Flexible PCBs und das Internet der Dinge: Wie schnell sich die Welt des PCB-Designs verändert

^{Verbindungen zur Cloud sind ein Hauptmerkmal des Internets der Dinge.}

Ich als PCB-Designer bin mir natürlich darüber im Klaren, dass mein Arbeitsfeld sich in den letzten zwei Jahrzehnten radikal verändert hat. Direkt nach meinem Abschluss Mitte der 90er Jahre drehten sich alle meine Projekte um zwei Dinge: Computer und ihre Peripheriegeräte. Klar kamen auch mal Stereoanlagen oder Radiowecker herein, aber 90% meiner Zeit arbeitete ich an Motherboards oder etwas Ähnlichem. Ich hatte also meistens sehr viel Platz für meine Design-Vorhaben. Und das auch noch auf einer zweilagigen Leiterplatte. Es war eine andere Zeit. Zum Glück ist es nicht so geblieben.

Spulen wir bis heute vor, und ich entwickle immer noch PCBs im Computerbereich. Natürlich gibt es keine großen, beigefarbenen Kästen mehr – stattdessen spricht jeder vom Internet der Dinge (IdD). Dank dieser vernetzten Computer hat sich eine ganz neue Kategorie von Geräten eröffnet, besonders unter dem Titel der „Smart Home“-Anwendungen. Kaffeemaschinen, Wasserkocher, Kühlschränke, Lampen, Uhren und sogar Autos werden mit Technologie fürs 21. Jahrhundert ausgestattet. Funktionen wie Cloud-Steuerung, Fernzugriff und das Selbstlernen der Geräte (z. B. das automatische Einschalten Ihrer Klimaanlage während der Heimfahrt zum Feierabend) machen die Zukunftsvision zur Realität. Für uns PCB-Designer und Elektronikentwickler bedeutet das natürlich mehr als Partyspielereien und Toaster mit Fuzzy Logic.

Das Internet der Dinge: Komplizierter als erwartet

Aus offensichtlichen Gründen ist das PCB-Design für ein IdD-Gerät eine echte Herausforderung. Vor allem Platz ist Gold wert. Die meisten IdD-Produkte sind kleine Geräte, Steuerelemente oder Wearables für den Verbrauchermarkt, bei denen alles aufgeräumt und kompakt sein muss. Außerdem werden die meisten dieser Geräte nicht mit dem Gedanken an die Hardware entwickelt. Es geht vor allem um Ästhetik, was der Hardware nur unregelmäßig geformten und knapp bemessenen Raum lässt. Dann ist da noch das Thema mit der Leistung. Niemand will einen Kühlschrank mit „Ladezeit“ oder eine Smartwatch, die jede Menge Akkuleistung braucht, nur um YouTube zu laden. Ihre PCB wird voll mit integrierten Schaltungen und mindestens einem, oft sogar zwei Systems-on-Chip sein. Zuletzt gilt es, die Zuverlässigkeit zu bedenken. Verbraucher, die diese Geräte kaufen, wollen, dass sie „einfach funktionieren“. Hinter allen Design-Entscheidungen muss also solides Handwerk stecken. Es gibt keinen Platz mehr für Fehler (oder für sonst irgendwas). Gut, jetzt hab ich Ihnen so richtig Angst gemacht. Also, was tun kluge Designer heute?

^{Smartwatches sind eine typische Anwendung des Internets der Dinge. Sie benötigen viel Leistung auf kleinem Raum.}

