Semi-Flex-
Leiterplatten

Mit einfachen Flächen-Tiefenfräsungen können Standardleiterplatten für flexible Installationen präpariert werden. Die sogenannten Semi-Flex-Leiterplatten bieten hier eine kostenoptimierte Lösung.

Semi-Flex Leiterplatten | Flex-to-Install | Tiefenfräsung

Semi-Flex Leiterplatten – Flexible Installation ohne Steckverbinder

Die Scheu ist oft hoch, wenn es darum geht, von einer Standardleiterplatte mit Kabelanschlüssen auf eine starr-flexible Platine umzusteigen. Die Vorteile sind enorm, jedoch sind auch die Kosten sowie die zu berücksichtigenden Layoutanforderungen im Vergleich zu Standardleiterplatten beträchtlich. Oft ist dieser extreme Sprung vom Standard auf Hoch-Technologie jedoch gar nicht nötig. Viele Leiterplatten benötigen keine dynamische Biegbarkeit, sondern müssen lediglich beim Einbau der Gehäuseform angepasst werden. Hier kommt die Semi-Flex-Leiterplatte als echte kostengünstige Alternative ins Spiel.

Die Herstellung einer semi-flexiblen Leiterplatte verläuft exakt so wie die normaler Standardleiterplatten. Diese sind als einlagige, zweilagige oder als mehrlagige Multilayer herstellbar. Mit Ausnahme der Verwendung von speziellem Flex-Lack sind die Materialien identisch. Zum Ende des Herstellungsprozesses werden lediglich ganze Flächen mittels Tiefenfräsungen ausgedünnt. Das übrig bleibende Restmaterial trägt nur die verbliebenen Leiterbahnen und ist jetzt biegbar.

Um Transport und Verarbeitung von Semi-Flex-Platinen optimal zu gestalten, empfiehlt sich stets die Fertigung in einem Fräsnutzen. Nach der Bestückung lassen sich die Platinen hier bequem vereinzeln und dann installieren.

Bei Design und Installation von Semi-Flex-Leiterplatten sind einige Dinge zu beachten.

Die Platine darf nur mit dem Kupfer zur Außenseite gebogen werden.
Offen liegende Kupferstrukturen, Pads, Restringe oder Kupferhülsen sollten mindestens 1mm von der Biegekante entfernt sein (Objektabstand), in Sonderfällen kann mit 0,8mm gefertigt werden. Der Übergangsbereich starr zu semi-flexibel sollte mit stumpfen Winkeln oder Radien >5mm erfolgen. Leiterbahnabstände zur Kontur im semi-flexiblen Bereich mindestens 0,30mm.
Der maximale Biegeradius ist abhängig von der Länge des semi-flexiblen Bereichs.
Derzeit sind semi-flexible Leiterplatten bis 14 Lagen möglich, wobei es nur eine semi-flexible Außenlage je Biegebereich geben darf.
Tipps zum Biegen sind zum einen, die Leiterplatte mit einem Fön zu erwärmen. Des Weiteren sollte nicht frei gebogen werden, sondern über ein definiertes Objekt, so dass die Biegung gleichmäßig erfolgt.

Eigenschaft	Werte, Erläuterung
Materialart	FR4, Tg 130°C, sowie ausgewählte Hoch-Tg-Materialien bis 170°C
Restmaterial	150µm bis 250µm
maximale Biegung	180°, je nach Länge des heruntergefrästen Bereiches
Kupferdicken	35µm
maximale Lagenzahl	im starren Bereich bis 10 Lagen, im Semi-Flex-Bereich eine Lage (außen)
Lötstopplack	Flexlack, grün (für Biegebelastung)
Biegebelastung	Flex-to-Install, nicht für dynamische Biegebeanspruchung
Drucke	partieller Bestückungsdruck oder andere Lötstoppfarbe möglich, jedoch nicht auf Biegebereich empfohlen
Tiefenfräsverfahren	digital gesteuerte Z-Achsenfräsung, kameragesteuert, Toleranz +/-20µm

Wann verwendet man
Semi-Flex-Leiterplatten?

