Flexible Leiterplatte |

Flexible Leiterplatten (FPCBs) haben sich dank ihrer Flexibilität und Flexibilität sowie ihrer Anpassungsfähigkeit an komplexe Geometrien als bahnbrechende Neuerung in der modernen Elektronik erwiesen. FPCBs werden aufgrund ihrer vielfältigen Vorteile, darunter flexible Struktur, geringes Gewicht, Kompaktheit und die Möglichkeit, in verschiedene Räume zu passen, in der Industrie weit verbreitet eingesetzt. 

Flexible Leiterplatten bestehen in der Regel aus Polyimid- oder Polyesterfolien. Dank dieser Materialeigenschaften können sich flexible Leiterplatten biegen und biegen, ohne beschädigt zu werden. Ihre Flexibilität macht sie zu einer beliebten Wahl in vielen Elektronikfertigungsbranchen, in denen Kompaktheit und Robustheit gefragt sind, darunter tragbare Elektronik, tragbare elektronische Geräte, medizinische Geräte und Unterhaltungselektronik.

Struktur von FPCB

Die FPCB-Struktur spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Funktionalität der Leiterplatte. Die Grundelemente der FPCB-Struktur sind wie folgt: 

·       Leitfähige Schicht: Die leitfähige Schicht der FPCB besteht aus Kupfer und sorgt für die notwendige elektrische Leitfähigkeit der Schaltung.

·       Dielektrische Substratschicht: Das dielektrische Substrat dient als physikalische Basis in FPCB-Schichtstrukturen für leitfähige Materialien.

·       Klebeschicht: Die Klebeschicht in FPCBs wird verwendet, um das Substrat mit der Kupferfolie zu verbinden, was zu Plattenhöhe und Flexibilität führt.

·       Decklage: Die Abdeckung besteht aus Polyimidmaterial und schützt die leitfähigen Schaltkreise vor Staub und Feuchtigkeit.

·       Versteifungen: Versteifungen bestehen meist aus FR4-Material, das verwendet wird, um Bereiche zu verstärken und die FPCB robuster zu machen.

Arten von FPCBs basierend auf Schichten

Starre und flexible Leiterplatten bestehen aus mehreren laminierten Schichten. FPCB-Schichten unterscheiden sich aufgrund ihrer Flexibilität geringfügig von herkömmlichen Leiterplattenschichten. FPCBs können anhand ihrer Schichten kategorisiert werden.

1.     Einseitige FPCB: Einseitige Flex-Leiterplatten gelten als die einfachste Leiterplatte und bestehen lediglich aus einer Substratschicht, einer leitfähigen Schicht, einem Overlay und einem Siebdruck. Sie werden als einseitige FPCB bezeichnet, da sie nur eine einzige Schicht aus flexiblem Polyimid- oder Polymerfilm aufweisen. Daher ist die leitfähige Kupferschicht auf einer Seite der FPCB zugänglich. Die andere Seite dieses Leiterplattentyps dient zur Platzierung elektronischer Komponenten.

·       Warum einseitige FPCB? Unter allen Arten von FPCB wird die einseitige flexible Leiterplatte häufig in vielen elektronischen Anwendungen verwendet.Ionen, einschließlich tragbarer und Unterhaltungselektronik, aufgrund ihrer Einfachheit und Kosteneffizienz.

2.     Doppelseitige FPCB: Bei doppelseitigen flexiblen Leiterplatten können Leiterbahnmuster auf beiden Seiten der Leiterplatte erstellt werden. Die Zugänglichkeit der Kupferschichten sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite macht sie zur geeigneten Wahl für dichte elektronische Platinen. Bei doppelseitigen flexiblen Leiterplatten können die Schichten über Durchgangslöcher verbunden werden.

·       Warum doppelseitige FPCB? Diese Platinen bieten die Flexibilität, beidseitig Leiterbahnmuster zu erstellen und eignen sich daher für komplexe und dichte Elektronikprodukte wie medizinische Geräte und Unterhaltungselektronik. Sie eignen sich, wenn mehr Funktionalität auf begrenztem Raum benötigt wird.

3.     Mehrschichtige FPCB: Multilayer-Flex-Leiterplatten bestehen, wie der Name schon sagt, aus mehreren Kupferschichten, die über Durchgangslöcher verbunden sind. Multilayer-Flex-Leiterplatten sind im Vergleich zu allen anderen Typen komplexer, da sie aus einzelnen Kupfer- und Dielektrikumschichten bestehen. Meist eignen sich mehrschichtige flexible Leiterplatten für Anwendungen, bei denen Gestaltungsfreiheit, hohe Designanforderungen und vielfältige Funktionalitäten auf begrenztem Raum erforderlich sind, wie z. B. bei Smartphones, Weltraumelektronikgeräten, Digitalkameras und Herzschrittmachern. 

·       Warum mehrschichtige FPCB? Mehrschichtige FPCBs eignen sich vor allem für komplexe Designs, bei denen verschiedene Funktionalitäten in begrenzten Bereichen gewünscht sind, wie etwa bei Hörgeräten und Herzschrittmachern.

