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Flexible Leiterplatten lassen sich biegen, um sich an gekrümmte und enge Räume anzupassen. Sie bestehen aus dünnen Kupferschichten auf einer flexiblen Folie, die es Ingenieuren ermöglicht, kleinere Geräte zu bauen. Sie finden sich in Kameras, Smartphones und medizinischen Geräten. Das Biegen und Falten bietet neue Layout-Optionen und ermöglicht eine zuverlässige Signalübertragung.
Flexible Leiterplatten helfen, Platz und Gewicht in Geräten zu sparen. Designer können schlanke und leichte Geräte entwickeln, während tragbare Gadgets bequemer und robuster werden. Hersteller können Montageschritte reduzieren und so Zeit in der Produktion sparen. Flexible Leiterplatten halten zudem Bewegungen und Belastungen im täglichen Gebrauch stand. Eine Vielzahl von Geräten, darunter Elektroautos, Drohnen und Smart Homes, nutzen diese Technologie. Dieses Wachstum ermöglicht Ihnen viele neue Werkzeuge.
Lesen Sie weiter und sehen Sie sich die wichtigsten Arten flexibler Leiterplatten, ihren Aufbau sowie ihre Vor- und Nachteile an. Wir vergleichen sie außerdem mit den bekannteren starren Leiterplatten und erklären, warum flexible Leiterplatten für Sie in Frage kommen.
Eine flexible Leiterplatte (PCB) ist eine dünne elektronische Platine auf einer biegsamen Folie. Sie enthält Kupferleiterbahnen, die Strom und Signale über die gesamte Platine leiten. Die Basisfolie kann sich verdrehen oder um Teile wickeln. Sie lässt sich auch an enge oder gekrümmte Räume anpassen. Diese Flexibilität macht sie ideal, wenn eine flache Platine nicht ausreicht.
Starre Leiterplatten sitzen auf einem harten, flachen Substrat, das sich nicht verbiegt und unter Belastung seine Form behält. Flexible Leiterplatten hingegen biegen und verformen sich bei Bewegung oder engen Passungen. Sie lassen sich in kompakte Geräte falten und sparen so Steckverbinder und Kabel. Das reduziert außerdem Gewicht und Montageschritte. Diese Designänderung ermöglicht Ihnen viele neue Layouts.
Flexible Leiterplatten verwenden Folien wie Polyimid oder Polyester als Trägermaterial. Kupferfolie wird mit Spezialkleber auf diese Folie geklebt, und eine Deckschicht schützt die Leiterbahnen und erhält gleichzeitig die Flexibilität. Versteifungen zur Befestigung von Bauteilen und Deckfolien zur Isolierung und Verstärkung können ebenfalls zum Einsatz kommen. Lagenanzahl und -dicke variieren je nach Verwendungszweck, um Flexibilität und Haltbarkeit optimal auszubalancieren.
Flexible Leiterplatten finden sich in Kameras, Handys, Wearables und Sensoren. Sie passen in medizinische Scanner, Smart Glasses und Drohnen. Automobilhersteller nutzen sie in Armaturenbrettern und Sensoren, während Raumfahrzeuge und Satelliten auf ihr geringes Gewicht und ihre Biegsamkeit angewiesen sind. Flexible Leiterplatten sind auch für bewegliche Roboter unverzichtbar.
Es gibt viele Arten flexibler Leiterplatten, die für verschiedene elektrische Komponenten und Geräte verwendet werden. Hier sehen Sie einige davon genauer.
Bei einer einseitigen Flex-Leiterplatte sind Kupferleiterbahnen auf einer Seite einer dünnen Folie angebracht. Die Polyimidfolie fungiert als Signalträger, wenn sie sich durch enge Bereiche biegt. Eine Deckschicht schützt die Leiterbahnen und Markierungen, die als Faltpunkte dienen. Dieses Layoutdesign ermöglicht eine dünne Leiterplatte zu erschwinglichen Kosten für grundlegende elektronische Leiterbahnen.
