Andreas Schilpp, unser Experte für Starrflex-Technologie, beantwortet Ihre Fragen aus den Webinaren "Starrflex Design Guide Teil I und Teil II".

Ihre gesuchte Frage ist hier nicht dabei? Dann stellen Sie diese Frage gerne Herrn Schilpp per Mail.

Hier finden Sie FAQs zu folgenden Themen:

  • Material
  • Anwendungen
  • Design
  • Verarbeitung

Material

Was sind die Unterschiede von LCP zu Polyimid?

Liquid Crystal Polymer (LCP) Folien haben eine geringere Feuchtigkeitsaufnahme, sind dimensionsstabiler und UV resistenter als Polyimid Folien. Die Verfügbarkeit von LCP als Folie ist schlechter, der Preis ist höher als bei Polyimid. Einsatz bei WE nur für Prototypen möglich.

Wie kann RA-Kupfer/ED-Kupfer im Lagenaufbau bei statischen/dynamischen Applikationen verwendet werden?

Für statische Anwendungen (IPC-2223 Use A – „flex-to-install“) oder dynamische Anwendungen mit wenigen Zyklen oder unkritischen Biegeparametern reicht elektrolytisch abgeschiedenes Kupfer = ED-Kupfer (Electro-Deposited). Walzkupfer oder RA-Kupfer (Rolled-Annealed) wird bei dynamischen Anwendungen (IPC-2223 Use B – „dynamical bending“) verwendet. Bekannt sind Anwendungen mit mehreren Milliarden Biegezyklen.

Achtung:

  • Walzkupfer hat eine Vorzugsrichtung „MD“ = „machine direction“. Senkrecht dazu sind die Biegeeigenschaften deutlich schlechter
  • Bei außen liegender Flexlage wird in der Regel der Flexbereich mit der Außenlage metallisiert. Diese Aufmetallisierung hat damit ED-Qualität
  • Weitere Kupferqualitäten sind im IPC-4562 Standard beschrieben

Abstände und Kriechstrecken - Können wir das Flexteil (Polyimid) als Standard FR4 behandeln?

Nein! FR4-Materialien haben je nach Produkt PTI / CTI Level 3 bis 0 (z.B. Nanya NP140 - CTI3 / NPG - CTI 2 / Panasonic R-1655W - CTI 1, nur um einige Beispiele zu nennen).

Aber Polyimid Folien, beispielsweise DuPont Pyralux AP oder Panasonic R-F77x haben nur CTI Level 4.

Andererseits haben fast alle Designs kein freies Kupfer auf der Flexslage ohne eine Barriere dazwischen wie Lötstoppmaske oder Coverlay. Darüber hinaus ist bei Flex innen liegend das gesamte Kupfer vollständig mit starrem Material in den starren Bereichen oder mit Coverlay in den flexiblen Bereichen bedeckt.

Ist Polyimid in Bezug auf die Isolation in der gleichen Materialgruppe wie FR4? (IIIa/b)?

Unter Bezugnahme auf die folgende Tabelle: FR4 je nach Typ ist dann Typ II oder Typ IIIa, aber Polyimid ist Typ IIIb.

Anwendungen

Können Gigabitsignale mit Starrflex übertragen werden?

Ja, viele USB3-Kameras setzen starrflexible Leiterplatten ein (USB3.1 Gen.2 unterstützt eine Datenrate von 10 Gbps). Wichtig dafür ist ein sorgfältig abgestimmtes Design mit definierten Impedanzen. Die USB3-Spezifikation erfordert differentielle Leitungen mit 90Ohm Wellenwiderstand. Die dafür erforderlichen Designparameter können wir für Sie berechnen, passend zu einem angepassten Lagenaufbau. Meist werden dazu Polyimidkerne mit 75µm oder 100µm Dicke eingesetzt.

Die Starrflex Technologie bietet für hohe Datenraten folgende Vorteile:

  • das Flexmaterial Polyimid ist ein low-loss Material
  • die Kupferkaschierung auf Polyimid hat eine für Hochfrequenz günstige flache Rückseite (sehr flaches Treatment)
  • Starrflex ermöglicht die Eliminierung von Steckern, die grundsätzlich als Schwachstelle anzusehen sind

Gibt es bei Starrflex-Leiterpatten einen unteren Grenzwert für die Temperatur?

