Vergleich von Flex- und Rigid-Flex-Leiterplatten: Wann verwendet man was?

Flexible und Starrflex-PCBs sind zu unverzichtbaren Bestandteilen des modernen Elektronikdesigns geworden und bieten einzigartige Vorteile für Anwendungen, bei denen Platzersparnis, Langlebigkeit und dynamische Eigenschaften gefragt sind. Für PCB-Designer, die mit diesen Technologien noch nicht vertraut sind, kann die Wahl zwischen Flex-, Starrflex- und herkömmlichen starren PCBs jedoch eine Herausforderung sein. Dieser Blog liefert Informationen, die helfen, die wichtigsten Unterschiede, Vorteile und idealen Einsatzbereiche dieser PCB-Typen zu verstehen, damit Sie fundierte Entscheidungen für Ihr nächstes Projekt treffen können.

Flex- und Starrflex-Aufbauten werden häufiger aus den falschen Gründen spezifiziert, als die meisten Teams zugeben würden. Die Entscheidung beginnt meist mit einem mechanischen Wunsch – einem dünnen Wearable, einem klappbaren Scharnier oder einem engen Gehäuse – und die elektrischen sowie fertigungstechnischen Konsequenzen werden erst danach betrachtet. Diese Reihenfolge ist verkehrt. Der gewählte Aufbau legt Grenzwerte für den Biegeradius, das Verhalten bei Lagenübergängen, die Möglichkeiten für kontrollierte Impedanz und die Fertigungsausbeute fest, lange bevor auch nur ein einziges Bauteil platziert wird.

Wichtige Erkenntnisse

• Wählen Sie den Aufbautyp, bevor das Layout beginnt. Flex- und Starrflex-Lösungen werden oft aus den falschen Gründen spezifiziert. Der gewählte Aufbau bestimmt Biegeradiusgrenzen, das Verhalten bei Lagenübergängen, Optionen für kontrollierte Impedanz und die Fertigungsausbeute, bevor auch nur ein einziges Bauteil platziert wird.
• Flex und Starrflex lösen unterschiedliche Probleme. Flex eignet sich für leichte, dynamische oder anpassungsfähige Geometrieanwendungen, bei denen wiederholte Bewegung erforderlich ist. Starrflex eignet sich für kompakte Baugruppen mit mehreren Bereichen, bei denen sich der Verzicht auf Board-to-Board-Steckverbinder lohnt und der Starr-zu-Flex-Übergang sorgfältig konstruiert wird.
• Der Starr-zu-Flex-Übergang ist der Bereich mit dem höchsten Risiko in einem Starrflex-Design. Lagenübergänge, die Kupferverankerung an der Grenzfläche und Spannungskonzentrationen an der starren Kante sind die Stellen, an denen diese Designs im Feldeinsatz ausfallen – nicht in den starren oder flexiblen Zonen selbst.
• Beziehen Sie Ihren Leiterplattenfertiger vor dem Routing ein. Die Flex-Fertigung unterscheidet sich grundlegend von der Fertigung starrer Leiterplatten. Grenzwerte für den Biegeradius, die Platzierung von Versteifern, die Machbarkeit kontrollierter Impedanz über den Übergang hinweg sowie die Abnahmekriterien für Klasse 2 gegenüber Klasse 3 müssen mit dem Fertiger vor dem Layout geklärt werden – nicht erst bei der Erstmusterprüfung festgestellt werden.

Flex- und Starrflex-Aufbau

Flexible PCBs, oft als Flex-Schaltungen bezeichnet, sind dünne, leichte Leiterplatten, die so ausgelegt sind, dass sie sich biegen und verdrehen lassen, um nicht traditionelle Formen anzunehmen. Eine Flex-Schaltung ist ein dünner Leiteraufbau auf einer Polyimid-Basis, bei dem Kupfer laminiert und durch Coverlay statt durch Lötstoppmaske auf einem starren Kern geschützt wird. Flex-PCBs besitzen nicht die starren Substrate herkömmlicher Leiterplatten und können daher in Designs mit unregelmäßigen Geometrien eingesetzt werden. Das Fehlen eines starren Substrats ermöglicht es ihnen, sich an gekrümmte Oberflächen anzupassen oder wiederholte Bewegungen zu überstehen.

