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Flex- und Rigid-Flex
Technologie
Von der Materialauswahl
bis zu den Design-Rules
Albert SchweitzerFine Line Gesellschaft
für Leiterplattentechnik mbH
Itterpark 4, D-40724
23.07.2017 Vers. 1.2© Copyright Fine Line
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Inhalt
Allgemeines
Vorteile von flexiblen und starr-flexiblen Leiterplatten
IPC Standards für flexible und starr-flexible Leiterplatten
Basis Materialien im Umfeld der Flex-Technologie
Aufbauvarianten
Layout und Design-Rules
Biegen und Biegeradius
Verarbeitungsempfehlungen
Schlussbemerkungen
Inhaltsangabe
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Allgemeines
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Der Einsatz von flexiblen und starr-flexiblen
Leiterplatten eröffnet für viele Applikationen
vollkommen neue Möglichkeiten und Vorteile
bezüglich Signalübertragung, Baugröße,
Stabilität und langfristiger Zuverlässigkeit.
Allgemeines
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Vorteile von flexiblen und starr-flexiblen Leiterplatten
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Vorteile von flexiblen und starr-flexiblen Leiterplatten
Vorteile der Flex- und Rigid-Flex Technologie:
Gewichts- und Volumenreduktion
3-dimensionale Designfreiheit
Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindungen
durch Polungs- und Kontaktsicherheit sowie
Einsparung von Steck- und Leitungskomponenten
Definierte Eigenschaften der auf der Leiterplatte
befindlichen Leitungssysteme (z.B. Impedanzen)
Dynamische und mechanische Belastbarkeit
Häufig auch Kostenersparnis für das Gesamt-
system
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IPC Standards für flexible und starr-flexible Leiterplatten
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IPC Standards für flexible und starr-flexible
Leiterplatten
Übersicht wichtiger IPC Standards für Flex und Rigid-Flex PCBs:
Design Laminate PCB-Fertigung Baugruppen- Reparatur
für PCB Fertigung NacharbeitIPC-2220-Serie mit IPC-4100-Serie mit IPC-6010-Serie mit J-STD-Serie, z.B. IPC-7711
IPC-2221 (Basis) IPC-4101A (Basis) IPC-6011 (Basis) J-STD-001C IPC-7721A
(Basis)
J-STD-002A
IPC-2222 IPC-4101 IPC-6012 J-STD-020C
(Rigid PCB) (Rigid Base PCB) (Rigid PCB)
IPC-2223 IPC-4103 IPC-6013
(flex PCB) (High Speed Material) (flex. PCB)IPC-2224 (PCMCIA) IPC-4104 (HDI) IPC-6014 (PCMCIA) (IPC-7070)
IPC-2225 (MCM) IPC-4202 IPC-6015 (MCM)
(Flex Dielectrics)
IPC-2226 (HDI-LP) IPC-4203 IPC-6016 (HDI) IPC-7095A
(Flex Coverlayer)
IPC/JPCA-2315 IPC-4204 IPC-6018A Design und
IPC-7351… (Land (Flex Metal Clad) (Microwellen) Fertigung von
Pattern) IPC-4562
(Metal Foil) BGAIPC-A-600G IPC-A-610D
(PCB Abnahme) (Baugruppenabn.)
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Wichtig für Entwickler ist vor allem der Standard:
IPC-2223: „Design Richtlinien für flexible und
starrflexible Leiterplatten„
Er legt in Verbindung mit der IPC-2221 die
Anforderungen an das Design flexibler
Leiterplatten und die Arten der Bauteilmontage
und Verbindungsstrukturen fest.
IPC Standards für flexible und starr-flexible
Leiterplatten
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Von allgemeinem Interesse ist die IPC 6013C:
„Qualifikation und Leistungsspezifikation für
flexible und starr-flexible Leiterplatten„
Die Richtlinie IPC-6013C enthält umfangreiches
Bildmaterial und Tabellen und unter anderem die
aktualisierten Anforderungen für die Metallisierung
von Oberflächen, Kleberaustritt, gefüllte-, durch-
kontaktierte Löcher und lötbarer Restring für
flexible und starr-flexible Leiterplatten.
