Grundlagen flexibler Leiterplatten (FPC) und Fertigungstechnologie

Was ist eine flexible gedruckte Schaltung (FPC)?

Eine der wichtigsten Komponenten digitaler Geräte, die wir täglich nutzen, ist die flexible Leiterplatte (FPC). Sie wird häufig in den Schaltkreisen von Smartphones, Tablet-PCs, Laptops, tragbaren Geräten, Druckern, Digitalkameras, medizinischen Geräten und Automobilen eingesetzt. Mit dem rasanten Wachstum des Mobiltelefonmarktes und der Weiterentwicklung herkömmlicher Telefone zu Smartphones wuchs auch der FPC-Markt deutlich. Die Eigenschaften von FPC-Platten ermöglichen die Herstellung kleinerer und dünnerer Smartphones, Tablet-PCs und anderer elektronischer Geräte.

Dieser Artikel beschreibt die Grundlagen dieser FPC-Platinen und ihre Herstellungstechnologie. Darüber hinaus werden die Materialien von Dexerials vorgestellt, die die Herstellung dieser FPC-Platinen ermöglichen.

Im Gegensatz zu den sogenannten „starren Platten“, die üblicherweise für konventionelle elektronische Leiterplatten verwendet werden und starr und unflexibel sind, handelt es sich bei FPCs um Leiterplatten, deren Schaltkreise auf einer dünnen Kunststofffolie wie Polyimid geformt sind, was sie dünn, leicht und flexibel macht.

Eine Leiterplatte kann eine Verdrahtungsplatte mit Leiterbahnen sein, die Komponenten mit Strom versorgen und elektrische Signale zwischen ihnen weiterleiten; oder eine Leiterplatte, also eine Leiterplatte mit elektrischen Funktionen, auf der IC-Chips und andere Komponenten montiert sind. Darüber hinaus wird eine Reihe von Leiterplatten, die elektrisch miteinander verbunden sind, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen, als Modul bezeichnet. Typische Beispiele sind Kamera- und Displaymodule. FPC-Platinen sind heute wichtige Komponenten dieser Leiterplatten und Module.

Beitrag zu kleineren, dünneren und leichteren Produkten

Derzeit werden FPC-Boards aufgrund ihrer geringen und dünnen Eigenschaften in vielen Smartphone-Modulen eingesetzt. Sie werden z. B. in Display-, Touch-Panel-, Kamera-, LiDAR-, Batterie- und Antennenmodulen verwendet. Es ist üblich, ein Smartphone-Modell zu sehen, das mit 10 oder mehr Modulen ausgestattet ist, die FPC-Platinen enthalten.

Darüber hinaus steigt im Automobilbereich die Nutzung von FPCs parallel zu den Fortschritten bei der Elektrifizierung, und dieser Trend dürfte sich in Zukunft fortsetzen. Derzeit kommen sie vor allem in Autonavigationssystemen, Scheinwerfern, Schaltern und Reifendrucksensoren zum Einsatz.

Einer der größten Vorteile der Verwendung von FPCs ist ihre Funktion als Verdrahtungsplatten (Verdrahtungsmaterial). Durch die deutliche Vereinfachung und Rationalisierung der Verdrahtungs- und Anschlussarbeiten wird der für die Überprüfung und Reparatur der Verdrahtung erforderliche Zeitaufwand reduziert. Da FPCs zudem dünn sind und nur wenige zehn bis einige hundert µm dick sind, können sie auch erheblich zur Verkleinerung der Endprodukte beitragen. Dies führt auch zu einer effektiveren Raumausnutzung im Gehäuse des Endprodukts und einer Verringerung des Gewichts pro Volumen.

FPC-Bestandteile

Von hier aus erklären wir einseitige und doppelseitige FPCs, ihre Materialien und ihre Herstellungsverfahren. Ein einseitiges FPC ist ein Standard-FPC, das auf einer Seite des Polyimidfilms ein Kupferverdrahtungsmuster aufweist. Aufgrund ihrer Dünnheit und hohen Flexibilität sowie der guten Platzausnutzung werden sie häufig als Verdrahtungsplatten eingesetzt und können so zur Gewichtsreduzierung des Gesamtsystems beitragen. Darüber hinaus können Komponenten direkt auf dem FPC selbst montiert werden, sodass es als Leiterplatte verwendet werden kann.