Semi-Flex-Leiterplatten sind Standardleiterplatten aus FR4 (Flame Retardant 4, glasfaserverstärktes Epoxidharz), die durch Tiefenfräsung auf eine Restdicke von 150 µm bis 250 µm gebracht werden. Der gefräste Bereich lässt sich einmalig zur Installation biegen. Wenn eine Baugruppe gebogen eingebaut wird und danach in Position bleibt, ist Semi-Flex die wirtschaftliche Lösung (Flex-to-Install). Wenn Steckverbinder und Kabel zwischen zwei starren Bereichen entfallen sollen und keine dynamische Biegung auftritt, reicht Semi-Flex statt Starrflex. Wenn im Betrieb wiederholte oder dauerhafte Biegezyklen auftreten, ist Semi-Flex nicht geeignet. Dann sind flexible Leiterplatten aus Polyimid oder Starrflex die richtige Wahl.

Anwendungen

Gefaltete Baugruppen:

kompakte Gehäuse, in denen die Leiterplatte über Kanten oder Ebenen gebogen eingebaut wird.

LED- und Beleuchtungstechnik:

Lichtbänder und Module, die um Gehäusekanten oder Radien geführt werden.

Netzteile und Industrieelektronik:

Ersatz von Board-to-Board-Steckverbindern und Kabelbrücken zwischen zwei starren Bereichen.

Automotive und Anzeigen:

Display-, Bedien- und Kameramodule, bei denen die Anzeigeebene gewinkelt zur Hauptplatine steht.

Sensorik:

Sensorebene gewinkelt oder versetzt zur Auswerteelektronik, ohne zusätzlichen Steckverbinder.

Abgrenzung: Semi-Flex
gegen Flex und Starrflex

Lösung	Aufbau	Biegung	Wann die richtige Wahl
Semi-Flex	FR4, Tiefenfräsung auf 150 µm bis 250 µm Restdicke, bis 10 Lagen starr, Biegebereich eine Außenlage	Einmalig zur Installation, bis 180°, nicht dynamisch	Einbau mit einmaliger Biegung, Kostenvorteil gegenüber Starrflex und Steckverbinderlösungen
Flexible Leiterplatte (FPC)	Polyimid, 1 bis 6 Lagen, Materialdicke 12,5 µm bis 65 µm ohne Kupfer	Statisch und dynamisch, bei guter Auslegung Millionen Biegezyklen	Bewegte Baugruppen, Kabelersatz, engster Bauraum
Starrflex	FR4 starr plus Polyimid flexibel in einem Verbund, 2 bis 12 Lagen	Statisch und dynamisch	Mehrere starre Baugruppen in einem Verbund, Miniaturisierung, dreidimensionale Installation, höchste Zuverlässigkeit

Für dynamische Biegebelastung ist Semi-Flex nicht ausgelegt.

Materialwahl bei Semi-Flex: Warum Füllstoffe und hoher Tg im Biegebereich schaden

Die Biegbarkeit einer Semi-Flex-Leiterplatte entsteht im tiefengefrästen Restmaterial von 150 µm bis 250 µm. Entscheidend ist dort die Bruchdehnung des Harzes, nicht der Tg-Wert (Glasübergangstemperatur). Hoch-Tg-Materialien erreichen ihren Tg über dichter vernetzte Harzsysteme. Dichter vernetzte Harze sind härter und spröder. Viele Hoch-Tg- und halogenfreie Materialien enthalten daher zusätzlich mineralische Füllstoffe. Füllstoffe senken die Bruchdehnung und erhöhen die Bruchgefahr im Biegebereich deutlich. Ein hoher Tg-Wert ist deshalb bei Semi-Flex kein Qualitätsmerkmal, sondern ein Risikofaktor.