Ingenieure verwenden üblicherweise einseitige Flexplatinen für Sensorbänder, LED-Streifen und einfache Signalverbindungen. Die Platine wird während der Herstellung entweder einmal gebogen oder bleibt flach. Ein einziger Schnitt in den Kabelbäumen und -leitungen reduziert sowohl den Platzbedarf als auch das Systemgewicht. Die einseitige Kupferschicht ermöglicht Fertigungsunternehmen zudem niedrige Produktionskosten und vereinfacht gleichzeitig die Fertigungsprozesse für kleine Stückzahlen.
Das Design Komplexe Verdrahtungen können ohne zusätzliche Jumper nicht unterstützt werden. Der gesamte Leiterbahnverlauf wird sorgfältig geplant, wodurch Überkreuzungen ausgeschlossen werden. Zusätzliche Verbindungen erfordern entweder Jumper oder externe Drähte. Das Hinzufügen von Versteifungen erhöht die Leiterplattendicke, da sie als Verbindungs- oder Montageelemente dienen.
Eine doppelseitige Flex-Leiterplatte trägt Kupfer auf beiden Seiten ihrer Folie. Durchgangslöcher und Mikrovias verbinden die verschiedenen Lagen der Leiterplatte. Die zusätzlichen Routing-Möglichkeiten erhöhen sich bei gleicher Fläche. Jede Seite der Flex-Leiterplatte verfügt über Schutzfolien, die auch biegeanfällige Bereiche verstärken. Die Leiterplatte behält ihr dünnes Profil auch bei mittlerer Komplexität und Signaldichte.
Doppelseitige Flex-Leiterplatten kommen in Barcode-Lesegeräten, Kamerakabeln und LED-Hintergrundbeleuchtungen zum Einsatz. Die zusätzliche Schicht ermöglicht eine bessere Leistung durch die Trennung von Strom- und Datenleitungen. Fertigungsprozesse mit Bohr- und Beschichtungsvorgängen treiben die Produktionskosten über die einseitiger Konstruktion hinaus. Die Flexibilität bei der Bauteilplatzierung und der kritischen Netzführung bietet Designern Vorteile.
Das Routing in Biegezonen erfordert eine sorgfältige Planung, um Risse in den Durchkontaktierungen zu vermeiden. Im Fertigungsprozess müssen Durchkontaktierungen so platziert werden, dass keine gekrümmten Abschnitte entstehen, und die Deckschicht muss verstärkt werden. Die Herstellerregeln legen die Leiterbahnabmessungen fest, um die Zuverlässigkeit bei Biegevorgängen zu gewährleisten. Die festgelegten Regeln ermöglichen eine hohe Dichte bei gleichzeitiger Gewährleistung der langfristigen Zuverlässigkeit in tragbaren und faltbaren Systemen.
Die mehrschichtige Flex-Leiterplatte kombiniert drei oder mehr Kupferschichten in flexiblen Folien. Die inneren Kupferschichten enthalten Strom- und Masseflächen zur Rauschreduzierung. Die Verbindung der Schichten erfolgt über verdeckte oder vergrabene Mikrovias, um den Platzbedarf zu minimieren. Eine Deckschicht verbindet den Stapel und schützt alle Kupferschichten vor Flexverschleiß.
Die Designs von Hochgeschwindigkeitsschaltungen, HF-Modulen und Kompaktkameraanschlüssen profitieren von diesem speziellen Typ flexibler Leiterplatten. Ein dünnes, flexibles Gehäuse enthält Schichten für Stromversorgung und Erdung bei der Signalübertragung. Eine bessere Signalintegrität und EMI-Kontrolle werden durch Designkompromisse mit höheren Kosten erreicht. Der Herstellungsprozess erfordert eine exakte Ausrichtung, spezifische Laminierdrücke und eine kontrollierte Wärmebehandlung für jede Klebeschicht.
Die frühzeitige Festlegung der Lagenanzahl ist entscheidend, da zusätzliche Lagen sowohl Dicke als auch zusätzliche Ätzprozesse erfordern. Kritische Netze müssen auf den inneren Lagen abgebildet werden, um Schutz bei Bewegung zu gewährleisten. Die Anzahl der Lagen im Stapel bestimmt die Biegeradiusbeschränkungen, die Designer bei der Anpassung ihrer Designanforderungen an diese Einschränkungen berücksichtigen müssen. Die Balance zwischen Zuverlässigkeit und Flexibilität kann auf der gesamten Platine gewahrt werden.
