Anwendungen von Flex- und Rigid-Flex-Leiterplatten

Es gibt zwei grundlegende Gründe, warum man eine flexible Schaltung in sein Produkt integrieren sollte: um ein kompaktes und effizient montiertes Gerät zu bauen oder um die Schaltung dynamisch in die mechanische Funktion des Produkts zu integrieren. Natürlich kann man sich auf beide Gründe stützen, um die Verwendung von Flex-Schaltungen zu rechtfertigen. In diesem Sinne werfen wir einen Blick auf einige starre-flexible PCB-Anwendungen und Designbeispiele, um die Probleme zu betrachten, die beim Entwerfen von Flex-Schaltungen in den Sinn kommen.

Beispiele für dynamische Flex-Anwendungen

Mechatronisches Portal

Ein sehr typisches Beispiel für eine dynamische Flex-Anwendung, wie man sie in einem 3D-Drucker oder CNC-Maschinenkopf finden könnte, ist ein mechatronisches Portal. In physisch größeren Systemen, in denen elektronische Komponenten die gleiche Bewegung wie ein mechanisches Element ausführen müssen, würde dies mit separaten starren Platinen oder Modulen erreicht, die mit Kabeln verbunden sind. In kleineren, schlankeren Paketen macht ein Flexband mehr Sinn, da es eine flache Montage sowie die erforderliche Bewegung bietet.

Natürlich würde das untenstehende Beispiel entlang des X-Achsen-Portals verlegt, und der Z-Achsen-Werkzeugkopf bewegt sich entlang dieses. Das unten gezeigte Beispiel zeigt nur zwei Achsen der Bewegung, und das Portal selbst würde sich in der Y-Achse bewegen.

Die Gesamtlänge des Flexbandes ist die extremste Endentfernung, die zusätzlich zu den Ecken und Biegungen benötigt wird. Die Ecke, die hinter dem sich bewegenden Z-Achsen-Werkzeugkopf sitzt, würde sich an den X-Achsen-Shuttle anlehnen, der sich entlang des Portals bewegt (wahrscheinlich auf Gleitlagern). Die Enden würden mit einem Versteifer versehen, um den Flexband-Abschnitt zu beenden. Für diese Art von Anwendung ist es am besten, bei einlagigem, gewalztem, geglühtem Kupfer zu bleiben und die Biegeradien so groß wie praktisch möglich zu halten. Dies wird helfen, die Lebensdauer zu maximieren, da der Biegebereich entlang der Länge des Flexbandes gewalzt wird.

Beispiel für ein Flex-Design am Portal.

Portal-Fabrikationsüberlegung: Panelisierung

Das obige Beispiel wirft eine gute Frage bezüglich der Fertigung und der Kosten auf. Mit einer rechtwinkligen L-förmigen Schaltung wie dieser könnten wir, rein hypothetisch, sechs identische Flexbänder auf einem Fertigungspanel unterbringen. Dies führt zu etwa 50% Verschwendung des Panelplatzes und, falls Komponenten auf diesem speziellen Flexschaltkreis montiert werden sollten, auch zu zusätzlichen Werkzeugkosten und Zeit. Ein Beispielpanel, hergestellt aus diesem speziellen Flexschaltkreis in einem eingebetteten Board-Array, wird unten gezeigt.

Panelisierung des CNC-Portal-Flexschaltkreises in einem eingebetteten Board-Array.

Das Gute an Flex-Schaltungen ist, dass wir, wenn wir die richtigen Materialien verwenden und die Gesamtmontage richtig planen, auch Installationen mit geringem Radius realisieren können. Das Platzieren eines statischen Flex-Abschnitts mit einer dauerhaften Falte ist eine gute Alternative zur Verwendung von gekrümmten Flex-Schaltungen, wie im oberen Panel gezeigt, allerdings nur unter bestimmten Umständen. Die folgende Abbildung zeigt dasselbe Portal-Design, aber mit einer gefalteten 45°-Falte, um die im vorherigen Modell gezeigte 90°-Ecke zu ersetzen.

Portal-Flex neu gestaltet mit statischer Falte.