IPC Standards für flexible und starr-flexible
Leiterplatten
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Wichtig bei der Auswahl von Materialien sind
weiterhin die folgenden IPC Standards:
IPC-4202 „Flexible dielektrische Basismaterialenfür gedruckte flexible Schaltungen“
IPC-4203 „Klebemittelbeschichtete dielektrischeFolien zur Verwendung als Abdeckschichten
bei flexiblen Leiterplatten und flexiblen
klebeverbindenden Folien“
IPC-4204 „Flexible, metallbeschichtete Dielektrika fürdie Herstellung flexibler Schaltungen“
IPC-4562 „Metallfolien für Leiterplatten“
IPC Standards für flexible und starr-flexible
Leiterplatten
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IPC-2223 Typen: Typ 1
Einseitige flexible Leiterplatte,
mit einer leitfähigen Lage,
mit oder ohne Versteifung (Stiffener),
mit kleberbeschichtetem oder kleberlosem Substrat
Source: IPC-2223
Kleberbeschichtetes Laminat: Kleberloses Laminat:
IPC Standards für flexible und starr-flexible
Leiterplatten
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IPC-2223 Typen: Typ 2
Zweiseitige flexible Leiterplatte,
mit zwei leitfähigen Lagen und durchmetallisierten Löchern,
mit oder ohne Versteifung (Stiffener),
mit kleberbeschichtetem oder kleberlosem Substrat
Source: IPC-2223
Kleberbeschichtetes Laminat: Kleberloses Laminat:
IPC Standards für flexible und starr-flexible
Leiterplatten
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IPC-2223 Typen: Typ 3
Flexible Multilayer Leiterplatte,
mit min. drei leitfähigen Lagen und durchmetallisierten Löchern,
mit oder ohne Versteifung (Stiffener),
mit kleberbeschichtetem oder kleberlosem Substrat
Source: IPC-2223
Kleberbeschichtetes Laminat: Kleberloses Laminat:
IPC Standards für flexible und starr-flexible
Leiterplatten
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IPC-2223 Typen: Typ 4
Starr-flexible Multilayer Leiterplatte,
mit min. drei leitfähigen Lagen und durchmetallisierten Löchern,
mit kleberbeschichtetem oder kleberlosem Substrat
Source: IPC-2223
Kleberbeschichtetes Laminat: Kleberloses Laminat:
IPC Standards für flexible und starr-flexible
Leiterplatten
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IPC-2223 Typen: Typ 5
Flexible und starr-flexible Leiterplatte ohne PTH-Vias,
mit min. zwei leitfähigen Lagen, keine durchmetallisierten Löcher,
mit kleberbeschichtetem oder kleberlosem Substrat
Source: IPC-2223
Kleberbeschichtetes Laminat: Kleberloses Laminat:
IPC Standards für flexible und starr-flexible
Leiterplatten
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Basis Materialien im Umfeld der Flex-Technologie
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Es gibt wesentlichen Unterschiede bezüglich
dem Basismaterial zwischen Rigid und Flex-Rigid Leiterplatten:
FR-4 Laminat
(Glas und Harz)
FR-4 Prepreg
FR-4 Prepreg
FR-4 Prepreg
FR-4 Prepreg
Soldermask
Soldermask
Kupfer Kupfer
Soldermask
Soldermask
Flex Laminat
Coverlayer
Coverlayer
Bondbly
Bondbly
4 Lagen Rigid PCB 4 Lagen Rigid-FLex PCB
No-Flow Prepr.
No-Flow Prepr.
No-Flow Prepr.
No-Flow Prepr.
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Die Basis Materialien für Flex und Starr-Flex Leiterplatten
lassen sich in drei Kategorien einteilen:
Flexible, kupferkaschierte Laminate
Schutzfolien, Coverlayer, flexible Lacksysteme
Klebesystem, flexibel und starr
Kupferfolie
einseitig
Kupferfolie
zweiseitig
Bondply
(Kleber-Polyimid-Kleber)
Polyimid Coverlayer
Acryl Klebesheet
No Flow Prepreg
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Die Basis Materialien für Flex und Starr-Flex Leiterplatten
lassen sich in drei Kategorien einteilen:
Flexible, kupferkaschierte Laminate
Schutzfolien, Coverlayer, flexible Lacksysteme
Klebesystem, flexibel und starr
Kupferfolie
einseitig
Kupferfolie
zweiseitig
Bondply
(Kleber-Polyimid-Kleber)
Polyimid Coverlayer
Acryl Klebesheet
No Flow Prepreg
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Art des Materials und deren daraus
resultierenden technischen Spezifikationen
Verklebte und kleberlose Laminate
Art des Kupfers, RA oder ED Kupfer(RA = Rolled Annealed; ED = Electrodeposited)
Flexible kupferkaschierte Laminate
(FCCL, Flexible Copper Clad Laminate)
werden im Wesentlichen unterschieden nach:
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Art des Materials und deren daraus
resultierenden technischen Spezifikationen
Verklebte und kleberlose Laminate
Art des Kupfers, RA oder ED Kupfer(RA = Rolled Annealed; ED = Electrodeposited)
Flexible kupferkaschierte Laminate
(FCCL, Flexible Copper Clad Laminate)
werden im Wesentlichen unterschieden nach:
