Flexible Elektronik - Flexible electronics

Bild der flexiblen gedruckten Schaltungen von Miraco vor der Depanelisierung.
Eine Olympus Stylus-Kamera ohne Gehäuse, die die Flex-Schaltung zeigt.

Flexible Elektronik , auch bekannt als Flex - Schaltungen , ist eine Technologie für die Montage elektronischer Schaltungen durch Montieren von elektronischen Vorrichtungen auf flexiblen Kunststoffsubstraten , wie zum Beispiel Polyimid , PEEK oder transparente leitfähige Polyesterfolie. Darüber hinaus können flexible Schaltungen auf Polyester siebgedruckte Silberschaltungen sein . Flexible elektronische Baugruppen können unter Verwendung identischer Komponenten hergestellt werden, die für starre gedruckte Leiterplatten verwendet werden , wodurch es der Leiterplatte ermöglicht wird, sich einer gewünschten Form anzupassen oder sich während ihres Gebrauchs zu biegen.

Herstellung

Flexible gedruckte Schaltungen (FPC) werden mit einer photolithographischen Technologie hergestellt. Eine alternative Möglichkeit, flexible Folienschaltungen oder flexible Flachkabel (FFCs) herzustellen, besteht darin, sehr dünne (0,07 mm) Kupferbänder zwischen zwei PET- Schichten zu laminieren . Diese typischerweise 0,05 mm dicken PET-Schichten sind mit einem duroplastischen Klebstoff beschichtet und werden während des Laminierungsprozesses aktiviert. FPCs und FFCs haben in vielen Anwendungen mehrere Vorteile:

  • Eng montierte Elektronikpakete, bei denen elektrische Verbindungen in 3 Achsen erforderlich sind, wie z. B. Kameras (statische Anwendung).
  • Elektrische Verbindungen, bei denen sich die Baugruppe während des normalen Gebrauchs biegen muss, wie z. B. faltbare Mobiltelefone (dynamische Anwendung).
  • Elektrische Verbindungen zwischen Unterbaugruppen zum Ersatz von Kabelbäumen, die schwerer und sperriger sind, z. B. in Autos, Raketen und Satelliten .
  • Elektrische Verbindungen, bei denen Leiterplattendicke oder Platzmangel treibende Faktoren sind.

Vorteil von FPCs

  • Möglichkeit, mehrere starre Platinen oder Steckverbinder zu ersetzen
  • Einseitige Schaltungen sind ideal für dynamische oder hochflexible Anwendungen
  • Gestapelte FPCs in verschiedenen Konfigurationen

Nachteile von FPCs

  • Kostensteigerung gegenüber starren Leiterplatten
  • Erhöhte Beschädigungsgefahr bei der Handhabung oder Verwendung
  • Schwierigerer Montageprozess
  • Reparatur und Nacharbeit sind schwierig oder unmöglich
  • Im Allgemeinen schlechtere Panelauslastung, was zu erhöhten Kosten führt

Anwendungen

Flexschaltungen werden häufig als Steckverbinder in verschiedenen Anwendungen verwendet, bei denen Flexibilität, Platzersparnis oder Produktionsbeschränkungen die Brauchbarkeit von starren Leiterplatten oder Handverdrahtung einschränken. Eine übliche Anwendung von flexiblen Schaltkreisen ist in Computertastaturen; die meisten Tastaturen verwenden flexible Schaltungen für die Schaltmatrix .

Bei der LCD- Herstellung wird Glas als Substrat verwendet. Wenn stattdessen dünne flexible Kunststoff- oder Metallfolien als Substrat verwendet werden, kann das gesamte System flexibel sein, da der auf dem Substrat aufgebrachte Film normalerweise sehr dünn ist, in der Größenordnung von einigen Mikrometern.

Organische Leuchtdioden (OLEDs) werden normalerweise anstelle einer Hintergrundbeleuchtung für flexible Displays verwendet, wodurch ein flexibles organisches Leuchtdiodendisplay entsteht .

Die meisten flexiblen Schaltungen sind passive Verdrahtungsstrukturen, die verwendet werden, um elektronische Komponenten wie integrierte Schaltungen, Widerstände, Kondensatoren und dergleichen miteinander zu verbinden; einige werden jedoch nur verwendet, um Verbindungen zwischen anderen elektronischen Baugruppen entweder direkt oder mittels Steckverbindern herzustellen.

