Productieproces van meerlaagse star-flex PCB's: Stapsgewijze handleiding & branche-inzichten

Multilayer rigid-flex PCB's vertegenwoordigen een hybride innovatie in de elektronica, waarbij de structurele stabiliteit van stijve PCB's wordt gecombineerd met de flexibiliteit van flexibele circuits. Dit unieke ontwerp maakt het mogelijk dat apparaten kunnen buigen, vouwen of zich aanpassen aan krappe ruimtes — cruciaal voor moderne toepassingen zoals opvouwbare smartphones, autosensoren en medische implantaten — terwijl ze dichte, meerlaagse circuits ondersteunen. Hun productieproces is echter veel complexer dan dat van traditionele stijve of flexibele PCB's, en vereist gespecialiseerde materialen, precisielaminatie en zorgvuldige behandeling van flexibele segmenten.

Deze gids ontrafelt het productieproces van meerlaagse rigid-flex PCB's, van materiaalselectie tot eindtesten. Het bevat gedetailleerde stappen, vergelijkende gegevens met andere PCB-typen en kritische best practices om de betrouwbaarheid te garanderen. Of u nu een ingenieur bent die ontwerpt voor miniaturisatie of een fabrikant die de productie opschaalt, het begrijpen van dit proces zal u helpen het volledige potentieel van meerlaagse rigid-flex technologie te benutten.

Wat zijn meerlaagse rigid-flex PCB's?
Voordat we in de productie duiken, is het essentieel om meerlaagse rigid-flex PCB's en hun unieke waarde te definiëren:

  1. Structuur: Ze bestaan uit afwisselende stijve lagen (meestal FR-4) en flexibele lagen (bijv. polyimide), verbonden via geplateerde vias om een enkel, geïntegreerd circuit te vormen.
  2. Belangrijkste voordeel: In tegenstelling tot stijve PCB's (vaste vorm) of flexibele PCB's (beperkt aantal lagen), ondersteunen meerlaagse rigid-flex ontwerpen 4–20 lagen circuits terwijl ze buigen in specifieke gebieden mogelijk maken (bijv. de scharnier van een opvouwbare telefoon).
  3. Veelvoorkomende toepassingen: Opvouwbare elektronica, automotive ADAS-modules, draagbare medische apparaten en ruimtevaartsensoren — toepassingen waar ruimte, gewicht en duurzaamheid niet ter discussie staan.

Hun productieproces moet twee tegenstrijdige behoeften in evenwicht brengen: de precisie die nodig is voor meerlaagse circuits en de flexibiliteit om schade aan flexibele lagen tijdens de productie te voorkomen.

Stap 1: Materiaalselectie – De basis van betrouwbare rigid-flex PCB's
Materiaalkeuze is cruciaal voor meerlaagse rigid-flex PCB's, aangezien elk onderdeel bestand moet zijn tegen laminatiehitte, buigcycli en eindgebruiksomgevingen. Hieronder volgt een overzicht van kritische materialen en hun specificaties:

Kritische materiaaloverwegingen
  1. Flex-Rigid Compatibiliteit: Kleefstoffen moeten overeenkomen met de CTE (coëfficiënt van thermische uitzetting) van zowel flexibele als stijve substraten om kromtrekken tijdens laminatie te voorkomen. Polyimide flex-kernen passen bijvoorbeeld het best bij epoxykleefstoffen (CTE ~20 ppm/°C) om spanning te minimaliseren.
  2. Duurzaamheid van flexibele lagen: Gebruik gewalst-geglazuurd (RA) koper voor flexibele sporen — de ductiliteit is bestand tegen 10.000+ buigcycli, versus 1.000–2.000 cycli voor elektrodeponeerd (ED) koper.
  3. Toepassingen bij hoge temperaturen: Selecteer voor automotive of ruimtevaart LCP (vloeibaar kristalpolymeer) flexibele substraten, die flexibiliteit behouden bij 200°C+ en bestand zijn tegen chemicaliën.