Ein doppelseitiges FPC ist ein FPC, das auf beiden Seiten der Polyimidfolie Kupferverdrahtungsmuster aufweist. Es ermöglicht komplexere Schaltkreise im Vergleich zu einseitigem FPC. Darüber hinaus können Komponenten auf beiden Seiten des FPC montiert werden, was den Platzbedarf weiter reduziert.

Das obige Diagramm zeigt die Grundstruktur eines FPC. Auf einer Polyimidfolie, dem sogenannten Substrat (Basisfolie), wird ein leitfähiges Muster aus Kupfer aufgebracht und zur Abdeckung des Musters wird eine Isolierschicht, die als Lötstopplack oder Deckschicht bezeichnet wird, aufgebracht. Darüber hinaus werden an den Stellen, an denen Komponenten montiert und mit anderen Leiterplatten verbunden werden, leitfähige Muster freigelegt und es wird eine Oberflächenbehandlung durchgeführt, um Korrosion zu verhindern. FPCs zeichnen sich durch ihre geringe Dicke und Flexibilität aus. In Bereichen, in denen Steifheit und Dicke für die Funktionalität erforderlich sind, z. B. dort, wo Komponenten montiert werden, wird jedoch ein plattenförmiges Material, eine sogenannte Verstärkungsplatte aus Edelstahl oder Polyimid, mit einem Klebeblatt befestigt.

FPC-Herstellungsprozess

Das obige Diagramm zeigt den Herstellungsprozess eines einseitigen FPC. Der Prozess läuft grob in folgender Reihenfolge ab: 1) Schaltungsaufbau, 2) Bildung der Isolierschicht, 3) Oberflächenbehandlung (Beschichtung) und 4) Außenbearbeitung.

① Schaltungsaufbau

Es gibt verschiedene Methoden zur Schaltungsbildung. Hier erklären wir die Schaltungsbildung anhand der gängigen Methode der Fotolithografie.
[Resistbildung]
Auf der Kupferfolienoberfläche des kupferkaschierten Laminats (CCL) wird eine lichtempfindliche Resistschicht gebildet. Bei starren Platinen und FPCs wird ein filmartiger Resist (Negativtyp), sogenannter Trockenfilm, laminiert.
[Belichtung]
Dabei wird ultraviolettes Licht durch eine Belichtungsmaske eingestrahlt, auf die ein Schaltkreis gezeichnet ist. Bei Negativresistmaterialien verändert sich die chemische Struktur der dem UV-Licht ausgesetzten Bereiche, so dass eine Auflösung im Entwickler äußerst unwahrscheinlich ist.
[Entwicklung]
Die Resistschicht wird mittels Entwickler aufgelöst und entfernt. Zu diesem Zeitpunkt weist der Resist in dem Bereich, der schließlich das Schaltungsmuster wird, eine geringe Löslichkeit auf und bleibt fast vollständig ungelöst.
[Radierung]
Das nicht vom Resist bedeckte Kupfer wird chemisch aufgelöst, sodass nur das Kupfer übrig bleibt, aus dem die Schaltkreise bestehen.
Anschließend wird der Resist auf der Schaltung mithilfe einer Lösung wie beispielsweise Ätznatron chemisch entfernt, wodurch die Schaltungsbildung abgeschlossen wird.

②Bildung der Isolierschicht

Die zuvor auf die gewünschte Form zugeschnittene Deckschicht wird an der vorgesehenen Stelle platziert und anschließend durch Thermokompression mit dem CCL verbunden. Wenn außerdem kleine Komponenten wie kleine Chipkondensatoren oder ICs montiert werden müssen, kann mithilfe eines flüssigen Resists, einem sogenannten Lötstopplack, eine Isolierschicht gebildet werden.

③Oberflächenbehandlung

Kupfer rostet (korrodiert) leicht, und wenn es unbehandelt bleibt, wird die Montage von Komponenten (auch durch Löten) schwierig. Daher wird eine Oberflächenbehandlung durchgeführt, um Rost vorzubeugen. In den meisten Fällen geschieht dies durch Plattieren, wobei typische Beschichtungsarten „Gold“ oder „Nickel/Gold“ sind.

④Externe Verarbeitung

Während der Formgebung wird das FPC in einzelne Platten segmentiert. In diesem Stadium werden die Versteifungen mithilfe von duroplastischen Klebefolien sicher befestigt. Nach dem Verkleben der Versteifungen wird das FPC in einzelne Platten geschnitten, um die Endprodukte herzustellen.

