Eine umfassendeve Leitfaden zu Rigid-Flex-Leiterplatten

Die Miniaturisierung elektronischer Geräte schreitet rasant voran. Signalintegrität, Systemkosten und Zuverlässigkeit stellen Ingenieure vor große Herausforderungen. Um den stetig wachsenden Anforderungen an die Miniaturisierung elektronischer Geräte gerecht zu werden, werden starrflexible Leiterplatten immer beliebter. 

Wie der Name schon sagt, sorgen flexible Leiterplatten für Flexibilität und Biegsamkeit in elektronischen Baugruppen. Die Begriffe „starr“ und „flexibel“ deuten darauf hin, dass die Leiterplatte sowohl starre als auch flexible Bereiche aufweist. Dadurch eignen sie sich für ein breites Anwendungsspektrum, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich. Durch den Einsatz flexibler Leiterplatten entfallen herkömmliche Kabelverbindungen. Die Flexibilität und Biegsamkeit von Leiterplatten wird hauptsächlich durch Polyimid-Material anstelle von FR4 erreicht, das nur in starren Leiterplatten verwendet wird. Dank ihrer Flexibilität passen sich diese Leiterplatten komplexen Formen und Räumen an und eignen sich daher ideal für Militäranwendungen, die Luft- und Raumfahrt, tragbare Elektronik, Kameras und Smartphones. 

Dieser Artikel hilft Ihnen, den Herstellungsprozess von starrflexiblen Leiterplatten, deren Design und Kostenaspekte zu verstehen und kennenzulernen. Egal, ob Sie Experte oder Anfänger sind, dieser Leitfaden bereitet Sie auf den Einstieg in die Herstellung Ihrer starrflexiblen Leiterplatte vor.

Was ist eine Rigid-Flex-Leiterplatte?

Rigid-Flex-Leiterplatten vereinen die Vorteile von starren und flexiblen Leiterplatten und bieten eine hohe Biegsamkeit und Zugfestigkeit. Daher sind sie beliebt in Anwendungen wie Medizingeräten, Militäranwendungen, der Luft- und Raumfahrt, Kameras und Smartphones. Ihre Flexibilität ermöglicht dem Anwender die präzise und genaue Integration in komplexe Gehäusegeometrien. 

Meist wird Polyimid verwendet, um Flexibilität zu erreichen. pDie Materialeigenschaften von Olympimid bieten ein höheres Maß an Flexibilität im Vergleich zum Standard-FR4-Material, das in herkömmlichen starren Leiterplatten verwendet wird. Die Dielektrizitätskonstante, kurz Dk Der Polyimid-Wert liegt zwischen 3.0 und 3.5 und ist damit besser als der FR4-Wert mit 3.5. und 4.0. Häufig verwendete Polyimidmaterialien für starr-flexible Leiterplatten sind Nelco und Rogers. Für reine Flex-Leiterplatten wird im Allgemeinen Kapton bevorzugt.  

Die starrflexiblen Leiterplatten werden im Allgemeinen in einseitige starrflexible Leiterplatten, doppelseitige starrflexible Leiterplatten und mehrschichtige starrflexible Leiterplatten unterteilt.

1. Einseitige starrflexible Leiterplatte: Die einseitige Starrflex-Leiterplatte ist die Basis aller Leiterplattentypen. Diese Leiterplatten bestehen aus einer einzigen leitenden Schicht auf einem flexiblen Substrat. Löcher werden durch das Substrat gebohrt, um den Bauteilen während des Lötprozesses den Durchgang zu ermöglichen. Eine Deckschicht aus Polyimid schützt die Leiterplatte üblicherweise vor rauen Umgebungsbedingungen.

2. Doppelseitige Starrflex-Leiterplatte: Diese starrflexiblen Leiterplatten bestehen aus zwei leitenden Schichten. Die durchkontaktierten Löcher werden gebohrt, um die elektrische Verbindung zwischen den Schichten herzustellen.

3. Mehrschichtige Starrflex-Leiterplatte: Im Gegensatz zu doppelseitigen Starrflex-Leiterplatten besteht eine mehrschichtige Starrflex-Leiterplatte aus mehr als zwei leitenden Schichten. Die durchkontaktierten Löcher (PTH) werden gebohrt, um die elektrischen Verbindungen zwischen den Schichten herzustellen. Diese Leiterplatten sind im Vergleich zu anderen Starrflex-Leiterplatten komplex aufgebaut, gelten aber als effektive Lösung bei Übersprechproblemen, hoher Bauteildichte und Impedanzanforderungen.  

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Vorteile von Rigid-Flex-Leiterplatten

Rigid-Flex-Leiterplatten bieten gegenüber herkömmlichen starren Leiterplatten viele einzigartige Vorteile. Diese Leiterplatten sind so konzipiert, dass sie in komplexe Geometrien passen und ein hohes Maß an Zuverlässigkeit erreichen.

1. Rigid-Flex-Platinen werden häufig in militärischen Anwendungen eingesetzt, wo diey müssen rauen Umgebungsbedingungen standhalten. Das in Starrflex-Platinen verwendete Polyimidmaterial bedeckt die Leiter und schützt die Leiterplatte vor rauen Umgebungsbedingungen.

2. Platz wird zu einem entscheidenden Faktor in Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt und der Verteidigung, wo Kompaktheit und geringes Gewicht gefragt sind. Die starr-flexiblen Leiterplatten' Durch die Möglichkeit, sich jeder Form anzupassen, sind sie platzsparend und leicht.

