Verständnis der Starr-Flex-Leiterplattenstruktur: Schichten, Komponenten und wie sie vielseitige Elektronik ermöglichen

PCBs haben das Design von kompakten,langlebige Elektronik – von faltbaren Smartphones bis hin zu Sensormodulen für Automobile – durch Kombination der strukturellen Stabilität starrer PCBs mit der Flexibilität flexibler SchaltungenIm Gegensatz zu herkömmlichen starren PCBs (feste Form) oder flex-only PCBs (begrenzte Schichtzahl) integrieren starre-flex-Designs beide Formate in eine einzige, nahtlose Struktur.Aber ihre Vielseitigkeit hängt von einem präzisen, Schichtenarchitektur: Jede Komponente – von flexiblen Substraten bis hin zu Klebstoffbindungen – spielt eine entscheidende Rolle bei der Balancierung von Flexibilität, Festigkeit und elektrischer Leistung.

Dieser Leitfaden entmystifiziert die Struktur von starren-flexigen PCBs und beschreibt den Zweck jeder Schicht, die Materialauswahl und ihre Zusammenwirkung.Wir vergleichen starre-flex-Strukturen mit starren und nur flex-Alternativen, erforschen Sie die wichtigsten Konstruktionsüberlegungen und erklären Sie, wie sich Strukturentscheidungen auf reale Anwendungen auswirken.Das Verständnis für die Struktur der starren und flexiblen Leiterplatten hilft Ihnen, Produkte zu entwickeln, die kleiner sind, leichter und zuverlässiger.

Wichtige Erkenntnisse
1.Hybride Struktur: Starr-flexige Leiterplatten kombinieren starre Segmente (für die Montage von Bauteilen) und flexible Segmente (für die Biegung) zu einer integrierten Platte, wodurch die Notwendigkeit von Anschlüssen zwischen separaten Leiterplatten entfällt.
2.Schichtarchitektur: Zu den Kernkomponenten gehören flexible Substrate (Polyimid), starre Substrate (FR-4), Kupferspuren, Klebstoffe und schützende Oberflächen, die jeweils für Haltbarkeit und Leistung ausgewählt wurden.
3.Flexibilitätsfaktoren: Die Struktur des flexiblen Segments (dünne Substrate, duktiles Kupfer) ermöglicht mehr als 10.000 Biegezyklen ohne Spuren von Rissen, was für dynamische Anwendungen entscheidend ist.
4.Strength Drivers: Steife Segmente verwenden dickere Substrate und Verstärkungsschichten, um schwere Komponenten (z. B. BGA, Steckverbinder) zu unterstützen und mechanischen Belastungen standzuhalten.
5Kosten-Nutzen: Obwohl die Herstellung komplexer ist, senken starre-flex-Strukturen die Montagekosten um 30~50% (weniger Steckverbinder, weniger Verkabelung) und verbessern die Zuverlässigkeit, indem sie Fehlerstellen beseitigen.

Die Grundstruktur eines starrflexigen PCB
Die Struktur eines starren-flex-PCBs besteht aus zwei verschiedenen, aber integrierten Segmenten: starren Segmenten (für Stabilität) und flexigen Segmenten (für Flexibilität).Kupferspuren), unterscheiden sich jedoch in Substratmaterialien und Dicke, um ihre einzigartigen Funktionen zu erfüllen.
Nachfolgend finden Sie eine Aufschlüsselung der Kernkomponenten, angefangen bei der innersten Schicht bis hin zur äußeren Schutzglaube.

1Kernsubstrate: Die Grundlage von Steifheit und Flexibilität
Substrate sind die nicht leitfähigen Basisschichten, die Kupferspuren unterstützen.