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Überblick über Materialien flexibler Laminate:
PET (Polyethylenterephthalat)
Thermoplastische Polyester für simple Anwendungen
PEN (Polyethylennaphthalat)
Thermoplastische Polyester für simple Anwendungen
LCP (Liquid Crystal Polymer)
Alternative zu Polyimid, für extrem anspruchsvolle
Anwendungen z.B. Hochfrequenz Applikationen
Polyimid (Handelsnamen u.a. Kapton)
Industriestandard, sehr flexible einsetzbar
Semiflex (Basis FR4 oder spezielle Materialen)
Nur eingeschränkt flexibel
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Vergleich der technischen Eigenschaften von flexiblen Laminaten
Eigenschaft PET/PEN Polyimid LCP
mit Kleber ohne Kleber
Elastizitätsmodul 3000MPa 4500MPa 2300MPa
Biegebelastbarkeit akzeptabel sehr gut Sehr gut
Cu Haftung 1050N/m 1600N/m 1000N/m
Dielektrizitätskonstante 3,3 (1MHz) 3,2 (1MHz) 2,9 (10GHz)
Max. Betriebstemperatur 85°C/160°C 220°C 280°C
Spannungsfestigkeit 200V/µm 250V/µm 150V/µm
Isolationswiderstand 1x1012Ω 1x1013Ω 1x1011Ω
Lötbadbeständigkeit Nein/260°C (5s) 400°C (30s) 288°C (30s)
Wasseraufnahme
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Art des Materials und deren daraus
resultierenden technischen Spezifikationen
Verklebte und kleberlose Laminate
Art des Kupfers, RA oder ED Kupfer(RA = Rolled Annealed; ED = Electrodeposited)
Flexible kupferkaschierte Laminate
(FCCL, Flexible Copper Clad Laminate)
werden im Wesentlichen unterschieden nach:
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Kupfer Kleber Polyimid
Zweiseitiges Kupferlaminat verklebt Zweiseitiges Kupferlaminat ohne Kleber(adhesiveless)
Kupfer Polyimid
Source: Fineline
Verklebte (Acryl oder Epoxy Kleber) und
kleberlose Kupferlaminate:
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Beispiele für „Adhesive“ und „Adhesiveless“ Materialien
der Firma Dupont:
Source: Fineline
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Vorteile der kleberlosen flexiblen Laminate:
Chemische ResistenzKleberlose Laminate sind beständiger gegen aggressive Chemikalien.
HochtemperaturanwendungenKleberlose Laminate können höheren Temperaturen standhalten und haben eine
bessere Dimensionsstabilität als klebstoffbasierende Materialen, bis zu 180 ° C.
Dünne und ultradünne AnwendungKleberlose Laminate können als dünnere Materialien hergestellt werden.
Kontrollierte Impedanz ApplikationenKleberlose Laminate haben eine homogenere dielektrische Struktur verglichen
mit verklebten Laminaten.
Höhere Anzahl der LagenKlebstoffe haben ein schlechteres Verhalten bezüglich der Wärmeausdehnung.
Dies kann insbesondere bei thermischen Zyklen zu Problem führen.
Hochflexible AnwendungenKleberlose Laminate sind grundsätzlich flexibler.
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Art des Materials und deren daraus
resultierenden technischen Spezifikationen
Verklebte und kleberlose Laminate
Art des Kupfers, RA oder ED Kupfer(RA = Rolled Annealed; ED = Electrodeposited)
Flexible kupferkaschierte Laminate
(FCCL, Flexible Copper Clad Laminate)
werden im Wesentlichen unterschieden nach:
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Wir haben auf der letzten Folie gelernt, dass es zwei
Arten von Kupferfolien für flexible Leiterplatten gibt:
RA (Rolled Annealed) KupferRA Kupfer wird wegen seiner Eigenschaft, sich bei mechanischer
Belastung gut zu verformen (Duktilität), insbesondere für flexible
und starr-flexible Leiterplatten eingesetzt. Wegen der glatten
Oberfläche ist RA Kupfer auch die erste Wahl bei HF Applikationen.
ED (Electrodeposited) KupferED Kupferfolie ist die Standard-Kupferfolie für starre Leiterplatten
und damit die am häufigsten eingesetzte Folie in der Leiterplatten-
industrie. Sie wird im großen Stil auch für flexible Leiterplatten
eingesetzt, wenn die Flexibilität der Applikation nicht im Vordergrundsteht.
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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In mehreren Schritten wird die
Kupferdicke durch das Walzwerk reduziert,
bis sie geeignet ist, für Leiterplatten eingesetzt zu
werden. Sie wird nach diesem Prozess geglüht und die Oberfläche
wird für eine gute Haftfähigkeit optimiert.
Herstellung von RA Kupfer Folie:
Source: TTM
Hoher Druck durch mechanische Walzen
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Herstellung von ED Kupfer Folie:
Source: TTM
Trommelseite der Folie Rotierende Titan Trommel
(Kathode)
Kupferlösung
Anode
Matte Folien-Seite
Strom
VersorgungDie Trommel dreht sich langsam im Uhrzeigersinn.
Das Kupfer wird auf der Trommel aufplattiert. Nach einer
180-Grad-Drehung erreicht das Kupfer seine endgültigen Dicke.