Jede elektronische Schaltung, die flexible Trägerfolien verwendet, gilt als Flex-Leiterplatte. Ein Flex-Leiterplattendesign umfasst sowohl einfache einlagige als auch komplexe mehrlagige Aufbauten. Die Materialauswahl und die Kupferdicke hängen von der erwarteten Anzahl der Biegungen ab. Statische Flex-Leiterplatten werden einmal gebogen, während dynamische Flex-Leiterplatten kontinuierliche Biegebewegungen aushalten müssen.
Statische Flexplatinen dienen speziell zur Unterstützung von Kamera- und Telefonfalten. Dazu müssen sie gebogen und in ihrer neuen Position fixiert werden. Bewegliche Gelenke und faltbare Displays erfordern dynamische Flexplatinen. Spezielle Designs zur Kupferspannungsentlastung und für neutrale Biegelinien sind erforderlich. Ihr Platinendesign übersteht mehrere tausend Biegezyklen unbeschadet.
Die Auswahl flexibler Leiterplatten ermöglicht Ihnen, ein Gleichgewicht zwischen Bewegungsanforderungen und Produktkosten zu finden. Die Kosten für einmalige Biegungen bleiben während Design und Produktion niedriger als die Kosten für dynamische Konstruktionen. Die Wahl des geeigneten Film- und Deckschichtstils sowie der Leiterbahnform hängt von Ihrem Bewegungsprofil und Ihren Budgetanforderungen ab. Diese Entscheidungen treffen Sie gemeinsam mit Ihrem Hersteller.
Starre Pads auf flexiblen Leiterplatten dienen als Versteifungen und stützen schwere Bauteile und Steckverbinder. Die Versteifungsmaterialien bestehen aus FR4, Polyimid und dünnen Metallblechen. Verklebungen dienen zur Befestigung von Versteifungen an Stellen, die eine flache Montage oder zusätzliche Festigkeit erfordern. Eine Kombination aus flexiblen und starren Zonen im Foliendesign ermöglicht die Steckverbinderbefestigung, ohne das Folienmaterial zu beschädigen.
Der Designprozess erfordert, dass Designer Versteifungen unter den Platinenkanten anbringen und diese gleichzeitig unter Anschlusspads und Testpunkten positionieren. Die Platine wird mit kleinen Öffnungen zugeschnitten, um ein Biegen in der Nähe zu ermöglichen. Die Klebeschichten sorgen für eine sichere Befestigung der Versteifungen und verhindern gleichzeitig Delamination oder Beulenbildung. Übergänge zwischen den Versteifungen werden mit Deckschichten abgedeckt, um ein sanftes Biegen zu gewährleisten.
Die Einführung von Versteifungen beeinflusst die Leiterplattendicke in bestimmten Bereichen. Daher müssen Sie die Zugänglichkeit der Montagewerkzeuge überprüfen. Sie müssen sowohl die Lötpastenschablonen als auch die Einstellungen der Bestückungsanlage anpassen. Der zusätzliche Einrichtungsprozess garantiert die korrekte Ausrichtung der Bauteile und die Stabilität der Lötverbindungen trotz Bewegungen der umgebenden Flexfolie.
Eine starr-flexible Leiterplatte kombiniert starre und flexible Leiterplattenabschnitte in einem Bauteil. Bei der Herstellung werden flexible Folien zwischen die starren Schichten gelegt und anschließend miteinander verbunden. Das Hybriddesign macht Kabel überflüssig, da starre Inseln über flexible Brücken miteinander verbunden werden. Die Leiterplatte behält ihre Festigkeit in bestimmten Bereichen, entwickelt aber in anderen Bereichen Flexibilität.
Rigid-Flex-Leiterplatten finden Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, in medizinischen Implantaten und militärischer Ausrüstung. Diese Leiterplatten funktionieren effektiv in anspruchsvollen Umgebungen, die unterschiedliche Steifigkeitsgrade erfordern. Die Leiterplatte enthält starre Teile, die schwere Komponenten tragen, und flexible Abschnitte, die kabelähnliche Strukturen oder Faltmöglichkeiten erzeugen. Die Herstellung erfordert exakte Schichtverbindung, kontrolliertes Laminieren und die präzise Ausrichtung der Kupferflächen.