Stap 2: Stapsgewijs meerlaags rigid-flex productieproces
Het productieproces integreert de productie van stijve PCB's (laminatie, boren) met flexibele PCB-technieken (behandeling van delicate substraten, het vermijden van vouwen). Hieronder volgt een gedetailleerde, sequentiële uitsplitsing:

Fase 1: Pre-productie & Materiaalvoorbereiding
Vóór het patroon van de circuits worden materialen voorbereid om uniformiteit en hechting te garanderen:

1. Flex Core Voorbereiding:
  a. Flexibele substraten (bijv. 50μm polyimide) worden gereinigd met isopropylalcohol om oliën en stof te verwijderen — verontreinigingen die   b. lijmfalen veroorzaken.
Koperfolie (12–35μm RA-koper) wordt met hitte (180°C) en druk (300 psi) aan beide zijden van de flex-kern gelamineerd, waardoor een “flex koperbekleed laminaat (CCL)” ontstaat.
2. Stijve Kern Voorbereiding:
  a. Stijve substraten (bijv. 1,6 mm FR-4) worden op paneelgrootte gesneden (meestal 18”x24”) en ontbraamd om scherpe randen te verwijderen.
  b. Koperfolie (35–70μm ED-koper) wordt via thermische laminatie aan de stijve kern gehecht, waardoor de basis voor stijve circuitlagen ontstaat.

Fase 2: Circuitpatroon (Flex & Stijve Lagen)
Patronen creëren geleidende sporen op zowel flexibele als stijve lagen, met behulp van fotolithografie en etsen:

1. Fotoresist Toepassing:
  a. Een foto-gevoelige resist (vloeibaar of droge film) wordt aangebracht op de koperbeklede flexibele en stijve laminaten. Voor flexibele lagen wordt een flexibele resist gebruikt om scheuren tijdens de behandeling te voorkomen.
2. Belichting & Ontwikkeling:
  a. De resist wordt belicht met UV-licht door een fotomasker (met het circuitpatroon). Onbelichte resist wordt weggespoeld met een ontwikkelaaroplossing, waardoor de te etsen kopersporen bloot komen te liggen.
3. Etsen:
  a. Flexibele lagen: Ondergedompeld in een mild etsmiddel (ammoniumpersulfaat) om ongewenst koper te verwijderen — de etstijd wordt met 20% verminderd ten opzichte van stijve lagen om schade aan het polyimidesubstraat te voorkomen.
  b. Stijve lagen: Geëtst met ijzerchloride of koperchloride, standaard voor FR-4.
4. Resist Strippen:
  a. Resterende fotoresist wordt verwijderd met een oplosmiddel (bijv. natriumhydroxide), waardoor het uiteindelijke circuitpatroon op zowel flexibele als stijve lagen zichtbaar wordt.

Fase 3: Laminatie – Flexibele & Stijve Lagen verbinden
Laminatie is de meest kritische stap in de rigid-flex productie, omdat het lagen moet verbinden zonder flexibele segmenten te kreuken of circuits te beschadigen:

1. Kleefstof Snijden:
  a. Kleefstofvellen (bijv. op epoxybasis) worden met laser gesneden om overeen te komen met de paneelgrootte, met openingen voor vias en flex-gebieden (om te voorkomen dat flexibele segmenten aan stijve lagen worden gehecht).
2. Laagstapeling:
  a. Lagen worden uitgelijnd met behulp van fiducial marks (1 mm koperen cirkels) om via- en spoorregistratie te garanderen (tolerantie ±0,02 mm). De stapeling volgt doorgaans: Stijve Laag → Kleefstof → Flexibele Laag → Kleefstof → Stijve Laag.
3. Gecontroleerde Laminatie:
  a. De stapel wordt in een vacuümlaminator geperst bij 160–180°C en 400–500 psi gedurende 30–60 minuten. Vacuüm verwijdert luchtbellen, terwijl geleidelijke druk het kreuken van de flexibele laag voorkomt.
  b. Voor ontwerpen met een hoog aantal lagen (10+ lagen) wordt sequentiële laminatie gebruikt: lagen worden één voor één toegevoegd, met tussenliggende uitharding om de uitlijning te behouden.