Hauptmerkmale von Flex-PCBs

• Hohe Flexibilität und leichtes Design
• Kann gebogen, gefaltet oder verdreht werden, ohne zu brechen
• Hervorragend für dynamische Anwendungen mit Bewegung oder Vibration geeignet

Flex-Designs können sich gekrümmten Formen anpassen und dennoch über Standardsteckverbinder mit anderen Geräten verbunden werden.

Starrflex kombiniert starre Bereiche auf konventionellem Laminat mit flexiblen Bereichen, die Signale zwischen ihnen übertragen. Starrflex-PCBs vereinen starre und flexible Lagen in einer einzigen Leiterplatte und bieten die strukturelle Integrität starrer PCBs mit der Anpassungsfähigkeit von Flex-Schaltungen. Durch diese Integration entfallen Board-to-Board-Steckverbinder und die dazugehörigen Kabel, wodurch eine bekannte Gruppe potenzieller Ausfallstellen beseitigt wird. Im Gegenzug wird der Starr-zu-Flex-Übergang zum Bereich mit dem höchsten Risiko der Leiterplatte. Lagenübergänge, die Kupferverankerung an der Grenzfläche und Spannungskonzentrationen an der starren Kante sind die Stellen, an denen diese Designs im Feldeinsatz ausfallen.

Hauptmerkmale von Starrflex-PCBs

• Ein hybrides Design mit starren Bereichen für Stabilität und flexiblen Zonen für Anpassungsfähigkeit
• Erhöhte Haltbarkeit, insbesondere in rauen Umgebungen
• Platzsparend und zuverlässig, da potenzielle Ausfallstellen durch Verbindungen reduziert werden

Flex vs. Starrflex vs. starre PCBs: Konstruktions-Trade-offs auf einen Blick

Faktoren bei der Wahl zwischen Flex- und Starrflex-PCBs

Um zu entscheiden, welche Technologie verwendet werden sollte, berücksichtigen Sie Folgendes:

• Mechanische Anforderungen
  • Benötigen Sie Flexibilität, Biegung oder Bewegung? Wählen Sie Flex-PCBs.
  • Benötigen Sie in bestimmten Zonen sowohl Flexibilität als auch Stabilität? Wählen Sie Starrflex.
• Platzbeschränkungen
  • Flex-PCBs sind ideal für besonders kompakte Räume.
  • Starrflex-Designs eignen sich gut für kompakte, aber komplexe Baugruppen.
• Kostenaspekte
  • Flex-PCBs sind für einfachere Anwendungen kostengünstiger.
  • Starrflex-PCBs sind zwar teuer, senken aber die Montagekosten bei mehrlagigen Designs.
• Umgebungsbedingungen
  • Flex-PCBs können Vibrationen standhalten, sind unter extremen Bedingungen jedoch weniger robust.
  • Starrflex-PCBs bieten in rauen Umgebungen eine überlegene Leistung.
• Komplexität der Montage
  • Starrflex-PCBs vereinfachen die Montage und reduzieren Verbindungen.
  • Flex-PCBs können für die Integration zusätzliche Steckverbinder erfordern.

Durch die Abwägung von Faktoren wie mechanischen Anforderungen, Kosten und Umgebungsbedingungen können PCB-Designer die ideale Lösung für ihre spezifischen Anforderungen auswählen. Mit dem fortschreitenden technologischen Fortschritt werden die Einsatzmöglichkeiten von Flex- und Starrflex-PCBs weiter zunehmen, sodass sie zu unverzichtbaren Werkzeugen der modernen Elektronik werden.