Flex-Segment-Substrate
Flex-Segmente basieren auf dünnen, langlebigen Polymeren, die wiederholtem Biegen standhalten:
Primärmaterial: Polyimid (PI): Der Industriestandard für Flex-Substrate, Polyimid bietet:
Temperaturbeständigkeit: -269°C bis 300°C (überlebt Rückflusslöten und raue Umgebungen).
Flexibilität: Kann bis zu Radien so klein wie 5x seine Dicke biegen (z. B. biegt sich eine 50μm PI-Schicht bis zu einem Radius von 250μm).
Chemikalienbeständigkeit: Inert gegenüber Ölen, Lösungsmitteln und Feuchtigkeit - ideal für den Automobil- und Industriegebrauch.
Dicke: Typischerweise 25 ‰ 125 μm (1 ‰ 5 mil); dünnere Substrate (25 ‰ 50 μm) ermöglichen engere Biegen, während dickere (100 ‰ 125 μm) mehr Stabilität für längere Flexsegmente bieten.
Alternativen: Für Anwendungen bei sehr hohen Temperaturen (200°C+) wird flüssiges Kristallpolymer (LCP) verwendet, obwohl es teurer ist als Polyimid.

Substrate mit starrem Segment
Starrsegmente verwenden starre, verstärkte Materialien, um Komponenten zu stützen und Belastungen zu widerstehen:
Primärmaterial: FR-4: Glasverstärktes Epoxyllaminat, das folgende Eigenschaften bietet:
Mechanische Festigkeit: Unterstützt schwere Bauteile (z. B. 10 g BGA) und widersteht bei der Montage der Verformung.
Kostenwirksamkeit: Das kostengünstigste starre Substrat, geeignet für Verbraucher- und Industrieanwendungen.
Elektrische Isolierung: Volumenwiderstand > 1014 Ω·cm, Verhinderung von Kurzschlüssen zwischen den Spuren.
Dicke: 0,8 ‰ 3,2 mm (31 ‰ 125 mil); dickere Substrate (1,6 ‰ 3,2 mm) unterstützen größere Komponenten, während dünnere (0,8 mm) für kompakte Designs (z. B. Wearables) verwendet werden.
Alternativen: Für Hochfrequenzanwendungen (5G, Radar) ersetzt Rogers 4350 (ein Laminat mit geringem Verlust) FR-4, um die Signaldämpfung zu minimieren.

2. Kupferspuren: Leitungspfade über Segmente
Kupferspuren tragen elektrische Signale und Leistung zwischen Komponenten, die sowohl starre als auch flexible Segmente umfassen.

Kupfer mit flexiblem Segment
Flex-Segmente erfordern duktiles Kupfer, das beim Biegen gegen Risswellen bestand ist:
Typ: Walzgeschmolzenes (RA) Kupfer: Durch Aufheizung (Wärmebehandlung) wird RA Kupfer duktil, wodurch mehr als 10.000 Biegezyklen (180° Biegen) ohne Ausfall möglich sind.
Dicke: 12 ‰ 35 μm (0,5 ‰ 1,4 oz); dünneres Kupfer (12 ‰ 18 μm) biegt sich leichter, während dicker (35 μm) höhere Ströme trägt (bis zu 3 A für eine Spur von 0,2 mm).
Musterentwurf: Spuren in Flexsegmenten verwenden gebogene oder 45°-Winkel (nicht 90°) zur Verteilung von Spannungen. 90°-Winkel fungieren als Spannungsstellen und knacken nach wiederholtem Biegen.

Kupfer mit starrem Segment
Die starren Segmente setzen die aktuelle Kapazität und die Leichtigkeit der Fertigung im Vordergrund:
Typ: Elektrodeponiertes (ED) Kupfer: ED-Kupfer ist weniger duktil als RA-Kupfer, aber billiger und leichter zu gestalten für dichte Schaltkreise.
Dicke: 18 ‰ 70 μm (0,7 ‰ 2,8 oz); für Leistungsspuren wird dickeres Kupfer (35 ‰ 70 μm) verwendet (z. B. 5A + in Automobil-EKU).
Musterkonstruktion: 90°-Winkel sind akzeptabel, da starre Segmente sich nicht biegen, was eine dichtere Spurvermittlung für Komponenten wie QFPs und BGAs ermöglicht.

3. Klebstoffe: Verklebung von starren und flexiblen Segmenten
Klebstoffe sind entscheidend für die Integration von starren und flexigen Segmenten in eine einzige Platte. Sie müssen unterschiedliche Materialien (Polyimid und FR-4) binden und gleichzeitig die Flexibilität in flexigen Segmenten erhalten.

