Flexible Schaltungsbestückung: Überlegungen zur Komponentenplatzierung

Wie man sich vorstellen kann, sind flexible Schaltungen ideal für Anwendungen, bei denen eine Leiterplatte dünn, klein und leicht sein muss. Aufgrund der dünnen, leichten Beschaffenheit der Materialien stellen sie jedoch auch Herausforderungen für die Fertigung und Montage dar. Der heutige Blog wird einen Überblick über einige dieser Herausforderungen geben und sich auf die Auswahl und Platzierung von Komponenten konzentrieren und wie dies die flexible Schaltung in der Anwendung machen oder brechen kann.

Platzierung in Flex-Leiterplatten

Leiterplattendesigner sollten die Platzierung von Komponenten bei der Gestaltung flexibler Schaltungen sorgfältig berücksichtigen, da die Flexibilität des Substrats während der Fertigung und Montage einzigartige Herausforderungen mit sich bringt. Eine falsche Platzierung und Orientierung der Komponenten in Bezug auf Biegebereiche stellt eine Zuverlässigkeitsherausforderung dar, sowohl im Fall von statischen als auch dynamischen Flex.

Hier sind wichtige Überlegungen und Risiken zu beachten:

Komponententyp und -größe

• Wählen Sie Komponenten, die für flexible Schaltungen geeignet sind, unter Berücksichtigung ihrer Größe, ihres Gewichts und ihrer mechanischen Robustheit. Große oder schwere Komponenten wie große Prozessoren oder Leistungselektronikkomponenten (Induktoren, Transformatoren usw.) werden während des Biegens zusätzlichen Stress verursachen. (Wir werden dies weiter unten detaillierter behandeln)

Lötstellenposition

• Biegebereiche sollten nicht in der Nähe von Lötstellen platziert werden, um übermäßigen Stress und Risse beim Biegen zu vermeiden. Unflexible Lötstellen können brechen, wenn die Schaltung gebogen wird, was zu elektrischen Ausfällen führt.

Flexible Leiterbahnführung

• Führen Sie Leiterbahnen in Biegebereichen mit sanften Kurven und halten Sie scharfe Biegungen von den Biegebereichen fern. Scharfe Biegungen könnten sich leichter abscheren als gekrümmte Leiterbahnen beim Biegen.

Versteifungen und Unterstützungen

• Integrieren Sie strategisch Versteifungen, um zusätzliche Unterstützung in mechanisch beanspruchten Bereichen zu bieten. Beispiele sind Bereiche mit großen Komponenten, Mezzanine-Steckverbinder und Board-zu-Board-Steckverbinder.

SMT oder Durchsteckmontage

• SMT-Komponenten werden am häufigsten in Flex-Leiterplatten verwendet, aber manchmal werden Durchsteckkomponenten verwendet. Durchsteckkomponenten haben möglicherweise nicht genügend Kupferpadfläche, um starke Verbindungen zu bilden, und sollten daher in Bereichen mit Versteifungen platziert werden.

Prototyping und Testen

• Prototyp flexible Schaltungen, um die Platzierung von Komponenten, Biegung, thermische Zuverlässigkeit und mechanische Zuverlässigkeit zu validieren. Stellen Sie sicher, dass das Flex-Design in einer MCAD-Anwendung oder sogar in einer dynamischen Stresssimulation qualifiziert wird. Das Versäumnis, dynamischen Stress zu analysieren, kann zu unerwarteten Ausfällen während oder nach der Montage führen.

Indem diese Überlegungen berücksichtigt werden, können PCB-Designer Risiken im Zusammenhang mit der Herstellung flexibler Schaltungen minimieren und sicherstellen, dass die entworfenen Komponenten den einzigartigen Herausforderungen standhalten können, die durch die Flexibilität der Schaltungsmaterialien entstehen.

Größe

• Miniaturisierung: Wählen Sie, wenn möglich, Komponenten kleinerer Größe, da sie weniger Masse verteilen und das Risiko von Spannungspunkten während des Biegens reduzieren.

