Fertigungsprozess und Vorteile von Flex-PCBs (Flexible Leiterplatten)

In der heutigen schnelllebigen und technologisch fortschrittlichen Welt sind Leiterplatten (PCBs) ein unverzichtbarer Bestandteil vieler elektronischer Geräte. Mit der zunehmenden Nachfrage nach kleineren und flexibleren elektronischen Geräten stoßen jedoch herkömmliche rigide Leiterplatten an ihre Grenzen. Hier kommen Flexible Leiterplatten (Flex-PCBs) zum Einsatz, die die notwendige Flexibilität bieten und gleichzeitig die gleiche Funktionalität wie starre Leiterplatten gewährleisten.

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In diesem Artikel werden wir den Herstellungsprozess von Flex-PCBs von der Konstruktion bis zur Produktion erläutern und die verschiedenen Techniken vorstellen, die zur Fertigung dieser innovativen Leiterplatten verwendet werden.

Weiterführende Lektüre: Flex PCB Assembly Guide: Process, Challenges, and Solutions

Wie bei vielen Leiterplattenfertigungen, einschließlich des Flex-PCB-Herstellungsprozesses bei JLCPCB, sind die folgenden Schritte grundlegend, um eine erfolgreiche Flex-PCB-Produktion zu gewährleisten:

Flex-Leiterplatten-Design:

Der erste Schritt besteht darin, die Flexible Leiterplatte (Flex-PCB) mithilfe von Computer-Aided Design (CAD)-Software zu entwerfen. Das Design umfasst das Schaltungs-Layout, die Platzierung der Bauteile sowie alle spezifischen Anforderungen an die Biegsamkeit oder Flexibilität der Leiterplatte.

Materialauswahl:

Der nächste Schritt besteht darin, das geeignete Substratmaterial für die flexible Leiterplatte auszuwählen. Die am häufigsten verwendeten Materialien sind Polyimid (PI) und Polyester (PET)-Folien. Diese Materialien bieten gute elektrische Isolationseigenschaften, hohe Temperaturbeständigkeit und Flexibilität.

Leitfähiges Material:

Dieses Material wird verwendet, um die elektrischen Leiterbahnen auf der Flex-PCB zu erstellen. Kupfer ist das am häufigsten verwendete leitfähige Material aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit, Flexibilität und Langlebigkeit.

Klebstoffmaterial:

Dieses Material dient zum Verkleben der verschiedenen Lagen der Flex-PCB. Typischerweise wird Epoxidharz, Acryl oder Silikon als Klebstoff verwendet.

Coverlay-Material:

Dieses Material schützt das leitfähige Material der Flex-PCB vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Staub und mechanischen Beschädigungen. Am häufigsten werden Polyimid und Polyester als Coverlay-Materialien eingesetzt.

Materialvorbereitung:

Das Substratematerial wird anschließend vorbereitet, indem die Oberfläche gereinigt und geätzt wird, um eine saubere und glatte Oberfläche für das spätere Aufbringen der Schaltung zu schaffen.

Schaltungsdruck (Circuit Printing):

Der Photolithographie-Prozess ist ein entscheidender Schritt bei der Herstellung von Flex-PCBs. Dabei wird das Schaltungsmuster aus dem entworfenen Layout auf das Substrat übertragen, mithilfe von Photoresist und Ätzverfahren.

Nachdem das Material vorbereitet wurde, erfolgt zunächst die Aufbringung des Photoresists. Dabei wird eine lichtempfindliche Photoresist-Schicht auf die Substratoberfläche aufgetragen. Der Photoresist härtet aus, sobald er UV-Licht ausgesetzt wird. In der Flex-PCB-Fertigung werden zwei Arten von Photoresists verwendet: positive und negative Photoresists.

Im nächsten Schritt erfolgt die Ausrichtung der Fotomaske (Photomask Alignment). Eine Fotomaske wird auf das Substrat gelegt, und UV-Licht wird durch die Maske auf den Photoresist bestrahlt, um das gewünschte Muster zu erzeugen. Die Fotomaske enthält das zu druckende Schaltungsmuster, und eine präzise Ausrichtung ist entscheidend, um die exakte Platzierung der Leiterbahnen auf dem Substrat zu gewährleisten.

Nach der UV-Belichtung wird das Substrat entwickelt, um den Photoresist zu entfernen, der nicht belichtet wurde. Dabei wird das weiche, unbelichtete Material entfernt, während nur der gehärtete Photoresist zurückbleibt, der dem gewünschten Schaltungsmuster entspricht.

Im anschließenden Ätzprozess (Etching) wird das Kupfer in den Bereichen entfernt, die nicht durch den gehärteten Photoresist geschützt sind. Hierfür wird eine Ätzlösung verwendet, die das freiliegende Kupfer auflöst, sodass nur das gewünschte Kupfermuster auf dem Substrat verbleibt.

UV-Belichtung

Ätzen

Nachdem das Schaltungsmuster auf das Substrat übertragen wurde, wird der verbleibende Photoresist mit einem Lösungsmittel entfernt, das den Photoresist auflöst. Dadurch bleibt ausschließlich das gedruckte Schaltungsmuster auf dem Substrat zurück.