Im Automobilbereich werden flexible Schaltungen in Instrumententafeln, Motorhaubensteuerungen, im Dachhimmel der Kabine zu verbergenden Schaltungen und in ABS-Systemen verwendet. In Computerperipheriegeräten werden flexible Schaltungen auf dem beweglichen Druckkopf von Druckern verwendet und um Signale mit dem beweglichen Arm zu verbinden, der die Lese-/Schreibköpfe von Plattenlaufwerken trägt. Unterhaltungselektronikgeräte verwenden flexible Schaltkreise in Kameras, persönlichen Unterhaltungsgeräten, Taschenrechnern oder Trainingsmonitoren.

Flexible Schaltungen finden sich in industriellen und medizinischen Geräten, wo viele Verbindungen in einem kompakten Gehäuse erforderlich sind. Mobiltelefone sind ein weiteres weit verbreitetes Beispiel für flexible Schaltungen.

Für den Antrieb von Satelliten wurden flexible Solarzellen entwickelt . Diese Zellen sind leichtgewichtig, können für den Start aufgerollt werden und sind leicht zu implementieren, sodass sie gut für die Anwendung geeignet sind. Sie können auch in Rucksäcke oder Oberbekleidung eingenäht werden.

Geschichte

Patente, die an der Wende des 20. Jahrhunderts erteilt wurden, zeigen, dass frühe Forscher sich Möglichkeiten vorstellten, flache Leiter herzustellen, die zwischen Schichten aus isolierendem Material eingebettet sind , um elektrische Schaltungen zu gestalten, die in frühen Telefonvermittlungsanwendungen dienen . Eine der frühesten Beschreibungen einer so genannten Flex-Schaltung wurde von Dr. Ken Gilleo ausgegraben und 1903 in einem englischen Patent von Albert Hansen offenbart, in dem Hansen eine Konstruktion aus flachen Metallleitern auf paraffinbeschichtetem Papier beschrieb . Aus den Laborbüchern von Thomas Edison aus der gleichen Zeit geht auch hervor, dass er daran dachte, auf Leinenpapier aufgetragene Zellulosegummis mit Graphitpulver zu beschichten, um eindeutig flexible Schaltkreise zu erzeugen, obwohl es keine Beweise dafür gibt, dass es auf die Praxis reduziert wurde.

In der 1947 - Publikation „Printed Circuit Techniques“ von Cledo Brunetti und Roger W. Curtis eine kurze Diskussion über die Schaffung Schaltungen auf , was wäre gewesen , flexiblen Materialien (zB Isolationspapier ) zeigte , dass die Idee , an Ort und Stelle war und in den 1950er Jahren Sanders Associates Erfinder ( Nashua, NH ) Victor Dahlgren und Firmengründer Royden Sanders haben bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung und Patentierung von Verfahren zum Drucken und Ätzen von Flachleitern auf flexiblen Basismaterialien gemacht, um Kabelbäume zu ersetzen . Eine Anzeige aus dem Jahr 1950, die von der Photocircuits Corporation in New York platziert wurde, zeigte auch ihr aktives Interesse an flexiblen Schaltungen.

Heutzutage werden in vielen Produkten flexible Schaltungen verwendet, die auch auf der ganzen Welt verschiedentlich verschieden als flexible gedruckte Verdrahtung, Flexprint, Flexi-Schaltungen bekannt sind. Große Anerkennung verdanken wir den Bemühungen japanischer Elektronik- Packaging-Ingenieure, die unzählige neue Wege gefunden haben, flexible Schaltungstechnologie einzusetzen. In den letzten zehn Jahren sind flexible Schaltungen eines der am schnellsten wachsenden Segmente aller Verbindungsprodukt-Marktsegmente geblieben. Eine neuere Variante der flexiblen Schaltungstechnologie wird als "flexible Elektronik" bezeichnet, die üblicherweise die Integration sowohl aktiver als auch passiver Funktionen in die Verarbeitung beinhaltet.