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Unterschiede von ED- und RA- Kupfer unter dem Mikroskopsichtbar gemacht:
Source: Dupont
MD = machine direction; TD = orthogonal transverse direction
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Wichtig zu wissen:
RA Kupfer
Der Walzprozess erzeugt eine sehr glatte Oberfläche und wird
deshalb sehr vorteilhaft bei hohen Frequenzen eingesetzt (Skin-Effekt)
RA Kupfer
Aufgrund der Duktilitä ist RA Kupfer die erste Wahl für Flex-PCBs
RA Kupfer
RA Folie der kristalline Kornstruktur orientiert sich parallel zur
Folienebene
RA Kupfer
Gewalzte Kupferfolie ist teurer als ED Folie
ED Kupfer
Neue ED Kupferfolien mit sehr feinen, nicht säulenförmiger Korn-
Struktur beginnt RA Folie in einigen Anwendungen zu ersetzen
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Wichtige Eigenschaften ausgesuchter Laminate:
„Adhesive“, verklebte Laminate:
Dupont Pyralux® FR: (Acryl Kleber) IPC-4204/A1:Lieferbar in ED und RA Kupfer
Materialdicke Polyimide: 12.5, 25, 50, 75 u. 125µm
Kleberdicke: 13, 25 u. 50µm
Kupferdicke: 17.5, 35 u. 70µm
UL 94 VTM-0 flammability rating
Taiflex THKD050513: (Epoxy Kleber IPC-4204/A1)
Lieferbar in ED und RA Kupfer
Materialdicke Kapton: 12.5, 25, 50µm
Kleberdicke: 13, 20 u. 50µm
Kupferdicke: 12, 17.5, 35 u. 70µm
UL 94 V-0 or VTM-0 certified flame resistance rating
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Wichtige Eigenschaften ausgesuchter Laminate:
„Adhesiveless“, kleberlose Laminate:
Dupont Pyralux® AP: IPC-4204/A11:Lieferbar in ED und RA Kupfer
Materialdicke Polyimide: 12.5, 25, 50, 75, 100, 125, u. 150µm (dicker möglich auf Anfrage)
Kupferdicke: 5, 9, 12, 17.5, 35 u. 70µm
UL 94V-0, UL 796,
Taiflex 2LP IPC-4204/A11:
Lieferbar in ED und RA Kupfer
Materialdicke Kapton: 12.5, 25, 50µm
Kupferdicke: 12, 17.5 u. 35µm
UL 94 V-0
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Die Basis Materialien für Flex und Starr-Flex Leiterplatten
lassen sich in drei Kategorien einteilen:
Flexible, kupferkaschierte Laminate
Schutzfolien, Coverlayer, flexible Lacksysteme
Klebesystem, flexibel und starr
Kupferfolie
einseitig
Kupferfolie
zweiseitig
Bondply
(Kleber-Polyimid-Kleber)
Polyimid Coverlayer
Acryl Klebesheet
No Flow Prepreg
Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
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Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
Was ist ein Coverlayer?
Ein Coverlayer ist eine flexible Schutzschicht
um freiliegendes Kupfer abzudecken. Der von
den Rigid-Leiterplatten bekannte Lötstopplack
ist spröde und kann deshalb für flexible
Leiterplatten nicht benutzt werden.
Coverlayer haben häufig eine einseitig
aufgebrachte Kleberschicht. In Asien wird dafür
vornehmlich Epoxy Kleber verwendet. In
Europa und USA wird dagegen hauptsächlich
Acryl Kleber eingesetzt.
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Basis Material für flexible und starr-flexibleLeiterplatten
Polyimid basierend
Beinhaltet Kleberschicht, wird aufgepresst
Freizustellende Bereiche müssen gefräst
oder gelasert werden
Sehr gut für dynamische Flex Anwendungen geeignet
Photostrukturierbar:Wird auflaminiert (Vakuumlaminator)
Folie wird über Filmbelichtung und nasschemisches
Entwickeln strukturiert (Anwendung beinhaltet immer
auch Lötstoppmaskenfunktion)
Max. semidynamische Anwendungen
Welche Arten von Coverlayer gibt es?
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Basis Material für flexible und starrflexibleLeiterplatten
Es gibt zwei Möglichkeiten um den Coverlayer aufzubringen:
„Embedded“ Coverlayer:
der Coverlayer bedeckt
die komplette flexible
Schaltung auch im
starren Teil.
„Selektiver“ Coverlayer,
auch „Bikini“ Coverlayer
genannt: Er wird nur
dort aufgebracht, wo
er wirklich benötigt wird
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Basis Material für flexible und starrflexibleLeiterplatten
„Bikini“ / „Selective“
Coverlayer:
Der PCB Hersteller lässt die Deckschicht
ein wenig in den starren Stack-up
hineinragen, was die Stabilität der Flex-
schaltung erhöht.
Eliminiert den Einsatz
von Acryl Kleber in
kritischen Bereichen.
Wichtig!
Bei der Realisierung
des Bikini Coverlayers
ist der Einsatz von
„No Flow“ Prepregs
notwendig.
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Beispiele für Pyralux® Coverlays
Pyralux® FR - DuPont™ Pyralux® FR coverlay composites are constructed of DuPont™ Kapton® polyimide film, coated on one side with a proprietary flame retardant B-staged modified acrylic adhesive.
Pyralux® LF - DuPont™ Pyralux® LF coverlay composites are constructed of DuPont™ Kapton® polyimide film, coated on one side with a proprietary B-staged modified acrylic adhesive.
