Multilayer-Flex-PCB und Rigid-Flex-PCB werden oft so verwendet, als bedeuten sie dasselbe. Tatsächlich sind sie eng verwandt, aber nicht identisch.
Eine Rigid-Flex-PCB kombiniert starre und flexible Bereiche in einer integrierten Leiterplattenstruktur. Eine Multilayer-Flex-PCB bezeichnet hingegen einen mehrlagigen Aufbau auf Basis flexibler Dielektrika.
Einfach gesagt: Der eine Begriff beschreibt vor allem die strukturelle Ausführung der Leiterplatte, der andere den mehrlagigen flexiblen Aufbau.
Kurz erklärt
- Eine Rigid-Flex-PCB wird vor allem durch die Kombination aus starren und flexiblen Bereichen definiert.
- Eine Multilayer-Flex-PCB wird stärker durch ihren mehrlagigen flexiblen Dielektrikaufbau definiert.
- In realen Produkten können sich beide Konzepte überschneiden.
Warum werden diese beiden Begriffe so häufig verwechselt?
Die Verwechslung hat vor allem mit der technologischen Entwicklung zu tun.
Rigid-Flex-Konstruktionen wurden ursprünglich in hochzuverlässigen Elektronikanwendungen eingesetzt, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt. Dort brauchte man zuverlässige Leiterführung auf engstem Raum. In komplexen Systemen konnten solche Aufbauten mehr als 30 Leiterlagen umfassen.
Später entwickelte sich die Technologie durch die Unterhaltungselektronik in eine andere Richtung: zu dünneren Bauformen, höheren Packungsdichten und niedrigeren Produktkosten für Produkte wie Mobiltelefone und Digitalkameras.
Deshalb werden ähnliche Technologien heute aus unterschiedlichen Blickwinkeln beschrieben. Manchmal liegt der Fokus auf der Kombination aus starreren und flexibleren Bereichen. In anderen Fällen steht der mehrlagige flexible Dielektrikaufbau im Vordergrund.
Zunächst die Definition: Es handelt sich nicht um zwei strikt getrennte Kategorien
Eine Rigid-Flex-PCB ist eine Leiterplattenstruktur, die starre und flexible Bereiche in einer gemeinsamen Baugruppe kombiniert. Die starren Bereiche dienen der Bauteilaufnahme und der mechanischen Stabilität. Die flexiblen Bereiche ermöglichen Biegen, Faltenbildung sowie dreidimensionale Leiterführung.
Eine Multilayer-Flex-PCB lässt sich besser als ein mehrlagiger Aufbau verstehen, der auf flexiblen Dielektrika statt auf klassischen, starren Glas-Epoxid-Materialien basiert. Der Begriff bezieht sich daher stärker auf den Materialaufbau und die Anordnung der flexiblen Lagen.
Es handelt sich also nicht um zwei vollständig getrennte Produktgruppen. In der Praxis kann ein Design aus struktureller Sicht klar ein PCB sein und gleichzeitig aus Materialsicht in den Bereich Multilayer-Flex fallen.
Direkter Vergleich
| Aspekt | Multilayer Flex PCB | Rigid-Flex PCB |
| Schwerpunkt | Flexibler mehrlagiger Dielektrikaufbau | Kombination aus starren und flexiblen Bereichen |
| Am besten zu verstehen als | Mehrlagiges flexibles Materialsystem | Leiterplattenarchitektur mit starren und flexiblen Zonen |
| Design-Fokus | Lagenaufbau, Biegeverhalten, Flex-Performance | Mechanische Integration, Übergang starr/flexibel, Packaging |
| Typische Themen | Polyimid, adhesivfreie Materialien, Coverlay, Lagentrennung | Starre Bereiche, flexible Bereiche, Laminierung, Fräsen, definierte Materialabträge |
| Überschneidung möglich? | Ja | Ja |
Struktureller Unterschied: Leiterplattenarchitektur vs. flexibler Lagenaufbau
Der strukturelle Unterschied beginnt mit der Designabsicht.
Bei einer Rigid-Flex-PCB geht es in erster Linie darum, wie starre und flexible Bereiche in einem Produkt zusammenarbeiten. Die starren Zonen tragen typischerweise Bauteile, Steckverbinder und Befestigungspunkte. Die flexiblen Zonen verbinden diese Bereiche und ermöglichen das Biegen oder Falten innerhalb der finalen Baugruppe.
In vielen Fällen ist die eigentliche Herausforderung nicht allein die Lagenzahl. Entscheidend ist, wie die starren und flexiblen Bereiche angeordnet sind, wie die Biegezonen ausgeführt werden und wie die fertige Leiterplatte in das Gehäuse oder in die Baugruppe passt.
