Mehrschichtrig-Flex-PCB-Herstellungsprozess: Schritt-für-Schritt-Leitfaden und Industrie-Insights

Mehrschichtige starre-flex-PCBs stellen eine hybride Innovation in der Elektronik dar, die die strukturelle Stabilität starrer PCBs mit der Flexibilität von flexiblen Schaltkreisen verbindet.Dieses einzigartige Design ermöglicht es Geräten, sich zu biegen, falten oder sich engen Räumen anpassen, die für moderne Anwendungen wie faltbare Smartphones, Automobilsensoren und medizinische Implantate von entscheidender Bedeutung sind, während sie dichte, mehrschichtige Schaltungen unterstützen.Der Produktionsprozess ist wesentlich komplexer als bei herkömmlichen starren oder flex-only-PCBs, die spezielle Materialien, Präzisionslaminierung und sorgfältige Handhabung von flexiblen Segmenten erfordern.

Dieser Leitfaden entmystifiziert den Herstellungsprozess von mehrschichtigen starren-flexigen Leiterplatten, von der Materialwahl bis zur Endprüfung.und kritische bewährte Verfahren zur Gewährleistung der ZuverlässigkeitOb Sie ein Ingenieur sind, der für die Miniaturisierung konzipiert, oder ein Hersteller, der die Produktion skaliert,Das Verständnis dieses Prozesses wird Ihnen helfen, das volle Potenzial der mehrschichtigen starren Flex-Technologie zu nutzen.

Was sind mehrschichtige PCBs?
Vor der Produktion ist es wichtig, mehrschichtige PCBs und ihren einzigartigen Wert zu definieren:

1.Struktur: Sie bestehen aus wechselnden starren Schichten (typischerweise FR-4) und flexiblen Schichten (z. B. Polyimid), die über plattierte Durchläufe miteinander verbunden sind, um einen einzigen integrierten Stromkreis zu bilden.
2Schlüsselvorteil: Im Gegensatz zu starren Leiterplatten (feste Form) oder nur flex-PCBs (begrenzte Schichtzahl), mehrschichtige starre-flex-Designs unterstützen 4 ∼20 Schichten der Schaltung, während die Biegung in bestimmten Bereichen (z. B.ein Klapptelefon­Scharnier).
3.Allgemeine Anwendungen: Klappbare Elektronik, ADAS-Module für Automobil, tragbare Medizinprodukte und Raumfahrtsensoren, bei denen Platz, Gewicht und Haltbarkeit nicht verhandelbar sind.

Der Produktionsprozeß muss zwei gegensätzliche Bedürfnisse ausgleichen: die für mehrschichtige Schaltungen erforderliche Präzision und die Flexibilität, um während der Herstellung keine Schäden an flexiblen Schichten zu verursachen.

Schritt 1: Materialauswahl Die Grundlage für zuverlässige starre-flexible PCB
Die Materialwahl ist für mehrschichtige starre-flex-PCBs entscheidend, da jede Komponente Laminationswärme, Biegezyklen und Endverwendungsumgebungen standhalten muss.Nachstehend finden Sie eine Aufschlüsselung der kritischen Materialien und deren Spezifikationen:

Kritische materielle Überlegungen
1.Flex-Rigid-Kompatibilität: Klebstoffe müssen dem CTE (Koeffizient der thermischen Ausdehnung) sowohl der flexiblen als auch der starren Substrate entsprechen, um eine Verformung während der Lamierung zu vermeiden.Polyimid-Flex-Kerne werden am besten mit Epoxidklebstoffen (CTE ~ 20 ppm/°C) kombiniert, um Belastungen zu minimieren.
2.Flex-Schicht-Haltbarkeit: Verwenden Sie für Flex-Spuren gewalztes gegossenes (RA) Kupfer, dessen Duktilität 10.000+ Biegezyklen aushält, verglichen mit 1.000-2.000 Zyklen für elektrodeponiertes (ED) Kupfer.
3.Hochtemporäre Anwendungen: Für den Einsatz im Automobil- oder Luftfahrtbereich sollten LCP-Flex-Substrate (Flüssigkristallpolymer) ausgewählt werden, die bei 200 °C+ Flexibilität beibehalten und Chemikalien widerstehen.