Pyralux® LF-B - DuPont™ Pyralux® LF-B is a black polyimide acrylic coverlay made with DuPont™ Kapton® B polyimide film ideal for products where a uniform, aesthetically pleasing appearance is desired.
Pyralux® PC - DuPont™ Pyralux® PC 1000 is a modified acrylic flexible photoimagable dry film coverlay used for single and double sided applications that require fine line resolution along with bend and crease flexibility.
Pyralux® HXC -DuPont™ Pyralux® HXC is DuPont™ Kapton® MBC black polyimide film coated with epoxy ideal for products where uniform matte black appearance is desired.
Basis Material für flexible und starrflexibleLeiterplatten
http://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-fr.htmlhttp://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-lf.htmlhttp://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-lf-b.htmlhttp://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-pc.htmlhttp://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-hxc.html
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Die Basis Materialien für Flex und Starr-Flex Leiterplatten
lassen sich in drei Kategorien einteilen:
Flexible, kupferkaschierte Laminate
Schutzfolien, Coverlayer, flexible Lacksysteme
Klebesystem, flexibel und starr
Kupferfolie
einseitig
Kupferfolie
zweiseitig
Bondply
(Kleber-Polyimid-Kleber)
Polyimid Coverlayer
Acryl Klebesheet
No Flow Prepreg
Basis Material für flexible und starrflexibleLeiterplatten
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Basis Material für flexible und starrflexibleLeiterplatten
Klebesysteme:
Um die verschiedenen Lagen bei einer starrflexiblen
Leiterplatte zu verkleben stehen verschiedene
Materialen und Methoden zur Verfügung.
Sehr wichtig dabei ist das „Bondply“ Material. Es ist
ein Polyimid Material, das auf beiden Seiten mit
Acrylklebstoff beschichtet ist.
Acryl Klebstoff Polyimid
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Beispiele für Pyralux® Bondplys
Pyralux® FR - DuPont™ Pyralux® bondply composites are constructed of DuPont™ Kapton® polyimide film coated on both sides with a proprietary flame retardant B-staged modified acrylic adhesive.
Pyralux® LF - DuPont™ Pyralux® bondply composites are constructed of DuPont™ Kapton® polyimide film coated on both sides with a proprietary B-staged modified acrylic adhesive.
Pyralux® TK - DuPont™ Pyralux® TK is a fluoropolymer/polyimide composite double sided copper clad laminate and bondply ideal for high speed digital and high frequency flexible circuit applications.
Basis Material für flexible und starrflexibleLeiterplatten
http://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-fr.htmlhttp://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-lf.htmlhttp://www.dupont.com/products-and-services/electronic-electrical-materials/flexible-rigidflex-circuit-materials/brands/pyralux-flexible-circuit/products/pyralux-tk.html
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Was ist ein Stiffener?
Stiffener sind Stücke aus starrem Material, die in
gewünschten Bereichen die flexible Leiterplatte versteifen
um z.B. das Bestücken von Komponenten zu
ermöglichen. Das Versteifungsmaterial kann leitend wie
Metall oder nichtleitend aus Kunststoff oder FR4 sein.
Stiffener Ecke
abgerundet
Polymer Füllung
Ecco Bond
Basis Material für flexible und starrflexibleLeiterplatten
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Der „CTE“ Wert (Wärmeausdehnungskoeffizient):
Mit der wichtigste thermische Parameter bei
Leiterplattenbasismaterialien ist der CTE Wert
(Coefficient of Thermal Expansion). Besonders
wichtig dabei ist die Betrachtung der Z-Achse.
Festlegung der Koordinaten
in Leiterplatten:
Basis Material für flexible und starrflexibleLeiterplatten
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Um die Wichtigkeit des
Themas CTE zu zeigen, ist
es nützlich auf die Analogie
des Lagenaufbaus einer
Leiterplatte mit einem
gekoppelten Federsystem
hinzuweisen. Die
verschiedenen Materialien,
die bei einer Leiterplatte zum
Einsatz kommen, werden als
Federn mit unterschiedlichen
elastischen Konstanten
betrachtet.