Materialarten für Flex-Leiterplatten

Die Flexibilität von flexiblen Leiterplatten wird durch spezielle Materialien erreicht. Zu den Grundmaterialien, die in flexiblen Leiterplatten verwendet werden, gehören Substratmaterial, leitfähiges Material und Klebematerialien.

3.1 Substratmaterial

Das Grundmaterial für fast alle Leiterplattentypen ist Glasfasergewebe. Obwohl diese Materialien auch für starre Leiterplatten verwendet werden, ist es nicht das Glasfasergewebe, das die Platte versteift, sondern das gebogene Epoxidharz. Die einzelne Laminatschicht ist flexibel genug, um für einfache flexible Leiterplatten verwendet zu werden, bei denen keine ständige Bewegung erforderlich ist. Das häufig verwendete Material für flexible Leiterplatten ist flexibles, hitzebeständiges Polyimid. Polyester kann ebenfalls für flexible Leiterplatten verwendet werden, wird jedoch selten verwendet oder bevorzugt, da es den hohen Löttemperaturen nicht standhält.

3.2 Leitfähiges Material

Das gängigste Leitermaterial für kostengünstige Elektronik ist Kupfer. Kupfer gibt es in verschiedenen Formen, und je nach Anwendung ist das geeignete Kupfer geeignet. Wenn Sie beispielsweise Zeit und Herstellungskosten durch den Verzicht auf Kabel und Steckverbinder reduzieren möchten, ist Kupferfolie eine gute Wahl. Ist die Leiterplatte für Ihre Anwendung ständig biegbar, ist Kupferfolie nicht die beste Wahl. In diesem Fall sollten Sie hochwertige Folie in Betracht ziehen. Hochwertige Folie verbessert die Flexibilität der flexiblen Leiterplatte, erhöht aber die Kosten erheblich. Es ist also ein Kompromiss zwischen hoher Flexibilität und Kostenersparnis. Geglühte Folie verbessert die für flexible Leiterplatten erforderliche Flexibilität.

3.3 Klebstoff

Einfach ausgedrückt ist Klebstoff ein Material, das zwei Materialien zu einer festen Verbindung verbindet. Bei flexiblen oder starren Leiterplatten werden Klebstoffe zum Verkleben der Kupferfolie benötigt. Bei FR4-Material hat geglühtes Kupfer weniger Zähne, und Hitze reicht nicht aus, um eine stabile Verbindung herzustellen. Daher spielen Klebstoffe eine entscheidende Rolle für eine feste Verbindung und die erforderliche Flexibilität von flexiblen Leiterplatten.

Arten von FPCBs basierend auf der Konfiguration

Basierend auf der Konfiguration werden FPCBs normalerweise in statische und dynamische flexible PCBs eingeteilt.

Statische FPCB

Statische flexible Leiterplatten sind für Anwendungen konzipiert, bei denen minimale Bewegung erforderlich ist. Sie sind üblicherweise so konstruiert, dass sie sich in einem bestimmten Radius biegen lassen. Bei der Montage werden statische flexible Leiterplatten mithilfe eines Spezialwerkzeugs über den vorgegebenen Krümmungsradius und Winkel hinaus gebogen, um eine plastische Verformung während der Formgebung zu gewährleisten. Bei der Festlegung von Biegeradius und -winkel ist es wichtig, den Sicherheitsspielraum bei der Leiterbahndicke zu berücksichtigen. Dies ist wichtig, um sicherzustellen, dass die Haarlinie intakt bleibt und nicht reißt.

Dynamische FPCB

Dynamische flexible Leiterplatten werden dort eingesetzt, wo mehr Flexibilität erforderlich ist, beispielsweise in Roboterarmen. Unabhängig davon, ob es sich um statische oder dynamische Leiterplatten handelt, sind die Designüberlegungen für flexible Leiterplatten in der Regel dieselben, mit der Ausnahme, dass dynamische Leiterplatten für häufigeres Biegen und Falten ausgelegt sind. Die Haltbarkeit dieser flexiblen Leiterplatten wird durch einen größeren Biege- und Krümmungswinkel erhöht.

FPCB-Herstellungsprozess

Zu den typischen Schritten im Herstellungsprozess von FPCBs gehören:

       1. Materialauswahl: Dieser Schritt ist entscheidend für die Herstellung von FPCBs, da er die Gesamtflexibilität der Leiterplatte bestimmt. Normalerweise wird Polyimid aufgrund seiner Hitzebeständigkeit und Haltbarkeit als Substrat verwendet. Kupferschichten dienen zur Erzeugung von Leiterbahnmustern. Dieser Schritt ist entscheidend für die Herstellung von FPCBs, da er die Gesamtflexibilität der Leiterplatte bestimmt. Normalerweise wird Polyimid aufgrund seiner Hitzebeständigkeit und Haltbarkeit als Substrat verwendet. Kupferschichten dienen zur Erzeugung von Leiterbahnmustern. 