Die Falte wird deutlich nützlich, sobald wir uns das Panel (unten gezeigt) anschauen. Um eine Flex-Schaltung mit dieser Art von Falte herzustellen, müssen wir keine Biegung in das Board designen. Stattdessen können wir einen geraden Abschnitt im Flex-PCB verwenden, sodass wir nun eine ganze Reihe von Flex-Bändern in einem einzigen Panel ausrichten können. Auf diese Weise steigt die Ausbeute signifikant. Die Gesamtkosten pro Platine werden aufgrund der erhöhten Ausbeute pro Panel und der einfacheren Werkzeugherstellung für die Pick-and-Place-Montage sinken. Dies könnte jedoch durch die Notwendigkeit, Komponenten auf der gegenüberliegenden Seite an einem Ende der Montage zu platzieren, aufgrund der Falte, ausgeglichen werden.

Panel mit dem neu gestalteten Portal-Board.

Drehvorrichtungen

Schauen Sie sich das unten gezeigte starre-flexible PCB-Layout an. In diesem Layout werden die flexiblen Schichten mit Biegungen anstatt einer permanenten Falte erstellt. Beachten Sie die Verwendung von horizontalen Arbeitsführungen im PCB-Editor; dies ermöglicht ein genaues Design des Board-Umrisses basierend auf den gekrümmten Umfängen von in-situ Flexschaltungsabschnitten. Es erlaubt auch die exakte Platzierung von Flexschaltungsbiegungslinien im Board Planning Mode innerhalb des PCB-Editors, was genaue Flexschaltungsbiegesimulationen im 3D-Modus ermöglicht.

PCB-Layout für ein rotatives dynamisches Flex-Design. Die Flexbänder können an einem festen Gehäuse oder einem anderen Bauteil befestigt werden, das sich mit der zentralen Welle in der Baugruppe dreht.

In diesem Beispiel soll ein Schrittmotor so an einer Baugruppe montiert werden, dass der Motor und seine Steuerungsplatine in Bewegung sind, während die Welle stationär bleibt. Die Flexschaltungen sind so konzipiert, dass sie an den äußersten Enden an einer festen Basisbaugruppe beendet und zu einer Zylinderform gefaltet werden, die zurückfaltet, um eine bidirektionale Bewegung zu ermöglichen. 3D-Ansichten dieses Designs werden unten gezeigt.

3D-Ansicht einer rotierenden Stepper-Motor-Steuerplatine. Längere „Arme“ würden eine Rotation des Motors und seiner Steuerplatine um mehr als 360° ermöglichen.

Die vollständig gefaltete Ansicht der Baugruppe, einschließlich des 3D-Körpers des Schrittmotors.

Wir können die Bewegungsrichtungen und die verankerten Flex-Schaltungsabschlüsse sehen, um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, wie diese Baugruppe funktionieren wird. Diese Art der Anordnung macht es relativ einfach, eine Rotation von mehr als 360° zu erreichen. Dieses Beispiel ist hypothetisch und zeigt einen Schrittmotor, obwohl diese Art von Design gut für Anwendungen mit Drehgebern geeignet wäre. Die beendeten starr-flexiblen Abschnitte könnten auch an einige Komponenten am Gehäuse montiert werden, solange sich das Gehäuse drehte, was eine einfache Möglichkeit bietet, eine Verbindung zurück zum starren Steuerplatinenabschnitt herzustellen.

Beispiele für statische Flex-Anwendungen

Planare Magnete (Transformatoren und Induktoren)

Die Verwendung von Flex- und Rigid-Flex-Schaltungen für integrierte planare Magnete gewinnt an Beliebtheit. Der Einsatz von Flex-Schaltungen für planare Magnete bietet einige deutliche Vorteile. Der Polyimidfilm ist in Dicken erhältlich, die eine sehr hohe Isolation der Wicklungen ermöglichen, sowie eine hohe Temperaturstabilität, die ihn für heiße Emaille-Vergussprozesse geeignet macht. Aus Verlustsicht; die Verwendung von geätzten Kupferspuren erfordert, dass die Spuren breiter sein müssen, aber dies kann leicht Wirbelstromverluste reduzieren, da die zusätzliche Impedanz durch den Skin-Effekt verringert wird.

Die abgewickelten Solenoidwindungen einer Vier-Wicklungs-Induktivität.

Ein interessantes Ein- und Ausgangsschema für eine gerollte Luftkerninduktivität wird unten gezeigt. In dieser gerollten Flex-PCB-Montage überlappt das Ende jeder Wicklung mit dem Anfang der nächsten Wicklung. Dies könnte gemacht werden, um die Anzahl der Windungen im Vergleich zu einfach mehreren separaten Wicklungen zu erhöhen.

