Vergleich von statischem und dynamischem Flex-Design: Biegeradius von starren Flex-PCBs und andere mechanische Überlegungen

Ob es einem gefällt oder nicht, Flex- und Rigid-Flex-Leiterplatten sind gekommen, um zu bleiben, und zunehmend flexiblere Elektronik verlässt die Forschungsphase und findet ihren Weg in die Industrie. Flex-Leiterplatten werden mittlerweile für viel mehr verwendet als nur zur Stromversorgung eines Motors in Ihrer magnetischen Festplatte. Jedes Gerät, das ein faltbares oder verschiebbares Element enthält, beinhaltet wahrscheinlich eine dynamische Flex-Leiterplatte.

Mit dem Wachstum des Marktes für Flex-Leiterplatten, der in die Zehnmilliarden geht, haben PCB-Designer jeden Anreiz, so viel wie möglich über statische und dynamische Flex-PCB-Designs zu lernen. Das nächste Produkt Ihres Unternehmens oder ein Redesign eines bestehenden Produkts könnte davon abhängen.

Statische vs. Dynamische Flex-Leiterplatten

Jede Flex-Leiterplatte steht in Beziehung zu einer Rigid-Flex-Leiterplatte, da sie die gleichen Materialien für die Flex-Schicht verwenden. Anstatt starre Abschnitte mit Polyimid-Kern, umgeben von Kupfer und Prepreg, zu haben, besteht eine Flex-Leiterplatte vollständig aus einem flexiblen Material. Polyimid wird typischerweise verwendet, da es leicht an Rigid-Flex-Fertigungsprozesse angepasst werden kann und relativ preiswert ist, obwohl auch Polymermaterialien wie Polyethylennaphthalat (PEN), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Aramid für Flex-Bänder verwendet werden können.

Flex-PCBs können als dynamische oder statische PCBs entworfen werden. Das Entwerfen beider Arten von Flex-PCBs ist sowohl eine mechanische als auch eine elektrische Übung. PCB-Designsoftware mit ECAD/MCAD-Kollaborations-Funktionen eignet sich hervorragend für das Design beider Arten von Flex-PCBs. Bei der Planung eines Stackups und der Platzierung von Leiterbahnen auf Flex-PCBs sollte der gebogene Abschnitt der Platine während der mechanischen Analyse als gebogene rechteckige Platte behandelt werden. Dies ist entscheidend, um die richtige Dicke der Leiterbahnen zu bestimmen, um Risse und Ausfälle zu verhindern.

Unabhängig davon, ob Sie ein statisches oder dynamisches Flex-PCB entwerfen, erfordert ein insgesamt dickerer flexibler Stackup einen größeren Biegeradius. Dies verringert die Menge an Zug- und Druckspannung, die sich entlang der Biegung konzentriert, während die PCB in den gewünschten Winkel geformt wird. Ein kleinerer Biegeradius in einem dickeren PCB kann dazu führen, dass sich die Abdeckfolie an der Oberflächenschicht innerhalb der Biegung staut. Dies setzt dann die Leiterbahnen, die innerhalb der neutralen Biegeachse liegen, einem höheren kompressiven Scherspannung aus. Wenn Sie die Gesamtdicke reduzieren möchten, gibt es flexible Abdeckfolien, die keinen Klebstoff benötigen.

Statische Flex-PCBs: Fertigungsüberlegungen

Sobald eine statische Flex-PCB hergestellt ist, wird sie normalerweise während der Montage auf den gewünschten Krümmungsradius und Biegewinkel mit einem kompressiven Formwerkzeug gebogen. Dieses Werkzeug wirkt wie ein Schraubstock, und spezialisierte Formwerkzeuge können verwendet werden, um gleichzeitig mehrere Biegungen in einem einzigen Flexband zu platzieren.