Eine Multilayer-Flex-PCB legt den Schwerpunkt stärker auf die Aufbauweise der flexiblen Lagen.
Zum Beispiel können Multilayer-Flex-Designs eine ungebundene Trennung flexibler Lagen nutzen, um das Biegeverhalten zu verbessern. Wenn flexible Lagen fest miteinander verbunden sind, können sich beim Biegen Spannungen bilden. Haben die Lagen mehr Bewegungsfreiheit, lässt sich diese Spannung gleichmäßiger verteilen. In hochzuverlässigen Anwendungen kann ein solcher Aufbau Strukturen mit mehr als 30 Lagen unterstützen.
Ein wichtiger Punkt wird oft übersehen: Eine höhere Lagenzahl bedeutet nicht automatisch eine höhere Packungsdichte.
In der Luft- und Raumfahrt sowie in anderen hochzuverlässigen Anwendungen verzichten Entwickler teilweise bewusst auf feinste Leiterstrukturen und Microvias. Stattdessen werden breitere Leiterbahnen und Abstände, größere durchkontaktierte Bohrungen sowie dickere Kupferschichten in den Bohrungswänden eingesetzt, weil die Langzeitzuverlässigkeit wichtiger ist als die maximale Miniaturisierung.
Typische Bauformen von Rigid-Flex-Leiterplatten
- Faltkonstruktionen
- Flying-Tail-Strukturen
- Bookbinder-Strukturen
Materialunterschiede: Polyimid, adhesivfreie Kupferkaschierungen, Klebstoffe und Coverlay
Beim Materialsystem wird die Perspektive von Multilayer Flex besonders wichtig.
Solche Aufbauten benötigen Materialien mit hoher Wärmebeständigkeit und guter Maßhaltigkeit während der Verarbeitung. In hochzuverlässigen Anwendungen, etwa in der Wehrtechnik oder der Luft- und Raumfahrt, werden typischerweise dickere Polyimid-Folien bevorzugt, meist über 50 μm, da sie höhere Stabilität und Dauerfestigkeit bieten. In der Unterhaltungselektronik geht der Trend in die entgegengesetzte Richtung: zu dünneren Materialien, oft unter 50 μm, um die Bauhöhe zu reduzieren und kompakte Bauformen zu ermöglichen.
Auch die Wahl des Klebstoffs beeinflusst das Leistungsprofil:
- Acrylat-Klebstoffe bieten in der Regel eine höhere Haftfestigkeit, weisen jedoch meist eine geringere Wärmebeständigkeit und ein höheres Schrumpfverhalten auf.
- Epoxid-Klebstoffe bieten meist eine bessere Wärmebeständigkeit, benötigen jedoch in der Regel längere Aushärtezeiten und können eine etwas geringere Klebkraft aufweisen.
Adhesivfreie kupferkaschierte Materialien sind sowohl bei Rigid-Flex- als auch bei Multilayer-Flex-Aufbauten oft ein wesentlicher Vorteil, weil sie bieten können:
- höhere Wärmebeständigkeit
- geringere thermische Ausdehnung
- geringere Enddicke der Leiterplatte
Auch thermoplastische Polyimid-Coverlay- und Bondply-Systeme haben sich deutlich verbessert. Sie können dünner, zuverlässiger und wirksamer bei der Reduzierung von Bohrschmier- bzw. Harzrückständen sein. Der Nachteil: Sie können Verarbeitungstemperaturen von über 300 °C erfordern, was höhere Anforderungen an Anlagen und die Prozesskontrolle stellt.
Fertigungsunterschiede: Warum Rigid-Flex aufwendiger herzustellen ist
Die Herstellung von Rigid-Flex ist komplexer, weil sie Prozesse der starren Leiterplatte und der flexiblen Schaltung in einem Produkt kombiniert.
Ein qualifizierter Hersteller muss nicht nur mehrlagige Laminierung, Bohren, Metallisieren und Außenlagenbearbeitung beherrschen, sondern auch flexspezifische Anforderungen wie den Schutz von Biegebereichen, den Umgang mit Coverlay, den definierten Materialabtrag in starren Bereichen und die Maßstabilität während der Laminierung.
Ein typischer Prozess beginnt mit doppelseitig kupferkaschiertem Flexmaterial. Die Leiterbilder werden geätzt, die flexiblen Bereiche mit Coverlay geschützt und die Multilayer-Flex-Abschnitte mit Bondply verbunden, wobei das Biegebereich geöffnet ist. Anschließend werden starre Außenbereiche mit starrem kupferkaschiertem Material ergänzt.
