmaterialen

De elektronica-industrie heeft een verschuiving naar milieuvriendelijkheid doorgemaakt. Regelgeving zoals RoHS (Restriction of Hazardous Substances) en WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment) verbieden het gebruik van gevaarlijke stoffen in elektronische apparaten. Als gevolg hiervan zijn halogeenvrije substraatmaterialen ontwikkeld die voldoen aan de milieueisen en die nu op grote schaal worden gebruikt in zowel stijve als flexibele printplaten.

Evoluerende substraatmaterialen

Naarmate de vraag naar flexibele printplaten blijft groeien, wordt er continu onderzoek gedaan naar nieuwe substraatmaterialen die de prestaties van flexibele circuits verder kunnen verbeteren. Met meer dan 2000 soorten toepasbare plastic folies die wereldwijd beschikbaar zijn, is er ongetwijfeld ruimte voor de ontdekking van materialen die de grenzen van het ontwerp van flexibele printplaten kunnen verleggen.

De rol van lijm in flexibele PCB's

Voor flexibele polyimide-constructies die een specifiek lijmsysteem vereisen, is het DuPont Pyralux LF-proces voor flexibele printplaten een nuttige, materiaalspecifieke referentie voordat de constructie op de markt wordt gebracht.

Kleefstof is een cruciaal onderdeel van flexibele PCB's, omdat het verantwoordelijk is voor het hechten van de koperfolie en de substraatmateriaalfilm. Kleefstoffen worden ingedeeld in verschillende categorieën, waaronder PI-hars, PET-hars, gemodificeerde epoxyhars en acrylhars. Hiervan worden gemodificeerde epoxyhars en acrylhars vaker gebruikt vanwege hun hoge kleefkracht.

Tweelaags PI-substraatmateriaal

Traditioneel flexibel met koper bekleed laminaat (FCCL) bestaat doorgaans uit drie lagen: polyimide, lijm en koperfolie. De lijmlaag kan echter soms een negatieve invloed hebben op de prestaties van flexibele PCB's, vooral op het gebied van elektrische prestaties en maatvastheid. Om dit probleem aan te pakken is tweelaags flexibele CCL (2L-FCCL) zonder lijm ontwikkeld. Deze vooruitgang verbetert niet alleen de milieucompatibiliteit van flexibele PCB's, maar voldoet ook aan de eisen van loodvrij solderen door de temperatuurdrempel te verhogen van 220°C naar 260-300°C. Een vergelijking tussen 2L-FCCL zonder lijm en 3L-FCCL met lijm wordt gegeven in Tabel 1 hieronder.

Er worden doorgaans drie methoden gebruikt voor de productie van 2L-FCCL:

1. electroplating
2. Filmcoating
3. Lamineren

Elke methode heeft zijn voordelen en wordt gekozen op basis van specifieke vereisten. Galvaniseren is bijvoorbeeld geschikt voor walsproductie en dunnere substraatmaterialen, wat een kosteneffectieve oplossing biedt. Filmcoating is ideaal voor massaproductie en biedt kostenefficiëntie. Lamineren blinkt daarentegen uit bij de vervaardiging van dubbelzijdig karton.

Substraatmateriaal van vloeibaar kristalpolymeer (LCP).

Liquid Crystal Polymer (LCP) is een relatief nieuw substraatmateriaal dat de beperkingen van polyimidesubstraten probeert aan te pakken. LCP-film is bedekt met koperfolie en ondergaat heet persen om enkelzijdige of dubbelzijdige, met koper beklede laminaten (CCL) te creëren. Op LCP gebaseerde CCL's bieden uitzonderlijke eigenschappen, waaronder een lage waterabsorptie van slechts 0.04% en een diëlektrische constante die compatibel is met hoogfrequente digitale circuits (2.85 bij 1GHz). De eigenschappen van LCP maken het een ideale keuze voor hoogfrequente toepassingen in flexibele PCB's.

Halogeenvrije flexibele substraatmaterialen

Milieuregelgeving heeft de elektronica-industrie gedwongen over te stappen op halogeenvrije substraatmaterialen. Sinds 2003 heeft de EU RoHS- en WEEE-regelgeving geïmplementeerd, waarbij het gebruik van zes gevaarlijke stoffen wordt beperkt en de verwerking van afgedankte elektronische en elektrische apparatuur wordt gereguleerd. Deze regelgeving heeft gevolgen gehad voor de materialen die in PCB's worden gebruikt, inclusief flexibele PCB's. Hierdoor moeten diverse componenten van flexibele printplaten, zoals FCCL, coverlay, prepreg, soldeermasker en verstevigingsplaten, voldoen aan brandwerendheid en halogeenvrije eisen.