Gerollte Induktorwicklungen.

18 Lagen zum Preis von 2

Die natürliche Erweiterung dieses Konzepts besteht darin, einige flexible Schichten in Ihr Wandlerdesign einzubeziehen, mit der Absicht, sie übereinander zu falten. Im unten gezeigten Beispiel wird ein 2-Lagen-Flexschaltungs-Transformator-Design gezeigt, bei dem ein einzelner E18-Planar-Ferritkern durch Ausschnitte im Endabschlussbereich (auf der linken Seite) ragt. Diese Idee könnte beliebig erweitert werden (allerdings mit praktischen Grenzen der Dicke der endgültig gefalteten Platine). In Abbildung 11 ergeben die oberen und unteren Kupferschichten auf doppelseitigem Flex 18 nutzbare Schichten für die Transformatorwicklungen.

Rund um jeden der Kernmittelschenkel-Ausschnitte können Sie eine einzelne Windung für eine Induktorspule machen. Das Schleifen der Bahn um einen Seitenschenkel ergibt eine halbe Windung, während der Rückweg die andere halbe Windung in einer Transformatorspule liefert; zusammen bilden die gefalteten Leiterabschnitte einen Satz gestapelter Stromschleifen, die ein Magnetfeld erzeugen und empfangen können.

Draufsicht auf einen Flex-Schaltungs-Transformator. Eine einzelne starke Stromwicklung wird auf der oberen Schicht gezeigt, und sechs leichtere Stromwicklungen sind auf der unteren Schicht geführt.

Das könnte allerdings verwirrend sein, da man die richtigen Wicklungsrichtungen in Bezug auf die Beziehung jedes gefalteten Abschnitts zur Geometrie des Ferritkerns im Auge behalten muss. Da sich diese gesamte Flex-Schaltung orthogonal falten wird, habe ich auf der Mechanik 1-Schicht des Designs Pfeile hinzugefügt, die entgegengesetzt zu jeder angrenzenden Wicklungsschicht zeigen, um mich daran zu erinnern, in welche Richtung ich das Kupfer verlegen muss. Dies wird unten zur Verdeutlichung

gezeigt. Mechanik 1-Schicht, die die Platinenkontur und Wicklungsrichtungspfeile zur Orientierung zeigt.

Die abschließende Kern-und-Flex-Montage wird unten gezeigt. Beachten Sie, dass dies in einem Rigid-Flex-Design integriert werden könnte, bei dem der Großteil der Schaltung auf einer starren 2-Lagen-Printplatte liegt, wobei der Flex-Teil verwendet wird, um die zusätzlichen Schichten zu erhalten, die für alle Kernwicklungen benötigt werden. Natürlich wird es einen Kostenabwägung zwischen der Verwendung eines großen Flex-Bereichs und dem einfachen Hinzufügen von vielen Schichten zu einem ausschließlich starren Design geben.

Der abschließend vollständig gefaltete Transformator, mit 3D-Modell des Ferroxcube E18 Ferrit-Magnetkerns durch die Ausschnitte.

Mehrschichtige Rigid-Flex

Für viele militärische, luft- und raumfahrttechnische oder ähnliche hochdichte Designs, die kompakte, zuverlässige Baugruppen in engen Räumen erfordern, ist es schwer, die Verwendung mehrerer Schichten von Flexschaltungen zwischen starren Platinenbereichen zu vermeiden. Dies ist umso mehr der Fall bei Hochgeschwindigkeits-Digitaldesigns, aufgrund der Notwendigkeit von Abschirmungen oder Planlagen zwischen den Bussen, die die Flexbereiche durchqueren. Die Herausforderung hierbei ist, einen guten Grad an Flexibilität zu erhalten. Die Anzahl der Flexschaltungsschichten muss auf ein Minimum beschränkt werden, normalerweise zwei Kupferschichten über einem einzigen Polyimid-Substrat mit Polyimid-Abdeckungen.

Bei „normalen“ Designs ist die Länge der Flexschaltungsabschnitte für überlappende Flexbereiche gleich. Das bedeutet, dass man in die Situation gerät, die unten gezeigt wird, wo die Falten eine erhebliche Spannung in den Flexbereichen zwischen starren Platinen erzeugen können, sobald sie in die endgültige Montage eingesetzt werden.