Wichtige Anforderungen an Kleber
Flexibilität: Klebstoffe in Flexsegmenten müssen sich ohne Rissbildung verlängern (≥ 100% Verlängerung), da sie bei der Biegung abschälen.
Temperaturbeständigkeit: Widerstandsfähig gegen Rücklauflöten (240-260°C) und Betriebstemperaturen (-40°C bis 125°C für die meisten Anwendungen).
Einheitliche Systeme für die Erfassung von Daten, die für die Erfassung von Daten verwendet werden, die für die Erfassung von Daten verwendet werden.

Häufige Klebstoffarten

Anwendungsbemerkungen
Klebstoffe werden als dünne Folien (25μ50 μm) aufgetragen, um zu vermeiden, dass Flexsegmenten mit Masse versehen werden.
Bei “klebstofflosen “ Rigid-Flex-Konstruktionen (die für Hochfrequenzanwendungen verwendet werden) wird Kupfer direkt an Polyimid gebunden, ohne dass Klebstoff verwendet wird, wodurch der Signalverlust reduziert, aber die Kosten erhöht werden.

4. Lötmaske: Schutz von Spuren und Lötmöglichkeit
Lötmaske ist eine Schutzpolymerbeschichtung, die auf starre und biegsame Segmente aufgetragen wird, um:
Vermeiden Sie Kurzschlüsse zwischen benachbarten Strecken.
Kupfer vor Oxidation und Korrosion schützen.
Es werden Bereiche definiert, an denen das Lötmittel während der Montage anhängt (Pads).

Flex-Segment-Lötmaske
Flex-Segmente erfordern eine Lötmaske, die sich ohne Riss biegt:
Material: Polyimid-basierte Lötmaske: Verlängert sich ≥ 100% und behält die Haftung beim Biegen aufrecht.
Dicke: 25 ‰ 38 μm (1 ‰ 1,5 mil); eine dünnere Maske (25 μm) biegt sich leichter, bietet jedoch weniger Schutz.
Farbe: Eine klare oder grüne Maske wird für Wearables verwendet, bei denen Ästhetik wichtig ist.

Maske für das Löten mit starrem Segment
Bei starren Segmenten wird eine Standard-Lötmaske verwendet, um Kosten und Langlebigkeit zu gewährleisten:
Material: Epoxy-basierte Lötmaske: Steif, aber langlebig, mit ausgezeichneter chemischer Beständigkeit.
Dicke: 38 ‰ 50 μm (1,5 ‰ 2 mil); eine dickere Maske bietet einen besseren Schutz für industrielle Anwendungen.
Farbe: Grün (am häufigsten), Blau oder schwarzgrün wird für die AOI-Kompatibilität (Automated Optical Inspection) bevorzugt.

5Oberflächenveredelung: Sicherstellung der Schweißfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit
Oberflächenveredelungen werden auf exponierte Kupferpolster (in beiden Segmenten) aufgetragen, um die Schweißfähigkeit zu verbessern und Oxidation zu verhindern.
Gemeinsame Oberflächen für starre-flexible PCB

Segmentspezifische Entscheidungen
Bei Flexsegmenten wird häufig ENIG verwendet: Die Duktilität von Gold® widersteht Biegen, und Nickel verhindert Kupferdiffusion in die Lötverbindung.
Für starre Segmente kann HASL zur Kosteneinsparung verwendet werden, obwohl ENIG für Feinschallkomponenten bevorzugt wird.

6- Verstärkungsschichten (optional): Stärkung kritischer Bereiche
Verstärkungsschichten sind optional, aber häufig in starren-flex-PCBs, um Stärke an Hochspannungsbereichen hinzuzufügen:
Anbringungsort: Anwendbar in flexistisch-starren Übergangszonen (wo die Biegspannung am höchsten ist) oder unter schweren Bauteilen (z. B. Steckverbinder) in starren Segmenten.
Ausgangsstoffe:
Kevlar oder Glas: Dünne, flexible Stoffe, die an biegsame Segmente geklebt werden, um zu verhindern, dass sie reißen.
Dünne FR-4-Streifen: Hinzugefügt an starre Segmente unter Steckverbinder, um mechanischen Belastungen während der Paarung/Entpaarung zu widerstehen.
Stärke: 25 ‰ 100 μm ≈ ausreichend dick, um Festigkeit zu verleihen, ohne die Flexibilität zu verringern.

