Leiterplatten entwerfen: Wie anpassungsfähig ist Ihr Designansatz für flexible PCBs vs starre PCBs?

Wenn ich an mehreren Projekten für anspruchsvolle Kunden arbeite, baue ich meinen Stress gerne in meinem heimischen Martial Arts Studio ab. Als Jugendlicher war ich ziemlich flexibel und hatte wenig Probleme, harte Tritte zu verteilen. Mittlerweile merke ich jedoch, wie meine Tritte durch meine steiferen Beine etwas schwächer sind; ich bin einfach nicht mehr so flexibel, wie ich es einmal war.

Außerhalb eines Martial Arts Studios sind die Konzepte von Flexibilität und Starrheit natürlich auch wichtig. Wenn Sie zum Beispiel eine Leiterplatte entwerfen, kann die Wahl zwischen einer flexiblen Leiterplatte oder einer starren Leiterplatte (PCB) Ihren gesamten Designansatz beeinflussen.

In der Elektronik wechseln Sie eventuell schon von starren Leiterplatten zu flexiblen Leiterplatten, da das Wachstum von Smart Wearables und Internet of Things (IoT) elektronische Komponenten in flexibler Form erfordert. Ob Sie es nun mögen oder nicht, technische Fähigkeiten zum Design flexibler Leiterplatten werden langsam aber sicher eine wertvolle Fähigkeit in der Elektroindustrie. 

Wann und Warum sollten Sie flexible Leiterplatten entwerfen?

Auch wenn die Herstellung von Flex-PCBs nicht die billigste ist, ermöglicht deren Flexibilität ein höheres Maß an Funktionalität als dies starre Leiterplatten erreichen würden. Die Möglichkeit zu biegen, ohne zu brechen, ermöglicht es, flexible Leiterplatten problemlos in Smart Wearables und Geräten mit sehr begrenztem Speicherplatz einzubauen.

Auf flexiblen Leiterplatten konstruierte Elektronik ist außerdem langlebiger, weil deren geringe Masse (der Leiterplatte) das Risiko einer Beschädigung durch Vibrationen deutlich reduziert. Außerdem bestehen flexible Leiterplatten aus Polyimid, das extremen Temperaturen standhält. Dies macht flexible Leiterplatten ideal für Geräte, die in Umgebungen mit hohen Temperaturen eingesetzt werden. Aufgrund dieser vielen Vorteile erfreuen sich flexible Leiterplatten in der Elektronikindustrie einer wachsenden Nachfrage.

Leiterplatten entwerfen für Flex-PCBs bringt einige Herausforderungen mit sich

Leiterplatten entwerfen: Was Sie beim Design flexibler PCBs in Betracht ziehen sollten

Wenn Sie mit einer starren Leiterplatte arbeiten, besteht Ihre Sorge wahrscheinlich darin, Hunderte von Komponenten in eine winzige Leiterplatte zu drücken oder darin sicherzustellen, dass analoge und digitale Komponenten vernünftig getrennt sind. Bei starren PCB-Designs sind Ihre Anliegen rein elektronischer Natur. Wenn Sie eine flexible Leiterplatte entwerfen, verändern sich damit auch diese Bedenken.

Ursprünglich im Zweiten Weltkrieg verwendet, wurden flexible Leiterplatten zunächst als Ersatz für handgefertigte Kabelbäume entwickelt, die anfällig für menschliches Versagen waren. Die winzigen Kupferstreifen in flexiblen Leiterplatten ermöglichen Verbindungen mit hoher Dichte. Allerdings reichen Elektronikkenntnisse allein nicht aus, um flexible Leiterplatten zu entwickeln; Sie benötigen auch mechanisches Wissen, da Kupferbahnen und -komponenten aufgrund der Beschaffenheit der flexiblen Leiterplatte einer mechanischen Belastung ausgesetzt sind.

Ein wichtiges Kriterium bei der Verwendung flexibler Leiterplatten ist das Biegeverhältnis. Dies ist das Verhältnis von Biegeradius zur Dicke der flexiblen Leiterplatte. Dieses Biegeverhältnis sollte nicht unter einen Mindestschwellenwert fallen. Wenn das Biegeverhältnis darunter fällt, wird die Schaltung anfällig für mechanische Fehler. Darüber hinaus ist der Biegebereich einer flexiblen Leiterplatte besonders empfindlich für Änderungen der Kupferbreite oder -richtung. Löcher im Biegebereich sollten unbedingt vermieden werden.

Abgesehen von den obigen Punkten gibt es noch weitere Tipps, wenn Sie flexible Leiterplatten entwerfen, um Ihnen bei der Minimierung von Produktionsdefekten zu helfen:

Vermeiden Sie I-Beam Stacking: Im starren Leiterplattendesign können Sie Leiterbahnen, die parallel übereinander verlaufen, problemlos auf der oberen und unteren Schicht einsetzen. Wenn Sie allerdings flexible Leiterplatten entwickeln, sollten diese Schienen nicht übereinander gelagert sein, da es die Flexibilität des Stromkreises verringern kann. 

Fräsen von Ecken in gebogenen Bereichen/Ecken: Wenn Sie Ecken in einer starren Leiterplatte fräsen, konzentrieren Sie sich darauf, ob rechtwinklige Ecken elektromagnetische Störungen (EMI) verursachen oder Wärmepunkte in einem Hochstromkreis erzeugen. Die Form der Schienen in gebogenen Bereichen kann sehr leicht Ihre flexible Leiterplatte verändern oder brechen. Es wird immer empfohlen, die Schienenrichtung im Kurvenbereich nicht zu ändern. Wenn eine Änderung unvermeidlich ist, sollten Sie eine weiche Biegung dem typischen 45° Winkel bei starren Leiterplatten vorziehen.

Kompression vs. Dehnung: Bei starren Leiterplatten gibt es in der Regel keine festen Regeln für das Verlegen kleiner Leiter unter 7 mil. Beim flexiblen Leiterplattendesign müssen Sie jedoch die Auswirkungen von Druck und Dehnung berücksichtigen. Das Verlegen von kleinen Leitern im inneren Bogen kann die Wahrscheinlichkeit von Beschädigungen der Schienen verringern, denn kleinere Leiter vertragen Zusammendrücken besser als Spannen.

Leitungsbreite wenn möglich vergrößern: Flexible Leiterplatten sparen wertvollen Platz in Ihren Geräten. Wenn Sie allerdings denken, dass winzige Spuren ein guter Ansatz sind, dann liegen Sie sehr falsch. Als Faustregel für die Breite von Schienen gilt, dass sie mindestens das Fünffache der Dicke der Kupferfolie der flexiblen Leiterplatte betragen sollte. Sie sollten diese Regel für alle Ihre Schienen beachten, außer in bestimmten Situationen, in denen Ihre Schienen sich durch kleine Abstände zwischen Pads quetschen müssen.

Statten Sie sich mit der richtigen Verkabelung und Verlegung aus, damit diese die Arbeit für Ihre Designs erledigen.

Die Arbeit mit flexiblen Leiterplatten kann mit einer PCB-Design-Software einfacher sein, die Ihre Flexibilität ohne zusätzliche Einschränkungen erhöht. Der Brettplanungsmodus von Altium Designer^® ermöglicht es Ihnen, die Linie sowie den Radius der Biegung einfacher festzulegen, wenn Sie gestapelte Schichten entwickeln. Wenn Sie effizient Leiterplatten entwerfen wollen, lassen Sie Ihre Design-Software die harte Arbeit für Sie bei der Visualisierung des Designs erledigen.