Flexible PCBs: Der beste Freund jedes IdD-Projekts

Wenn ich kurz aus dem Nähkästchen plaudern darf: Die simplen zweilagigen Leiterplatten, von denen ich so nostalgisch sprach, gehen mal gar nicht. Sie sind bei kleinen Formfaktoren einfach nicht leistungsfähig genug. Aber was ist mit dichten mehrlagigen Leiterplatten? Klar, technisch ist das eine gute Frage, aber meiner Erfahrung nach bringen sie mehr Ärger als Nutzen. Viele IdD-Produkte, besonders die Wearables, sind ständig in Bewegung und diese Art Leiterplatten ist dafür zu zerbrechlich. Nicht nur das, sie braucht auch passenden flachen Platz für den Einbau. Es gibt eine bessere Option und jeder IdD-Konstrukteur weiß das auch. Flexible PCBs sind die Standardlösung für den IdD-Bereich und schon lange keine Mauerblümchen unter den PCBs mehr. Die aus mehreren Lagen Polyimid hergestellten flexiblen PCBs haben dieselben Werte wie starre Leiterplatten. Sie sind weithin anpassbar, ohne an Verlässlichkeit einzubüßen, und wurden bereits erfolgreich in IdD-Anwendungen eingesetzt. Was noch wichtiger ist: Ihre Flexibilität lässt sie auch in die kleinen und unkonventionellen Formen vieler IdD-Geräte passen. Ich konnte mit ihnen schon öfter den Platz hinter gewölbten Frontblenden und in Standfüßen ausnutzen. Ich brauchte auch weniger Steckverbinder und Flachkabel, deren Platzhunger wir alle kennen. Potentiell könnte man auch ein gemeinsames Design für verschiedene IdD-Produkte mit verschiedenen Formfaktoren entwerfen – das gefiel vor allem meinem Chef. Flexible PCBs und das IdD sind wie füreinander geschaffen.

^{Bisher haben flexible PCBs nur Nebenrollen gespielt. Hier sieht man eine häufige Anwendung in der Verbindung eines Festplattenmotors mit der Hauptleiterplatte.}

Bei so vielen großen und kleinen Unternehmen, die im IdD-Spiel mitmischen wollen, werden Sie sicher auch bald an einem IdD-Projekt arbeiten. Wenn Sie so skeptisch sind wie ich, dann werden Sie bei flexiblen PCBs vielleicht zögern. Warum sollte man die Arbeit bei den bestehenden Herausforderungen mit IdD-Projekten noch komplizierter machen? Aber wie bei der Frage nach „Huhn oder Ei?“ ist der IdD-Markt durch die flexiblen PCBs sowohl verbessert als auch möglich gemacht worden. Etwa vor 8 Jahren habe ich den Prototypen eines flexiblen PCBs zum ersten Mal bei einem Anbieter gesehen und es war zugegeben noch sehr primitiv. Heute werden moderne Technologien wie SMT, Microvias, Mehrlagen-Substrate und BGAs wirklich ausgereizt. Dank der günstigeren Preise durch höhere Produktionszahlen können Hersteller diese Funktionen billiger anbieten. Bei gleichbleibendem Budget hat sich die Menge der Design-Optionen flexibler PCBs dramatisch vervielfacht. Tatsächlich sind starre PCBs in Kosten-Nutzen-Analysen nicht mehr automatisch günstiger. Flexible PCBs sind auch widerstandsfähiger und somit zuverlässiger geworden. Eines hat sich allerdings noch nicht geändert: der Design-Prozess. Der Arbeitsablauf in Ihrer PCB-CAD-Umgebung wird größtenteils identisch sein: Bauteile wählen und platzieren, Leiterbahnen verlegen, zusätzliche Lagen hinzufügen. Außerdem sind viele neue Design-Pakete darauf ausgelegt, mit flexiblem Design zu arbeiten, und werden Ihnen helfen, Dimensionen und Geometrien passend zu wählen und zu gestalten. Ganz ehrlich, selbst wenn Sie noch nicht ganz von flexiblen PCBs überzeugt sind, wird sich die Welt des PCB-Designs aufgrund des IdD weiter verändern. Wenn sie heute nicht gut genug sind, werden sie morgen großartig sein.

Ich als Designer-Kollege hoffe, dass Sie ähnlich begeistert von der Arbeit mit flexiblen PCBs sind. Technologie und Design-Werkzeuge haben sich weiterentwickelt. Bevor Sie sich in die Welt des IdD wagen, sollten Sie sich Ihre Werkzeuge und Ressourcen noch einmal ansehen. Flexible PCBs haben sich verändert, aber was ist mit Ihrer PCB-Designsoftware? Ist es bereit für die neuesten Entwicklungen? Altium bietet verschiedene Lösungen an, die an Ihre Bedürfnisse anpassbar sind und den Arbeitsablauf optimieren. Die professionelle PCB-Design-Software von Altium sind wie für die vielen Herausforderungen eines erfolgreichen IdD-Produktdesigns gemacht. Mit Unterstützung flexibler PCB-Designs, umfangreichen Testwerkzeugen und einer intuitiven Benutzeroberfläche ist Altium Software eine zuverlässige, vertrauenswürdige Grundlage für Ihr nächstes (oder erstes) IdD-Projekt.