       2. Schaltungsmuster: Fotoresistives Material wird auf die Kupferoberfläche aufgetragen und über eine Maske UV-Licht ausgesetzt, um das gewünschte Schaltungsmuster zu erzeugen. Durch Ätzen wird das unerwünschte Kupfer entfernt.

       3. Bohr- und Durchgangslochverfahren: Löcher werden mit einem speziellen Gerät für Vias und Durchgangslöcher erzeugt. Durchgangslöcher und Vias werden mit Kupfer leitfähig gemacht, um sie mit anderen Schichten der flexiblen Leiterplatte zu verbinden.

       4. Komponentenplatzierung: Zunächst wird die Lötpaste mithilfe einer Schablone aufgetragen. Mithilfe einer Bestückungsmaschine werden die Bauteile auf den dafür vorgesehenen Bauteilpads platziert.

       5. Reflow-Löten: Die FPCB wird nun durch einen Reflow-Ofen geführt, um die Lötpaste zu erhitzen. Beim Erhitzen schmilzt die Lötpaste und stellt eine starke Verbindung zwischen Bauteilen und Pads her.

       6. Inspektion und Prüfung: Mithilfe spezieller Geräte werden FPCBs auf Fehler geprüft. Eine automatische optische Inspektionsmaschine scannt die FPCB und erkennt fehlende Komponenten und Lötbrücken. Zusätzlich wird eine Röntgeninspektion durchgeführt, um Lötfehler in der FPCB zu identifizieren.

Anwendungen von FPCB

Die Fähigkeit von FPCBs, sich zu biegen und zu falten, macht sie ideal für viele Industrieanwendungen, darunter Satelliten, Unterhaltungselektronik, tragbare Elektronik und medizinische Geräte.

Medizinprodukte: Flexible Leiterplatten sind kompakt, leicht und zuverlässig. Aufgrund ihrer Fähigkeit, in komplexe Geometrien zu passen, eignen sie sich ideal für viele medizinische Geräte wie Herzschrittmacher, Hörgeräte, CT-Scanner, MRT-Geräte und Diagnosegeräte.

Unterhaltungselektronik: Moderne Unterhaltungselektronik wird immer intelligenter und erfordert leichte, kompakte und effiziente Leiterplatten. FPCBs schließen diese Lücke und werden in vielen Anwendungen eingesetzt, darunter Smartphones, Smartwatches, Laptops und Wearables.

Automobilindustrie: Die Automobilindustrie verändert sich durch moderne Technologien. Moderne Fahrzeuge erfordern eine nahtlose Kommunikation zwischen Sensoren. FPCBs werden in der Automobilindustrie immer beliebter und finden Anwendung in Armaturenbrettanzeigen, Sensoren und Fahrzeugbeleuchtungssysteme.

Industrielle Automatisierung: Die Welt bewegt sich in Richtung Automatisierung, und Roboter erfreuen sich in vielen Anwendungen zunehmender Beliebtheit. FPCBs verleihen Roboterarmen die nötige Flexibilität und Zuverlässigkeit, um sie effizient und autonom zu machen.

Vor- und Nachteile von FPCB

Flexible Leiterplatten haben ihre einzigartigen Vorteile. Sie bieten jedoch auch einige Nachteile. Dies hängt von den Anforderungen und der Art der Anwendung ab, für die Sie die FPCB entwickeln.

10 Tipps für Ihr FPCB-Design

1. Wählen Sie basierend auf Ihrer Anwendung das richtige Substratmaterial für Ihr FPCB-Design.

2. Achten Sie auf einen genauen Biegeradius, um Fehler zu vermeiden.

3. Verwenden Sie beim FPCB-Design immer versetzte Vias.

4. Es wird nicht empfohlen, Lötstellen zu verwenden. Versuchen Sie daher immer, minimale Sol zu verwendender Gelenke.

5. Optimieren Sie die Leiterbahnbreite, um den Widerstand zu verringern.

6. Führen Sie immer umfassende Tests für FPCBs durch, bevor Sie sie in das Design integrieren.

7. Verwenden Sie beim FPCB-Design immer geeignete Wärmeableitungstechniken.

8. Verwenden Sie geeignete Abschirmtechniken, um elektromagnetische Störungen zu minimieren.

9. Verwenden Sie geeignete Überzugsmaterialien, um die Haltbarkeit zu gewährleisten.  

10. Verwenden Sie geeignete Techniken, um Risse in Flex-PCBs zu vermeiden.

Unterschied zwischen starren und flexiblen Leiterplatten

Fazit

Flexible Leiterplatten haben die moderne Elektronik revolutioniert. Sie bieten flexible, zuverlässige, leichte und platzsparende Lösungen für verschiedene Anwendungen, darunter tragbare Elektronik, Unterhaltungselektronik und die Medizintechnik. Die Fähigkeit von flexiblen Leiterplatten, sich in komplexe Geometrien einzufügen, macht sie ideal für moderne Elektronikdesigns. Die Herstellungskosten von flexiblen Leiterplatten sind zwar höher, ihre Vorteile überwiegen jedoch die Nachteile.