Flexible Schaltungen: erste Schritte

Kürzlich sprach ich vor einer Gruppe von Studenten über die Herstellung von Platinen und bat um ein Handzeichen, um zu erfahren, wie viele von ihnen bereits eine starre Leiterplatte entworfen hatten. Etwa 75 % der Anwesenden hoben die Hand. Anschließend bat ich um Handzeichen derjenigen, die eine Flex-Schaltung entworfen hatten. Die Zahl der Meldungen ging drastisch zurück. Das ist sicherlich nicht überraschend. Zwar sind flexible Schaltungen ein wachsendes Marktsegment der Leiterplattenindustrie, doch viele erfahrene Entwickler haben noch nie damit gearbeitet. Wenn ich an meine eigene Studienzeit zurückdenke: Ich glaube, mein Wissen über flexible Schaltungen reichte nur bis zum „weißen Flachband, das sich in meinem Drucker hin und her bewegte“.

Solche biegsamen Leitungen auf Polyesterbasis machen einen erheblichen Teil des Flexmarktes aus. Auch viele RFID-Tags, bei denen meist Aluminium auf flexiblen Polyestermaterialien verwendet wird, sind kaum zu ignorieren. Wenn ich jedoch gebeten werde, über das Design und die Herstellung von flexiblen Schaltungen zu sprechen, geht es fast immer nur um ein Marktsegment: die Verwendung von flexiblen Polyimidmaterialien. Diese Werkstoffe sind Standard in der Flex- und Starr-Flex-Welt, da sie sich in einen Leiterplattenstack integrieren lassen und so ein einfacheres Routing zwischen starren und flexiblen Segmenten mittels Standardverbindungen ermöglichen. In diesem Leitfaden befassen wir uns mit dem Design und der Herstellung solcher flexiblen Leiterplatten, beginnend mit den verschiedenen Materialien und Verfahren, die bei der Fertigung verwendet werden.

• Der Designprozess von Flex-Leiterplatten
• Materialien für Flex/Starr-Flex-Leiterplatten
• Vorteile von flexiblen PCBs und starr-flexiblen PCB-Konstruktionen

Der Designprozess von Flex-Leiterplatten

Design und Layout von flexiblen und starr-flexiblen Leiterplatten ähneln sich stark. Der Hauptunterschied zwischen beiden ist eine in die starren Enden der Platine reichende Verbindung. Ähnlich wie bei einer herkömmlichen starren Leiterplatte beginnt der Flex-Designprozess mit dem Entwurf des Lagenaufbaus, der Platzierung von Bauteilen, der Planung und Verlegung der Leiterbahnen und schließlich der Optimierung des Layouts zur Fertigungsvorbereitung. Dabei sind zusätzliche Schritte nötig, um sicherzustellen, dass der flexible Teil die erforderlichen mechanischen Eigenschaften aufweist. Dazu gehören z. B. das Hinzufügen von Versteifungen, die Auswahl des Abdeckmaterials bzw. des fotoempfindlichen Lötstopplacks oder die Konstruktion einer vorgegebenen Biegung.

Da sich ein großer Teil des Gestaltungsprozesses um den Lagenaufbau sowie dessen Integration in einen starren Abschnitt dreht, ist das Stackup-Design ein kritischer Teil des Designprozesses jeder Flex-/Starrflex-Leiterplatte. Darüber hinaus können Faktoren wie das Kupfergewicht und die Bauteil-/Leitungsdichte in bestimmten Bereichen der Leiterplatte die Flexibilität beeinträchtigen, weswegen eine starrflexible Konstruktion vorzuziehen sein könnte. Bevor Sie mit dem Entwurf einer flexiblen oder starr-flexiblen Baugruppe beginnen, sollten Sie sich neben den folgenden Aspekten auch Gedanken machen, wie die Konstruktion gehaust werden soll:

• Raumplanung: Wo muss das Flexband in der Leiterplatte gebogen werden, und wie wird die Konstruktion in das Gehäuse verbaut? Die Biege- und Montagebereiche müssen frei von Bauteilen sein, und für bestimmte ICs mit hoher Pin-Anzahl oder bei einer hohen Schaltungsdichte sollte ein starrer Abschnitt verwendet werden. Entscheiden Sie, wo das Flexband in Bezug auf Zonen mit hoher Bauteildichte platziert werden soll.
• Anzahl der Lagen: Wie viele Lagen werden für die Entflechtung benötigt, und sind einige dieser Lagen in einem starren Segment erforderlich? Bei einem starren Abschnitt muss das Flexband in die Mitte des Stapels fixiert werden, was das Routing erschweren kann, wenn eine größere Anzahl von Lagen erforderlich ist (z. B. bei einem High-Speed-Design).
• Steifigkeit: Können Sie ein weniger flexibles Board akzeptieren, oder brauchen Sie eine hochflexible Baugruppe? Dies kann durch die Komponentendichte, das Kupfergewicht oder das Hinzufügen von Versteifungen in bestimmten Abschnitten des Flexbandes beeinflusst werden. Wenn Sie einen sehr steifen Polyimid-Abschnitt benötigen, könnte es sich lohnen, ihn durch ein vollständig starres Segment zu ersetzen. Diese Versteifungen ermöglichen eine höhere Komponentendichte auf dem Flexband und sind kostengünstiger als die Integration eines starren Abschnitts.
• Komponenten mit hoher Anschlussdichte: Kleinere SMD-Bauteile, wie z. B. passive Bauelemente, können problemlos auf einem Polyimid-Flexband platziert werden. Andere Komponenten in BGA-Gehäusen erfordern eine komplexe Via-Struktur und mehr interne Lagen, um die Entflechtung zu erleichtern. Für High-Speed- bzw. HF-Designs könnte das Hatching von Leiterplattenlagen erforderlich werden, um die erforderliche Impedanz, Massekontinuität (z. B. bei unsymmetrischen Signalen) und die Isolierung zu gewährleisten.

