Schnelles Prototyping flexibler Leiterplatten mit dem Laser

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Flexible Leiterplatten: Ein Vergleich verschiedener Materialien zeigt, welchers Lasersystem für welche Anwendung am besten geeignet ist.
Flexible Leiterplatten: Ein Vergleich verschiedener Materialien zeigt, welchers Lasersystem für welche Anwendung am besten geeignet ist. (Bild: LPKF Laser & Electronics)

Flexible Leiterplatten können genauso wie starre Leiterplatten als Einzel-, Doppel- oder Multilayer mit durchkontaktierten Löchern und Oberflächen­strukturierung hergestellt werden. Zum Bearbeiten der flexiblen PCBs werden vorzugsweise Lasersysteme eingesetzt – welches dafür das „richtige“ ist, hängt auch vom Material ab.

Flexible Leiterplatten sind seit Jahrzehnten die Lösung schlechthin für Verbindungen, die beweglich sein müssen, die wenig Platz und/oder Gewicht bedingen oder die eine schnelle Datenverbindung erfordern. In der Regel haben sie nur die passive Funktion, Signale zu übertragen – sie ersetzen Kabel.

Sie ist oft in Tastaturen zu finden, wo sei ein Teil von Schaltern darstellen und elektronische Komponenten zur Signalübertragung beinhalten. Flexible Leiterplatten werden oft mit ein oder zwei starren Leiterplatten kombiniert, als sogenannte starr-flexible Leiterplatten.

Die flexible Leiterplatte verbindet dabei die starren direkt und ohne Steckverbinder miteinander und eliminieren somit durch Steckverbinder verursachte Probleme bei der Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung. Weitere aktuelle Anwendungen sind LED-Beleuchtungen, PC- und Mobilfunkantennen, verschiedene Sensoren wie Bewegungssteuerungen oder Medikamentenabgabesensoren. Auch in Wearables sind sie unverzichtbar.

Polyimid als Basis flexibler Leiterplatten

Flexible Leiterplatten basieren typischerweise auf einer dünnen Polyimid (PI)-Folie als Substrat oder Kern, auf die eine Kupferplattierung geklebt wird. Nach der Bearbeitung wird die Kupferschicht durch eine Deckschicht geschützt. Kontaktstellen sollten für den Zugang geöffnet sein.

Polyimid bietet über einen weiten Temperaturbereich eine große mechanische Stabilität, ist chemisch beständig, besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und dielektrische Festigkeit. Bei flexiblen Leiterplatten werden verschiedene Folienpolymere verwendet, wie z. B. Polyester (PET), verschiedene Polyethylene (PEN, PEI), Fluorpolymere u.a.

Flexible Leiterplatten sind multifunktionell und können genauso wie starre Leiterplatten als Einzel-, Doppel- oder Multilayer mit durchkontaktierten Löchern und Oberflächenbehandlung hergestellt werden. Obwohl die Kupferschicht in der Massenproduktion durch chemisches Ätzen strukturiert wird, werden zum Öffnen der Deckschicht und das präzise Schneiden der flexiblen Leiterplatten vorzugsweise Lasersysteme eingesetzt.

Einseitige flexible Leiterplatten können als ebenes Substrat mit den LPKF Fräsbohrplottern der ProtoMat-Serie problemlos gefräst werden. Die Verarbeitung von doppelseitigen flexiblen PCBs ist jedoch mit mechanischem Fräsen nahezu unmöglich, da das Strukturieren des Kupfers auf Ober- oder Unterseite zu Unebenheiten bei der dünnen Folie führt.

Auf die Kupfer- bzw. Metallentfernung durch Laserablation oder die kontrollierte Delamination mit einem Laser hat die unebene Oberfläche, die durch die Bearbeitung der gegenüberliegenden Außenseite verursacht ist, keinen großen Einfluss. Vielmehr hängt die Laserbearbeitung wesentlich von der verwendeten Klebstoffart und -methode sowie dem Kernmaterial und der Dicke der Metallschicht im Vergleich zur Dicke des Kernpolymers ab. Mit Ausnahme von Pikosekunden-Lasern bringt die Laserablation eine bestimmte Wärme ein, die das Kernmaterial beeinflussen kann. Polymere werden auch durch (vorzugsweise UV-) Laser geschnitten.

LPKF nutzt für die Laserbearbeitung von flexiblen Leiterplatten zwei Strategien:

  • Strukturierung mit Delamination größerer Bereiche, in denen Klebstoffe unter Hitzeeinwirkung freigesetzt werden (schnellere Methode mit minimaler Auswirkung auf ein Substrat, patentiertes LPKF-Verfahren).
  • Strukturierung mit zeilenweiser Materialabtragung, bei der das Verbindungsmaterial nicht durch Laserwärme geschmolzen wird (d. h. extrem hochtemperaturbeständige Spezialmaterialien, Materialien ohne Haftschicht, ...).

