Flexschaltungen: Innovationen und Vorgänge

1. März 2017

Flexschaltungen: Innovationen und Vorgänge

Flexible Leiterplatten stellten einen Schlüsselfaktor bei der Entwicklung moderner hochverdichteter Elektronik dar, allerdings kann diese Dichte nur mit Hilfe dünnerer Schichten und feinerer Leiterbahnen erreicht werden. Konventionelle dreischichtige Flexschaltungen, die aus Kupfer, Polyimiden und Haftschichten bestehen, weichen dünneren, zweischichtigen Flexschaltungen, die ohne Adhäsivschicht auskommen – Kupfer wird stattdessen direkt auf das Polyimid aufgebracht. Diese zweischichtigen Schaltungen können 30 µm dünn und der Leiterbahnabstand 15 µm (0,6 mils) fein sein. Die verarbeiteten Platten müssen deshalb extrem sorgfältig gehandhabt werden, so dass keine Knicke, Spannungen oder Kratzer entstehen.

gefaltete Flex-Schaltungen verbinden die elektronischen Komponenten in einem Smartphone

Die inhärente physikalische Empfindlichkeit der Flexschaltungen stellt den Herstellungsvorgang vor große Herausforderungen, die den Produktionsertrag negativ beeinflussen können und möglicherweise die Funktionsfähigkeit eines Designs beeinträchtigen. Flex-unterstützende Technologien, die eine Massenfertigung von FPC (flexible Leiterplatten) unter Sicherstellung qualitativ hochstehender Produktionserträge und -erzeugnisse unterstützen, meistern diese Herausforderungen. Immer mehr Hersteller von Flexschaltungen übernehmen fortschrittliche Herstellungstechniken, um ihre Produktionsleistung zu verbessern, die Produktionserträge zu erhöhen, die Kosten tief zu halten und ihre Wettbewerbsfähigkeit aufrecht zu erhalten.

Produktionsgestaltung und Herstellung von FPCs unterscheiden sich von denen starrer PCBs und im Laufe der letzten zehn Jahre wurden neue Lösungen für den gesamten Produktionszyklus entwickelt, um die Hersellung der empfindlichen flexiblen Leiterplatten zu unterstützen. Durch Verbesserungen der traditionellen Sheet-to-Sheet Materialhandhabung und automatischen Roll-to-Roll (R2R) Prozesse sind die Hersteller von Flex-Schaltungen jetzt in der Lage, den wachsenden Anforderungen gerecht zu werden. Wenn Sie mit Flex arbeiten, sollten Sie die folgenden Technologien kennen.

Merhfach-Flex-Schaltunen in einem Smartphone-Design

Flex CAM und CAD Lösungen: Bessere Kontrolle über den Prozess, vom Design bis zur Herstellung

Spezielle DFM (Design for Manufacturing) Software-Tools für Flex-Schaltungen helfen dabei, während der Planungsphase auftretende Herstellungsprobleme zu lösen. Diese fortschrittlichen Tools werden benutzt, um manuelle Editiersitzungen vollständig zu automatisieren sowie Fehler und kritische Taktzeiten zu reduzieren. Zu den Flex-DFMs, die heutzutage zur Verfügung stehen, zählen automatisches Joint Curving und Oberflächenglättung sowie die automatische Coverlay- und Lötstoppmasken-Optimierung, die den Entwurfsprozess schneller und akkurater machen und seine Qualität verbessern.

FPC-Leiterplatte analysiert und produktionsoptimiert (Quelle: Frontline PCB Solutions)

typisches Multilayer-Starr-Flex-Design (Quelle: Frontline PCB Solutions)

Auf diesen Tools basierende Design-Analyseprogramme für Flexschaltungen bieten zusätzliche Kontrollfunktionen, da Ingenieure mit ihrer Hilfe Designs vor, während und nach dem Tooling überprüfen können. Sie können dazu benutzt werden, konstruktionstechnische Einschränkungen für Flexboards zu überprüfen und Probleme, die mit Versteifungselementen, Luftstrecken, Vorbiege-Bereichen, sich häufig bewegenden Teilen, Trace-Überlappungen und Joints sowie leitfähigen Masken zusammenhängen, zu erkennen.

Spezielle CAD- und CAM-Tools wie Xpedition von Mentor Graphics sowie GenFlex und InCAM Flex von Frontline stehen für das FPC-Design zur Verfügung.

Laserbohren von Flex-Platten für hohe Dichte & hohen Ertrag

In der FPC-Herstellung sind Laserbohren und -trennen gebräuchliche Vorgänge. Die UV-Laserbohrtechnologie wird in der Herstellung hochdichter Flex-Platten eingesetzt, um Durchkontaktierungen mit weniger als 70 µm direkt durch die Kupfer- und Polyimid-Schichten zu bohren. Die hochpräzise Laserbohrung besitzt die Fähigkeit, Ausrichtmarken auf den Platten zu erfassen und dann die Bohrstelle akkurat auszurichten um so sicherzustellen, dass die Durchkontaktierungen so gut wie möglich registriert werden. Die Lasermaschinen werden auch für die akkurate Feintrennung und Schlitzabtragung, die in PCBs üblich sind, eingesetzt. Die Laserbohrung unterstützt die Sheet-Based-Herstellung und wird seit kurzem im Roll-to-Roll Produktionsmodus angewendet.