Fase 4: Boren – Vias creëren voor laagverbinding
Vias (gaten die lagen verbinden) worden na laminatie geboord, met technieken die zijn afgestemd op flexibele en stijve gebieden:

1. Boorplanning:
  a. Gerber-bestanden specificeren via-locaties: Doorlopende gaten (verbinden alle lagen), blinde vias (verbinden buitenste met binnenste lagen) en begraven vias (verbinden alleen binnenste lagen). Flexibele gebieden gebruiken kleinere vias (0,1–0,2 mm) om scheuren te voorkomen.
2. Boormethoden:
  a. Mechanisch boren: Gebruikt voor stijve lagen (via-diameter ≥0,2 mm) met hardmetalen boren (30.000 RPM) om schone gaten te garanderen.
  b. Laserboren: Gebruikt voor flexibele lagen en microvias (≤0,15 mm) met UV-lasers — minimaliseert hitteschade aan polyimidesubstraten.
3. Ontbramen & Desmearing:
  a. Flexibele lagen: Plasma-etsen verwijdert harsvegen van via-wanden (vermijdt kortsluiting) zonder het delicate substraat te beschadigen.
  b. Stijve lagen: Chemisch desmearing (met kaliumpermanganaat) reinigt via-wanden voor plating.

Fase 5: Plating – Elektrische verbinding garanderen
Plating bedekt via-wanden met koper om lagen te verbinden en voegt oppervlakteafwerkingen toe voor soldeerbaarheid:

1. Elektroless Koper Plating:
  a. Een dunne koperlaag (0,5–1μm) wordt afgezet op via-wanden en circuitsporen via een chemische reactie (geen elektriciteit), waardoor een basis voor galvaniseren ontstaat.
2. Galvaniseren:
  a. Het paneel wordt ondergedompeld in een kopersulfaatbad, met een elektrische stroom (2–4 A/dm²) die de koperdikte opbouwt tot 15–25μm — cruciaal voor via-verbindingen met lage weerstand. Flexibele gebieden gebruiken een lagere stroomdichtheid (1,5–2 A/dm²) om scheuren in het koper te voorkomen.
3. Oppervlakteafwerking Toepassing:
  a. ENIG (Elektroless Nikkel Immersion Goud): De voorkeur voor flexibele gebieden — de ductiliteit van goud is bestand tegen buigen; nikkel voorkomt koperdiffusie.
  b. HASL (Hot Air Solder Leveling): Gebruikt voor stijve gebieden (kosteneffectief, goede soldeerbaarheid).
  c. OSP (Organic Solderability Preservative): Ideaal voor consumentenelektronica met een hoog volume (lage kosten, vlak oppervlak).

Fase 6: Soldeermasker & Zeefdruk
Soldeermasker beschermt sporen, terwijl zeefdruk componentlabels toevoegt — beide moeten flexibele gebieden accommoderen:

1. Soldeermasker Toepassing:
   a. Vloeibaar foto-afbeeldbaar (LPI) polyimide soldeermasker wordt met zeefdruk op het paneel aangebracht. Flexibele gebieden gebruiken een flexibelere maskerformulering (verlenging ≥100%) om scheuren tijdens het buigen te voorkomen.
   b. UV-belichting en ontwikkeling definiëren openingen voor pads en vias; het masker wordt gedurende 60 minuten bij 150°C uitgehard.
2. Zeefdruk:
   a. Inkt op polyurethaanbasis wordt op stijve gebieden gedrukt (flexibele gebieden vermijden zeefdruk, omdat inkt scheurt tijdens het buigen). Tekstgrootte is ≥0,8 mm x 0,4 mm voor leesbaarheid, met 0,1 mm speling van pads.

Fase 7: Routering & Singulatie – Individuele PCB's scheiden
Routering snijdt het paneel in individuele rigid-flex PCB's, met speciale zorg voor flexibele segmenten:

1. Paneelbevestiging:
  a. Het paneel wordt op een stijf frame gemonteerd om flexibele gebieden tijdens het routeren te stabiliseren, waardoor scheuren worden voorkomen.
2. CNC-routering:
  a. Een CNC-router met een 0,8 mm frees snijdt rond de PCB-omtrek. Flexibele gebieden worden gerouteerd met een lagere aanvoersnelheid (50 mm/min vs. 100 mm/min voor stijf) om rafelen te voorkomen.
3. Singulatie:
  a. Voor productie met een hoog volume wordt laserroutering gebruikt voor flexibele gebieden — creëert schone randen zonder mechanische spanning. V-scoring wordt vermeden (het verzwakt flex-rigid grenzen).