Es gibt für tiefe Temperaturen keine Spezifikationen oder Einschränkungen für die bei Starrflex verwendeten Basismaterialien. Unsere Starrflex-Technologie wurde von UL gemäß „Standard UL796 F Punkt 5.10 Cold Bend Test“ getestet und hat diese Tests bei -20°C bestanden.

Design

Ist bei FR4 Semiflex Biegen in beide Richtungen erlaubt?

Nein! Wie in den Designregeln für FR4 Semiflex genau beschrieben, ist das Biegen grundsätzlich nur mit der Fräsfläche innen erlaubt. Für eine S-förmige Biegung sind zwei Biegebereiche (top/bottom) mit einem starren Zwischenteil erforderlich.

Welcher minimale Restring von Vias ist bei Starrflex zulässig?

Grundsätzlich gibt es hier keinen Unterschied zu starren Leiterplatten. Die Werte sind für Starrflex in der IPC-6013, Tabelle 3-11 definiert und sind abhängig von der IPC-Leistungsklasse.

Beispiel: Bei IPC Klasse 2 ist bis zu 90° Ausbruch des Lochs aus der Anschlussfläche erlaubt, bei IPC Leistungsklasse 3 muss der Restring bei Außenlagen mindestens 50µm, bei Innenlagen mindestens 25µm betragen. Die Verwendung von Teardrops verbessert grundsätzlich die Herstellbarkeit, siehe Figure 3-6:

Stellt Würth Elektronik Lagenaufbaupläne zur Verfügung?

Ja, gerne stellen wir Ihnen Standard Aufbaupläne oder speziell für Sie angepasste Lagenaufbaupläne zur Verfügung, zum Beispiel für Designs mit definierten Impedanzen.

Einige Standard Lagenaufbaupläne finden Sie hier.

Mit welcher Software kann Starrflex layoutet werden?

Starrflex-Layouts sind praktisch mit jedem EDA-Programm möglich, von Altium bis Zuken. Die Leistungsfähigkeit der einzelnen Systeme ist unterschiedlich, moderne Programme bieten vielfältige Unterstützung für das Board Planning, die sektionalen Stackups bis hin zu 3D Biege- und Einbausimulationen und Kollisionsprüfung.

Die maßliche Definition der flexiblen und starren Bereiche geschieht bei einfachen EDA Tools z.B. auf einer zusätzlichen mechanischen Hilfslage (Infolayer).

Bei leistungsfähigeren Systemen, die über einen „Multi Stackups Mode“ verfügen, geschieht das komfortabler im „Board Planning Mode“

Diese Definition ist notwendig, um die Programme für die mechanische Trennung von starren und flexiblen Bereichen erstellen zu können.

Welche maximale Kupferdicke ist bei Starrflex möglich?

Flexibles Basismaterial Polyimid gibt es mit unterschiedlichen Kupferschichtdicken. Die Standarddicke ist 18µm und geht bis nominal 70 µm. Auf Grund der Bearbeitungsprozesse ändern sich diese Dicken, es gelten die Toleranzen nach IPC-6013 für Innenlagen.

Bemerkung: Für metallisierte Außenlagen gilt entsprechend IPC-6013C Table 3-19.

Flex innen oder außen liegend- was sind die Vor- und Nachteile und was empfehlen Sie?

Ganz einfach ausgedrückt empfehlen wir:

  • 1 Flexlage ⇒ außen als 1F-xRi ⇒ günstig
  • 2 oder mehr Flexlagen ⇒ innen als xRi-yF-xRi ⇒ teurer
  • dynamische Anwendung mit vielen Biegezyklen ⇒ innen + RA-Kupfer

In Einzelfällen, z.B. bei empfindlichen und sehr schnellen Signalen über den Flexbereich, kann ein asymmetrischer Aufbau 2F-xRi signaltechnische Vorteile bieten. Die Herstellung eines solchen Aufbaus ist jedoch komplizierter als ein symmetrischer Aufbau xRi-yF-xRi. Bezüglich des erlaubten minimalen Biegeradius bietet der Aufbau 2F-xRi keinen Vorteil gegenüber einem xRi-2F-xRi, gleichzeitig besteht aber das Risiko der Wölbung und Verwindung durch die Asymmetrie im Aufbau.