Basis Material für flexible und starrflexibleLeiterplatten
ε = Dehnung
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Basis Material für flexible und starrflexibleLeiterplatten
Insbesondere der Einsatz von kleberhaltigen Materialien
erhöht die Gefahr der Delamination:
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Basis Material für flexible und starrflexibleLeiterplatten
CTE Werte verschiedener Rigid-Flex Basis Materialen
Material Tg Werte CTE in der Z-Achse
(20 - 300°C)
Acryl Kleber 20 - 60 300 - 700
Polyimide 360 - 410 40
FR-4 Epoxy 100 - 120 60 - 240
Kupfer 17,6
Die CTE Werte einiger flexibler Basismaterialien in der
Übersicht:
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Wichtige Features für starrflexible Leiterplatten:
Feature Option 1 Option 2
Anzahl der Lagen 1,2 mehrlagig
Flex clad material verklebt kleberlos
Flex clad copper ED RA
Coverlayer Acryl basierend Epoxy basierend
No flow Prepreg Epoxy basierend P"I basierend
Bikini Ja Nein
Rigid clad material Epoxy basierend P"I basierend
Stiffener ja Nein
Diese Features muss man kennen um eine Rigid-Flex
Leiterplatte entwickeln und bestellen zu können:
Basis Material für flexible und starrflexibleLeiterplatten
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Eine große Vielzahl unterschiedlichster Materialien hat
Fastprint als Lagerware vorrätig:
Basis Material für flexible und starrflexibleLeiterplatten
Fastprint Rigid-Flex Material
Item Option 1 Option 2 Option 3
Adehise flex clad material Taiflex Shengyi Dupont
Adhesiveless flex clad material Dupont Panasonic Taiflex
Acryl based coverlayer Dupont
Expox based coverlayer Taiflex Shengyi
Epoxy no flow prepreg 49N Arlon Ventec Isola 406
P"I no flow prepreg 37N Arlon 38N Arlon Ventec
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Aufbauvarianten
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Flex und Rigid-Flex Technologie
Beispiele für Rigid-Flex
Leiterplatten:
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Beispiele für Rigid-Flex
Leiterplatten:
Source: Design Guide 007
Flex und Rigid-Flex Technologie
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Flex und Rigid-Flex Technology
Symmetrische Strukturen: Asymmetrische Strukturen:
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Flex und Rigid-Flex Technology
Beispiele: 2Lagen Flex-Platine mit Stiffener:
Kupfer Kleber Polyimid Bondbly Stiffener
Laminat Verklebt Laminat Kleberlos
Coverlayer
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Flex und Rigid-Flex Technology
Beispiele: 4-Layer Multilayer PCB mit Stiffener:
Kupfer Kleber Polyimid BondblyCoverlayer Stiffener
Laminat Kleberlos
Klebeschicht der
Coverlayers
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Flex und Rigid-Flex Technology
Beispiele: 6-Layer Multilayer Rigid Flex Leiterplatte:
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Flex und Rigid-Flex Technology
Eine kostengünstige Lösung bei eingeschränkter
Biegefähigkeit und großem Biegeradius ist die sog.
Semi-Flex Leiterplatte. Semi-Flex Leiterplatten sind
Standard Rigid FR-4 PCBs, bei denen durch eine
Z-Achsen-Fräsung
ein flexibler Bereich
entsteht. Da der
Standard Lötstopplack
zu spröde ist, muss
hier ein besonderer
Lack eingesetzt
werden.
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Flex und Rigid-Flex Technology
Beispiel: 8-Layer Multilayer Semi-Flex PCB:
Z-Achse
Fräs-
bereich
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Flex und Rigid-Flex Technology
Beispiel: 8-Layer Multilayer Semi-Flex PCB:
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Flex und Rigid-Flex Technology
Sample 1: Sample 2:
Layer: 7
Min. Line Width: 0,086mm
Min. Line Space: 0,201mm
Min. PTH: 0,25mm
LP Thickness: 1,6 +/-0,16mm
Finish: ENIG
Dimensions: 94mm x 100mm
Layers: 10 (2+6C+2)
Min. Line Width: 0,109mm
Min. Line Space: 0,102mm
Min. PTH: 0,2mm
LP Thickness: 1 +/-0,1mm
Finish: ENIG
Dimensions: 90mm x 78,5mm
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Layout und Design-Rules
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Flex und Rigid-Flex Design Rules
Wichtige Empfehlungen der IPC-2223 zur
Fertigungszeichnung:
Es sollten der Fertigungszeichnung separate
Ansichten hinzugefügt werden, die:
die Konfiguration einer eingebauten flexiblen
Leiterplattenanordnung darstellen,
die kritischen Bereiche, die gefaltet oder gebogen werden
sollen, dargestellt und kennzeichnet,
eine detaillierte Auflistung und Beschreibung der
Materialien enthält.
Eine Schnittzeichnung wird empfohlen.
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Flex und Rigid-Flex Design Rules
Abgerundete Ecken in Flex Biegebereiche:
Bevorzugt Akzeptiert Nicht erlaubt
Reduzierte/eliminierte Stress-Konzentrationen, die Zuverlässigkeit
wird verbessert
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Flex und Rigid-Flex Design Rules
Leiter-
bahnen im
Biegebereich:
Die Leiterbahnen sollen nach Möglichkeit senkrecht zur Biegung
verlegt werden. Damit wird der Druck auf die Leiterbahnen während
der Biegung minimiert.
Nicht erlaubt Akzeptiert Bevorzugt
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Flex und Rigid-Flex Design Rules
Leiterbahnen nicht stapeln:
Durch das Stapeln von Leiterbahnen erhöht sich die Dicke.
Dadurch wird die Flexibilität reduziert.
schlecht
gut
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Flex und Rigid-Flex Design Rules
Pads verrunden (fillet):
Es ist eine gute Idee, Pads an jeder möglichen Stelle zu verrunden.
Runde Ecken vermeiden und verringern mögliche Spannungen.
