Leiterplatten sind eine jedem bestens bekannte Technologie zum Aufbau elektronischer Schaltungen. Ihre Verbreitung hat dazu geführt, dass fast alle elektronischen Bauteile für die Montage auf ihnen ausgelegt sind. Sie sind jedoch nicht frei von Nachteilen, die besonders bei Platzbeschränkungen oder erhöhten Anforderungen sichtbar werden. Diese Einschränkungen lassen sich jedoch durch den Einsatz flexibler und starr-flexibler Schaltungen überwinden. Beide Technologien sind in Spezialanwendungen geschätzt, und wir beobachten auch ein stetiges Wachstum in der Unterhaltungselektronik. In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf die Technologien
von Flex-Leiterplatten und
Rigid-Flex, deren Vorteile und Anwendungen.
Aufbau und Arten flexibler Leiterplatten
Flexible Leiterplatten werden nahezu identisch wie typische PCB gefertigt. Wie diese verfügen sie über eine oder mehrere leitfähige Kupferschichten, wobei die äußeren Schichten mit einer Lötstoppmaske bedeckt sein können. Der grundlegende Unterschied besteht darin, dass statt eines starren Substrats aus Glasfaserlaminat ein deutlich dünneres, von Natur aus flexibles Trägermaterial verwendet wird. Dieses besteht meist aus hochtemperaturbeständigen Kunststoffen, beispielsweise Polyimiden (Kapton). Dadurch kann die Platte gebogen oder beliebig geformt werden, ohne das Risiko eines Bruchs oder Schadens an den Verbindungen.
Starr-flexible Leiterplatten, landläufig Rigid-Flex genannt, sind eine Hybridform der genannten Technologien. Sie besitzen sowohl starre als auch flexible Bereiche, die zu einer Einheit laminiert sind. Die starren Bereiche beherbergen meist elektronische Bauteile, während die flexiblen Teile als Verbindungen dienen. Fortschrittliche Produktionsverfahren erlauben es, mehrere starre Regionen mit unterschiedlicher Layer-Anzahl zu schaffen und flexible Leiterbahnen aus bestimmten Schichten einer mehrlagigen Platte herauszuführen.
Lesen Sie auch: Technologien zur Montage elektronischer Bauteile Rigid-Flex-Platinen sollten nicht mit versteiften flexiblen Leiterplatten verwechselt werden. Letztere verfügen lediglich über ein zusätzliches Verstärkungselement – oft eine metallische Verstärkungsplatte, die auf die flexible Platine geklebt ist. Zweck dieser Versteifung ist meist die Stabilisierung und Verstärkung des Bereichs, in dem Bauteile gelötet werden.
Wo und warum werden flexible Leiterplatten eingesetzt?
Nicht immer steht ausreichend Platz zur Verfügung, um alle Komponenten auf einem Stück Leiterplatte unterzubringen. Statt das System auf mehrere Module zu verteilen, können flexibele Platinen
flexiblen Platinen genutzt werden, deren Form leicht an den verfügbaren Raum im Gehäuse angepasst werden kann. Ein einzelnes Flex- oder Rigid-Flex-Modul kann somit die Funktion von mehreren konventionellen PCB inklusive ihrer Verbindungen ersetzen.
Flexible Leiterplatten erlauben wegen ihrer deutlich geringeren Dicke auch die Reduzierung von Größe und Gewicht der Baugruppe. Besonders nützlich ist dies bei kleinen, hochkomplexen Geräten, die viele Bauteile und Verbindungen auf begrenztem Raum erfordern. Solche Lösungen finden sich beispielsweise in Digitalkameras und Mobiltelefonen. [caption id="attachment_61823" align="aligncenter" width="930"]
Beispiel für den Einsatz flexibler Leiterplatten im Laufwerkskopf eines CD-ROM-Drives. Die Anpassung der Platine an die Form des Bauteils ermöglicht die Verbindung aller Komponenten ohne Kabel oder Steckverbinder[/caption] Flexible Leiterplatten können aufgrund ihrer Eigenschaften auch Kabel ersetzen. Diese Anwendung findet sich bei den meisten
LCD-Anzeigen und Touchpanels. Der daraus ausgehende flexible Bandanschluss endet meist in einem
ZIF-Stecker. Solch ein Band lässt sich biegen und verformen, was bei der Installation der Anzeige für Freiheit sorgt. Das Band kann ähnlich einer PCB auch zusätzliche Bauteile wie einen Touch-Controller oder eine Spannungsregelung enthalten.