Schritt 2: Schritt für Schritt mehrschichtiger, starrer und flexibler Produktionsprozess
Der Produktionsprozess integriert die Fertigung von starren PCBs (Lamination, Bohren) mit flexiblen PCB-Techniken (Handhabung empfindlicher Substrate, Vermeidung von Falten).

Phase 1: Vorproduktion und Materialvorbereitung
Vor der Schaltkreisgestaltung werden Materialien vorbereitet, um die Gleichmäßigkeit und Haftung zu gewährleisten:

1.Flex-Kernvorbereitung:
a.Flexible Substrate (z. B. 50 μm Polyimid) werden mit Isopropylalkohol gereinigt, um Öle und Staubkontaminanten zu entfernen, die zum Versagen des Klebstoffs führen.
Kupferfolie (12μ35μm RA-Kupfer) wird an beiden Seiten des Flexkerns mit Hitze (180°C) und Druck (300 psi) laminiert und bildet so ein Flex-Kupfer-Laminat (CCL).
2.Zubereitung eines starren Kerns:
a.Rifde Substrate (z. B. 1,6 mm FR-4) werden auf eine Plattengröße (typischerweise 18×24×) geschnitten und zur Entfernung scharfer Kanten abgeschliffen.
b. Kupferfolie (35 ‰ 70 μm ED-Kupfer) wird mit thermischer Lamination an den starren Kern gebunden und bildet so die Basis für starre Schaltkreisschichten.

Phase 2: Schaltkreismusterung (flexible und starre Schichten)
Das Patterning erzeugt leitfähige Spuren sowohl auf Flex- als auch auf starren Schichten, wobei Photolithographie und Ätzung verwendet werden:

1.Fotoresistente Anwendung:
a. Auf die kupferbeschichteten Flex- und Starrlaminate wird ein lichtempfindlicher Widerstand (flüssiger oder trockener Film) aufgetragen.
2.Exposition und Entwicklung:
a. Der Widerstand wird durch eine Photomaske (mit dem Schaltkreismuster) UV-Licht ausgesetzt.
3.Etisch:
a.Flexible Schichten: Unter Tauchen in ein mildes Ätzmittel (Ammoniumpersulfat) zur Entfernung unerwünschter Kupfer­Ätzungen verringert sich die Ätzzeit um 20% gegenüber starren Schichten, um eine Beschädigung des Polyimid-Substrats zu vermeiden.
b.Rifde Schichten: mit Eisenchlorid oder Kupferchlorid geätzt, Standard für FR-4.
4- Widerstand gegen Stripping:
a. Der verbleibende Photoresist wird mit einem Lösungsmittel (z. B. Natriumhydroxid) entfernt, wodurch das endgültige Schaltkreismuster sowohl auf der flexiblen als auch auf der starren Schicht sichtbar wird.

Phase 3: Lamination ️ Bindung von flexiblen und starren Schichten
Die Lamination ist der wichtigste Schritt bei der Produktion von Flex-Flex, da Schichten verbunden werden müssen, ohne Flex-Segmente zu falten oder Schaltkreise zu beschädigen:

1.Klebstoffschneiden:
a.Klebstoffblätter (z. B. auf Epoxidhaltigkeit) sind lasergeschnitten, um der Größe des Platines anzupassen, mit Öffnungen für Durchgänge und Flex-Bereiche (um zu vermeiden, dass flexible Segmente an starre Schichten kleben).
2- Layer Stackup:
a.Die Schichten werden mit Hilfe von Treuhandzeichen (1mm Kupferkreise) ausgerichtet, um die Registrierung über und nachzuweisen (Toleranz ±0,02mm).Steife Schicht → Klebstoff → Flex-Schicht → Klebstoff → Steife Schicht.
3.Kontrollierte Lamination:
a. Der Stapel wird in einem Vakuumlaminierer bei 160°C und 180°C und 400°500 psi 30°60 Minuten lang gedrückt.
b. Bei hochschichtigen Entwürfen (10+ Schichten) wird eine sequentielle Lamierung verwendet: Schichten werden nacheinander hinzugefügt, wobei eine Zwischenhärtung zur Aufrechterhaltung der Ausrichtung durchgeführt wird.