Flexible Schaltungsstrukturen

Es gibt einige Grundkonstruktionen von flexiblen Schaltungen, aber es gibt erhebliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Typen hinsichtlich ihres Aufbaus. Im Folgenden finden Sie eine Übersicht über die gängigsten Arten von flexiblen Schaltungskonstruktionen

Einseitige Flexschaltungen

Einseitige flexible Schaltungen haben eine einzelne Leiterschicht, die entweder aus einem Metall oder einem leitfähigen (mit Metall gefüllten) Polymer auf einem flexiblen dielektrischen Film besteht. Komponentenabschlussfunktionen sind nur von einer Seite zugänglich. In dem Basisfilm können Löcher gebildet werden, um zu ermöglichen, dass Komponentenanschlüsse zur Verbindung, normalerweise durch Löten , hindurchgehen . Einseitige flexible Schaltungen können mit oder ohne solche Schutzbeschichtungen wie Deckschichten oder Deckschichten hergestellt werden, jedoch ist die Verwendung einer Schutzbeschichtung über Schaltungen die gängigste Praxis. Die Entwicklung oberflächenmontierter Bauelemente auf gesputterten leitfähigen Filmen hat die Herstellung transparenter LED-Filme ermöglicht, die in LED-Glas, aber auch in flexiblen Automobilbeleuchtungsverbundwerkstoffen verwendet werden .

Doppelter Zugang oder rückseitig entblößte Flex-Schaltungen

Double Access Flex, auch bekannt als Back Bared Flex, sind flexible Schaltungen mit einer einzelnen Leiterschicht, die jedoch so verarbeitet werden, dass sie von beiden Seiten auf ausgewählte Merkmale des Leitermusters zugreifen können. Während dieser Schaltungstyp gewisse Vorteile hat, schränken die speziellen Verarbeitungsanforderungen für den Zugriff auf die Merkmale seine Verwendung ein.

Geformte Flex-Schaltungen

Geformte flexible Schaltungen sind eine neue Untergruppe normaler flexibler Schaltungsstrukturen. Das Herstellungsverfahren beinhaltet ein spezielles mehrstufiges Ätzverfahren für flexible Schaltungen, das eine flexible Schaltung mit fertigen Kupferleitern ergibt, wobei die Dicke der Leiter an verschiedenen Stellen entlang ihrer Länge unterschiedlich ist. (dh die Leiter sind in flexiblen Bereichen dünn und an Verbindungspunkten dick.).

Doppelseitige Flexschaltungen

Doppelseitige Flexschaltungen sind Flexschaltungen mit zwei Leiterschichten. Diese flexiblen Schaltungen können mit oder ohne plattierte Durchgangslöcher hergestellt werden , obwohl die Variante der plattierten Durchgangslöcher viel häufiger vorkommt. Bei Aufbau ohne Durchkontaktierungen und nur einseitigem Zugang zu den Anschlussmerkmalen ist die Schaltung nach militärischen Vorgaben als „Typ V (5)“ definiert. Es ist keine gängige Praxis, aber es ist eine Option. Aufgrund des plattierten Durchgangslochs sind auf beiden Seiten des Schaltkreises Anschlüsse für elektronische Komponenten vorgesehen, so dass Komponenten auf beiden Seiten platziert werden können. Abhängig von den Designanforderungen können doppelseitige flexible Schaltungen mit schützenden Deckschichten auf einer, beiden oder keiner Seite der fertigen Schaltung hergestellt werden, werden jedoch am häufigsten mit der Schutzschicht auf beiden Seiten hergestellt. Ein großer Vorteil dieses Substrattyps besteht darin, dass er sehr einfach Crossover-Verbindungen ermöglicht. Viele einseitige Schaltungen sind auf einem doppelseitigen Substrat aufgebaut, nur weil sie ein oder zwei Crossover-Verbindungen haben. Ein Beispiel für diese Verwendung ist die Schaltung, die ein Mauspad mit der Hauptplatine eines Laptops verbindet. Alle Verbindungen auf dieser Schaltung befinden sich auf nur einer Seite des Substrats, mit Ausnahme einer sehr kleinen Crossover-Verbindung, die die zweite Seite des Substrats verwendet.

Mehrschichtige flexible Schaltungen

Flexschaltungen mit drei oder mehr Leiterschichten sind als mehrschichtige Flexschaltungen bekannt. Üblicherweise sind die Schichten mittels plattierter Durchgangslöcher miteinander verbunden, obwohl dies kein Erfordernis der Definition ist, da es möglich ist, Öffnungen bereitzustellen, um auf Merkmale der unteren Schaltungsebene zuzugreifen. Die Schichten der mehrschichtigen flexiblen Schaltung können während des gesamten Aufbaus kontinuierlich zusammenlaminiert sein oder nicht, mit der offensichtlichen Ausnahme der Bereiche, die von plattierten Durchgangslöchern eingenommen werden. Die Praxis der diskontinuierlichen Laminierung ist in Fällen üblich, in denen maximale Flexibilität erforderlich ist. Dies wird erreicht, indem die Bereiche, in denen Biegen oder Biegen auftreten soll, unverbunden bleiben.