Starr-Flex- und Starr-Flex-PCB: Strukturvergleich
Um zu verstehen, warum starre-flex-PCBs in bestimmten Anwendungen hervorragend sind, vergleichen Sie ihre Strukturen mit traditionellen Alternativen:

Die wichtigsten strukturellen Vorteile von Rigid-Flex
1.Keine Steckverbinder: Durch die Integration von starren und flexiblen Segmenten werden 2 ̊10 Steckverbinder pro Platte eliminiert, wodurch die Montagezeit und die Ausfallpunkte reduziert werden (Steckverbinder sind eine der Hauptursachen für PCB-Ausfälle).
2.Raumwirksamkeit: Starr-flexige Leiterplatten passen in 30~50% weniger Volumen als starre Systeme mit mehreren Platten, was für Wearables und Sensormodule für Automobilprodukte entscheidend ist.
3.Gewichtsersparnis: 20~40% leichter als starre Mehrplatensysteme dank weniger Komponenten und Verkabelung.

Wie sich eine starre-flexible Struktur auf Leistung und Zuverlässigkeit auswirkt
Jede Strukturwahl – von der Substratdicke bis zum Kupfertyp – beeinflusst unmittelbar die Leistung eines starren-flexigen PCBs in realen Anwendungen.Im Folgenden sind die wichtigsten Leistungsindikatoren und ihre strukturellen Treiber aufgeführt::
1Flexibilität und Langlebigkeit
Ein 50μm polyimides Substrat mit 18μm RA Kupfer biegt sich bis zu einem Radius von 250μm und überlebt mehr als 15.000 Zyklen.
Ausfallrisiko: Die Verwendung von ED-Kupfer in Flex-Segmenten verursacht nach 1.000 bis 2.000 Zyklen Spurencracking.

Anwendungsbeispiel: Ein faltbares Smartphone-Scharnier verwendet ein 50μm Polyimid-Flex-Segment mit 18μm RA-Kupfer, das 200.000+ Falten ermöglicht (die typische Lebensdauer eines faltbaren Geräts).

2. Signalintegrität
Treiber: Substratmaterial und Klebstoffwahl. Polyimid hat einen geringen dielektrischen Verlust (Df < 0,002 bei 10 GHz), was es ideal für Hochfrequenzsignale macht.
Risikominderung: Klebstofflose Designs (kein Klebstoff zwischen Kupfer und Polyimid) reduzieren den Signalverlust um 30% gegenüber Klebstoffbasierten Designs, was für 5G und Radar von entscheidender Bedeutung ist.

Anwendungsbeispiel: Bei einer 5G-Basisstation verwendet die starre-flex-Leiterplatte (RPC) kleberlose Polyimid-Flex-Segmente, um die Signalintegrität für 28GHz-mmWave-Signale zu erhalten.

3. Wärmewirtschaft
Fahrer: Kupferdicke und starres Segment-Design.
Verbesserungen: Thermische Durchläufe (0,3 mm Durchmesser) in starren Segmenten übertragen Wärme von Komponenten in innere Kupferflächen, wodurch die Verbindungstemperaturen um 15-25 °C verringert werden.

Anwendungsbeispiel: Bei einem starren-flex-PCB eines EV-Wechselrichters im Automobilbereich werden 70 μm Kupfer in starren Segmenten und thermischen Durchgängen verwendet, um 100 W W Wärme von IGBTs zu verarbeiten.

4Mechanische Festigkeit
Fahrer: Starrsegmentdicke und Verstärkungsschichten. Ein 1,6 mm starres FR-4-Segment unterstützt einen 20g-Anschluss ohne Verformung.
Übergangszone Design: Verstärkungsschichten (Kevlar) in flex-starren Übergängen reduzieren die Belastung um 40% und verhindern eine Delamination.

Anwendungsbeispiel: Eine starre-flex-PCB eines Luftfahrtsensors verwendet 3,2 mm starre FR-4-Segmente und eine Kevlarverstärkung, um 50G-Vibrationen (nach MIL-STD-883) zu widerstehen.