Phase 4: Bohrungen  Schaffung von Wegen für die Verbindung von Schichten
Nach der Lamination werden durchbohrte Schleifen (Lochlöcher, die Schichten verbinden) mit Techniken für biegsame und starre Bereiche gebaut:

1- Planung der Bohrungen:
a.Die Gerber-Dateien geben über die folgenden Standorte an: Durchlöcher (Verbindung aller Schichten), Blind-Vias (Verbindung der äußeren und inneren Schichten) und Begrabene Vias (Verbindung nur der inneren Schichten).2 mm) um Risse zu vermeiden.
2.Bohrmethoden:
a. Mechanische Bohrungen: Für starre Schichten (durch Durchmesser ≥ 0,2 mm) mit Karbidbohrern (30.000 Umdrehungen pro Minute) zur Gewährleistung sauberer Löcher.
b.Laserbohrungen: Für Flex-Schichten und Mikrovia (≤ 0,15 mm) mit UV-Lasern verwendet, um Wärmeschäden an Polyimid-Substraten zu minimieren.
3- Entwurzelung und Verunreinigung:
a.Flexible Schichten: Plasma-Ätzen entfernt Harzstreifen über Wände (vermeidet Kurzschlüsse), ohne das empfindliche Substrat zu abrasieren.
b.Rifde Schichten: chemische Entfleckung (mit Kaliumpermanganat) wird über Wände zur Beschichtung gereinigt.

Phase 5: Plattierung Sicherstellung der elektrischen Anbindung
Verkleidung der Wände mit Kupfer, um Schichten zu verbinden und Oberflächenveredelungen für die Schweißbarkeit hinzuzufügen:

1.Elektrolose Kupferplattierung:
a. Eine dünne Kupferschicht (0,5 ‰ 1 μm) wird über Wände und Schaltkreisspuren durch eine chemische Reaktion (ohne Strom) abgelagert, wodurch eine Basis für das Galvanisieren entsteht.
2- Elektroplattierung:
a. Das Panel wird in ein Kupfersulfatbad eingetaucht, wobei ein elektrischer Strom (24 A/dm2) die Kupferdicke auf 1525 μm erhöht, was für einen geringen Widerstand über Verbindungen kritisch ist.Flexbereiche haben eine geringere Stromdichte (1.5·2 A/dm2) zur Vermeidung von Kupfercrackern.
3.Flächenveredelung Anwendung:
a.ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold): Bevorzugt für flexible Bereiche. Die Zähigkeit des Goldes widersteht Biegen; Nickel verhindert Kupferdiffusion.
b.HASL (Hot Air Solder Leveling): Für starre Bereiche eingesetzt (kostengünstig, gut schweißbar).
c.OSP (Organic Solderability Preservative): Ideal für Großhandelsprodukte der Unterhaltungselektronik (niedrige Kosten, flache Fläche).

Phase 6: Lötmaske und Seidenschirm
Bei der Lötmaske werden Spuren geschützt, bei der Seidenmaske werden Komponentenetiketten hinzugefügt.

1.Anwendungsbereich der Maske:
a.Die Flüssigphotobildfähige (LPI) Polyimid-Lötmaske wird auf die Platte gedruckt. Flexible Bereiche verwenden eine flexiblere Maskenformulierung (Verlängerung ≥ 100%), um beim Biegen Risse zu vermeiden.
b. UV-Exposition und Entwicklung definieren Öffnungen für Pads und Durchläufe; die Maske wird 60 Minuten lang bei 150 °C gehärtet.
2.Seidenfensterdruck:
a.An starren Flächen wird Polyurethan-basierte Tinte gedruckt (flexible Flächen vermeiden Seidenschirm, da Tinte beim Biegen knackt).

Phase 7: Routing & Singulation Abtrennung einzelner PCBs
Das Routing schneidet das Panel in einzelne starre-flex-PCBs, wobei besonders auf flex-Segmente geachtet wird:

1.Panelbefestigung:
a. Die Platte ist auf einem starren Rahmen montiert, um Beugungsflächen während des Routing zu stabilisieren und Riss zu verhindern.
2.CNC Routing:
a.Ein CNC-Router mit einer 0,8mm-Endmaschine schneidet um den PCB-Umfang. Flexible Bereiche werden mit einer langsameren Zuführgeschwindigkeit (50 mm/min gegenüber 100 mm/min für starre) geleitet, um Abnutzung zu vermeiden.
3.Einmaligkeit:
a.Bei der Produktion mit hohem Volumen wird Laserverarbeitung für Flex-Bereiche verwendet, um saubere Kanten ohne mechanische Belastung zu schaffen.