Vor dem Verrunden Nach dem Verrunden
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Flex und Rigid-Flex Design Rules
Pads verrunden (fillet):
Jede stärkere Abmessungsänderung kann zu einer übermäßigen
Biegebeanspruchung führen. Dadurch können Risse in der
Kupferfolie in den flexiblen Bereichen entstehen.
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Flex und Rigid-Flex Design Rules
Leiterbahnbreite immer maximieren:
Es ist ratsam die Leiterbahnbreite wenn immer möglich zu
maximieren.
Möglichst vermeidenBevorzugt
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Flex und Rigid-Flex Design Rules
Die Breite einer Leiterbahn nicht abrupt ändern:
Jede abrupte Änderung der Leiterbahnbreite kann zu
einer potentiellen Schwachstelle bezüglich der
Haltbarkeit einer Flex-Lage führen.
Möglichst vermeiden Bevorzugt
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Flex und Rigid-Flex Design Rules
Riss
Entlastung:
Diese Abbildung zeigt die häufigsten und wirksamsten Methoden um
Risse in einer flexiblen Schaltung zu verhindern.
Entlastungs-
schlitz
Schlitz mit
Entlastungs-
Bohrung
Große
Radien in
den Ecken
Teflon
Verstärkung
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Flex und Rigid-Flex Design Rules
Via Design:
Restringe so groß
wie irgend möglich
Tropenförmige Vias
Hinzufügen von kleinen
Erweiterungen (Anchors) an den
Pads, wie oben dargestellt
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Flex und Rigid-Flex Design Rules
Via Position :
Vias sind nicht zuverlässig in flexiblen Bereichen
In einer dynamischen Anwendung können Vias sehr
schnell brechen
Vias sind in Ordnung über einer Versteifung (Stiffener),
aber Vias direkt an der Kante eines Stiffeners stellen
ein Risiko dar
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Flex und Rigid-Flex Design Rules
Lochabstand zum flexiblen Teil:
Vermeiden Sie Abstände unter 1,25mm/50 mil um eine
hohe Zuverlässigkeit zu garantieren
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Flex und Rigid-Flex Design Rules
Stiffener:
Überlegungen zum Thema Stiffener:
Beim Einsatz mehrerer Versteifungen sollten alle gleich dick sein um
die Kosten niedrig zu halten
Stiffeners sollten bis zu den Außenkanten geführt werden
Stiffeners erhöhen die Haltbarkeit von Lötstellen
Stiffeners können zur Zugentlastung benutzt werden
Source: Sierra Circuits
Überlappung
min. 0,75mm
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Flex und Rigid-Flex Biegeradius
Statt durchgehender Kupfer-Flächen werden bei flexiblen
und starrflexiblen Leiterplatten häufig kreuzschraffierte
Raster eingesetzt.
Diese Muster haben jedoch einen Einfluss bei
kontrollierten Impedanzen.
Je weniger Kupfer
desto flexibler
die Schaltung!
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Biegen und Biegeradius
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Flex und Rigid-Flex Biegeradius
Wovon hängt die Flexibilität und damit der Biegeradius
einer flexiblen und starrflexiblen Schaltung ab?
Art der eingesetzten Materialien
Die Dicke der
flexiblen
Schaltung
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Flex und Rigid-Flex Bending
Auszug IPC-2223 Berechnung des Biege-Radius:
1) Formel für einseitige Leiterplatte mit verklebtem Laminat:
R = (c/2)[(100 - EB)/EB] - D
R = Minimaler Biegeradius in mm
c = Kupferdicke in mm
D = Dielektrische Dicke in mm (Laminat verklebt)
EB = Größe der Kupferdehnung in %
Werte für EB:
RA Kupfer max. ≤16%
ED Kupfer max. ≤11%
Anwendungen für Einbau-Biegebeanspruchung: ≈ 10%
Anwendungen für dynamische Biegebeanspruchung ≈ 0,3%
Anwendungen für Festplatten ≈ 0,1%
Source: IPC-2223
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Flex und Rigid-Flex Bending
In der IPC-2223 finden sich unter den Kapiteln:
5.2.3.3.1
und
5.2.3.3.2
weitere Informationen und auch eine Formel für
mehrlagige Flex Leiterplatten.
In der folgenden Folie geben wir Ihnen wichtige
Richtwerte für die Biegeradien an die Hand.
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Flex und Rigid-Flex Biegeradius
Faustregel zur Berechnung des Biegeradius:
1-Layer, Starr-Flex-PCB: = r(min) = 6 x h
2-Layer, Starr-Flex-PCB: = r(min) = 10 x h
Mulitlayer, Starr-Flex-PCB: = r(min) = (10-15) x h
Stark dynamische belastete Starr-Flex-PCB: = r(min) = 25 x h
"h" ist dabei die Dicke der Flex-Leiterplatte
Gehen Sie bei einer 1-Layer Platine von einem "h" von ca. 150µm und bei
einer 2-Layer Platine von einem "h" von ca. 200µm aus. Dabei sind schon
Sicherheiten eingerechnet.