Typische Gründe für Füllstoffe im Basismaterial sind zugleich Warnsignale für den Biegebereich:

Halogenfreiheit: Flammschutz ohne Brom erfordert mineralische Füllstoffe, zum Beispiel Aluminiumhydroxid.
Abgesenkter CTE (Coefficient of Thermal Expansion, Wärmeausdehnung): Füllstoffe reduzieren die Ausdehnung in z-Richtung zugunsten zuverlässiger Durchkontaktierungen.
CAF-Beständigkeit (Conductive Anodic Filament, leitfähige Filamentbildung): CAF-optimierte Materialklassen sind häufig gefüllt.

Steht eine dieser Eigenschaften im Datenblatt im Vordergrund, ist das Material im Regelfall gefüllt und für den Biegebereich ungeeignet.

Leiton setzt im Biegebereich standardmäßig ungefülltes FR4 mit Tg 130 °C ein. Dieses Harz ist duktiler. Bei der Montage lässt sich der Biegebereich zudem durch Erwärmung nahe an den Erweichungspunkt bringen, das macht die Biegung prozesssicher. Bei Tg 170 °C ist dieser Effekt mit einfacher Erwärmung kaum erreichbar. Wenn die Baugruppe aus thermischen Gründen Hoch-Tg erfordert, prüft Leiton den Aufbau vorab: Materialtyp, Füllstoffgehalt, Restdicke und Biegeradius werden dann gemeinsam festgelegt.

Vorteile

Kostenvorteil:

Standard-FR4-Prozess mit Tiefenfräsung, kein Polyimid-Verbund wie bei Starrflex.

Ausfallsicherheit:

keine Steckkontakte zwischen den starren Bereichen, weniger Fehlerquellen bei Vibration und Montage.

Einfache Installation:

einmal biegen, einbauen, fertig (Flex-to-Install), ohne Spezialwerkzeug.

Funktionsdichte:

bis 10 Lagen im starren Bereich, der Biegebereich kostet nur eine Außenlage.

Ein Bauteil statt drei:

Leiterplatte, Kabel und Steckverbinder werden zu einer Baugruppe zusammengefasst.

Wichtige Hinweise

Der Biegebereich ist nur für die einmalige Biegung bei der Installation ausgelegt, nicht für dynamische Belastung. Offen liegende Kupferstrukturen, Pads, Restringe und Hülsen müssen mindestens 1 mm von der Biegekante entfernt sein. Der Biegeradius hängt von Restdicke und Biegewinkel ab, liegt bei 200µm aber bei circa 4 mm.

Faustformeln für die Auslegung	R = 20 × Restdicke kleinster möglicher Biegeradius, innen gemessen L = α / 180° × π × R + 2 × Leiterplattendicke Mindestlänge des Biegebereichs, α = Biegewinkel

Die Biegung darf nicht direkt an der Fräskante beginnen. Der Zuschlag von zweimal der Leiterplattendicke wirkt als gerader Auslauf hinter den Fräskanten. Die Tabellenwerte sind Circa-Werte für 1,6 mm Leiterplattendicke, aufgerundet auf ganze Millimeter.

Restdicke	Kleinster möglicher Biegeradius	Länge Biegebereich bei 45°	Länge Biegebereich bei 90°	Länge Biegebereich bei 180°
150 µm	3 mm	ca. 6 mm	ca. 8 mm	ca. 13 mm
200 µm	4 mm	ca. 7 mm	ca. 10 mm	ca. 16 mm
250 µm	5 mm	ca. 8 mm	ca. 12 mm	ca. 19 mm

Drucke im Biegebereich sind nicht empfohlen. Im Biegebereich kommt flexibler Lötstopplack (grün) zum Einsatz. Hoch-Tg-Materialien und insbesondere gefüllte oder halogenfreie Systeme erhöhen die Bruchgefahr im Biegebereich. Ihr Einsatz ist nur nach technischer Prüfung des Aufbaus möglich (siehe Absatz Materialwahl). Kostentreiber sind Lagenzahl, Tiefenfräsfläche und Toleranzanforderung (Tiefenfräsung digital gesteuert, Toleranz +/-20 µm).