Compliance, Dokumentation und Einbindung des Fertigers

Flex- und Starrflex-Leiterplatten bringen Dokumentations- und Compliance-Verpflichtungen mit sich, die bei starren Leiterplatten nicht bestehen. Diese Aufbauten werden durch IPC-6013 hinsichtlich Leistung und Qualifikation geregelt, während IPC-6011 den allgemeinen Zuverlässigkeitsrahmen festlegt; die Wahl zwischen Klasse 2 und Klasse 3 bestimmt Abnahmekriterien, Coupon-Anforderungen und Prüfungen.

Regulierte Anwendungen bringen zusätzliche Anforderungen mit sich, etwa AS9100D für Luft- und Raumfahrt-Qualitätsmanagementsysteme. Die Inspektion und Prüfung einer dreidimensionalen Starrflex-Baugruppe ist schwieriger als die Prüfung einer flachen starren Leiterplatte, und die Prüf- und Inspektionsmethode muss während des Designs geplant werden, statt erst bei der Erstmusterprüfung erkannt zu werden.

Der mit Abstand wirksamste Schritt ist die Einbindung des Fertigers vor dem Layout. Die Flex-Fertigung ist ein grundlegend anderer Prozess als die Fertigung starrer Leiterplatten, und die Betriebe unterscheiden sich in ihren Methoden, Materialsätzen und erreichbaren Geometrien. In einem Vorgespräch vor dem Layout sollten die Punkte geklärt werden, die das Design einschränken, bevor irgendein Routing erfolgt.

• Grenzwerte für den Biegeradius in Abhängigkeit von Kupfergewicht und Lagenzahl
• Platzierung von Versteifern, Oberflächenfinish und Aspektverhältnisgrenzen
• Machbarkeit kontrollierter Impedanz über den Starr-zu-Flex-Übergang hinweg
• Mindestleiterbahnbreite und -abstand, Via-Größen und Freiräume im Flex-Bereich
• Abnahmekriterien für Klasse 2 gegenüber Klasse 3 und der daraus resultierende Coupon- und Inspektionsplan

Die Wahl zwischen Flex und Starrflex läuft darauf hinaus, den Aufbau an die maßgebliche Einschränkung anzupassen statt an das Anwendungslabel. Spezifizieren Sie Flex, wenn das Design echte Flexibilität, dynamische Bewegung oder Gewichtsreduktion in einem anpassungsfähigen Bauraum erfordert, und akzeptieren Sie, dass Zugentlastung und Handhabung zu Ihren Hauptthemen werden. Spezifizieren Sie Starrflex, wenn eine kompakte Baugruppe mit mehreren Bereichen den Wegfall von Steckverbindern rechtfertigt und Sie bereit sind, den Übergangsbereich sorgfältig zu konstruieren. Klären Sie Biegeradius, Lagenaufbau, Impedanz, Material-CTE und Klassenanforderungen mit Ihrem Fertiger vor dem Layout, dann wird der Aufbau sowohl in der Fertigung als auch im Feldeinsatz bestehen.

Von der Konstruktionsentscheidung zur Freigabesicherheit

Die Entscheidung zwischen Flex und Starrflex vor Beginn des Layouts gehört zu den wirkungsvollsten Entscheidungen in der Hardwareentwicklung. Treffen Sie die richtige Wahl, und Ihre Fertigungsgrenzen stehen fest, bevor auch nur eine einzige Leiterbahn geroutet wird. Treffen Sie die falsche Wahl, potenziert sich der Überarbeitungsaufwand.

Genau diese Überarbeitungsschleife ist die Art von Reibung, die Altium Develop reduzieren soll. Wenn Ihre Konstruktionsentscheidung früh getroffen und klar dokumentiert wird, läuft der restliche Designprozess mit weniger Unklarheiten ab.

Altium Develop bietet Hardwareentwicklern und kleinen Teams einen klareren Weg vom Design über die Prüfung bis zur Freigabe. Die Starrflex- und Flex-Designfunktionen sind in dieselbe Altium Designer-Umgebung integriert, der Ingenieure bereits vertrauen, sodass der Workflow die Arbeit unterstützt, statt sie nur zu umgeben. Wenn Sie in Ihrem nächsten Projekt Flex oder Starrflex spezifizieren, verwenden Sie Altium Develop, um Design, Prüfung und Freigabe-Outputs von Anfang an verbunden zu halten.