Ist eine Verwendung von Semiflex bei einem Biegeradius von 3 mm möglich und was muss ggf. dabei beachtet werden?

Laut Designregeln ist der Standard Biegeradius 5mm bzw. mit angepasstem Lagenaufbau (Multilayeraufbau) 4 mm. Kleinere Biegeradien sind grundsätzlich nicht erlaubt. Es ist in Einzelfällen prinzipiell möglich, kleinere Biegeradien durch eine anwendungsspezifische Konstruktion und Einzelqualifikation zu erreichen. Hierbei unterstützen wir Sie gerne.

Wir weisen darauf hin, dass die Vorgaben in den Designregeln „FR4 Semiflex“ hinsichtlich Biegerichtung und Biegewerkzeug beachtet werden müssen.

Wie hoch ist die maximale Stromtragfähigkeit im flexiblen oder semiflexiblen Bereich, auch bei gleichmäßiger Belastung aller Leitungen?

Diese Frage kann so nicht beantwortet werden. Für die Stromtragfähigkeit ist die IPC-2152 "Designrichtlinie für die Bestimmung der Stromtragfähigkeit von Leiterplatten" anzuwenden. Entscheidend ist die Bilanz aus der Erwärmung durch den Strom (Stromstärke, Kupferquerschnitte) und der Entwärmung (Wärmeleitfähigkeit und Dicke der Materialien, Viatechniken, Kupferdesign). Weitere wichtige Parameter sind die maximal zulässige Übertemperatur und der Lagenaufbau!

Starrflexible Stacks: Sollte eine flexible Schicht als Außenschicht (abhängig vom Verschmutzungsgrad) oder als Innenschicht (Verschmutzungsgrad 1) betrachtet werden?

Das hängt vom Stack-up ab, ob Polyimid asymmetrisch außen (1F-xRi / 2F-xRi) oder symmetrisch innen (xRi-yF-xRi) verwendet wird, meist basierend auf mechanischen und / oder elektrischen Bedingungen.

Aber gleichzeitig haben fast alle Designs kein freies Kupfer auf dem Flex ohne eine Barriere dazwischen wie Lötstoppmaske oder Coverlay. Darüber hinaus ist bei Flex innerhalb des Aufbaus das gesamte Kupfer vollständig mit starrem Material in den starren Bereichen oder mit Deckschichten in den flexiblen Bereichen bedeckt.

Stromtragfähigkeit der Flexlage: Ist 2oz das maximale Kupfergewicht, das wir einplanen können nach der Beschichtung?

Die flexible Schicht außenliegend ist galvanisch verstärkt (1oz Basiskupfer), die flexiblen Kerne innen sind mit 2oz erhältlich und werden NICHT galvanisiert. Toleranzen nach IPC-6013C Tabelle 3-18 und Tabelle 3-19 sind zu berücksichtigen.

Können wir IPC-2152 für die Abschätzung der Stromtragfähigkeit bei Starrflex verwenden?

Ja, ich kenne keine andere Spezifikation dafür. Im starren Bereich sowieso, für kurze Flexbereiche bis 10mm Länge steigt die Erwärmung um einige Kelvin. Für längere Flexbereiche ist aber zu berücksichtigen, dass die Strombelastbarkeit durch weniger Materialmasse und damit geringere Wärmeabfuhr im Material spürbar reduziert wird. Siehe auch IPC-2125 A4.1

Wie oft lässt sich bei Semiflex die Verbindung hin- und herbiegen?

Laut unseren Designregeln FR4 Semiflex sind typisch 10-mal hin- und her biegen kein Problem.

Können Sie Altium-CAD Daten direkt ansehen bzw. weiterverarbeiten?

Nein, wir arbeiten grundsätzlich auf Basis von Postprozessordaten, also z.B. Gerber oder ODD++.

Welche maximalen Kupferdicken sind bei Semiflex im Biegebereich möglich?

Laut Designregeln FR4 Semiflex sind in der Standardausführung die Innenlagen mit Basiskupfer 18µm und die Außenlagen mit Basiskupfer 12µm ausgeführt. Entsprechend IPC-6013 sind dann die Mindestwerte für die Kupferschichtdicke auf der Innenlage 11,4µm und auf der Außenlage 29,3µm.

Für höhere Anforderungen kann auf der Innenlage 35mm Basiskupfer (1oz.) und auf der Außenlage bis zu 35µm Basiskupfer verwendet werden.