Je nach den spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung können Kompromisse zwischen diesen Kriterien erforderlich werden. Daneben müssen die Entwickler sicherstellen, dass das Design produziert werden kann und in der Praxis zuverlässig funktioniert.

• Erfahren Sie mehr über das Design eines starr-flexiblen PCB-Stapels in Ihren Design-Tools

Materialien für Flex/Starr-Flex-Leiterplatten

Wenn Sie sich entschlossen haben, eine flexible Schaltung zu entwerfen, welche Punkte müssen Sie dabei beachten? Wir werden diese in künftigen Blogs ausführlicher besprechen. Doch zuallererst müssen Sie sich Gedanken über Ihre Materialauswahl machen. Zu den für flexible Leiterplatten eingesetzten Werkstoffen gehören Basismaterialien (Polyimid, Kupferfolien), Deckschichtmaterialien (Polyimide oder flüssige Fotolötstoplacke) und Versteifungsmaterialien.

Flexible Grund- und Deckschichtmaterialien

Sowohl die Grundmaterialien als auch die Deckschicht sind von entscheidender Bedeutung. Werden für Ihre Anwendung klebstofffreie Materialien oder solche auf Klebstoffbasis benötigt? Gibt es für die Anwendung irgendwelche UL-Anforderungen zu berücksichtigen? Welches Kupfergewicht und welche Polyimiddicke ist für Ihre Anwendung am besten geeignet? Welche Rohstoffe hat Ihr Hersteller routinemäßig auf Lager? (Tipp: Wenn Sie bei der Materialauswahl flexibel sind, können Sie die Kosten durch eine routinemäßige Bevorratung flexibler Materialien niedrig halten.)

Einige Anwendungen eignen sich am besten für flexibles, flüssiges, fotoempfindliches Coverlay, das die Möglichkeit bietet, sehr enge Pad-Öffnungen zu schaffen. Wenn das Design eine dynamische Biegung erfordert, sollte die Anwendung ein folienbasiertes Polyimid-Deckschichtmaterial verwenden. Folien können je nach gewünschter Pad-Größe entweder gelaserte oder gebohrte Öffnungen haben.

Versteifungselemente

Muss Ihre Anwendung schwerere Bauteile tragen, die von einer zusätzlichen Versteifung profitieren würden? Verschiedene Komponenten und Einsatzgebiete benötigen unterschiedliche Verstärkungselemente, um das mechanische Verhalten des Flexbandes oder der Flachbaugruppe zu optimieren. Gängige Versteifungstechniken sind:

• FR4-Versteifung: Hartes, epoxidgetränktes FR4-Glasfasergewebe ist wahrscheinlich die simpelste Methode. Sie wird einfach als Laminat über den Biegebereich platziert.
• Polyimid: Eine starre Polyimidschicht kann zur Versteifung eines Bereichs verwendet werden. Dazu werden zusätzliche Polyimidplatten übereinandergelegt, um eine lokale Dickenerhöhung zu erreichen. Diese Polyimid-Versteifungen werden meist beim Abschluss mit einem ZIF-Stecker (Zero Insertion Force) eingesetzt, um die entsprechende Dicke zu erreichen.
• Versteifungen von Verbindern/Komponenten: Zu den Materialoptionen für diese Anwendung gehören Metalle, FR4 oder Polyimid, die mit einem flexiblen Klebstoff oder einem Haftkleber thermisch verbunden werden.

Fertigkeiten des Herstellers

Arbeiten Ihre qualifizierten Lieferanten regelmäßig mit flexiblen Materialien? Passen die Anforderungen Ihres Designs zu den Fähigkeiten Ihrer bevorzugten Hersteller oder übersteigen sie deren Fähigkeiten? Sicherlich ist dies keine allumfassende Liste von Dingen, die zu berücksichtigen sind. Sie mögen vielmehr als Denkanstoß für die Entwicklung Ihrer flexiblen Schaltung dienen. Ihr Leiterplattenhersteller ist eine unverzichtbare Hilfe, und Sie sollten sich mit dem geplanten Lagenaufbau an ihn wenden, um sicherzustellen, dass es auch zuverlässig gefertigt werden kann. Er kennt sich mit den Materialien und Herstellungsverfahren aus und hilft Kunden gerne, den Umgang mit flexiblen Leiterplatten zu erlernen.