Statische Flex-PCBs werden typischerweise über den Fließpunkt hinaus überformt, was bedeutet, dass sie über ihren vorgesehenen Biegeradius hinaus gebogen werden, um während der Formung eine gewisse plastische Verformung zu gewährleisten. Dies verhindert, dass sich die Flex-PCB nach dem Entfernen aus dem Formwerkzeug wieder in ihre ursprüngliche Form zurückentspannt. Wenn der statische Biegeradius und -winkel in einer statischen PCB angegeben sind, sollten Sie tatsächlich planen, eine Sicherheitsmarge in Ihrer Leiterbahndicke zu haben, um Haarrissbildung und Ausfall während der Überformung zu verhindern.

Statisches Flexband für ein medizinisches Gerät, wie in Electronics Weekly vorgestellt.

Die Intuition könnte besagen, dass die Leiterbahnen dicker sein sollten, um den Stress während der Überformung aushalten zu können, aber die Intuition ist nicht immer korrekt. Einfach ausgedrückt, je dicker der Schaltkreis, desto weniger kann er sich ohne Schaden biegen. Dickere Flex-PCBs benötigen eine größere Überformung, um sich dem gewünschten Biegeradius und -winkel anzupassen. Dies setzt die Leiterbahnen während der Formung noch mehr Stress aus.

Genau wie bei einer gebogenen rechteckigen Platte gibt es auch bei der gebogenen Platine eine neutrale Biegeachse, die eine Kurve definiert, entlang derer keine longitudinale Zug- oder Druckspannung herrscht. Dünnere Leiterbahnen können größeren Druckspannungen widerstehen als Zugspannungen, daher können dünnere Leiterbahnen innerhalb der neutralen Biegeachse platziert werden. Die Verschiebung der neutralen Biegeachse hängt vom Biegeradius ab. Eine gute Faustregel für den minimalen Biegeradius ist die Verwendung der folgenden Gleichung:

Wenn die Stackup- und Leiterbahndicke richtig gewählt werden, wird durch Befolgen dieser Regel sichergestellt, dass sich die neutrale Biegeachse nicht merklich von der Mittellinie der Leiterplatte verschiebt. Mit zunehmender Lagenanzahl wird dadurch sichergestellt, dass Sie die IPC 2223C-Standards bezüglich des Biegeverhältnisses (Biegeradius geteilt durch Dicke) bei Flex-PCBs einhalten.

Dynamische Flex-PCBs: Haltbarkeit

Viele der gleichen Designüberlegungen für statische Flex-PCBs gelten auch für dynamische Flex-PCBs. Ein kritisches Problem bei dynamischen Flex-PCBs ist die Kaltverfestigung durch wiederholtes Biegen. Kupfer wird unter wiederholter Beanspruchung kaltverfestigt, wird schließlich spröde und neigt zum Brechen. Die Haltbarkeit kann einfach durch Zulassen eines größeren Biegeradius verlängert werden. Allgemein wird empfohlen, dass dynamische Flex-PCBs einen Biegewinkel von 90° nicht überschreiten.

Wenn sich die Leiterplatte biegt, verschiebt sich die neutrale Biegeachse in Richtung des Inneren der Biegung. Dies ist bei dynamischen Flex-PCBs sehr wichtig, da es die Anzahl der zulässigen Kupferschichten auf eine geringe Zahl beschränkt, typischerweise nur eine einzige Schicht, die mit der neutralen Biegeachse übereinstimmt. Obwohl Kupfer duktil ist, wird es bei wiederholter Belastung kaltverfestigen. Wenn Sie sich entscheiden, mehr als eine Schicht in einem Flex-PCB zu verwenden, sollten die Leiterbahnen versetzt angeordnet werden, d.h., sie sollten in benachbarten Schichten nicht übereinanderliegen, um unnötigen Stress auf Leiterbahnen weiter entfernt von der neutralen Biegeachse zu vermeiden.

Um unnötigen Stress auf die Leiterbahnen zu verhindern, stellen Sie sicher, dass ein ausreichender Sicherheitsabstand eingehalten wird und achten Sie auf den minimalen Biegeradius. Stellen Sie sicher, dass der minimale Biegeradius kleiner ist als der beabsichtigte Biegeradius, um Stress an den Rändern der Platine zu vermeiden. Dies wird die Kaltverfestigung verlangsamen und helfen, die nutzbare Lebensdauer der Leiterplatte zu verlängern.

Statisches Flexband für eine Festplatte

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