Laser Direct Imaging: Präzision und Ausgleich von Verzügen für nichtplanare Flex-Materialien 

Bis zum heutigen Tag haben sich Hersteller moderner Flex-Schaltungen hauptsächlich auf Laser Direct Imaging (LDI) Geräte verlassen, die sie mit Sheet-Based-Imaging für zweiseitige Flex-, Starr-Flex- und mehrlagige Flex-Materialien benutzt haben. LDI hilft dabei, mit der Flex-Produktion verbundene Herausforderungen zu meistern, und zwar mit: 

1. Hochgenauer Tiefenschärfenbereich - (DOF – depth of focus) der Optiken: Abbildung feiner Linienstrukturen  auf Flex-Materialien, bei denen die Oberflächen nicht immer eben sind mitTopographien von 100 µm bis 300 µm. LDI mitLSO – Large Scale Optics-Technologie bietet eine Tiefenschärfe von mehr als 300 µm und garantiert so eine optimale Linienqualität ohne Breitenschwankungen auf jeglicher Flex-Oberfläche. Andere weniger präzise Abbildungssysteme, deren DOF unter 100 µm liegt, führen zu einer niedrigen Linienqualität und schwankender Linienbreite, was wiederum die Ausbeute negativ beeinflusst.

2. Ausgleich von Verzügen: Polyimid-Flex-Materialien werden während der Produktion verformt und gedehnt. Um diese Verformung auszugleichen, wird jedes einzelne Flex-Substrat vermessen und dann mit korrigierten Daten abgebildet, um so die präzise Ausrichtung des Musters an den gebohrten Durchkontaktierungen zu gewährleisten. Nur eine digitale direkte Abbildungslösung mit hoher Registriergenauigkeit kann das Leiterbild für jedes gemessene Substrat modifizieren und korrigieren. Dies wird unterstützt durch eine präzise Leiterbild zu Durchkontaktierung – Registrierung und ermöglicht kleine Pads und eine hohe Leiterbahndichte mit hochproduktiver FPC-Fertigung.

LDI wird in mehr als 80% der Plattenformate in der Massenproduktion von feinlinigen FPCs benutzt. Der Einsatz von LDI in der Roll-to-Roll Produktion steigt stetig und LDI für Flex-Rolls wird gerade entwickelt.

Automatische optische Inspektion (AOI): Höheres Niveau in der Qualitätskontrolle 

Der Großteil der FPC-Produkte sind entweder zwei- oder einseitig. Herkömmlicherweise wurden sie nicht immer einer AOI-Überprüfung unterzogen. In den letzten fünf Jahren wurde Fine-Line-Flex zu einem wesentlichen Bestandteil der Smartphone-Interconnect, was letztendlich dazu führte, dass Hersteller integrierter Geräte eine höhere Qualitätskontrolle für die ein- und zweiseitigen FPCs forderten und die Überprüfung mit AOI-Systemen notwendig machten.

Materialien auf Polyimid-Basis sind transparent und stellen eine Herausforderung für die Überprüfung dar. Es wurden neue AOI-Systeme mit Mehrfach-Abbildungs-Fähigkeiten entwickelt, die es  ermöglichen FPCs, auf eine Weise zu scannen, die die vollständige Inspektion ohne Pseudofehler, die von der Unterseite durchscheinen, zu ermöglichen.

AOI erfordert normalerweise die manuelle Handhabung der Platten während der Überprüfung und Verifizierung. Diese manuelle Methode bringt Herausforderungen mit sich und die empfindlichen und dünnen FPC-Substrate werden während der Handhabung oft beschädigt, was zu einer deutlichen Erhöhung des Ausschusses führt.

Das automatisierte Handling dünner Kerne der Flex-Platten stellt eine große technische Herausforderung dar, weshalb es notwendig wurde, für die Überprüfung und Verifizierung zu einem Roll-to-Roll Betriebsmodus zu wechseln.

Automatisiertes Flex-Roll AOI-System

Heutzutage sind im asiatischen Raum etwa 100 AOI-Systeme Roll-to-Roll für die optische Prüfung und im Verifikation, hauptsächlich für die Herstellung von Smartphones, im Einsatz. Diese AOIs werden für ein- und zweiseitige Flex-Schaltungen sowie die inneren Schichten von Flex-Schaltungen mit starren Schichten und mehrfachen Schichten benutzt.