Fase 8: Testen & Kwaliteitscontrole
Rigid-flex PCB's worden onderworpen aan rigoureuze tests om de elektrische en mechanische betrouwbaarheid te garanderen:

Meerlaagse Rigid-Flex vs. Andere PCB-typen: Een vergelijkende analyse
Om te begrijpen waarom rigid-flex wordt gekozen voor specifieke toepassingen, vergelijkt u de productie en prestaties met alternatieven:

Kritieke productie-uitdagingen & Oplossingen
Meerlaagse rigid-flex productie staat voor unieke hindernissen — aangepakt door gespecialiseerde technieken:

1. Flexibele laag kreuken tijdens laminatie
  a. Uitdaging: Ongelijke druk zorgt ervoor dat flexibele segmenten vouwen, waardoor sporen beschadigd raken.
  b. Oplossing: Gebruik vacuümlaminatoren met programmeerbare drukrampen (geleidelijke toename van 100 tot 500 psi) en siliconen pads om de druk gelijkmatig te verdelen.
2. Via-plating uniformiteit in flexibele gebieden
  a. Uitdaging: Kleine vias (≤0,15 mm) in flexibele lagen hebben last van dunne plating.
  b. Oplossing: Verhoog de temperatuur van het elektroless koperbad tot 45°C (vs. 40°C voor stijf) en voeg oppervlakteactieve stoffen toe om de oplossingsstroom in kleine vias te verbeteren.
3. Delaminatie aan flex-rigid grenzen
  a. Uitdaging: Lijmfalen tussen flexibele en stijve lagen als gevolg van CTE-mismatch.
  b. Oplossing: Gebruik acryl-epoxy hybride kleefstoffen (CTE ~18 ppm/°C) en pre-cure flexibele lagen bij 120°C vóór de definitieve laminatie.
4. Spoorvorming tijdens het buigen
  a. Uitdaging: Kopersporen in flexibele gebieden scheuren na herhaaldelijk buigen.
  b. Oplossing: Gebruik RA-koper (ductiel) en ontwerp spoorhoeken van 45° (niet 90°) om de spanning te verdelen; voeg “stress relief” lussen toe in flexibele segmenten.

Voordelen van meerlaagse rigid-flex PCB's (gedreven door productieproces)
Het gespecialiseerde productieproces levert unieke voordelen op ten opzichte van traditionele PCB's:

  a. Ruimtebesparing: Integreert meerdere stijve PCB's in één ontwerp, waardoor het aantal connectoren met 50–70% wordt verminderd (bijv. de scharnier van een opvouwbare telefoon gebruikt 1 rigid-flex PCB vs. 3 afzonderlijke stijve PCB's).
  b. Gewichtsvermindering: 30–40% lichter dan equivalente stijve PCB's, cruciaal voor ruimtevaart- en draagbare apparaten.
  c. Verhoogde betrouwbaarheid: Minder connectoren betekent minder faalpunten — veldfaalpercentages zijn 60% lager dan stijve PCB's met bedrade verbindingen, per IPC-gegevens.
  d. Ontwerpvrijheid: Maakt 3D-verpakking mogelijk (bijv. wikkelen rond een motor) en opvouwbare vormfactoren die onmogelijk zijn met stijve PCB's.

Industriële toepassingen van meerlaagse rigid-flex PCB's
Het productieproces is afgestemd op de behoeften van belangrijke sectoren:
1. Consumentenelektronica
   a. Opvouwbare telefoons (bijv. Samsung Galaxy Z Fold): Meerlaagse rigid-flex PCB's in scharnieren ondersteunen 20+ lagen circuits, waardoor 200.000+ buigcycli mogelijk zijn.
   b. Draagbaar (bijv. Apple Watch): Dunne (0,5 mm) rigid-flex ontwerpen passen zich aan polsen aan en bevatten 6–8 lagen sensoren en processors.