Der Designprozess von starr-flexiblen Bauteilen beginnt mit der Festlegung mechanischer Passungen und Biegeprofilen. Ihr Design bestimmt die flachen und die zu faltenden Bereiche. Ihr CAD-Tool muss die Konstruktion sowohl starrer als auch flexibler Stapelfunktionen unterstützen. Sorgfältige Planung führt zu einer einheitlichen Baugruppe, die Gewicht und Platzbedarf reduziert und die Montageschritte vereinfacht.
Der Aufbau einer flexiblen Platine ähnelt einer dünnen Sandwichstruktur mit biegsamen Eigenschaften. Hauptbestandteil dieses Systems ist ein flexibles Trägermaterial. Folien dienen als Basis, auf der Kupferfolien befestigt werden, um die notwendigen Schaltkreise zu bilden.
Die Klebeschichten dienen als Bindematerial, um die Schaltungskomponenten während Biegevorgängen in Position zu halten. Die Kupferleiterbahnen werden durch das Aufbringen einer Deckschicht vor Verschleiß und Feuchtigkeit geschützt.
Der Biegeradius bestimmt die maximale Krümmung von Flexplatinen. Das Standardmaß für die Biegeflexibilität entspricht der zehnfachen Plattendicke. Ein Radius von 1 mm ist die Mindestanforderung, um eine 0.1 mm dicke Platine beschädigungsfrei biegen zu können. Eine einmalige Biegung funktioniert mit der fünffachen Dicke, kann jedoch zu Plattenbrüchen führen.
Die Materialauswahl beeinflusst die Flexibilität. Polyimid behält seine Festigkeitseigenschaften auch bei Erwärmung und übersteht viele Biegezyklen. Polyester eignet sich am besten für statische Biegungen. Auch die Kupferdicke spielt eine Rolle. Die Biegefestigkeit von dünnem Kupfer steigt, während die erforderliche Spannung abnimmt.
Versteifungen dienen der Ebenheit und Stabilität von Bauteilpads. Sie werden unter Steckverbindern, ICs und Testpunkten positioniert. Lötstellen neigen beim Biegen zum Reißen, wenn keine Versteifungen vorhanden sind. Verwenden Sie zum Verbinden der Versteifungen hitzebeständigen Klebstoff. Das Bauteil bleibt in seiner Position fixiert, während die Bewegung der Platine blockiert bleibt.
Die am häufigsten verwendeten Versteifungsmaterialien sind FR4, Polyimid und Aluminium. FR4 bietet eine kostengünstige, stabile Basis. Polyimid-Versteifungen entsprechen der Substratflexibilität. Aluminium dient als robustes Material für Steckverbinder, die zusätzliche strukturelle Unterstützung benötigen. Versteifungen müssen vor dem Biegen geformt werden, wobei die sichtbaren Kanten für den Prozess erhalten bleiben müssen. Die Platzierung der Versteifungen erfolgt entweder unter den Bauteilen oder an den Platinenkanten, um den Montageprozess zu steuern.
Das Hinzufügen von Versteifungen beeinflusst die Dicke bestimmter Platinenbereiche. Vor der Montage müssen Sie sowohl die Höhenanforderungen als auch die Montagespalte berücksichtigen. Zum Schutz vor Umweltbelastungen werden die Kanten der Versteifungen mit Klebeband oder Abdeckfolie versehen. Die Platzierung der Kanten der Versteifungen unter Klebeband oder Abdeckfolie gewährleistet sowohl die Fräsqualität als auch den Schutz der Folie vor Ablösen an den Verbindungsstellen zwischen Versteifung und flexiblem Abschnitt.
Planen Sie Leiterbahnbreite und -abstand frühzeitig im Layout. Breitere Leiterbahnen leiten mehr Strom, erhöhen aber die Steifigkeit. Schmalere Leiterbahnen ermöglichen engere Biegungen, begrenzen aber den Strom. Achten Sie auf einen gleichmäßigen Abstand, um Kurzschlüsse beim Biegen zu vermeiden. Halten Sie die Mindestwerte im Rahmen der Möglichkeiten Ihres Herstellers ein.