Ein Beispiel
Eine 2-Lagen Starr-Flex-PCB ist 200µm dick. Aus der Formel oben gilt:
10 x 200µm = 2000µm = 2mm.
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Flex und Rigid-Flex Biegeradius
Buchbinder Methode:
Auszug aus der IPC-2223:
Die Buchbinder Methode angewandt
in einem ungebundenen Biegebereich
kann in Bereichen verwendet werden,
in denen eine scharfe Kurve
(Radius Dickenverhältnisse
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Flex und Rigid-Flex Bending Radius
Buchbinder Methode:
Differential Lengths (Multilayer
and Rigid Flex)
Berechnung der jeweils
zusätzlichen Länge jeder
Flex-Lage nach IPC-2223:
Die nächste Lage wird wie folgt
berechnet:
Source: IPC-2223
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Flex und Rigid-Flex Biegeradius
Biegeradius Semi-Flex:Berechnung der notwendigen Länge L des
Biegebereiches:
L = Winkel x Radius R x Pi / 180° + 2 x 0,4mm)
Lä
ng
e LSemiflex Biegebereich Länge L
Min. Biegeradius 5 mm
Winkel L
45° 5 mm
90° 9 mm
180° 17 mm
Biegerichtung
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Handling und Verarbeitungsempfehlung
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Flex und Rigid-Flex Verarbeitungsempfehlungen
Flexible und starrflexible Leiterplatten müssen vor dem
Lötprozess unbedingt getempert (getrocknet) werden.
Polyimid-Folien sind sehr hygroskopisch („Feuchtigkeit
aufnehmend“). Selbst unter Standard-Raumbedingungen
nehmen bereits getrocknete Folien Feuchtigkeit aus der
Luft auf. Flexible und starrflexible Leiterplatten müssen
deshalb vor dem Lötprozess unbedingt getempert und
möglichst bald danach auch verarbeitet werden, denn
innerhalb weniger Stunden erreicht das Polyimid Material
wieder seinen Feuchtigkeits-Sättigungsgrad
(bis max. 3 %).
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Flex und Rigid-Flex Verarbeitungsempfehlungen
Die absorbierte Feuchtigkeit kann durch die thermische
Beanspruchung beim Lötprozess zu Delaminationen,
Blasenbildung oder Abrissen führen.
Feuchtigkeitsaufnahme von Rigid-Flex Materialien:
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Flex und Rigid-Flex Verarbeitungsempfehlungen
DuPont Pyralux® Flex materials Baking Recommendations Prior to Reflow
We recommend that boards made with Pyralux ® Flex materials are baked prior to
exposure to solder processes (e.g. solder leveling and reflow). Boards are generally
baked at 250 °F (121 °C) from two to ten hours, * depending on the board thickness and
design. Baking removes any moisture that may have been absorbed during processing.
Polyimide films absorb moisture quickly; therefore, soldering and reflow should be done
within 30 minutes after baking.
Vacuum ovens are also used to remove water. Lower temperatures, such as 150-175 °F
(65-80 °C) can be used. This method also reduces the oxidation of the exposed copper
pads.
Boards should be baked prior to soldering by hand, wave, IR and Vapor Phase
soldering. This bake is typically done at 250 °F (121 °C) for two to ten hours, *
depending on the board thickness and design.
Note: Moisture Absorption
Kapton® NH: 2.8%
Pyralux® LF: 1.8%
Pyralux® RF: 1.8%
* Times may vary based on type of materials in board, layer count, % copper
ground planes, size of board, room/area conditions (%RH) etc...
In Abhängigkeit von der Dicke der Leiterplatte
empfiehlt Dupont eine Trockenzeit von
2 bis 10 Stunden bei 120°C
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Flex und Rigid-Flex Verarbeitungsempfehlungen
Lötprozesse:
Getemperte starr-flexible Leiterplatten können maximal 6
bis 8 Stunden nach dem Trocknen sowohl hand- als auch
maschinengelötet werden. Die üblicherweise bei starren
Platinen eingesetzte Anlagentechnik, wie Infrarot-,
Konvektions- und Dampfphasenlötung kann auch bei
starr-flexiblen Schaltungen angewandt werden.
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Schlussbemerkungen
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Schlussbemerkungen
Sprechen Sie bereits in einer frühen Entwicklungsphase
mit Ihrem Lieferanten.
Prüfen Sie dabei, ob Ihr Lieferant in der Lage ist
Ihr Design zu realisieren.
Lassen Sie sich bei der Auswahl des Materials
beraten und unterstützen.
Benutzen Sie die IPC Standards, insbesondere die
IPC-2223 als Referenz für Ihr Design.
Golden Rules:
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Literatur Referenzen / References
IPC Organisation “IPC-2223”
IPC Organisation “IPC-6013”
IPC Organisation “IPC-4202 – 4204”
Dupont www.dupont.com
Taiflex www.taiflex.com
Panasonic www.panasonic.com
http://www.dupont.com/http://www.taiflex.com/http://www.panasonic.com/
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Danke für Ihre
Aufmerksamkeit