Die 8 wichtigsten Vorteile flexibler PCBs

Als ich noch am Anfang meiner Karriere stand, sagte mir jemand, dass den Einsatzbereichen für flexible PCBs nur durch unsere Fantasie Grenzen gesetzt sind. Nach einigem Nachdenken bin ich mittlerweile zu dem Schluss gekommen, dass ich dem voll und ganz zustimme. Wenn wir im Team zusammensitzen und flexible Muster mit verschiedenen Formfaktoren und Flexibilitätseigenschaften herumreichen, kommt es immer wieder vor, dass jemand ein Aha-Erlebnis hat und zu einer völlig neuen Idee angeregt wird.

Diese magischen Momente, die bei der Zusammenarbeit mit einem Designer oder einer Gruppe von Produktingenieuren eintreten, sind eine der schönsten Seiten meines Jobs. Bei der gemeinsam Suche nach einer Lösung für ein bestimmtes Problem mit dem Formfaktor und der Inaugenscheinnahmen von Mustern in unterschiedlichen Flex- oder Rigid-Flex-Designs, beobachte ich immer wieder, wie plötzlich bei einem Teammitglied die Augen zu leuchten beginnen. Das ist der Moment, in dem ein Geistesblitz den Weg zur Lösung des Problems eröffnet, und zugleich der Startschuss für das anschließende Brainstorming. Es ist sehr aufregend, an diesem Kreativprozess beteiligt zu sein!

Zugleich bin ich mir bewusst, dass viele Design- und Entwicklungsteams noch nicht von den aufregenden Möglichkeiten von Flex- und Rigid-Flex-Designs überzeugt sind und vor dem Übergang zu Flex-PCBs zurückschrecken. Dieses Zögern ist verständlich, da der Einsatz neuer Technologien immer einen gewissen Lernaufwand mit sich bringt: Die betreffenden Teams müssen sich mit neuen Materialien und neuen Designregeln vertraut machen und darüber hinaus möglicherweise auch einen neuen Hersteller finden. Das sind eher unerfreuliche Aussichten. Um derartigen Bedenken etwas entgegenzusetzen, nenne ich hier die acht wichtigsten Vorteile flexibler und starr-flexibler PCBs. Ich hoffe, dass diese Übersicht Interessierte zu neuen Ideen anregt und Skeptiker davon überzeugt, dass sich eine ausführliche Auseinandersetzung mit dem Potenzial flexibler Leiterplatten lohnt.

Welche Vorteile bieten flexible PCBs?

Extrem vielfältige Formfaktoren: Dies ist wohl der offensichtlichste Vorteil. Das Material lässt sich biegen und falten, ermöglicht Verbindungen in allen drei Dimensionen und enthält keine diskreten Teile. Elektronische Komponenten und Funktionselemente können im Produkt an der jeweils optimalen Stelle platziert werden, wobei sich Verbindungen durch das Biegen, Falten und Verformen der Leiterplatte herstellen lassen. Das eröffnet kreativen Produktentwicklern völlig neue Möglichkeiten!

Geringerer Platzbedarf und reduziertes Gewicht: SWaP (Space, Weight and Packaging) ist weiterhin ein brandaktuelles Thema im Bereich PCB-Design. Daher sind flexible Leiterplatten eine attraktive Alternative zu verdrahteten Bauteilen mit Lötverbindungen. Je nach den verwendeten Komponenten und der Gesamtstruktur lassen sich hier bis zu 60% bei Abmessungen und Gewicht einsparen, was den Platzbedarf erheblich reduziert. Darüber hinaus können Sie durch den Einsatz flexibler Materialien schlankere Profile realisieren als mit herkömmlichen starren Leiterplatten.

Geringere Fertigungskosten: Flexible PCB-Designs erfordern weniger Löt- und Drahtverbindungen. Dadurch sinken nicht nur die Arbeitskosten im Rahmen des Fertigungsprozesses, sondern auch die Materialkosten sowie die Kosten für die Beschaffung, Empfangnahme, Inspektion und Zusammenfügung von Bauteilen. Auch hier lohnt sich ein genauerer Blick.