Danach können die starren Außenlagen per CNC-Fräsen, Stanzen oder Laserbearbeitung so bearbeitet werden, dass starres Material im Flexbereich vor der Endverbindung ganz oder teilweise entfernt wird. Wenn gefräste Kavitäten eingesetzt werden, kann der Flexbereich während der Laminierung zusätzliche Druckunterstützung benötigen. Vakuumlaminierung und Vorbacken zur Feuchteentfernung werden häufig eingesetzt, um die Prozessstabilität zu verbessern.
Warum die Fertigung anspruchsvoller wird
- Starre und flexible Materialien verhalten sich bei der Laminierung unterschiedlich.
- Biegebereiche benötigen besonderen Schutz.
- Die Feuchtekontrolle wird wichtiger.
- Der Maßausgleich wird kritischer.
- Das finale Konturieren und Formen sind komplexer als bei klassischen, starren Leiterplatten.
Zuverlässigkeitsunterschiede: Durchkontaktierungen, Desmear, Kupferdicke und Biegezonendesign
Gerade bei der Zuverlässigkeit werden die Unterschiede besonders deutlich.
Wenn durchkontaktierte Bohrungen in flexiblen Lagen eingesetzt werden, können Bohr- und Lochbearbeitungsparameter nicht einfach aus Standardprozessen starrer Leiterplatten übernommen werden. Sie müssen auf das jeweilige Materialsystem und die konkrete Struktur abgestimmt werden. Ein Vorbacken vor dem Bohren ist dabei besonders wichtig für die Zuverlässigkeit der Durchkontaktierungen.
Auch Desmear ist ein wichtiger Faktor.
Kaliumpermanganat kommt in der Verarbeitung starrer Leiterplatten weit verbreitet vor, kann jedoch bei Acrylat-Klebstoffsystemen zum Quellen führen und die Lochzuverlässigkeit beeinträchtigen. Deshalb werden bei Rigid-Flex-Strukturen häufig Plasmaätzen bevorzugt. Klebstoffsysteme auf Polyimidbasis können Desmear-Probleme ebenfalls reduzieren, erfordern jedoch meist höhere Laminierungstemperaturen und spezialisiertere Prozesse.
Auch die Anforderungen an die Kupferdicke in der Bohrungswand hängen von der jeweiligen Anwendung ab. In der Luft- und Raumfahrt sowie in der industriellen Elektronik sind die Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Durchkontaktierungen in der Regel höher. Hier wird häufig eine Bohrungswandkupferdicke von über 25 μm empfohlen. In bestimmten IPC6013C-bezogenen Fällen kann die Anforderung sogar über 35 μm liegen. In Konsumprodukten kann dünneres galvanisiertes Kupfer eingesetzt werden, um die Bauhöhe und Kosten zu senken, solange die Zuverlässigkeit für die jeweilige Anwendung ausreicht.
Auch positives Feedback spielt eine wichtige Rolle. Häufig wird eine Tiefe von etwa 13 μm empfohlen. Dadurch lassen sich Klebstoff- und Polyimidlagen zurückätzen, ohne das Metall zu beschädigen. Gleichzeitig wird die Metalloberfläche gereinigt und die Qualität der endgültigen Kupferverbindung verbessert.
Warum Bookbinder-Strukturen und die Trennung flexibler Lagen wichtig sind
In mehrlagigen Flexbereichen ist nicht nur entscheidend, ob sich die Leiterplatte biegen lässt, sondern auch, wie gleichmäßig sich die einzelnen Lagen unter Belastung verformen.
Wenn mehrere flexible Lagen im Biegebereich dieselbe Länge haben, kann das Biegeverhalten leiden. Jede Lage weist einen anderen Biegeradius auf; daher benötigen innere und äußere Lagen beim Biegen nicht dieselbe Länge. Gleich lange Lagen können zu Faltenbildung, ungleichmäßigen Abständen und lokalen Spannungsspitzen führen.
Wenn die Biegelänge groß genug ist und die Folien und Kupferlagen ausreichend dünn sind, fällt dieses Problem weniger stark ins Gewicht. In solchen Fällen kann eine ungebundene Trennung flexibler Lagen das Biegeverhalten verbessern, da die Lagen mehr Bewegungsfreiheit haben.
Ist der Biegebereich kurz und zugleich eine hohe Zuverlässigkeit gefordert, ist eine Bookbinder-Struktur oft die bessere Lösung. Dabei erhalten die flexiblen Lagen innerhalb der Biegezone von innen nach außen schrittweise größere Längen. So bleiben die Abstände gleichmäßiger und die Faltenbildung wird reduziert.