Planen Sie Biegebereiche und halten Sie empfindliche Netze fern. Platzieren Sie Biegelinien dort, wo sich die Platine sanft biegt. Vermeiden Sie Durchkontaktierungen in Faltzonen. Fügen Sie Reliefmuster wie Hundeknochen an den Leiterbahnenden hinzu. Das verteilt die Spannung und verhindert Risse beim Biegen der Platine.
Platzieren Sie Komponenten möglichst außerhalb von Biegezonen. Verwenden Sie oberflächenmontierte Bauteile mit niedrigem Profil. Wenn Sie Bauteile in einer Biegezone platzieren müssen, verwenden Sie flexible Steckverbinder oder steckkraftfreie Buchsen. Verlegen Sie Hochgeschwindigkeits- oder Präzisionsnetze auf stabilen Abschnitten, um Signalverzerrungen durch Biegebewegungen zu vermeiden.
Wählen Sie CAD-Tools, die Flex-Stack-Up und Biegesimulation unterstützen. Viele PCB-Tools ermöglichen das Zeichnen neutraler Biegelinien und die Visualisierung von Kupferspannungen. Definieren Sie den Lagenaufbau mit Substrat, Klebstoff, Kupfer und Deckschicht. Exportieren Sie Biegedaten in mechanisches CAD für die Gehäusekonstruktion. Dieser Workflow stellt sicher, dass Sie Passungs- oder Kollisionsprobleme frühzeitig erkennen.
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Flexible Leiterplatten bieten viele Vorteile und ermöglichen die Gestaltung kompakter Layouts mit wenigen Bauteilen. Hier sind die wichtigsten Vorteile.
• Es spart Platz, indem es das Brett an engen Stellen zusammenfaltet.
• Durch die Verwendung dünner Filme reduzieren Sie das Gewicht Ihres Geräts.
• Sie entfernen zusätzliche Kabel und Anschlüsse aus Ihrem Design.
• Sie reduzieren die Anzahl der Montageschritte und beschleunigen die Produktion.
• Sie halten in beweglichen Teilen mit Brettern, die sich biegen, länger.
• Sie sparen Versandkosten und erhalten ein leichteres Endprodukt.
Obwohl flexible Leiterplatten viele Vorteile bieten, gibt es auch einige Nachteile. Hier sind einige davon.
• Möglicherweise fallen höhere Material- und Sonderbearbeitungsgebühren an.
• Sie erfordern eine sorgfältige Handhabung und spezielle Montagevorrichtungen.
• Sie begrenzen die Belastung, die Sie auf Biegebereiche ausüben.
• Bei schweren Verbindungsstücken oder Teilen müssen Sie Versteifungen hinzufügen.
• Sie müssen getestet und überprüft werden, um Biegeschäden frühzeitig zu erkennen.
Die Herstellungsverfahren von Flex- und Starrflex-Leiterplatten unterscheiden sich, obwohl sie denselben funktionalen Anforderungen dienen. Die folgende Tabelle veranschaulicht die wichtigsten Unterschiede zwischen Flex- und Starrflex-Leiterplatten.
Merkmal |
Flex-Leiterplatte |
Rigid-Flex-Leiterplatte |
Struktur |
Einzelne biegbare Folie mit Kupferspuren |
Eine Mischung aus starren Platten und flexiblen Schichten in einer Platte |
Biegebereiche |
Alle Abschnitte biegen sich (statisch oder dynamisch) |
Nur Flex-Teile biegen sich, starre Teile bleiben flach |
Komponentenmontage |
Teile sitzen auf flexibler Folie oder verwenden Versteifungen |
Teile werden auf starren Inseln montiert; flexible Verbindungen verbinden die Inseln |
Montageschritte |
Benötigt Anschlüsse oder Lötstellen |
Weniger externe Anschlüsse, aber mehr Schichtverbindungsschritte |
Kosten |
Niedrigere bis mittlere Kosten |
Höhere Kosten aufgrund komplexer Konstruktion und Materialien |
Anwendungen |
Wearables, Kameras, schlanke Sensoren |
Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate, Militärausrüstung |
Flexible Lebensdauer |
Gut für einfache Biegungen und geringe Zyklenzahlen |
Geeignet für wiederholte Zyklen, bietet stabile, starre Abschnitte |
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