Phase 8: Prüfung und Qualitätskontrolle
PCBs werden streng getestet, um elektrische und mechanische Zuverlässigkeit zu gewährleisten:

Mehrschicht-Rigid-Flex gegenüber anderen PCB-Typen: Eine vergleichende Analyse
Um zu verstehen, warum für spezifische Anwendungen der Starrflex gewählt wird, vergleichen wir seine Produktion und Leistung mit Alternativen:

Kritische Herausforderungen und Lösungen für die Produktion
Die Mehrschicht-Rifid-Flex-Produktion steht vor einzigartigen Hürden, die durch spezialisierte Techniken gelöst werden:

1.Flexible Schichtkrümmung während der Lamination
a. Herausforderung: Ungleichmäßiger Druck führt dazu, dass sich Flexsegmente falten und Spuren verursachen.
b.Lösung: Verwenden Sie Vakuumlaminierer mit programmierbaren Druckrampen (allmähliche Erhöhung von 100 auf 500 psi) und Silikonpolster, um den Druck gleichmäßig zu verteilen.
2.Durch Plattierungseinheitlichkeit in flexiblen Bereichen
a.Herausforderung: Kleine Durchläufe (≤ 0,15 mm) in Flexschichten leiden unter dünner Beschichtung.
b.Lösung: Erhöhen Sie die Temperatur des elektrischen Kupferbades auf 45 °C (gegenüber 40 °C für starres) und fügen Sie Tenside hinzu, um den Fluss der Lösung in kleine Durchläufe zu verbessern.
3.Delamination an flex-starren Grenzen
a. Herausforderung: Klebfehler zwischen flexiblen und starren Schichten aufgrund von CTE-Missmatch.
b.Lösung: Verwenden Sie Hybridklebstoffe aus Acryl-Epoxy (CTE ~ 18 ppm/°C) und vorbereiten Sie Flex-Schichten bei 120°C vor der endgültigen Lamination.
4. Spuren des Rissens beim Biegen
a. Herausforderung: Kupferspuren in biegsamen Bereichen knacken nach wiederholtem Biegen.
b.Lösung: Verwenden Sie RA-Kupfer (duktil) und entwerfen Sie Spurenwinkel von 45° (nicht 90°) zur Verteilung der Spannung; fügen Sie “Stressentlastung“-Schleifen in Flex-Segmenten hinzu.

Vorteile von mehrschichtigen starren-flexigen PCB (durch den Produktionsprozess)
Der spezialisierte Produktionsprozess bietet einzigartige Vorteile gegenüber herkömmlichen PCB:

a.Raumersparnis: Integriert mehrere starre Leiterplatten in ein Design, wodurch die Anzahl der Steckverbinder um 50~70% reduziert wird (z. B. verwendet ein Klapptelefon-Scharnier 1 starre-flex-Leiterplatte im Vergleich zu 3 separaten starren Leiterplatten).
b. Gewichtsreduzierung: 30~40% leichter als gleichwertige starre PCB, entscheidend für Luftfahrt- und tragbare Geräte.
c.Erhöhte Zuverlässigkeit: Weniger Anschlüsse bedeuten weniger Ausfallpunkte.
d. Designfreiheit: ermöglicht 3D-Verpackungen (z. B. Umwicklung eines Motors) und faltbare Formfaktoren, die mit starren PCBs nicht möglich sind.

Industrieanwendungen von mehrschichtigen starrflexigen PCB
Der Produktionsprozess ist auf die Bedürfnisse der wichtigsten Sektoren zugeschnitten:
1. Verbraucherelektronik
a.Faltbare Telefone (z. B. Samsung Galaxy Z Fold): Mehrschicht-Rigid-Flex-PCBs in Scharnieren unterstützen mehr als 20 Schichten von Schaltungen und ermöglichen mehr als 200.000 Biegezyklen.
b.Wearables (z. B. Apple Watch): Dünne (0,5 mm) starre Flex-Designs entsprechen Handgelenken und beherbergen 6 ∼ 8 Schichten von Sensoren und Prozessoren.