• Paketgröße: Wählen Sie Komponenten mit kompakten Paketgrößen, um den Einfluss auf die Gesamtflexibilität der Schaltung zu minimieren.

Gewicht

• Leichtgewichtige Materialien: Bevorzugen Sie leichte Materialien für Komponenten, insbesondere für Anwendungen, bei denen das Gewicht ein kritischer Faktor ist. Schwere Komponenten können die Gesamtbelastung der flexiblen Schaltung beim Biegen erhöhen.

• Niedrigprofil-Komponenten: Wählen Sie Komponenten mit niedrigem Profil, um die Masse und Höhe zu minimieren, wodurch das Potenzial für mechanischen Stress reduziert wird.

Mechanische Robustheit

• Flexible Designs: Entwerfen Sie mit mechanischer Robustheit im Sinn, um sicherzustellen, dass das Endprodukt den mechanischen Belastungen, die mit dem Biegen verbunden sind, standhalten kann, ohne zu brechen oder sich zu verformen.

• Verstärkung: Betrachten Sie die Verstärkung von Bereichen um Komponenten, die anfällig für mechanischen Stress sind, entweder durch zusätzliche Substratschichten oder strategisch platzierte Versteifungen.

Große oder schwere Komponenten können zusätzlichen Stress beim Biegen einführen, was zu Zuverlässigkeitsproblemen führen kann.

Stresskonzentration

• Mechanischer Stress: Große oder schwere Komponenten können während des Biegens Stresskonzentrationspunkte erzeugen, was potenziell zu Rissen in Lötstellen, Leiterbahnen oder dem flexiblen Substrat führen kann. Der erhöhte mechanische Stress kann langfristige Zuverlässigkeitsprobleme verursachen, einschließlich Ermüdungsbruch oder Delamination der flexiblen Schaltung.

Auswirkungen auf die Flexibilität

• Reduzierte Flexibilität: Schwere Komponenten können die Gesamtflexibilität der Schaltung einschränken, was es schwieriger macht, dass sich die Schaltung der gewünschten Form oder dem gewünschten Biegeradius anpasst. Eingeschränkte Flexibilität kann die Leistung der flexiblen Schaltung beeinträchtigen, insbesondere in Anwendungen, bei denen wiederholtes Biegen erforderlich ist.

Montageherausforderungen

• Umgang mit Schwierigkeiten: Große oder schwere Bauteile können während des Montageprozesses Herausforderungen darstellen und erfordern sorgfältige Handhabung sowie spezialisierte Ausrüstung. Das Gewicht der Komponenten kann die Qualität der Lötverbindungen beeinflussen und potenziell zu Problemen wie Rissbildung an Lötstellen oder Fehlausrichtungen führen.

Materialkompatibilität

• Materialbelastung: Schwere Bauteile können eine Belastung für das flexible Substratmaterial darstellen und dessen mechanische Eigenschaften über die Zeit beeinflussen. Kontinuierliche Belastung kann zur Materialermüdung beitragen, was die Gesamtlebensdauer und Zuverlässigkeit des flexiblen Schaltkreises reduziert.

Designiterationen

• Prototyping: Um langfristige Risiken zu mindern, sollte das Prototyping mit einem Fokus auf die Bewertung der Leistung von großen oder schweren Komponenten während des Biegens durchgeführt werden.

Indem sorgfältig die Art, Größe und mechanischen Eigenschaften der Komponenten berücksichtigt werden, können PCB-Designer flexible Schaltungsentwürfe optimieren, um Zuverlässigkeit und Leistung zu gewährleisten, insbesondere in Anwendungen, bei denen Flexibilität kritisch ist. Wie immer kann die Zusammenarbeit mit Herstellern während der Designphase helfen, potenzielle Probleme im Zusammenhang mit der Platzierung von Komponenten auf flexiblen Schaltungen zu identifizieren und anzugehen.