Wichtige Konstruktionsüberlegungen für starre-flexible PCB-Strukturen
Bei der Konstruktion einer starren-flexigen Leiterplatte müssen die Strukturentscheidungen den Anwendungsbedürfnissen entsprechen.
1. Flexible-starre Übergangszonen definieren
Standort: Stellen Sie die Übergänge 2-5 mm von den Komponenten entfernt. Komponenten in der Nähe der Übergänge erleiden beim Biegen Belastungen.
Radius: Der minimale Biegeradius für Flexsegmente beträgt das 5-fache der Substratdicke (z. B. 50μm Substrat → 250μm Radius).
Verstärkung: Hinzufügen von Kevlar oder dünnem FR-4 zu Übergängen in Anwendungen mit hohem Stress (z. B. Automobiltürsensoren, die sich bei der Türbewegung biegen).

2. Balance-Schichtzahl und Flexibilität
Schichtgrenze: Flex-Segmente sind typischerweise 2-4 Schichten.
Schichtverteilung: Konzentrieren Sie Schichten in starren Segmenten (z. B. 8 Schichten in starre, 2 Schichten in flex) zur Erhaltung der Flexibilität.
Beispiel: Ein tragbares Fitness-Tracker verwendet eine 4-schichtige starre-flex-PCB (2 Schichten in flex, 2 in steif), um Funktionalität und Biegbarkeit auszugleichen.

3. Wählen Sie Materialien für die Umwelt
Temperatur: Polyimid (bis zu 300 °C) für Anwendungen mit hoher Temperatur (Automobil-Haut, Luftfahrt) und LCP (bis zu 200 °C) für mittlere Anforderungen.
Chemikalien: Polyimid ist resistent gegen Öle und Lösungsmittel; ideal für industrielle oder marine Anwendungen; Vermeiden Sie OSP-Finixierung in feuchten Umgebungen (verwenden Sie stattdessen ENIG).
Luftfeuchtigkeit: Verwenden Sie Epoxid-basierte Klebstoffe (Feuchtigkeitsbeständigkeit) in Unterhaltungselektronik (z. B. Smartwatches, die während des Trainings getragen werden).

4. Optimieren Sie das Kupferspurendesign
Flex-Segmente: Verwenden Sie gekrümmte Spuren, 45°-Winkel und eine Mindestspurenbreite von 0,1 mm (4 mil), um eine Spannungskonzentration zu vermeiden.
Steife Segmente: Verwenden Sie 90°-Winkel und kleinere Spurbreiten (0,075 mm/3 mil) für eine dichte Komponentenvermittlung (z. B. BGA mit 0,4 mm Abstand).
Stromkapazität: Größenspuren basierend auf Strom von 0,2 mm Spuren (18 μm RA Kupfer) tragen 1,5 A in Flexsegmenten; 0,3 mm Spuren (35 μm ED Kupfer) tragen 3 A in starren Segmenten.

Wirkliche Anwendungen: Wie Struktur Innovationen ermöglicht
Die Struktur der starren und flexiblen Leiterplatten ist darauf zugeschnitten, einzigartige Herausforderungen in wichtigen Branchen zu lösen:
1. Verbraucherelektronik: Klappbare Smartphones
Struktur: 6 Schichten starre-flex (4 Schichten in starren Segmenten für Prozessoren/BGA, 2 Schichten in flexigen Segmenten für Scharniere).
Haupteigenschaften: 50μm Polyimid-Flex-Segmente mit 18μm RA Kupfer, ENIG-Finish und Acrylklebstoff für Flexibilität.
Vorteil: Ermöglicht mehr als 200.000 Falten, während ein 7-Zoll-Display in ein Taschengerät eingebaut wird.

2Automobilindustrie: ADAS-Sensormodule
Struktur: 8 Schichten starr-flex (6 Schichten in starren Segmenten für Sensoren/ECUs, 2 Schichten in flexigen Segmenten für Verkabelung).
Schlüsselmerkmale: 100 μm Polyimid-Flex-Segmente mit 35 μm RA-Kupfer, Epoxidklebstoff (hohe Spannungsbeständigkeit) und Verstärkungsschichten bei Übergängen.
Vorteil: Biegt sich um den Fahrzeugrahmen, um Sensoren (LiDAR, Radar) zu positionieren und hält dabei Temperaturen von -40 °C bis 125 °C stand.