Konformitätsnachweise wie RoHS und REACH sind auf Anfrage möglich.

Semi-Flex-Leiterplatten anfragen und kalkulieren

Was wir für eine belastbare Anfrage brauchen: Layoutdaten (ODB++, Extended Gerber, KiCAD oder ähnlich), Position und Breite des Biegebereichs, Biegewinkel und geforderter Biegeradius, Lagenaufbau, Stückzahl und Terminvorgaben. Projekte ordnet Leiton je nach Preis, Lieferzeit und Technologie passend ein.

Warum Leiton: technische Beratung zur Auslegung des Biegebereichs, Prüfung der Machbarkeit vor Fertigung, Prototyp bis Serie, Expressfertigung, Abruf-Rahmenaufträge und persönliche Erreichbarkeit.

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Häufige Fragen zu Semi-Flex-Leiterplatten

Wann ist Semi-Flex sinnvoller als Starrflex?

Wenn die Leiterplatte nur einmal zur Installation gebogen wird. Semi-Flex nutzt Standard-FR4 mit Tiefenfräsung und ist dadurch deutlich günstiger als der Starrflex-Verbund aus FR4 und Polyimid. Bei dynamischer Biegung führt kein Weg an Flex oder Starrflex vorbei.

Darf eine Semi-Flex-Leiterplatte mehrfach gebogen werden?

Ausgelegt ist der Biegebereich auf die einmalige Biegung bei der Montage (Flex-to-Install). 5 bis 10 Biegungen sind möglich. Für Installation und Nacharbeit reicht das immer aus. Wenn ein Design mehr Biegungen vorsieht, ist Semi-Flex die falsche Technologie. Dann sind Flex oder Starrflex die richtige Wahl.

Welcher Biegeradius und welcher Biegewinkel sind möglich?

Biegungen bis 180° sind möglich. Der kleinste mögliche Biegeradius hängt von der Restdicke (150 µm bis 250 µm) ab. Der kleinste mögliche Biegeradius folgt der Faustformel 20 × Restdicke: 3 mm bei 150 µm, 4 mm bei 200 µm, 5 mm bei 250 µm.

Welche Lagenzahlen sind möglich?

Im starren Bereich bis 10 Lagen. Durch den Biegebereich läuft eine Lage auf der Außenseite.

Was treibt die Kosten einer Semi-Flex-Leiterplatte?

Lagenzahl, Größe der tiefengefrästen Fläche, Toleranzanforderungen und Stückzahl. Gegenüber Starrflex entfällt das Polyimid-Material, das ist der wesentliche Kostenvorteil.

Welche Materialien kommen zum Einsatz?

FR4 mit Tg (Glasübergangstemperatur) 130 °C als ungefüllter Standard im Biegebereich, ausgewählte Hoch-Tg-Materialien bis 170 °C nach technischer Prüfung, Kupfer 35 µm, flexibler Lötstopplack grün.

Warum verwendet Leiton im Biegebereich Standard-Tg 130 statt Hoch-Tg?

Weil das Harz duktiler ist. Hoch-Tg-Systeme sind dichter vernetzt und oft gefüllt, beides macht das Restmaterial spröder und bruchanfälliger. Zusätzlich lässt sich Tg-130-Material bei der Montage durch Erwärmung leichter biegen. Details im Absatz Materialwahl auf dieser Seite.

Welche anderen Bezeichnungen sind für Semi-Flex üblich?

Semiflex, Semi-Flex PCB, semiflexible Leiterplatte, Flex-to-Install-Leiterplatte. Gemeint ist jeweils die tiefengefräste FR4-Lösung, keine Polyimid-Flexschaltung.