Bookbinder-Struktur: Vor- und Nachteile
Vorteile
- bessere Biegezuverlässigkeit in kurzen Flexbereichen
- gleichmäßigere Abstände zwischen den Lagen
- geringeres Risiko für Faltenbildung und lokale Spannungsspitzen
Nachteile
- erfordert spezielle Werkzeuge und Anlagen
- reduziert die Fertigungseffizienz
- ist für kostenkritische Konsumprodukte nur bedingt geeignet
Anwendungsunterschiede: Luft- und Raumfahrt, Industrial/Medical HDI und Consumer Electronics
Im Anwendungskontext wird die Abgrenzung noch klarer.
Luft- und Raumfahrt sowie andere hochzuverlässige Systeme
In hochzuverlässigen Umgebungen wie der Luft- und Raumfahrt stehen zuverlässige Leiterführung auf engem Raum, eine lange Lebensdauer sowie robuste elektrische Verbindungen im Vordergrund.
Solche Designs können sehr hohe Lagenzahlen aufweisen, zielen jedoch nicht zwingend auf die kleinsten Leiterbahnen oder Vias ab. Größere durchkontaktierte Bohrungen, breitere Leiterbahnen und Abstände sowie mehr Kupfer werden oft bevorzugt, weil langfristige Zuverlässigkeit wichtiger ist als maximale Miniaturisierung.
Industrial und Medical HDI Rigid-Flex
Industrielle und medizinische Anwendungen kombinieren zunehmend hohe Packungsdichte mit hoher Zuverlässigkeit.
In solchen Designs kann der Leiterabstand unter 100 μm liegen, ebenso der Via-Durchmesser. Verwendet werden können 25 μm oder dünnere adhesivfreie Dünnkupfer-Polyimidmaterialien, oft mit Kupferdicken von etwa 18 μm oder weniger, zusammen mit lasergebohrten Microvias und Blind Vias. Auch Bestückungsverfahren wie BGA-Löten und Flip-Chip-Bonding kommen in Frage.
Consumer Electronics
Unterhaltungselektronik folgt einer anderen Optimierungslogik.
Smartphones, Digitalkameras und Displaymodule erfordern hohe Dichte, kompakte Bauformen und strenge Kostenkontrolle. Solche Produkte können Leiterbahnbreiten unter 75 μm, Blind-Vias unter 150 μm sowie hochdichte SMT-Bestückungen einsetzen. Viele kleine ICs sitzen auf den starren Bereichen, während die flexiblen Abschnitte Displays, Kameras oder weitere Module verbinden.
Consumer-orientierte Designs tendieren außerdem dazu:
- dünnere Materialien einzusetzen, um die Gesamtdicke zu reduzieren
- Bohrungswandkupfer unter 15 μm zuzulassen, sofern die Zuverlässigkeitsanforderungen es erlauben
- starres Außenmaterial aus Glas-Epoxid teilweise durch Polyimid-Film oder adhäsivfreie kupferkaschierte Materialien zu ersetzen
- die Gesamtzahl der Leiterlagen auf 10 oder weniger zu begrenzen
- die Leiterplatte möglichst kompakt und rechteckig auszulegen, um Materialausnutzung und Fertigungseffizienz zu verbessern
Wann sollte man welchen Begriff verwenden?
Verwenden Sie Rigid-Flex PCB, wenn sich die Diskussion vor allem um folgende Punkte dreht:
- Integration starrer und flexibler Bereiche
- mechanisches Packaging
- Falten und 3D-Montage
- Auslegung der Übergangszone
- Fertigungskomplexität hybrider starr/flexibel-Strukturen
Verwenden Sie Multilayer Flex PCB, wenn sich die Diskussion vor allem um folgende Punkte dreht:
- flexiblen Dielektrik-Stackup
- mehrlagigen Aufbau auf Polyimidbasis
- Lagentrennung zur Verbesserung des Biegeverhaltens
- Materialsysteme wie adhäsivfreie Kupferkaschierungen, Coverlay und Bondply
- Verhalten flexibler Lagen beim Biegen und in Bezug auf Zuverlässigkeit
Fazit
Der Unterschied zwischen einer Multilayer-Flex-PCB und einer Rigid-Flex-PCB ist nicht nur eine Frage der Terminologie. Er spiegelt zwei unterschiedliche Konstruktionsperspektiven wider.
Eine Multilayer-Flex-PCB wird primär durch ihren mehrlagigen flexiblen Dielektrikaufbau definiert. Eine Rigid-Flex-PCB ist eine Leiterplatte, die starre und flexible Bereiche in einer Struktur integriert. In vielen Designs überschneiden sich diese beiden Sichtweisen, doch die konstruktive Zielsetzung unterscheidet sich.
Welcher Begriff der richtige ist, wird meist klar, wenn die technischen Prioritäten eindeutig sind: Stackup, Biegeverhalten, Packaging, Zuverlässigkeit, Bauhöhe oder Fertigbarkeit.