Lesen Sie auch: Alles über TFT-LCD-Anzeigen Flexible Leiterplatten werden außerdem in Einheiten eingesetzt, die sich während des Betriebs bewegen oder biegen. Ein hervorragendes Beispiel ist der bewegliche Kopf einer Festplatte. Ebenso gewinnen
OLED-Displays auf flexiblem Substrat an Popularität, die ein freies Formen, Biegen und sogar Aufrollen ermöglichen.
Rigid-Flex – Lösung für anspruchsvollste Anwendungen
Rigid-Flex-Leiterplatten bieten durchgängige und einheitliche Verbindungen zwischen starren und flexiblen Bereichen. Ihr Hauptvorteil ist die hohe Zuverlässigkeit dieser Verbindungen. Sie sind deutlich sicherer und bieten eine bessere Signalqualität als selbst hochwertige Steckverbinder. Dies hilft, hohe Anforderungen an Geometrie, elektromagnetische Abschirmung und Impedanzkontrolle der Leiterbahnen zu erfüllen. Die Möglichkeit, flexible Leiterbahnen aus bestimmten Schichten der Platte herauszuführen, ermöglicht eine Anpassung an spezifische Designanforderungen.
Der Einsatz von Rigid-Flex-Technologie ist jedoch recht kostenintensiv und erfordert viel Know-how und Erfahrung im Design. Daher wird sie bevorzugt in Bereichen eingesetzt, in denen Kompaktheit und Zuverlässigkeit entscheidend sind, etwa in der Medizintechnik, Militärtechnik sowie in Satelliten und Raumsonden.
Herausforderungen bei der Entwicklung und Herstellung flexibler Leiterplatten
Das Design flexibler Leiterplatten ist eine große Herausforderung. Das Biegen erzeugt Spannungen, die bei mangelhafter Konstruktion zu Schäden führen können. Daher sind spezielle Designregeln zu beachten und die bei Verformung auftretenden Effekte einzuberechnen. Ein Merkmal flexibler Leiterplatten
ist beispielsweise die Verwendung von Schachbrett-ähnlichen, „gestrichelten“ Bereichen statt vollflächiger Kupferfüllungen. Gute Praxis ist auch das Abdecken von Pad-Rändern und Lötstellen mit Lötstoppmaske oder Lack, um ein Abreißen zu minimieren. Bei Anwendungen, wo die Form der flexiblen Leiterplatte genau zum Gehäuse passen muss, ist ein präzises und korrektes Outline-Design unerlässlich. Der Designer muss die dreidimensionale Form berücksichtigen, die die Platine nach dem Biegen annimmt. Dies erfordert neben umfassendem Wissen oft auch spezielle Softwaretools für das Design solcher flexibler Baugruppen. Das Design von flexiblen Platinen und mechanischen Elementen erfolgt meist parallel und erfordert eine enge Zusammenarbeit beider Teams. Auch die Bestückung stellt Herausforderungen dar. Flexible Bereiche erschweren die präzise Positionierung und das Löten der Bauteile. Oft sind speziell vorbereitete Trägerplatten nötig, und bei Rigid-Flex-Boards eine geeignete Befestigung der starren Bereiche mit ausreißbaren Laschen auf Paneelen. Die Fehlerdiagnose und manuelle Reparaturen flexibler Leiterplatten sind ebenfalls deutlich schwieriger und gelegentlich unmöglich. Nicht zu unterschätzen sind auch die Kosten für die Herstellung flexibler Platinen. Die Fertigung ist wesentlich komplexer und erfordert spezielle Anlagen. Aufgrund oft unkonventioneller Formen ist die Ausnutzung der Panelfläche schlechter, was den Materialverbrauch erhöht. Dies führt zu deutlich höheren Produktionskosten als bei Standard-PCBs. Daher kann die Eigenfertigung von Flex- und Rigid-Flex-Leiterplatten für kleinere Firmen oder Hobbyisten oft nicht wirtschaftlich sein. Von der Idee bis zum fertigen Produkt – mit InterElcom
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