Regeln biegen: Entwurf flexibler Schaltungen für dynamische Anwendungen

Flexible Schaltungen ermöglichen kompakte, leichte und anpassungsfähige Designs, die starre PCBs nicht erreichen können. Von tragbaren Geräten bis hin zu Robotersystemen, flexible PCBs glänzen in Anwendungen, die ständige Bewegung erfordern. Diese dynamischen Umgebungen stellen jedoch einzigartige Herausforderungen für das Schaltungsdesign dar und erfordern eine Mischung aus technischem Know-how und strategischer Planung.

In diesem Blog werden wir uns mit dem Design flexibler Schaltungen für dynamische Anwendungen befassen. Von der Materialwissenschaft bis hin zur Bewältigung gängiger Herausforderungen wird dieser Blog PCB-Designer mit den Einblicken ausstatten, die sie benötigen, um langlebige und zuverlässige flexible Leiterplatten zu erstellen.

Was macht flexible Schaltungen für dynamische Anwendungen unverzichtbar?

Flexible PCBs zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, sich engen Räumen anzupassen und wiederholtes Biegen und Verdrehen auszuhalten. Dies macht sie nützlich in Anwendungen, bei denen starre PCBs versagen würden, wie zum Beispiel:

• Wearable-Elektronik wie Fitness-Tracker und Smartwatches.
• Robotik, wo Schaltungen kontinuierliche Bewegungen in Roboterarmen und -gelenken bewältigen müssen.
• Automobil-Systeme, einschließlich Airbags, Sensoren und Innenbeleuchtung.
• Faltbare und rollbare Displays in hochmodernen Smartphones und tragbaren Geräten.

Diese dynamischen Anwendungen erfordern Designs, die mechanischen Stress und wiederholte Bewegungen aushalten können, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. 

Materialwissenschaft

Die Materialien, die Sie für eine flexible Schaltung auswählen, haben einen erheblichen Einfluss auf deren Leistung in dynamischen Anwendungen. Lassen Sie uns die wesentlichen Materialien und ihre Funktionen aufschlüsseln:

Basismaterialien

• Polyimid (PI): Das am häufigsten verwendete Material für flexible Schaltungen aufgrund seiner ausgezeichneten mechanischen Festigkeit, Flexibilität und Hitzebeständigkeit.
• Flüssigkristallpolymer (LCP): Ideal für Anwendungen, die eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme und überlegene Hochfrequenzleistung erfordern.

Kupfertypen

• Gewalztes, geglühtes (RA) Kupfer: Bevorzugt für dynamische Anwendungen wegen seiner glatten Oberfläche und hohen Duktilität. RA-Kupfer neigt im Vergleich zu elektrodeponiertem (ED) Kupfer weniger dazu, unter wiederholter Belastung zu reißen.
• Klebstofffreie Laminate:  Klebstofffreie Konstruktionen eliminieren potenzielle Schwachstellen, wie Delamination, und bieten eine reduzierte Materialdicke, was die Fähigkeit der Schaltung verbessert, wiederholtes Biegen auszuhalten.

Ein Beispiel für einen starren-flexiblen Stackup mit Buchbinderkonstruktion wird unten gezeigt. Lesen Sie mehr über den Ansatz zur Gestaltung dieser Stackups in diesem Artikel.

Testen für den Erfolg: Dynamische Biege- und Flexzyklustests

Das Design für dynamische Umgebungen erfordert rigorose Tests, um die Haltbarkeit einer Schaltung zu validieren. Tests simulieren reale Bedingungen, um die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der flexiblen PCB vorherzusagen.

Schlüsselprüfmethoden

• Flex Cycle Testing: Bestimmt, wie viele Biegungen eine Schaltung aushalten kann, bevor Ermüdung der Leiterbahnen eintritt.
• Twist Testing: Bewertet die Fähigkeit der Schaltung, Torsionsspannungen zu bewältigen, ein kritischer Faktor in robotischen und automobilen Anwendungen.
• Umweltstressprüfung: Umfasst thermische Wechseltests und Feuchtigkeitsbeständigkeitstests, um harte Betriebsbedingungen zu simulieren.

Design-Tipps für flexible Schaltungen in dynamischen Anwendungen

Beim Entwurf flexibler PCBs für dynamischen Einsatz zählt jedes Detail. Eine kleine Unachtsamkeit kann zu Leiterbahnbrüchen, Delamination oder vorzeitigem Ausfall führen. Hier sind einige wesentliche Tipps:

Optimierung der Leiterbahnführung

• Sanfte Kurven statt scharfer Ecken: Scharfe Ecken konzentrieren Spannung und können zu Rissen führen. Wenn Leiterbahnen über einen Biegebereich geführt werden müssen, sollten gekrümmte Leiterbahnen verwendet werden, um die Spannung gleichmäßiger zu verteilen, anstatt eine 45° Ecke im Biegebereich zu platzieren.
• Parallele Leiterbahnausrichtung: Beim Verlegen in der Nähe eines Biegebereichs sollten Leiterbahnen parallel zur Biegeachse geführt werden, um mechanische Spannungen beim Biegen zu reduzieren. Genügend Abstand zwischen den Leiterbahnen lassen, damit sie nicht zu nah am Biegebereich liegen.

Vias versetzt anordnen, um Spannungskonzentration zu reduzieren

• Vermeiden Sie es, Vias in einer geraden Reihe anzuordnen, da dies eine Spannungskonzentration entlang der Reihe von Vias erzeugt. Stagger Vias stattdessen, um die Spannung gleichmäßig über den Schaltkreis zu verteilen.