Vooruitgang in koperfolie

Geleidbaarheid is een kritische eigenschap in flexibele PCB's, en koperfolie dient als het primaire geleidende materiaal. Naast koper worden soms ook legeringsmaterialen zoals aluminium, nikkel, goud en zilver gebruikt. De keuze voor koperfolie is afhankelijk van de specifieke toepassing en productiemethode.

Electro Deposit (ED) koperfolie

ED-koperfolie is een van de meest gebruikte geleidende materialen in flexibele PCB's. Het wordt gekenmerkt door een kristalstructuur op visschaal, resulterend in een gladde koperfolie met goede taaiheid. ED-koperfolie is zeer geschikt voor dynamisch flexibele PCB's die een hoge flexibiliteit vereisen.

Gewalst en gegloeid (RA) koperfolie

RA-koperfolie daarentegen heeft een zuilvormige kristalstructuur, wat resulteert in een gelijkmatige en vlakke structuur. Dit type koperfolie is ideaal voor opruw- en etsprocessen. RA-koperfolie wordt vaak gebruikt in flexibele PCB's met hoge dichtheid.

Opkomende eisen op het gebied van koperfolie

Naarmate de vraag naar flexibele PCB's met hoge dichtheid en fijnere steekafstanden van 40 μm tot 50 μm toeneemt, worden er nieuwe eisen gesteld aan de productie van koperfolie. Deze vereisten omvatten een lage oppervlakteruwheid en ultradunne koperfolies om te voldoen aan de behoeften van PCB-productie in grote volumes.

Geleidende zilverpasta

Flexibele PCB-fabricage omvat het gebruik van geleidende inkt, die op isolatiefilm wordt gedrukt om draad- of afschermingslagen te creëren. Geleidende zilverpasta is het primaire materiaal dat hiervoor wordt gebruikt. Het is essentieel dat de gedrukte geleidende laag een lage weerstand heeft, een solide verbinding garandeert en flexibiliteit behoudt. Bovendien moet het drukproces gemakkelijk te implementeren zijn en moet het uitharden snel zijn.

Moderne geleidende zilverpasta voldoet aan deze eisen en maakt de vorming van geleidende patronen op thermohardende of thermoplastische polymeerfilms, stoffen en papier mogelijk. Deze technologie strekt zich ook uit tot het maken van grafische afbeeldingen die worden gebruikt in RFID-producten. Eindproducten met geleidende zilverpasta worden uitvoerig getest op opslag bij hoge temperaturen, weerstand tegen vocht en fietsprestaties bij hoge en lage temperaturen. Geleidende zilverpasta voldoet aan de eisen op het gebied van milieubescherming en kosteneffectiviteit.

Lichtgevoelige polyimide (PI) afdeklaag

Traditionele PI/adhesieve afdekplaten hebben te maken gehad met beperkingen bij het voldoen aan de vereisten van hoge dichtheid, maatvaste en milieuvriendelijke flexibele PCB's. Als reactie hierop is Photo-Imageable Coverlay (PIC) ontwikkeld. PIC heeft, afhankelijk van gemodificeerde epoxy- of acrylharsen, aan populariteit gewonnen vanwege de hoge resolutie, uitstekende hechtsterkte en flexibiliteit. Deze PIC's hebben echter beperkingen, waaronder een lage dimensionale stabiliteit op PCB's met hoge dichtheid, een lage glasovergangstemperatuur (Tg) en een beperkte thermische weerstand.

Conclusie

Flexibele PCB's hebben een lange weg afgelegd op het gebied van materialen en productietechnologieën. Vooruitgang op het gebied van substraatmaterialen, koperfolies, geleidende pasta's en coverlays hebben nieuwe mogelijkheden geopend voor hogedichtheid, hoogfrequente en milieuvriendelijke flexibele PCB's. Nu de vraag naar flexibele elektronica blijft groeien, is het duidelijk dat voortdurende onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen zullen leiden tot verdere innovaties in materialen en processen.

Voor efficiënte en betrouwbare flexibele PCB-productie kunt u overwegen contact op te nemen met Highleap Electronic. Met meer dan tien jaar ervaring in de flexibele PCB-productie zijn wij uitgerust om aan uw eisen te voldoen en hoogwaardige oplossingen te bieden. Neem vandaag nog contact met ons op om uw flexibele printplaatfabricage- en assemblagevereisten te bespreken of vraag een flexibele PCB-offerte aan. De toekomst van flexibele elektronica ziet er rooskleurig uit en wij zijn er om u te helpen uw innovatieve ideeën tot leven te brengen.