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Häufig gestellte Fragen zu Flex- und Starrflex-PCBs

Was ist der minimale Biegeradius für eine Flex-PCB?

Der minimale Biegeradius hängt von der Lagenzahl, dem Kupfergewicht und davon ab, ob die Leiterplatte dynamisch gebogen oder bei der Installation nur einmal gefaltet wird. Für dynamische Biegedesigns, bei denen sich die Leiterplatte im Betrieb wiederholt biegt, sollte ein Biegeradius von mindestens dem 100-Fachen der Materialdicke verwendet werden, bei nicht mehr als zwei Lagen. Für ein- bis zweilagige Designs gilt ein Biegeradius von mindestens dem 6-Fachen der Flex-Dicke als Ausgangswert; Designs mit drei oder mehr Lagen erfordern mindestens das 12-Fache. Bestätigen Sie diese Grenzwerte immer mit Ihrem Fertiger vor dem Layout, da sich Materialsätze je nach Betrieb unterscheiden und beeinflussen, was erreichbar ist. 

Wo fallen Starrflex-PCBs im Feldeinsatz aus?

Die Übergangszone von starr zu flexibel ist aufgrund der Spannungskonzentration an der Grenzfläche der häufigste Ausfallpunkt. Die Verankerung des Kupfers an der starren Kante, Lagenübergänge und die Platzierung von Vias nahe der Flex-Schnittstelle sind die Bereiche, in denen Ermüdung und Delamination entstehen – nicht in den starren oder flexiblen Zonen selbst. Vias stellen eine besondere Herausforderung dar, weil der galvanisierte Zylinder, der die elektrische Verbindung herstellt, zugleich auch eine starre Struktur bildet; die Spannung konzentriert sich an den Via-Kanten, bis der Zylinder reißt. Deshalb sollten Vias niemals in Bereichen platziert werden, die gebogen werden.

Ist Rigid-Flex teurer als die Verwendung separater starrer Leiterplatten mit Steckverbindern?

Die Kosten der unbestückten Leiterplatte sind bei Rigid-Flex höher als bei einer standardmäßigen starren PCB, doch die Gesamtsystemkosten zeichnen ein anderes Bild. Rigid-Flex eliminiert Steckverbinder und Montageschritte, sodass die anfänglichen Fertigungskosten höher sind, während die gesamten Systemkosten niedriger sein können. Die Einsparungen summieren sich besonders in hochzuverlässigen Anwendungen, bei denen Ausfälle von Steckverbindern zu Feldrückläufern, Garantiekosten und Nacharbeitszyklen führen. Der Business Case für Rigid-Flex wird umso stärker, je mehr Board-to-Board-Verbindungen im Design vorhanden sind.

Können Rigid-Flex-PCBs kontrollierte Impedanz unterstützen?

Ja, aber der Ansatz unterscheidet sich je nach Bereich der Leiterplatte. Rigid-Flex kann Hochgeschwindigkeits- und Hochzuverlässigkeitsanwendungen unterstützen, wenn Stackup, Materialien und Routing so ausgelegt sind, dass kontrollierte Impedanz, durchgängige Rückstrompfade und ein stabiles dielektrisches Verhalten sowohl in den starren als auch in den flexiblen Bereichen erhalten bleiben. Die Impedanz ist in den starren Abschnitten gut kontrollierbar und in statischen Flex-Bereichen beherrschbar; der Übergang von starr zu flexibel ist der Bereich, in dem sie schwerer aufrechtzuerhalten ist, weil sich die Dielektrikumsdicke und die Materialeigenschaften ändern. Stimmen Sie die Impedanzziele mit Ihrem Hersteller ab, bevor Sie mit dem Routing beginnen – nicht erst während der Designprüfung.