Vorteile von flexiblen PCB und starr-flexiblen PCB-Konstruktionen

Für diejenigen, die noch keine Erfahrung mit der Entwicklung flexibler Schaltungen haben, seien hier kurz einige der wichtigsten Vorteile genannt, warum Konstrukteure flexible Materialien einsetzen. Obwohl besondere Designüberlegungen erforderlich sind, um sicherzustellen, dass ein flexibles oder starr-flexibles Leiterplattendesign wie geplant produziert werden kann, bieten diese Form der Konstruktion viele Vorteile, die herkömmliche Baugruppen vermissen lassen.

• Platz und Gewicht: Viele der heutigen Elektronikdesigns stehen vor der Herausforderung, die Größe und das Gewicht des Endprodukts zu reduzieren. Flexible Materialien können sperrigere Draht- und Lötverbindungen ersetzen. Einer häufig zitierten Statistik zufolge lassen sich unter den richtigen Umständen bis zu 60 % einsparen. Das ist beträchtlich.
• Vorteil bei der Packungsdichte: Es lässt sich nicht leugnen, dass die Möglichkeit, eine flexible Schaltung um eine Ecke zu biegen und zu falten, und die Fähigkeit, eine dreiachsige Verbindung herzustellen, dem Leiterplattendesigner einen bedeutenden Vorteil gegenüber herkömmlichen Verbindungstechniken und starren Leiterplattenmaterialien bietet. Die Fähigkeit, diese Vorteile optimal zu nutzen, ist letztlich nur von der Kreativität des Konstrukteurs begrenzt.
• Vereinfachte Montage: Im Vergleich zu sperrigen Leitungen und Kabeln kann eine einfache flexible Schaltung den Montageaufwand drastisch reduzieren. Eine flexible Leiterplatte kann viele Positionen einer Stückliste ersetzen.
• Wärmemanagement: Polyimid-Materialien können hohen Wärmebelastungen standhalten, und dünnes Polyimid leitet die Wärme viel besser als dickere, weniger wärmeleitende Werkstoffe, was es zu einem Top-Anwärter für Anwendungen mit hoher Leistung und hohen Frequenzen macht.
• Biokompatibilität: Polyimid und LCP (Liquid Crystal Polymer) sind zwei flexible Materialien, die besonders biokompatibel sind und aus diesem Grund regelmäßig in medizinischen Anwendungen und Wearables eingesetzt werden. Hier beobachte ich ein zunehmendes Interesse an Flex-Schaltungen, die Gold statt Kupfer als Leiter verwenden und somit eine vollständig biokompatible Option darstellen.

Nach der Fertigung kann der flexible Teil der Leiterplattenbaugruppe mit statischer Biegung in das Gehäuse montiert werden oder sich mit dem Gehäuse oder anderen mechanischen Elementen dynamisch biegen. Manchmal werden flexible Schaltungen als „flex to install“ konstruiert, d. h. sie wird gebogen oder gefaltet, um nach der Montage in der endgültigen Elektronik unbeweglich zu bleiben. In anderen Fällen muss die Anwendung hunderte, tausende oder gar Millionen von Biegezyklen schadlos durchlaufen. Festplattenlaufwerke oder die flexiblen Schaltungselemente in den Scharnieren unserer Laptop-Computer sind ein typisches Beispiel für einen solchen Einsatz. Der Konstruktionsprozess unterscheidet sich geringfügig bei statischen und dynamischen Biegeelementen, wobei die Verformung, die beim Biegen auftreten kann, die Hauptrolle spielt.

• Erfahren Sie mehr über die Gestaltung von statischen und dynamischen Flexbändern

Flex- und Starrflex-Leiterplattendesigner, Layout- und SI/PI-Ingenieure vertrauen bei ihren Design- und Layoutanforderungen auf die fortschrittlichen Designwerkzeuge von Altium Designer^®. Wenn Sie ein Design entwickelt haben und für die Produktion freigeben möchten, können Sie über die Altium-365^™-Plattform problemlos zusammenarbeiten und Ihre Projekte im Team bearbeiten. Altium Designer lässt sich auch in gängige MCAD- und Simulationsanwendungen integrieren. Dadurch haben Sie die Möglichkeit, das Stromversorgungs- und Signalverhalten in Multi-Board-Systemen besser zu analysieren.

Ist ein Design fertiggestellt und kann für die Fertigung freigegeben werden, erleichtert die Altium-365^™-Plattform die Zusammenarbeit und die gemeinsame Nutzung Ihrer Projekte.

Haben Sie weitere Fragen? Rufen Sie einen Altium-Experten an und erfahren Sie, wie wir Sie bei Ihrem nächsten PCB-Design unterstützen können. Sie können eine kostenlose Testversion von Altium Designer hier herunterladen.