Dürfen non-used-pads / non functional pads bei Starrflex entfernt werden?

Aus Zuverlässigkeitsgründen dürfen nicht angebundene Viapads auf den flexiblen Lagen nicht entfernt werden. Da die EDA Tools dies nicht für verschiedene Layer unterschiedlich abbilden können, empfehlen wir darauf grundsätzlich zu verzichten.

Verarbeitung

Kann Wärme zum Biegen von Semiflex eingesetzt werden?

Im Prinzip ja, aber wir empfehlen es nicht. Um eine spürbare Erweichung des Epoxidharzes zu erreichen, müssten Temperaturen deutlich oberhalb Tg angewendet werden, wodurch der Biegebereich altern und verspröden kann. Dagegen empfehlen wir bei Bedarf eine Optimierung des Lagenaufbaus und insbesondere die Verwendung von Biegehilfen!

Wie hoch ist die thermische Belastbarkeit von Semiflex (Umspritzung mit Kunststoff)?

Die thermische Belastbarkeit entspricht der des eingesetzten Basismaterials, also FR4 oder FR4 mit höherem Tg bzw. T260 Wert. Bei der Konstruktion des Molding- oder Spritzgusswerkzeugs muss die Formfüllung so konstruiert werden, dass der dünne Semiflex-Bereich nicht belastet oder gar beschädigt wird.

Kann man Semiflex verdrillen?

Nein, beim Verdrillen entstehen kleine Radien und Kräfte, die ein Semiflex-Biegebereich sicher nicht übersteht.

Gibt es irgendwelche Einschränkungen beim Löten von Leiterplatten, oder ist der Prozess derselbe wie bei starren Leiterplatten?

Grundsätzlich müssen flexible und starrflexible Leiterplatten vor dem Löten immer getrocknet werden.

Was ist, wenn Sie z.B. Relais auf der anderen Seite der Flex-Leiterplatte löten wollen?

Sie sollten Komponenten immer auf starre Bereiche platzieren und löten, nicht auf flexible Bereiche. Verwenden Sie daher am besten die Starrflex-Technologie.

SMD-Bestückung – gibt es bei Starrflex signifikante Toleranzen für die Positionierung von SMD-Bauteilen?

Würth Elektronik hat qualitativ hochwertige Standards(siehe Spezifikation in den Designregeln definiert und verwendet sehr hochwertige, kleberlose Polyimid Basismaterialien; für die Verklebung mit den starren Materialien verzichten wir auf die Verwendung von Acrylkleber. Die starrflexiblen Leiterplatten haben dadurch einen sehr guten Materialverbund, wodurch es keine größeren Toleranzen für die Bestückung bedarf. In einem stabilen Liefernutzen lassen sich so starrflexible Leiterplatten genauso wie starren Leiterplatten standardmäßig bestücken.

SMD-Bestückung – gibt es bei Starrflex Einschränkungen bezüglich Min/Max-Größen für die Komponenten?

Nein, auf Starrflex Leiterplatten werden die gleichen Komponenten verwendet wie bei rein starren Leiterplatten. Für die Entflechtung von komplexen Bauteilen wie zum Beispiel UFBGA mit Pitch 0,5mm oder gar 0,4mm sind angepasste HDI Technologien notwendig und möglich. Bei Fragen wenden Sie sich bitte an unsere Hotline flex@we-online.de.

Die Nutzentrennung von Starrflex Platinen, wie wird das gemacht und schränkt das die Positionierung der Komponenten irgendwie ein?

Grundsätzlich werden hierbei dieselben Prozesse angewendet wie bei starren Leiterplatten. Ein Unterschied besteht darin, dass Polyimid Folien zäh sind und nicht gebrochen werden können wie starres FR4, sondern nur geschnitten oder gestanzt. Dies muss bei der Gestaltung und Trennung von Stegen im Flexbereich berücksichtigt werden. Eine gute Alternative stellt das Laserschneiden mit Mikrostegen in Verbindung mit Lift-off dar, diese können ohne Werkzeug von Hand ohne Beschädigung des Flexbereichs getrennt werden.

Achtung: Trennen Sie Stege niemals mit Seitenschneidern! Dadurch beschädigen Sie die Leiterplatte!