Automatische optische Shaping: Ertragsverbesserung durch Wiederverwertung von FPC-Ausschuss

Aufgrund des 30 µm Kerns der feinlinigen zweiseiten FPC war die manuelle Reparatur oder Nachbesserung von Defekten in der Vergangenheit nicht möglich – defekte FPCs wurden sofort verschrottet. In den letzten drei Jahren wurden jedoch vollautomatische Kupfer-Shaping-Lösungen entwickelt, mit deren Hilfe feine FPCs nachgearbeitet und vor der Verschrottung gerettet werden können. Dieses automatische optische Shaping benutzt fortschrittliche auf Fluoreszenz basierte Abbildungs- und Laserablations-Werkzeuge, die zusammen in einem iterativen Prozess arbeiten und feine Kurzschlüsse praktisch ohne Penetration und ohne Beschädigung der FPC entfernen. Diese beschädigten FPCs werden so wiederhergestellt und müssen nicht mehr verschrottet werden, wodurch die finale Ausbeute erhöht wird, was wiederum zu erheblichen Produktionskosteneinsparungen führt. Das automatische optische Shaping wurde vor kurzen im Roll-to-Roll Modus umgesetzt.

Direktbebilderung (DI – Direct Imaging) für flexible Lötstoppmasken-Schichten

Dünne Flex-Produkte, die keine verstärkenden Glasfasern besitzen, neigen dazu, sich während des Produktionsvorgangs zu bewegen und verschieben. Diese Verformungen häufen sich während des gesamten Produktionsvorgangs an und müssen in der Lötstoppmasken-Phase korrigiert werden. Dies erklärt, warum bei Smartphone FPCs der DI immer öfter in der Lötstoppmasken-Schicht eingesetzt wird und warum DI die Lösung der Wahl für hochproduktive Fertigungsvorgänge mit großen Volumen ist.  

Roll-to-Roll Verarbeitung: Beseitigung von Schäden

Die Roll-to-Roll Verarbeitung ermöglicht eine schnelle und durchgehende Verarbeitung eines langen, flexiblen Substrats, das normalerweise 100 Meter lang ist, wogegen das Sheet-to-Sheet Verfahren von mehrstufigen Batch-Verarbeitungsprozessen und kleinen Substrat-Größen behindert wird. Mit Hilfe dieser Methode kann die Produktionseffizienz dramatisch verbessert und zehntausende von kleinen FPCs auf einem langen, durchgehenden Produktionsnutzen hergestellt werden. Roll-to-Roll kann ein- und zweiseitige Flex-Schaltungen sowie die Verarbeitung der inneren Schichten der mehrlagigen Flex-Schaltungen aufnehmen.

High-speed continuous R2R processing

Durchgehende R2R-Verarbeitung mit hoher Geschwindigkeit

Die Roll-to-Roll Verarbeitungs-Infrastruktur benötigt hohe Vorabinvestitionen für die Anpassung der gesamten oben beschriebenen Produktionsgeräte sowie weiterer Prozesse, einschließlich der chemischen Linien. Diese Investitionen sind viel größer als die für die Sheet-to-Sheet Verarbeitung benötigten Investitionen, deshalb müssen Hersteller von Flex-Schaltungen verständlicherweise konservativ bei der Einführung der Roll-to-Roll Verarbeitung sein. Allerdings machen die Vorteile des Roll-to-Roll Prozesses, wie die Eliminierung von Handhabungs-Schäden, ihn kosteneffektiv für höhere Qualitäten und höhere Ausbeuten

Schlussfolgerung

FPCs sind für eine große Anzahl von Anwendungen unschätzbar – das gilt ganz besonders für moderne Smartphones, für die sie ein hohes Niveau an Leiterbahndichte, kombiniert mit Interconnection-Folding-Fähigkeiten, bieten. Dies ermöglicht effiziente, dünne Produktdesigns, die mit konventionellen, starren PCBs einfach nicht erreicht werden können. Allerdings bergen diese ultra-dünnen, flexiblen und empfindlichen Interconnects viele Herausforderungen. Während des gesamten Fertigungsvorgangs muss man besondere Sorgfalt walten lassen um sicherzustellen, dass die von diesen Schaltungen gebotenen Technologie-Vorteile nicht durch niedrige Ausbeuten und Herstellungs-Ineffizienzen beeinträchtigt werden, die letzlich die Kosten der Endgeräte hochtreiben.

Die Hersteller der Flex-Schaltungen erzielen durch Ausnutzen der hocheffizienten Roll-to-Roll Verarbeitung mit fortschrittlicher Laserbohrung, AOI- und DI Fähigkeiten, ergänzt durch Flex-optimierte Software-Tools, neugefundene Skalierungseffekte und können Designern die äußerst zuverlässigen und vielfältigen Flex-Schaltungen ermöglichen, die sie benötigen, um ihre Produkte in stark umkämpften Märkten zu differenzieren.

Author: Micha Perlman, Leitender Marketing-Manager, Orbotech

Published by: EDN