Nicht alle Materialien können mit den verschiedenen ProtoLasern erfolgreich oder anwendungsgerecht bearbeitet werden. Zum besseren Verständnis der Unterschiede zwischen den Lasersystemen sowie der Anwendungsbewertungen sind in Tabelle 1 die technischen Daten als Referenz gelistet.

Im Folgenden werden die Bearbeitungsergebnisse der unterschiedlichen ProtoLaser-Systeme an einigen Materialbeispielen dargelegt.

Verarbeitung von Kapton und Pyralux von DuPont

Kapton von DuPont ist ein übliches und beliebtes Polyimidkernmaterial. Mit hoher thermischer Stabilität über einen weiten Temperaturbereich, hoher elektrischer Isolierung, geringer Feuchtigkeitsaufnahme, Entflammbarkeit nach UL 94 V-0 ist Kapton eine häufige Wahl für flexible Leiterplatten.

Das Schneiden von Kaptonfolie oder auch das Schneiden von SMD-Schablonen funktioniert mit UV-basierten Lasersystemen wie ProtoLaser U4 (und früherem ProtoLaser U3) hervorragend, ebenfalls gut mit dem ProtoLaser S4 (siehe Bild 1), aber sehr schlecht mit dem ProtoLaser S (1.064 nm). Kürzere Wellenlängen werden vom Material besser absorbiert und der Ablationsprozess funktioniert daher besser, während längere IR-Wellenlängen das Kapton meist durch Wärme schmelzen lässt. Dies führt zu unschärferen Kanten und deutlich sichtbarer Verkohlung.

Mit fortschrittlichen Funktionen, wie dem präzisen Low-Power-Modus des ProtoLaser U4, kann auch eine Kapton-Folie sehr gut tiefenkontrolliert bearbeitet werden. Einsatzbereiche sind mikrofluidische Anwendungen wie Lab-on-a-Foil oder Master für PMDS-Formwerkzeuge.

DuPont Pyralux ist eine Familie von verkupferten Laminaten auf Basis von Kapton-Kernmaterial. Die Laminate unterscheiden sich aufgrund der Bindungsschicht zwischen Kern und Kupfer, die sein könnte:

  • Klebstoff auf Acrylbasis (Pyralux LF),
  • alles Polyimid (Pyralux AP) oder,
  • Fluoropolymer basiert – Teflon (Pyralux TK).

Die Kupfer-Strukturierung (Laser-Ätzen) hängt von der Bindungsschicht ab. Die patentierte Technologie von LPKF, bei der größere Kupferbereiche entfernt und nicht zeilenweise abgetragen werden, schneidet ausgewählte größere Bereiche in dünne Streifen, die durch Laserheizung entfernt werden.

Der LPKF ProtoLaser S4 sowie der ProtoLaser U4 können den Spezialwerkstoff für den Hochgeschwindigkeits-Digital- und Hochfrequenz-Einsatz, Pyralux TK, problemlos verarbeiten. Aufgrund der Teflon-Schicht, die für Laserlicht praktisch durchlässig ist und auf der anderen Seite eine nur begrenzte Haftfestigkeit aufweist, werden große Kupferflächen sehr glatt entfernt bei nur sehr geringer Auswirkung auf das Substrat. Bohren und schneiden in jedweder Form funktioniert ebenfalls gut.

Bild 2 zeigt ein doppelseitiges Muster, das mit einem ProtoLaser U4 hergestellt wurde: DuPont Pyralux TK 125712 Bohren, beidseitig Strukturieren (Laserätzen) und Konturschneiden. Bild 3 zeigt das gleiche mit einem ProtoLaser S4 hergestellte Muster in der Übersicht und in 100-facher Vergrößerung.

Die Ergebnisse mit dem ProtoLaser U4 (oder früherem U3) bei Pyralux AP sind weniger ermutigend. Es wurden kleine doppelseitige Muster strukturiert. Die thermische Wirkung auf das Material ist relativ hoch. Der ProtoLaser U4 sowie der ProtoLaser S4 hingegen können Pyralux AP erfolgreich und schnell bohren und schneiden. Bild 4 zeigt ein Beispiel für das Schneiden und Bohren von Pyralux AP 8535R (3 mil / 75 μm dielektrische Dicke, 0,5 oz / 18 μm Cu-Dicke).

Deckschichten öffnen, Bohren und Durchkontaktieren

Das Öffnen der Deckschichten ist in der Flex-PCB-Herstellung ein typischer Prozess für UV-Laser. Die Deckschichtfolie kann aber auch vor dem Laminieren geschnitten werden. Für beide Verfahren kann vorzugsweise der ProtoLaser U4 eingesetzt werden. Der ProtoLaser S4 ist ebenfalls ein geeignetes System (siehe Bild 5).