Bauteilplatzierung (Component Placement):

Sobald das Schaltungsmuster aufgedruckt ist, werden die Bauteile auf die Leiterplatte gesetzt. Die Bauteile können entweder mittels Surface-Mount-Technologie (SMT) oder Through-Hole-Technologie montiert werden.

Löten (Soldering):

Anschließend werden die Bauteile mit Lötverfahren auf der Leiterplatte befestigt. Dabei kommen entweder Reflow-Löten oder Wellenlöten zum Einsatz, abhängig vom Bauteiltyp und der Leiterplattenanforderung.

Testen (Testing):

Der Testprozess ist ein entscheidender Schritt in der Fertigung von Flex-PCBs. Ziel des Testens ist es sicherzustellen, dass die Flex-Leiterplatte die geforderten elektrischen und mechanischen Spezifikationen erfüllt und frei von Defekten ist.

Flex PCB Testing

Häufig verwendete Testmethoden bei der Herstellung von Flex-PCBs:

Elektrische Prüfung (Electrical Testing):

Dabei wird die elektrische Konnektivität der Flex-PCB überprüft. Die Leiterplatte wird an eine Testvorrichtung angeschlossen, die Spannung anlegt und den Stromfluss misst. Unterbrechungen oder Kurzschlüsse im Schaltkreis werden erkannt, und die elektrischen Eigenschaften der Flex-PCB werden gemessen, einschließlich Widerstand, Kapazität und Impedanz.

Optische Inspektion (Visual Inspection):

Die Flex-PCB wird visuell untersucht, um mögliche Defekte wie Risse, Kratzer, Delaminationen oder Fehlausrichtungen zu erkennen. Die Inspektion erfolgt unter einem Mikroskop oder einer Lupe, um sicherzustellen, dass die mechanischen Spezifikationen erfüllt werden.

Umwelttests (Environmental Testing):

Die Flex-PCB wird verschiedenen Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit und Vibration ausgesetzt. Ziel ist sicherzustellen, dass die Flex-PCB den erwarteten Umweltbedingungen standhält und zuverlässig funktioniert.

Funktionstests (Functional Testing):

Die Flex-PCB wird getestet, um sicherzustellen, dass sie die beabsichtigte Funktion erfüllt. Sie wird an eine Testvorrichtung angeschlossen, die die vorgesehene Anwendung simuliert, und ihre Leistung wird mit den erwarteten Spezifikationen verglichen.

Röntgeninspektion (X-Ray Inspection):

Mit Röntgenstrahlen werden die inneren Lagen der Flex-PCB auf Defekte wie Lufteinschlüsse oder Delaminationen untersucht. Die Röntgeninspektion ist besonders nützlich, um Defekte in Lötstellen und anderen schwer zugänglichen Bereichen zu erkennen.

Anbringen von Versteifungen (Stiffener Attachment):

Abschließend wird der Versteifer an der flexiblen Leiterplatte befestigt, um Unterstützung und Schutz während der Handhabung und Nutzung zu gewährleisten. Der Versteifer kann aus Materialien wie FR4 oder Stahl bestehen und wird typischerweise mithilfe eines Klebstoffs angebracht.

Versteifungen anbringen

Verschiedene Versteifungen

Der Versteifer ist ein wichtiger Bestandteil der flexiblen Leiterplatte, da er der PCB Unterstützung und Schutz während der Handhabung und Nutzung bietet. Der Versteifer verhindert, dass sich die Leiterplatte über ihre konstruktiven Grenzen hinaus biegt oder verformt, was zu Schäden an der Schaltung oder den Bauteilen führen könnte. Außerdem trägt er dazu bei, dass die Leiterplatte bei Belastungen durch Biegen oder Flexen nicht reißt oder bricht.

Vorteile von Flex-PCBs

Flex-PCBs bieten gegenüber herkömmlichen starren Leiterplatten zahlreiche Vorteile. Zu den wichtigsten gehören:

1. Flexibilität

Wie der Name schon sagt, sind Flex-Leiterplatten flexibel und können gebogen, verdreht oder gefaltet werden, ohne die elektrischen Verbindungen zu beschädigen. Dadurch eignen sie sich ideal für Anwendungen, die Biegen oder Verdrehen erfordern, wie z. B. Wearable-Geräte oder Automobilsensoren.

2. Platzersparnis

Flex-PCBs können so konstruiert werden, dass sie in enge Räume passen, in die starre Leiterplatten nicht eingebaut werden können. Dies ermöglicht die Entwicklung kleinerer und kompakterer Geräte.

3. Langlebigkeit

Flex-PCBs sind darauf ausgelegt, extremen Umgebungsbedingungen wie hohen Temperaturen und Vibrationen standzuhalten. Daher eignen sie sich besonders für Luft- und Raumfahrt, industrielle Automatisierung und die Automobilindustrie.

4. Kosteneffizienz

Flex-PCBs können die Produktentwicklungskosten senken, da Steckverbinder und Kabel reduziert oder eliminiert werden können. Dies vereinfacht den Fertigungsprozess und reduziert die Anzahl der benötigten Komponenten.

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