3Medizinische: Tragbare Glukosemonitore
Struktur: 4-schichtig starr-flex (2 Schichten in starren Segmenten für den Sensor, 2 Schichten in flexigen Segmenten für die Integration des Armbandes).
Schlüsselmerkmale: 25 μm Polyimid-Flex-Segmente (ultra dünn für Komfort), durchsichtige Lötmaske und ENIG-Finish (biokompatibel).
Vorteil: Passt sich an das Handgelenk und hält dabei 7~14 Tage lang zuverlässige Sensorenwerte bei.

4Luft- und Raumfahrt: Satellitenantennen
Struktur: 12 Schichten starr-flex (10 Schichten in starren Segmenten für die Signalverarbeitung, 2 Schichten in flex Segmenten für den Antennenanbau).
Haupteigenschaften: LCP-Flexsegmente (Widerstandsfähigkeit 200 °C+), 35 μm RA Kupfer und Polyimidklebstoff (Strahlungsbeständigkeit).
Vorteil: Falte in ein kompaktes Startpaket (10 mal kleiner als starre Alternativen) und kann im Weltraum eingesetzt werden, um eine 2 m hohe Antenne zu bilden.

Häufig gestellte Fragen
F: Können starre-flexible Leiterplatten mehrere Flexsegmente haben?
A: Ja, viele Designs beinhalten 2×4 Flexsegmente (z. B. ein Wearable mit Flexsegmenten für Handgelenk und Finger).

F: Wie hoch ist die maximale Schichtzahl für eine starre-flexible Leiterplatte?
A: Die meisten starren-flexigen Leiterplatten haben 4?12 Schichten, wobei bis zu 10 Schichten in starren Segmenten und 2?4 in flexigen Segmenten vorhanden sind.

F: Sind starre-flex-PCBs mit SMT-Komponenten kompatibel?
A: Ja, starre Segmente unterstützen alle SMT-Komponenten (BGAs, QFPs, Passive), während flexible Segmente kleine SMT-Komponenten unterstützen (0402 Widerstände, 0603 Kondensatoren).Schwere Bauteile (> 5 g) sollten niemals auf Flexsegmente platziert werden.

F: Wie viel kostet ein starres-flexibles PCB im Vergleich zu einem starren PCB?
A: Starr-flex-PCBs kosten 2×3 mal mehr als gleichwertige starre PCBs, aber sie senken die Systemkosten um 30×50% (weniger Steckverbinder, weniger Verkabelung, geringere Montagearbeit).

F: Wie lange dauert die typische Vorlaufzeit für eine starre-flexible Leiterplatte?
A: Die Prototypen dauern 2 bis 3 Wochen (aufgrund der spezialisierten Lamination und Tests), während die Produktion in großen Mengen (10 000+ Einheiten) 4 bis 6 Wochen dauert.Vorlaufzeiten sind länger als bei starren PCBs, jedoch kürzer als bei kundenspezifischen PCBs mit nur flexiblen PCBs.

Schlussfolgerung
Die PCB-Struktur ist eine Meisterklasse im Gleichgewicht: Die Stärke starker Substrate mit der Flexibilität von Polyimid wird kombiniert, um Platten herzustellen, die dort passen, wo traditionelle PCBs nicht passen können.Jede Schicht – vom dünnen Polyimid in Flexsegmenten bis zum dicken FR-4 in starren Segmenten – dient einem Zweck, und jede Materialwahl beeinflusst die Leistung.

Durch das Verständnis, wie die Substratdicke, der Kupfertyp und die Klebstoffwahl Flexibilität, Festigkeit und Zuverlässigkeit bewirken,Sie können starre und flexible Leiterplatten entwerfen, die den Anforderungen der anspruchsvollsten Anwendungen entsprechen.Egal, ob Sie ein faltbares Telefon, einen Automobilsensor oder eine Satellitenantenne bauen, die richtige starre-flex Struktur hilft Ihnen, Produkte zu schaffen, die kleiner, leichter,und haltbarer als je zuvor..

Da sich die Technologie weiter schrumpft und die Nachfrage nach vielseitiger Elektronik wächst, werden starre und flexible Leiterplatten weiterhin an der Spitze der Innovation stehen.Die besten Lösungen entstehen, wenn zwei scheinbar entgegengesetzte Stärken kombiniert werden..