Wir haben oben den FPC-Herstellungsprozess grob erläutert, tatsächlich umfasst dieser Prozess jedoch entsprechende Prüfschritte, und je nach Form und Spezifikationen können Prozesse hinzugefügt oder deren Reihenfolge geändert werden.

Die Klebefolien von Dexerials tragen zur FPC-Herstellung bei

Dexerials entwickelt, produziert und vertreibt derzeit sogenannte „Bond Sheets“ für FPCs. Klebeband Sheets sind duroplastische Klebefolien, mit denen Verstärkungsplatten aus Edelstahl (SUS), Polyimid (PI) und Aluminium (AI) an den Anschlüssen von FPCs und der Unterseite von Kameramodulen befestigt werden. Sie zeichnen sich durch hervorragende Hitzebeständigkeit und Klebeeigenschaften aus. (Details zu unseren Klebebandprodukten finden Sie im Artikel „Eigenschaften und Verwendung von Klebebändern“ – TECH TIMES | Technische Informationsmedien für Fertigungsingenieure (dexerials.jp). Dexerials entwickelt, produziert und vertreibt derzeit Klebefolien für FPC-Platinen. Klebeband, eine Art duroplastischer Film, werden verwendet, um Versteifungen aus verschiedenen Materialien wie Edelstahl (SUS), Polyimid (PI) und Aluminium (Al) mit den Anschlussbereichen von FPC-Platinen und den Unterseiten von Kameramodulen zu verbinden. Diese Folien verfügen über hervorragende Hitzebeständigkeit und gute Klebeeigenschaften. Das wichtigste Merkmal unserer Klebefolien ist ihre lange Haltbarkeit bei Raumtemperatur. Herkömmliche duroplastische Filme müssen üblicherweise gekühlt gelagert werden. Um diese Filme zu verwenden, müssen sie aus dem Kühlschrank genommen und dann für einen bestimmten Zeitraum bei Raumtemperatur gelagert werden. Um sie wieder zu lagern, müssen sie wieder in den Kühlschrank gelegt werden. Bei der Herstellung von Leiterplatten ist es üblich, Materialien zu kühlen oder einzufrieren, um ihre Leistung zu erhalten. Allerdings ist es zeit- und arbeitsaufwendig, Materialien gemäß einem Produktionsplan vorab entnehmen und zurückgeben. Die Haltbarkeit unserer Klebefolien bei Raumtemperatur bietet einen wesentlichen Vorteil, da sie eine ständige und schnelle Verfügbarkeit gewährleistet und zudem Energie spart.

In modernen Kommunikationsgeräten, insbesondere in Smartphones, wird erwartet, dass die Leiterplatten für die Hochfrequenzübertragung ausgelegt sind, um den Bedarf an Hochgeschwindigkeits- und Breitbandkommunikation zu decken. Die Materialien, aus denen die Niedrigdielektrisches Bonding-Sheet Platinen bestehen, die in diesen hochentwickelten Smartphones verwendet werden, müssen auch die Hochfrequenzübertragung unterstützen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Dexerials niedrig-dielektrische Klebefolien für die Zwischenlagenverklebung von mehrlagigen Niedrigdielektrisches Bonding-Sheet Platinen für Hochgeschwindigkeitsübertragungen entwickelt und mit der Massenproduktion begonnen.

Anisotroper leitfähiger Film (ACF) ist auch ein unverzichtbares Material für FPC-Platten, Display- und Kameramodule und IC-Chips, das Hochgeschwindigkeitsübertragungen ermöglicht. Die Verwendung von ACF ermöglicht dünnere FPC-Platinen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden mit Metalldrähten (Drahtbonden), Lötkugeln und mechanischen Steckern. Außerdem können die Übertragungsverluste an den Verbindungspunkten erheblich reduziert werden.

Es wird erwartet, dass FPCs auch in Zukunft in einer breiten Palette elektronischer Geräte zunehmend zum Einsatz kommen werden und die Materialien von Dexerials werden hierzu auch weiterhin auf verschiedene Weise beitragen. Wenn Sie Fragen zu FPCs haben oder mehr über verwandte Materialien erfahren möchten, nehmen Sie bitte Kontakt mit uns auf.