Verwenden Sie Tränenformen bei Pads und Vias

• Tränenförmige Pads reduzieren die Spannungskonzentration an den Verbindungsstellen von Leiterbahn zu Pad und verhindern mechanisches Versagen beim Biegen. Erfahren Sie mehr über die Anwendung von Tränenformen bei Pads und Vias.

Verstärken Sie Bereiche mit hoher Belastung

Steckverbinderbereiche und Lötstellen sind besonders anfällig für Belastungen. Wenn es in diesen Bereichen zu übermäßigem Biegen oder wiederholtem Biegen kommt, können die Kupferpads delaminieren oder Lötstellen können reißen. Erwägen Sie, diese Bereiche mit Polyimid-Versteifungen, dickeren Kupferschichten oder zusätzlichen Montagelöchern zu verstärken, um den Flex-Schaltkreis in einem Gehäuse zu fixieren.

Wählen Sie eine flexible Lötstopplack

Ein standardmäßiger Lötstopplack kann unter wiederholtem Biegen reißen. Es gibt jedoch flexible Lötstopplack-Optionen (bekannt als Polyimid-Abdeckfolie), um Kupferleiterbahnen zu schützen und gleichzeitig dynamische Bewegungen zu ermöglichen.

Herausforderungen bei dynamischen Flex-Schaltkreisen angehen

Dynamische Anwendungen stellen einzigartige Herausforderungen dar, aber proaktive Designstrategien können diese Risiken mindern.

Leiterermüdung

Wiederholtes Biegen kann zu Mikrorissen in den Kupferleitern führen.
Lösung: Verwenden Sie walzweiches Kupfer und entwerfen Sie mit einem angemessenen Biegeradius, um die Belastung zu reduzieren.

Ablösung

Flexible Schaltungen mit Klebeschichten können sich unter Belastung oder hoher Luftfeuchtigkeit ablösen.
Lösung: Wählen Sie klebstofffreie Laminate oder Klebstoffe mit hoher Bindungsstärke.

Thermische Ausdehnungsprobleme

Unterschiedliche Ausdehnungsraten zwischen Materialien können mechanischen Stress in Umgebungen mit Temperaturschwankungen verursachen.
Lösung: Wählen Sie Materialien mit kompatiblen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), um dieses Risiko zu minimieren.

Vibrationsbedingte Ausfälle

In Automobil- und Luftfahrtanwendungen kann konstante Vibration die Integrität der Schaltung beeinträchtigen.
Lösung: Verwenden Sie verstärkte Versteifungen und vibrationsdämpfende Materialien.

Spannende Anwendungen von dynamischen flexiblen Schaltungen

Flexible Schaltungen treiben einige der innovativsten Technologien unserer Zeit an. Hier sind einige Beispiele:

Wearable Electronics

Smartwatches und Fitness-Tracker verlassen sich auf flexible Schaltungen, um die Funktionalität trotz ständiger Bewegung und engem Kontakt mit dem Körper aufrechtzuerhalten.

Faltbare Geräte

Die neuesten Smartphones und Tablets verfügen über faltbare Designs, ermöglicht durch ultradünne flexible Schaltungen, die sich wiederholt biegen lassen, ohne zu brechen.

Robotersysteme

Flex-Schaltungen werden in einigen Roboterarmen verwendet, wo sie Verdrehungen und Biegungen aushalten können, um beweglichen Teilen Strom und Daten zu liefern.

Automobilindustrie

Einige Beleuchtungssysteme in Automobilen erfordern flexible Leiterplatten, die Vibrationen und extremen Temperaturen standhalten können.

Neue Trends im Design flexibler Leiterplatten

Die Zukunft flexibler Schaltungen ist spannend, mit neuen Materialien und Technologien, die die Grenzen des Möglichen erweitern. Neue Materialien und fortschrittlichere kommerzielle Materialien, die derzeit verfügbar sind, bieten eine neue Klasse elektronischer Geräte auf flexiblen Plattformen.

Dehnbare Schaltungen

Dehnbare Elektronik kann sich wie Gummi biegen und dehnen, was neue Einsatzmöglichkeiten in medizinischen Geräten, E-Textilien und tragbarer Technologie ermöglicht.

Anwendungen mit hoher Frequenz

Bestimmte Designs, die Hochfrequenz-/RF-Komponenten oder -Schaltungen auf flexiblen Designs implementieren, können Materialien wie LCP verwenden, das eine geringere Verlusttangente als Polyimidmischungen bietet.

Einige flexible Leiterplattenmaterialien, insbesondere Polyethylen (PET), sind für alle Farben des sichtbaren Lichts transparent. Im Gegensatz dazu ist traditionelles Polyimid nur für oranges Licht transparent.

E-Textilien

Intelligente Stoffe integrieren flexible Schaltungen direkt in Textilien und ermöglichen Anwendungen wie Gesundheitsüberwachung, Augmented-Reality-Kleidung und mehr.

Fazit: Die Kunst des dynamischen Flex-Schaltungsentwurfs meistern

Das Entwerfen von flexiblen Schaltungen für dynamische Anwendungen ist sowohl eine Kunst als auch eine Wissenschaft. Erfolg hängt von der Auswahl der richtigen Materialien, rigorosen Tests auf Haltbarkeit und der Anwendung von Best Practices ab, um mechanischen Stress zu mindern.

Von Wearables und Robotik bis hin zu Automobil- und faltbaren Geräten, flexible PCBs stehen an der Spitze moderner Innovationen. Indem Herausforderungen proaktiv angegangen und aufkommende Trends genutzt werden, können PCB-Designer robuste Schaltkreise erstellen, die den Anforderungen selbst der dynamischsten Umgebungen gerecht werden.