Baugruppen-Entwurfstechnik Flexibel und produzierbar

Eine Design-Herausforderung in der Fertigungstechnologie.
Eine Design-Herausforderung in der Fertigungstechnologie.

Fertigungstechnologien für flexible Leiterplatten gelten als ausgreift; allerdings haben sich neue Design-Herausforderungen ergeben, die im Folgenden diskutiert werden. Des Weiteren wird eine Entwurfsmethodik vorgestellt, die sich auf Inter-Layer-in-Design-Prüfungen stützt.

In vielen kleinen Elektronikgeräten – von Kopfhörern über Smartphones und Tablets bis hin zu Laptops – sind mittlerweile Starrflex-Leiterplatten zu finden. Diese bestehen aus starren und flexiblen Substraten, die aufeinander laminiert sind. Solche Schaltungen sind zuverlässig, vielseitig und platzsparend. Da sich Starrflex-Schaltungen verbiegen lassen (Bild 1), kann man bei Bedarf mehr Schaltungen im vorgegebenen Gerätevolumen unterbringen und sogar starre Baugruppen-Layer dreidimensional schichten.

Aufgrund der immer strengeren Raumanforderungen platzieren die Entwickler Komponenten sogar auf flexiblen Schaltungsbereichen und nutzen diese Flächen wie ein starres Substrat. Auf der anderen Seite hat die Verwendung sowohl von starren als auch von flexiblen Bereichen zu neuen Fertigungs-Herausforderungen hinsichtlich der Bauteilbestückung geführt, die eine ausgefeiltere Leiterplattendesign-Technologie erforderlich machen.

Manchmal starr, manchmal flexibel

Starrflexible Leiterplatten bestehen aus Bereichen (Zonen), die sich hinsichtlich der Anzahl der Schichten und der Materialien unterscheiden. Versteifungen machen diese Leiterplatten starr und werden nahe oder auf der gegenüberliegenden Seite von Bauteilen oder in der Nähe von Steckverbindern angelegt. Sie bestehen gewöhnlich aus Metall wie Edelstahl oder Aluminium, das mit einem dielektrischen Material wie Polyimid-Laminat umhüllt wird.

Der flexible Teil des Designs besteht normalerweise aus einem dielektrischen Material mit biegbaren Bereichen. Auf der biegbaren Fläche muss die Platzierung von Komponenten und Vias eingeschränkt werden, da diese Elemente sonst zu mechanischem und thermischem Stress sowie Rissbildung beitragen. Das Routing muss senkrecht zur Biegelinie verlaufen, um den Materialstress in diesem Bereich zu minimieren. Das Routing in angrenzenden Schichten neben dem Biegebereich sollte etwas versetzt werden, um den sogenannten I-BEAM-Effekt zu vermeiden.

Derartig verlaufende Leiterbahnzüge können eine höhere Steifigkeit in einem Bereich, der eigentlich flexibel sein sollte, zur Folge haben. Es gibt auch eine Übergangszone – ein Mittelding zwischen starren und flexiblen Zonen, die ein Überlappen von Material sowie spezielle Abstände für Bohrlöcher und leitfähige Materialien erfordern können.

Diese Übergangszone kann als ein Bereich für die Stressreduzierung angesehen werden. Ein einfaches Beispiel dafür wäre ein Design, bei dem ein vierlagiger starrer Bereich mit einem zweilagigen flexiblen Bereich verbunden ist, der dann in einem vierlagigen starren Bereich endet. In Bild 2 sind die entsprechenden Schichten und Zonen eines Starrflex-Designs exemplarisch dargestellt.

Der in vielen PCB-Designplattformen implementierte Querschnitt-Editor unterstützt in der Regel mehrere Querschnitte für die verschiedenen Materialien einer Leiterplatte.

Viele dieser Querschnitt-Editoren unterstützen inzwischen neben Signal-, Versorgungs- und Dielektrik-Schichten auch Masken- und Beschichtungs-Ebenen, die über/unter der Oberfläche von Flex-Leiterplatten liegen. Solche Ebenen umfassen

  • eine Deckschicht (Coverlay) aus einem adhäsiv-beschichteten Film, der auf den Lagenaufbau aufgepresst wird, um die Schaltung zu isolieren,
  • Material-Masken, die Edelmetall-, Klebe- und Siebdruck-Masken umfassen,
  • Edelstahl- oder Aluminiumversteifungen, die eine Biegung dort einschränken, wo sie mit Bauteilen bestückt sind, und
  • spezielle beschichtete Bereiche wie ENEPIG.