Spannung in der äußeren Flexschaltung und Kompression der inneren Schaltung werden das Ergebnis sein, wenn mehrere überlappende Flexschichten mit der gleichen Länge entworfen werden. Beachten Sie das „Herausquetschen“ der Klebstoffperle, die in diesem Design verwendet wird, genau dort, wo der Flex in den starren Abschnitt eintritt.

Die meisten Spezialisten für starre-flexible Leiterplatten würden Ihnen an diesem Punkt zur Verwendung der "Buchbinder"-Konstruktion raten. Die Buchbinder-Konstruktion ist eine praktikable Methode, bei der die im Einsatz befindlichen Radien der Flex-Leiterplattenbiegungen verwendet werden, um die korrekte Länge für jede Flex-Leiterplatte und Substratkombination im Schichtstapel zu bestimmen. Eine Beispielillustration des Konzepts wird im folgenden Auszug aus IPC-2223b gezeigt.

Buchbinder-Konstruktion [Quelle: IPC-2223B, 2008, S. 26].

Sie können sofort erkennen, dass diese Methode Geld kosten wird und die Herausforderung des Designs erhöht. Oft ist eine bessere Alternative, die gleiche Länge und den gleichen Radius für Flex-Leiterplatten zu verwenden, aber die verschiedenen Flex-Leiterplattenschichten so zu trennen, dass sie sich nicht überlappen. Ein Beispiel dafür wird unten gezeigt.

Alternative Buchbinder-Konstruktion. Normalerweise könnten sich die Flex-Abschnitte überlappen und würden unterschiedliche Längen benötigen, um geringe Spannung/Kompression zu gewährleisten. In dieser Alternative werden die Flex-Abschnitte in verschiedenen Bereichen am Rand der starren Abschnitte platziert, sodass sie sich nicht mehr überlappen müssen.

Ultra-enge Biegungen ohne Verlust von Kupferschichten

Mit einigen kreativen Designentscheidungen entlang der Biegezone ist es möglich, sehr enge Biegungen zu erreichen, ohne Kupferschichten zu verlieren.

Das unten gezeigte kleine Board verwendet ein "S"-förmiges Band, um Biegungen zu definieren und den minimalen Biegeradius entlang der Kante der versteiften Bereiche zu verringern. Auf diesem Foto ist es nicht sichtbar, aber es gibt Komponenten, die auf Abschnitten montiert sind, auf deren Rückseite eine dünne Versteifung angebracht wurde.

Erreichen eines im Wesentlichen 180° Biegeradius mit mehreren Kupferschichten.

Dieses Konzept kann in mehrere Richtungen erweitert werden. Das unten gezeigte PCB-Design ist ein ultra-flexibles PCB-Displayboard. Man kann die vielen LEDs in einer Matrix auf den breiteren, steiferen Abschnitten sehen. Die gesamte Montage ist nur in diesen Abschnitten starr, aufgrund der schieren Anzahl von Kupfer- und PI-Filmschichten, die zusammen laminiert sind. Auch hier ermöglichen S-Biegungen zwischen diesen LED-Matrixbereichen, dass diese Montage leichter in ein gekrümmtes Gehäuse gebogen werden kann.

X-Y S-Biegeflexanordnung.

Nehmen Sie dieses Konzept noch weiter, und Sie erhalten das sehr kompakte Design, das unten gezeigt wird. Die Flex-Schaltungsabschnitte in diesem Beispiel enthalten 8 Lagen. Solche Flex-Schaltungen wären normalerweise nicht flexibel, wenn sie als direkte Bänder zwischen starren Abschnitten platziert würden. Durch die Verwendung der unzähligen S-Biegungen (beachten Sie, dass die obersten flexiblen Materialschichten alle aus massivem Kupfer für die Abschirmung bestehen!) lässt sich dies jedoch genug biegen, um in das endgültige mechanische Gehäuse zu passen, selbst mit Hunderten von Hochgeschwindigkeits-Speicher- und Anzeigeverbindungen.

8 Lagen Flex, plus 4 zusätzliche starre PCB-Lagen. Beachten Sie, dass die oberste Flex-Lage komplett aus Kupfer-Pour für die Abschirmung besteht. Beachten Sie auch den schützenden Klebstoff um die Ränder der starren-zu-flex Schnittstellen.

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