Starr-Flex-Schaltungen

Starr-Flex-Schaltungen sind flexible Schaltungen in Hybridbauweise, die aus starren und flexiblen Substraten bestehen, die zu einer einzigen Struktur zusammenlaminiert sind. Starr-Flex-Schaltungen sollten nicht mit starren Flex-Konstruktionen verwechselt werden, bei denen es sich einfach um Flex-Schaltungen handelt, auf denen eine Versteifung angebracht ist, um das Gewicht der elektronischen Komponenten lokal zu tragen. Eine versteifte oder versteifte flexible Schaltung kann eine oder mehrere Leiterschichten aufweisen. Obwohl die beiden Begriffe ähnlich klingen mögen, stehen sie für Produkte, die ziemlich unterschiedlich sind.

Auch die Lagen eines Rigid-Flex sind normalerweise durch durchkontaktierte Löcher elektrisch miteinander verbunden. Im Laufe der Jahre erfreuten sich Starrflex-Schaltungen bei militärischen Produktdesignern enormer Beliebtheit, jedoch fand die Technologie zunehmende Anwendung in kommerziellen Produkten. Obwohl es aufgrund der Herausforderungen oft als Spezialprodukt für Anwendungen mit geringem Volumen angesehen wird, unternahm Compaq Computer in den 1990er Jahren beeindruckende Anstrengungen, um die Technologie bei der Herstellung von Platinen für einen Laptop-Computer zu verwenden. Während sich der Haupt-Starrflex-PCBA des Computers während des Betriebs nicht beugte, verwendeten spätere Designs von Compaq Starrflex-Schaltungen für das aufklappbare Displaykabel und überstanden während des Tests Zehntausende von Biegungen. Bis 2013 ist die Verwendung von Starr-Flex-Schaltungen in Consumer-Laptop-Computern mittlerweile üblich.

Starrflex-Platinen sind normalerweise mehrschichtige Strukturen; jedoch werden manchmal Konstruktionen mit zwei Metallschichten verwendet.

Polymer-Dickfilm-Flex-Schaltungen

Flex-Schaltungen aus Polymer-Dickfilm (PTF) sind echte gedruckte Schaltungen, da die Leiter tatsächlich auf eine Polymer-Basisfolie gedruckt sind. Sie sind typischerweise Einzelleiterschichtstrukturen, jedoch können zwei oder mehr Metallschichten sequentiell mit Isolierschichten gedruckt werden, die zwischen gedruckten Leiterschichten oder auf beiden Seiten gedruckt werden. Obwohl sie eine geringere Leiterleitfähigkeit aufweisen und daher nicht für alle Anwendungen geeignet sind, haben PTF-Schaltungen erfolgreich in einer Vielzahl von Anwendungen mit geringem Stromverbrauch bei etwas höheren Spannungen eingesetzt. Tastaturen sind eine gängige Anwendung, es gibt jedoch eine breite Palette potenzieller Anwendungen für diesen kostengünstigen Ansatz zur Herstellung flexibler Schaltkreise.

Flexible Schaltungsmaterialien

Jedes Element der flexiblen Schaltungskonstruktion muss in der Lage sein, die an es gestellten Anforderungen über die Lebensdauer des Produkts hinweg konsequent zu erfüllen. Außerdem muss das Material zuverlässig mit den anderen Elementen der flexiblen Schaltungskonstruktion zusammenwirken, um eine einfache Herstellung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Es folgen kurze Beschreibungen der Grundelemente des Aufbaus flexibler Schaltungen und ihrer Funktionen.