Dynamische Verformbarkeit: Wenn flexible Leiterplatten sauber designt sind, können sie Millionen von Biege- und Faltvorgängen verkraften. Ein gängiges Beispiel sind Festplatten, die im Laufe ihrer Lebensdauer zwischen 10 und 100 Millionen Flex-Zyklen durchlaufen. Und auch die Scharniere an unseren Laptops werden während der Gesamtnutzungsdauer des Geräts mehrere zehntausendmal zusammen- und auseinandergebogen.

Verbessertes Wärmemanagement: Polyimid-Kunststoffe sind extrem hitzebeständig und dünne Polyimidschichten geben Wärme deutlich besser ab als dickere Materialien mit schlechterer Wärmeleitfähigkeit. Das ist der Grund für den starken Trend zu flexiblen Designs bei den PCBs für höhere Stromstärken und Frequenzen.

Ansprechende Erscheinung des Produkts: Es ist eine unbestreitbare Tatsache, dass Nutzer ein Produkt eher akzeptieren, wenn es eine ansprechende Erscheinung hat. Dieser Einfluss der Ästhetik auf die Haltung der Verbraucher zeigt sich beispielsweise in der Entwicklung, die der Elektrokauter durchlaufen hat. Das ursprüngliche Design dieses medizinischen Instruments zur Kauterisierung war so gestaltet, dass die Patienten den stromführenden Draht sehen konnten, was bei vielen das Vertrauen in die damit durchgeführte chirurgische Prozedur schwinden ließ. Daher wurde der bloße Draht durch einen einfachen flexiblen Leiter aus Polyimid ersetzt. Daraufhin wurde das neu gestaltete Instrument in Umfragen erheblich besser bewertet, obwohl sich die Funktionalität im Vergleich zum früheren Design nicht geändert hatte.

Biokompatibilität: Polyimid-Materialien sind eine hervorragende Wahl, wenn es auf Biokompatibilität ankommt. Aus diesem Grund werden sie oft im medizinischen Bereich sowie in Wearables eingesetzt. Für vollständige Biokompatibilität können bei der Entwicklung zukunftsweisender Technologien Kupferleitungen auch durch goldhaltige Leiterkomponenten ersetzt werden.

Höhere Zuverlässigkeit und geringere Wahrscheinlichkeit manueller Fehler: Durch den Übergang von einem klassischen, auf einer verdrahteten und verkabelten Leiterplatte basierenden Design zu einem Flex- oder Rigid-Flex-Design sinkt die Zahl der benötigten Durchkontaktierungen und Steckverbinder. Dadurch wird das Schaltungslayout insgesamt vereinfacht, was die Wahrscheinlichkeit manueller Fehler reduziert.

Kann ich auch weiterhin verdrahtete starre Leiterplatten nutzen oder muss ich auf Flex- oder Rigid-Flex-Designs umstellen?

Starre, verdrahtete und verkabelte Leiterplatten haben sich bewährt und eignen sich auch künftig als Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Produkte. Wenn Sie jedoch mit Anforderungen an Design und Formfaktor konfrontiert sind, die sich mit dieser konventionellen Methode nicht erfüllen lassen, sollten Sie eine flexible Lösung ernsthaft in Erwägung ziehen.

Beginnen Sie mit einem einfachen Flex-Design, um sich zunächst mit den gängigen Materialien und den wichtigsten Tipps und Tricks für Entwickler vertraut zu machen. So können Sie sicherstellen, dass Ihr Flex-Design die gegebenen Anforderungen erfüllt. Oder wagen Sie den Sprung ins kalte Wasser und starten Sie gleich mit einem vielschichtigen Rigid-Flex-Design mit Microvias. Welche Variante Sie auch bevorzugen – wir stehen Ihnen in jedem Fall hier mit Rat und Unterstützung zur Seite.