Kosten

Wie hoch sind die Kosten von FR4 Semiflex?

FR4 Semiflex setzt auf starren Leiterplatten auf, verwendet jedoch optimierte Lagenaufbauten. Ein zusätzlicher Aufwand entsteht durch das tiefenkontrollierte Fräsen und den Flexlack mittels Siebdruck für den Biegebereich.

Im Vergleich zu inhomogenen Systemen mit Kabel und Steckverbinder sind Kostenvorteile zumindest auf Systemebene zu erwarten – bei geschirmten Kabeln und Steckern sogar auf Komponentenebene bei gleichzeitig besserer elektrischer Performance, Miniaturisierung und höherer Zuverlässigkeit!

Anhand eines realen Beispiels haben wir das im Webinar analysiert:

Wie ist der Preisunterschied zwischen einer Leiterplatte 2-lagig und einer FR4 Semiflex mit 2 Lagen und einem Biegebereich?

Die Kosten einer FR4 Semiflex Leiterplatte bestimmen sich aus den Kosten für die starre Leiterplatte plus dem Mehraufwand für das Präzisions-Tiefenfräsen und dem Prozess für den flexiblen Lötstopplack. Der Fräsaufwand ist von der Größe des Biegebereichs abhängig und so kann der Mehrpreis dafür zwischen 10 und 100% liegen. Gerne erstellen wir Ihnen für Ihr Design ein Richtpreisangebot auf Basis einer Zeichnung oder Skizze.

Was ist bei der Liefernutzengestaltung zu beachten?

Hierbei unterstützen wir Sie gerne. Ziel ist ein optimaler Kompromiss zwischen Stabilität und Trennbarkeit. Die optimale Gestaltung des Liefernutzens hat oft auch einen großen Einfluss auch die Materialauslastung und damit auf den Preis! Bei Fragen wenden Sie sich bitte an unsere Hotline flex@we-online.de.

UL-Kennzeichnung

Kann eine Starrflex-LP mit UL gekennzeichnet werden?

Ja! Würth Elektronik hat mehrere starrflexible Typen UL-gelistet. Alle Typen weisen die Brennbarkeitsklasse nach UL94 aus (V-0 bzw. V-1), manche Typen verfügen über eine sogenannte „full recognition“ und sind zusätzlich mit den Parametern MOT, CTI und DSR-Kennzeichnung gelistet.

Die Anforderungen bezüglich UL leiten sich von den UL Standards für die auf das Produkt zutreffende UL Kategorie ab (Guidelines, UL Zertifizierungsdokumentation: „Section General“ oder als „critical components“ in der „Description“).

Für sehr viele Anwendungen ist eine Brennbarkeitsklasse V-1 nach UL94 ausreichend.

Wie kann eine UL-Kennzeichnung kostengünstig aufgebracht werden?

Es gibt im Wesentlichen 3 Möglichkeiten für eine UL-Kennzeichnung auf Leiterplatten:

  • Einbringung der Kennzeichnung im Kupferlayout auf Vorder- oder Rückseite
  • Einbringung in den Lötstopplack auf Vorder- oder Rückseite (nicht über Kupfer)
  • Aufdruck im Rahmen eines Servicedrucks auf die Oberfläche.

Varianten 1 und 2 sind sicher die preislich günstigsten, Variante 3 ist die teuerste Möglichkeit, wenn kein Servicedruck sonst vorhanden ist. Die Kennzeichnung kann damit allerdings ziemlich beliebig (außerhalb von Lötflächen) positioniert werden.

Wie groß muss eine UL-Kennzeichnung sein, was muss sie enthalten?

  • Die Schrifthöhe sollte mindestens ca. 4 mm betragen.
  • Wir benötigen Platz für mindestens unsere Herstellerkennung ´WE´, gefolgt von einer zweistelligen Zahl (= Board Type) sowie einen runden Kreis dahinter, welcher die Werkskennung trägt.

Beispiel: “WE50 O“, hierbei ist das spiegelbildliche ´UR´ davor dann schon eingespart. Eine Kennzeichnung der Brennbarkeitsklasse, z.B. „UL94-V1“ ist nicht gefordert.

Falls zusätzlich auch die Kennung für Kanada erforderlich ist (gemäß ZPMV8), dann ist das “cURus“ ebenfalls zwingend erforderlich.