Basismaterial

Das Basismaterial ist die flexible Polymerfolie, die die Grundlage für das Laminat bildet. Unter normalen Umständen liefert das Basismaterial der flexiblen Schaltung die meisten primären physikalischen und elektrischen Eigenschaften der flexiblen Schaltung. Bei klebstofflosen Schaltungsaufbauten bietet das Grundmaterial alle charakteristischen Eigenschaften. Obwohl ein breiter Dickenbereich möglich ist, werden die meisten flexiblen Folien in einem engen Bereich relativ dünner Abmessungen von 12 µm bis 125 µm (1/2 mil bis 5 mil) bereitgestellt, aber auch dünnere und dickere Materialien sind möglich. Dünnere Materialien sind natürlich flexibler und bei den meisten Materialien ist die Steifigkeitszunahme proportional zum Kubikmeter der Dicke. Das heißt zum Beispiel, dass bei einer Verdoppelung der Dicke das Material achtmal steifer wird und sich bei gleicher Belastung nur noch 1/8 so stark durchbiegt. Als Basisfolien werden verschiedene Materialien verwendet, darunter: Polyester (PET), Polyimid (PI), Polyethylennaphthalat (PEN), Polyetherimid (PEI) sowie verschiedene Fluorpolymere (FEP) und Copolymere. Polyimidfilme sind aufgrund ihrer Mischung vorteilhafter elektrischer, mechanischer, chemischer und thermischer Eigenschaften am weitesten verbreitet.

Klebekleber

Als Haftmittel zur Herstellung eines Laminats werden Klebstoffe verwendet. In Bezug auf die Temperaturbeständigkeit ist der Klebstoff typischerweise das leistungsbegrenzende Element eines Laminats, insbesondere wenn Polyimid das Basismaterial ist. Wegen der früheren Schwierigkeiten, die mit Polyimid-Klebstoffen verbunden waren, verwenden viele flexible Polyimid-Schaltungen gegenwärtig Klebstoffsysteme verschiedener Polymerfamilien. Einige neuere thermoplastische Polyimid-Klebstoffe machen jedoch wichtige Fortschritte. Wie bei den Basisfolien gibt es Klebstoffe in unterschiedlichen Dicken. Die Auswahl der Dicke ist typischerweise eine Funktion der Anwendung. Beispielsweise werden bei der Herstellung von Deckschichten üblicherweise unterschiedliche Klebstoffdicken verwendet, um die Füllanforderungen unterschiedlicher Kupferfoliendicken zu erfüllen, die auftreten können.

Metallfolie

Als leitfähiges Element eines flexiblen Laminats wird am häufigsten eine Metallfolie verwendet. Die Metallfolie ist das Material, aus dem die Leiterbahnen normalerweise geätzt werden. Es steht eine Vielzahl von Metallfolien unterschiedlicher Dicke zur Verfügung, aus denen eine flexible Schaltung ausgewählt und erstellt werden kann, jedoch dienen Kupferfolien der überwiegenden Mehrheit aller flexiblen Schaltungsanwendungen. Kupfers ausgezeichnete Balance zwischen Kosten und physikalischen und elektrischen Leistungsmerkmalen macht es zu einer ausgezeichneten Wahl. Es gibt tatsächlich viele verschiedene Arten von Kupferfolien. Der IPC identifiziert acht verschiedene Arten von Kupferfolien für gedruckte Schaltungen, die in zwei viel breitere Kategorien unterteilt sind, galvanisch abgeschieden und geschmiedet, von denen jede vier Unterarten hat.) Als Ergebnis stehen eine Reihe verschiedener Arten von Kupferfolien für flexible Schaltungsanwendungen zur Verfügung um den unterschiedlichen Zwecken verschiedener Endprodukte zu dienen. Bei den meisten Kupferfolien wird gewöhnlich eine dünne Oberflächenbehandlung auf eine Seite der Folie angewendet, um ihre Haftung an der Basisfolie zu verbessern. Es gibt zwei Grundtypen von Kupferfolien: geschmiedet (gewalzt) und galvanisch abgeschieden, und ihre Eigenschaften sind ziemlich unterschiedlich. Gewalzte und geglühte Folien sind die gebräuchlichste Wahl, jedoch werden dünnere galvanische Folien immer beliebter.

In bestimmten nicht standardmäßigen Fällen kann der Schaltungshersteller aufgefordert werden, ein spezielles Laminat zu erstellen, indem eine spezifizierte alternative Metallfolie verwendet wird, wie beispielsweise eine spezielle Kupferlegierung oder eine andere Metallfolie in der Konstruktion. Dies wird durch Laminieren der Folie auf eine Basisfolie mit oder ohne Klebstoff je nach Art und Eigenschaften der Basisfolie erreicht.

Industriestandards und Spezifikationen für flexible Schaltungen

Spezifikationen werden entwickelt, um ein gemeinsames Verständnis dafür zu schaffen, wie ein Produkt aussehen und wie es funktionieren soll. Standards werden direkt von Herstellerverbänden wie der Association Connecting Electronics Industries (IPC) und von Anwendern flexibler Schaltungen entwickelt.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links