2. Automobilindustrie
a.ADAS-Sensoren: Starrflexige Leiterplatten biegen sich um Fahrzeugrahmen, verbinden Kameras, Radar und LiDAR, trotz Temperaturen von -40°C bis 125°C.
b.EV-Batteriemanagementsysteme (BMS): Flexible Segmente leiten Strom zwischen Batteriezellen, wodurch das Gewicht gegenüber starren PCBs um 35% reduziert wird.

3. Medizinische Geräte
a.Implantierbare Herzschrittmacher: Biokompatible Polyimid-Flex-Schichten und 4×6 Schichten Schaltkreise, die in 1 cm3 Volumen passen und Körperflüssigkeiten standhalten.
b.Portable Ultraschallproben: Starrflex-PCBs biegen sich so, dass sie den Sondenformen entsprechen und gleichzeitig die Signalintegrität für hochauflösende Bilder erhalten.

4Luft- und Raumfahrt und Verteidigung
a.Satellitenantennen: Leichte starre-flex-PCBs (30 g pro Platte), die in Trägerraketen zusammengefaltet und im Weltraum eingesetzt werden können und Strahlung und extreme Kälte standhalten.
b.Militärische Kopfhörer: Flexible Segmente entsprechen den Ohren des Benutzers, während starre Schichten Kommunikationschips enthalten, die den Vibrationsstandards MIL-STD-883 entsprechen.

Häufig gestellte Fragen
F: Wie hoch ist die maximale Anzahl von Schichten in einem mehrschichtigen starrflexigen PCB?
A: Die meisten Hersteller produzieren 4×12 Schichtentwürfe, aber fortschrittliche Verfahren (sequentielle Lamination) können 20+ Schichten für Luft- und Raumfahrt- und medizinische Anwendungen erreichen.

F: Wie lange dauert die Herstellung von mehrschichtigen PCBs?
A: Die Prototypen dauern 2 bis 3 Wochen (aufgrund der spezialisierten Lamination und Prüfung); die Produktion in großen Mengen (10 000+ Einheiten) dauert 4 bis 6 Wochen.

F: Können starre-flex-PCBs Oberflächenbauteile (SMDs) auf flexbaren Flächen verwenden?
A: Ja, aber die Komponenten müssen “flexibel sein” (z. B. Chipwiderstände ≤ 0603, keine großen ICs), um beim Biegen zu vermeiden, dass sie knacken.Das Volumen der Lötmasse wird auf biegsamen Bereichen um 30% reduziert, um Gelenkbelastungen zu vermeiden.

F: Welcher ist der Mindestbiegungsradius für eine mehrschichtige starre-flex-PCB?
A: Typischerweise 5×10x die Flex-Schichtdicke (z. B. hat eine 50μm-Polyimid-Schicht einen Mindestbiegungsradius von 250×500μm).

F: Sind mehrschichtige starre-flex-PCBs RoHS-konform?
A: Ja, es werden Materialien wie bleifreies Löten, halogenfreie Klebstoffe und RoHS-konformes Polyimid verwendet.

Schlussfolgerung
Der Produktionsprozess von mehrschichtigen starren-flex-PCBs ist ein technisches Wunderwerk, das die Präzision der mehrschichtigen starren Fertigung mit der Feinheit des flexiblen Schaltkreislaufs ausgleicht.Aus der Materialwahl (Polyimid für Flex), FR-4 für starr) bis hin zu kontrollierter Lamination und Laserouting, ist jeder Schritt optimiert, um kompakte, langlebige und vielseitige Bretter zu erstellen.

Während die Produktionskosten höher sind als bei herkömmlichen PCBs, sind die Vorteileund erhöhte Zuverlässigkeit machen mehrschichtige starre-flex-PCBs unerlässlichFür die Hersteller, für die Hersteller, für die Hersteller, für diePartnerschaften mit Fachleuten mit Erfahrung in der Produktion von Starrflex-Systemen (und nach strenger Qualitätskontrolle) sind der Schlüssel, um diese Vorteile zu erschließen.

Da die Geräte immer kleiner werden und mehr Funktionalität erfordern, wird die Rolle von mehrschichtigen starren-flex-PCBs nur noch zunehmen, angetrieben von Fortschritten in den Produktionstechniken, die Kosten senken und die Leistung verbessern.