Um stetig steigende Kundenanforderungen noch erfüllen zu können, gehen die Leiterplattenentwickler dazu über, dass sie die Anzahl der leitenden und nichtleitenden Schichten bei Flex- und Starrflex-Designs nochmals erhöhen. Damit nicht genug: Sie erhöhen zudem auch die Anzahl der verschiedenen Materialtypen und den Umfang der bei Starrflex-Leiterplatten-Designs zu beachtenden Regeln. Das wiederum hat zur Folge, dass die Entwickler noch mehr manuelle Prüfungen durchführen müssen, um sicherzustellen, dass ihre Designs auch mit vertretbarem Zeit- und Kostenaufwand produziert werden können. Viele Entwickler greifen dabei auf ein Correct-by-Construction-Design zurück und verwenden hierin In-Design-Inter-Layer-Prüfungen, um Fehler zu erkennen, sobald sie entstehen. Auf diese Weise lassen sich die folgenden zeitraubenden Schritte vermeiden:

  • Manuelle Prüfungen, nachdem das Design abgeschlossen ist (vor der Übergabe an die Fertigung)
  • Iterationen, die notwendig sind, sobald der Entwickler das Design überprüfen muss, anschließend vorhandene Fehler beseitigt, ein Redesign durchführt, eine erneute Überprüfung erfolgt und so weiter.

Inter-Layer-Prüfungen durchführen

Wenn der Entwickler Inter-Layer-Prüfungen durchführt, so kann er damit verschiedenste Bereiche in Starrflex-Leiterplatten-Designs auf Korrektheit kontrollieren:

  • Schicht-zu-Schicht-Prüfungen, um den Aufbau der Masken-Schichten zu untersuchen
  • Coverlay zu Pad
  • Maske zu Pad
  • Edelmetall zu Coverlay
  • Biegebereich/Linie zu Versteifung, Bauteil, Pin und Via
  • Aussparungen wie Kante-zu-Kante-Abstand in Bereichen wie Biegelinie zu Komponente, Via zu Biegelinie und Versteifung zum Biegebereich
  • Innerhalb von Bereichen wie Goldmaske zu Coverlay, Pin zu Coverlay und Versteifungsklebstoff zu Versteifung
  • Überlappungen, wenn zwei Geometrien sich minimal oder mehr überlappen – zum Beispiel Lötmaske mit der Übergangszone

Normalerweise müssen die Entwickler die Designregel-Überprüfungen (DRCs) manuell durchführen oder eigene Software schreiben, um diesen Prozess zu automatisieren.

Es gibt aber auch Tools auf dem Markt, die Starrflex-Designs unterstützen, die aber in Bezug auf die Abdeckung der mittlerweile erforderlichen Inter-Layer-Prüfungen nicht besonders umfassend sind. Ein nützliches Tool muss auch verschiedene Designüberlegungen berücksichtigen, die im Folgenden näher betrachtet werden.

Überlegungen zum MCAD-ECAD-Co-Design

Damit die Elektronikmodule in das vorgesehene Gehäuse passen, bedient man sich als Entwickler des sogenannten MCAD-ECAD-Co-Designs. Im Falle von Starrflex-Leiterplatten ist dabei eine zusätzliche Untersuchung vonnöten, sofern sich die Biegestelle im Gehäuse befindet. Der Mechanik-Ingenieur muss dem PCB-Entwickler im Vorfeld exakt vorgeben, welcher Biegebereich zur Verfügung steht und welche Biegelinie sowie welchen Biegungsradius er verwenden darf (Bild 3).

    Entsprechend diesen Vorgaben muss er dann geeignete Regeln aufstellen und diese bei seinem PCB-Design einhalten. Des Weiteren darf er

    • keine Vias in den Biegebereich legen, um eine Rissbildung über die Zeit im Substrat zu vermeiden.
    • keine Pads in der Nähe des Biegebereichs platzieren, da sich die Pads sonst ablösen können.
    • im Biegebereich keine Versteifungen vorsehen, da sich diese sonst ablösen oder die Biegefähigkeit einschränken können.
    • keine Versteifungen zu nahe an Vias oder Pins platzieren, um Kurzschlüsse zu vermeiden.

    Die Fertigungs-Ingenieure wiederum müssen vom PCB-Designer erfahren, welche Layer-Strukturen er bei seinem PCB-Design vorgesehen hat und welche Dicke die verschiedenen Zonen einschließlich der obersten und untersten Lage aufweisen. Sie müssen ferner wissen, welche Schichtdicken die Lötstop-Maske, das Coverlay, die Versteifungen, das externe Kupfer und andere Materialien aufweisen, denn diese haben Einfluss auf die Gesamthöhe und das Biegeverhalten. Bild 4 zeigt beispielhaft eine Tabelle, in der relevante Daten für den Austausch zwischen ECAD- und MCAD-Abteilung zusammengefasst sind.