2. Automotive
  a. ADAS-sensoren: Rigid-flex PCB's buigen rond voertuigframes en verbinden camera's, radar en LiDAR — bestand tegen temperaturen van -40°C tot 125°C.
  b. EV-batterijbeheersystemen (BMS): Flexibele segmenten leiden stroom tussen batterijcellen, waardoor het gewicht met 35% wordt verminderd ten opzichte van stijve PCB's.

3. Medische apparaten
  a. Implanteerbare pacemakers: Biocompatibele polyimide flexibele lagen en 4–6 lagen circuits passen in volumes van 1 cm³, bestand tegen lichaamsvloeistoffen.
  b. Draagbare echografie probes: Rigid-flex PCB's buigen om overeen te komen met de probe-vormen en behouden tegelijkertijd de signaalintegriteit voor beeldvorming met hoge resolutie.

4. Lucht- en ruimtevaart & Defensie
  a. Satellietantennes: Lichtgewicht rigid-flex PCB's (30 g per bord) vouwen in lanceervoertuigen en worden in de ruimte ingezet, bestand tegen straling en extreme kou.
  b. Militaire headsets: Flexibele segmenten passen zich aan de oren van de gebruiker aan, terwijl stijve lagen communicatiechips bevatten — voldoen aan de MIL-STD-883 trillingsnormen.

FAQ
V: Wat is het maximale aantal lagen in een meerlaagse rigid-flex PCB?
A: De meeste fabrikanten produceren ontwerpen met 4–12 lagen, maar geavanceerde processen (sequentiële laminatie) kunnen 20+ lagen bereiken voor ruimtevaart- en medische toepassingen.

V: Hoe lang duurt het om meerlaagse rigid-flex PCB's te produceren?
A: Prototypes duren 2–3 weken (vanwege gespecialiseerde laminatie en testen); productie met een hoog volume (10k+ eenheden) duurt 4–6 weken.

V: Kunnen rigid-flex PCB's surface-mount componenten (SMD's) gebruiken op flexibele gebieden?
A: Ja, maar componenten moeten “flexibel-vriendelijk” zijn (bijv. chipweerstanden ≤0603, geen grote IC's) om scheuren tijdens het buigen te voorkomen. Het volume soldeerpasta wordt met 30% verminderd op flexibele gebieden om spanning in de verbinding te voorkomen.

V: Wat is de minimale buigradius voor een meerlaagse rigid-flex PCB?
A: Meestal 5–10x de dikte van de flexibele laag (bijv. een 50μm polyimide laag heeft een minimale buigradius van 250–500μm). Kleinere radii riskeren spoorvorming.

V: Zijn meerlaagse rigid-flex PCB's RoHS-conform?
A: Ja — materialen zoals loodvrij soldeer, halogeenvrije kleefstoffen en RoHS-conform polyimide worden gebruikt. Fabrikanten verstrekken DoC-documenten (Declaration of Conformity) om de naleving te verifiëren.

Conclusie
Het productieproces van meerlaagse rigid-flex PCB's is een technisch wonder, waarbij de precisie van meerlaagse stijve productie wordt gecombineerd met de delicatesse van de behandeling van flexibele circuits. Van materiaalselectie (polyimide voor flex, FR-4 voor stijf) tot gecontroleerde laminatie en laserroutering, elke stap is geoptimaliseerd om borden te creëren die compact, duurzaam en veelzijdig zijn.

Hoewel de productiekosten hoger zijn dan die van traditionele PCB's, maken de voordelen — ruimtebesparing, gewichtsvermindering en verhoogde betrouwbaarheid — meerlaagse rigid-flex PCB's onmisbaar voor innovatie in opvouwbare, automotive, medische en ruimtevaartindustrieën. Voor fabrikanten is samenwerking met specialisten met ervaring in rigid-flex productie (en het volgen van strikte kwaliteitscontrole) de sleutel tot het ontsluiten van deze voordelen.

Naarmate apparaten kleiner blijven worden en meer functionaliteit vereisen, zal de rol van meerlaagse rigid-flex PCB's alleen maar groeien — gedreven door ontwikkelingen in productietechnieken die de kosten verlagen en de prestaties verbeteren.