Das Bohren und Schneiden von dünnem Flexmaterial ist ein typisches Verfahren für ProtoLaser. Das nach unseren Testergebnissen zu bevorzugendes Material für die Laser-Oberflächenbearbeitung ist Dupont Pyralux TK mit Teflon außenliegend im Dielektrikum. Aufgrund der Transparenz von Teflon für UV-Licht rät der Lieferant von UV-Bohren ab.

Die Durchkontaktierung wurde mit dem LPKF-Galvanisierungsverfahren Contac S4 für starre PCBs hergestellt. Die gleichen Muster wurden auch mechanisch gebohrt, um die Ergebnisse der Durchkontaktierung zu vergleichen. Das mechanische Bohren erzeugt einen geraderen Schnitt, trotzdem erscheint auch das Beschichten der lasergebohrten Löcher zuverlässig genug (siehe Bild 6). Die Muster wurden durch den Laser weder thermisch noch mechanisch belastet.

Zur besseren Veranschaulichung wurde der Test mit dem ProtoLaser S4 (532 μm) wiederholt. Hierbei ist der Effekt des schrumpfenden Kapton-Kerns sichtbar, der mit der laserbeständigen Teflon-Schicht einhergeht. Unabhängig von der Geometrie scheint die abgeschiedene Kupferschicht konstant zu sein.

Material präzise abtragen und strukturieren

Der Pico-Sekunden-Laser LPKF ProtoLaser R ermöglicht die Ablation nahezu ohne Wärmeeinflusszone (HAZ) und sehr präzisem Materialabtrag. Die folgenden Bilder zeigen ein Muster mit 12 μm Cu auf 50 μm Polyimid (Pyralux TK125012R). Bild 7 zeigt eine gleichbleibende Kupferschicht nach einem Durchgang, Bild 8 zeigt das vollständig entfernte Kupfer nach dem zweiten Durchgang. Nach einer solchen Analyse kann der Prozess bei Bedarf optimiert werden, um die Beschädigungen an der Basisschicht noch zu reduzieren.

Es wurden verschiedene flexible und dünne Schichtpolymere verarbeitet. Für eine erfolgreiche Verarbeitung ist es entscheidend, für jedes Material den richtigen Schwellenwert für die jeweilige Laserwellenlänge zu finden.

Mit einem ProtoLaser U4 wurde PEEK UHMWPE mit einer Au-Beschichtung bearbeitet (Bild 9). Das Muster wurde erfolgreich mit 50 μm Leiterbahnen und 20 μm Abstand strukturiert. Darüber hinaus wurde ein Muster mit dem Pikosekunden-Lasersystem ProtoLaser R bearbeitet, mit dem Leiterbahnen von 25 μm und 15 μm Abstand erzielt wurden. Das Bohren und Schneiden war jedoch nicht möglich.

Verbesserte PETs sind traditionelle Materialien in der Elektronik. Dank chemischer Beständigkeit, thermischer Stabilität, guten Isolationseigenschaften, Transparenz, Feuchtigkeitsbeständigkeit, Bedruckbarkeit und einfach aufzubringender Aluminiumbeschichtung werden sie seit Anfang der 50er Jahre für Kondensatoren eingesetzt. Unter anderem werden PETs heute in speziellen Tastaturen, flexibler Elektronik und intelligenten Verpackungen verwendet.

Die Antenne aus flexibler PET-Folie (Bild 10) wurde durch Ablation des Aluminiums mit einem IR-Laser ProtoLaser S (1.064 nm) strukturiert. Der ProtoLaser S4 (532 nm) kann neben der Ablation auch PET-Material schneiden, wobei die Transparenz durch thermische Belastung leider verloren geht.

UV-Lasersysteme bieten mehr Bearbeitungsmöglichkeiten wie Feinstrukturierung verschiedener Metalle, Bohren von Löchern und Schneiden von Formen (Bild 11).

Das richtige Lasersystem finden

Das zu bearbeitende Material ist bei der Frage nach dem Einsatz des „richtigen“ Lasersystems mitentscheidend. Nicht jeder Laser kann jedes Material bearbeiten. Daneben muss aber der jeweilige Anwendungsfall noch bezüglich Präzision, Verarbeitungszeit und Wirtschaftlichkeit geprüft werden. Die Auswahl eines Lasersystems ist komplex und bedarf der Beratung durch einen Fachmann.

LPKF Laser & Electronics stellt auf der electronica 2018 in Halle B1 am Stand 219 und in Halle A1 am Stand 443 aus.

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