3. In Verteidigungsanwendungen, wie beispielsweise in Flugzeugen, sind Leiterplatten anfälliger für starke Vibrationen. Dank ihrer Biegsamkeit und Flexibilität können starrflexible Leiterplatten hohe Vibrationen absorbieren.

4. Im Vergleich zu herkömmlichen starren Leiterplatten können starrflexible Leiterplatten ohne Beschädigung wieder eingebaut werden. Typischerweise kann eine statische starrflexible Leiterplatte Biegezyklen oder 100-mal gebogen werden.

5. Die starrflexiblen Leiterplatten bieten den Designern die kreative Freiheit, dreidimensionale und vielfältige Formen zu gestalten. Diese vielfältigen und komplexen Formen werden häufig in Anwendungen wie Fitnessgeräten und tragbaren Geräten zur Gesundheitsüberwachung benötigt. 

6. Die Fähigkeit von starrflexiblen Leiterplatten, sich ohne Bruch zu biegen und zu biegen, ermöglicht es ihnen, mechanische Stöße und Vibrationen zu absorbieren. Das macht sie im Vergleich zu herkömmlichen starren Leiterplatten zuverlässiger und langlebiger.

Rigid-Flex-Leiterplattenanwendungen

Die moderne Elektronik erfordert kompakte und intelligente Geräte, die Starrflex-Leiterplatten ins Spiel bringen. Starrflex-Leiterplatten wurden ursprünglich in der Militärindustrie zur Herstellung zuverlässiger und leichter Produkte eingesetzt. Heute sind Starrflex-Leiterplatten in nahezu allen Branchen weit verbreitet.

1. Medizinische Geräte: Starrflexible Leiterplatten werden in medizinischen Geräten eingesetzt, die kompakt und intelligent sein müssen, wie beispielsweise flexible Sensoren und tragbare Überwachungsgeräte. Auch Herzgeräte wie Herzschrittmacher werden immer anspruchsvoller und intelligenter. Diese Geräte enthalten eine flexible Schaltung, um Kompaktheit zu erreichen, sind leicht und zuverlässig.    

2. Unterhaltungselektronik: Starrflexible Leiterplatten werden in der Unterhaltungselektronik zunehmend eingesetzt, da sie in komplexe Bauformen wie Computer, Laptops, Smartphones und Kameras passen.

3. Luft-und Raumfahrtindustrie: Die Luft- und Raumfahrtindustrie benötigt robuste, kompakte und leichte Geräte, die den rauen Umweltbedingungen standhalten. Starrflexible Leiterplatten erfüllen diese Anforderungen und werden in zahlreichen Anwendungen der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, beispielsweise in Flugzeugen, Drohnen, der Avionik und Weltraummissionen. Auch der NASA-Marsrover nutztseine die starrflexiblen Leiterplatten, die etwa 140 Millionen Kilometer von der Erde entfernt sind.

4. Militärische Anwendungen: Starrflexible Leiterplatten werden in militärischen Anwendungen eingesetzt, bei denen Platz, Gewicht, Systemzuverlässigkeit und Leistung kritische Parameter sind, wie etwa bei Raketen, Kampfjets, Militärfunkgeräten und Überwachungsnutzlasten.

5. Automobilindustrie: Die Fortschritte in der Automobilindustrie nehmen rasant zu, wie beispielsweise die Erfindung selbstfahrender Autos. Diese fortschrittlichen Fahrzeuge verwenden starrflexible Leiterplatten für ihre Bedienfelder und internen Verkabelungssysteme.   

6. Robotik: Der Aufstieg der künstlichen Intelligenz und die Entwicklung autonomer und selbstentscheidender Roboter erfordern zuverlässigere Leiterplatten. Starrflexible Leiterplatten erreichen neue Maßstäbe bei der Integration in komplexe Bauräume und finden zunehmend Anwendung in der Robotik.

Designüberlegungen für Starrflex-Leiterplatten

Beim Entwurf von Starrflex-Leiterplatten ist es wichtig, einige Entwurfsparameter wie Biegeradius, Materialdicke und mechanische Belastungen usw. sorgfältig zu berücksichtigen.

1. Biegeradius berechnen: Um die Flexibilität Ihrer starrflexiblen Leiterplatte ohne Beschädigung zu gewährleisten, ist es wichtig, den Biegeradius zu berechnen. Der Biegeradius gibt an, wie leicht sich ein flexibler Bereich einer Leiterplatte biegen lässt. Die korrekte Berechnung des Biegeradius Ihrer starrflexiblen Leiterplatte stellt sicher, dass diese die erforderliche Anzahl an Biegungen übersteht.

2. Anzahl der Flexibilitätsvorgänge: Bevor Sie mit dem PCB-Design beginnen, legen Sie fest, wie oft die Leiterplatte gebogen wird. So können Sie abschätzen, ob Sie eine statische oder eine dynamische Starrflex-Leiterplatte entwerfen.

3. Es wird empfohlen, Polyimidmaterial für den flexiblen Teil der Leiterplatte und FR4 für den starren Abschnitt zu wählen.

4. Es wird empfohlen, dass durchkontaktierte Löcher (PTH) immer mindestens 0.5 mm vom Biegebereich entfernt sind.

5. Vermeiden Sie grundsätzlich eine 90°-Biegung. Die senkrechte Biegung kann zum Bruch der Platte führen.

6. Verwenden Sie keine durchkontaktierten Löcher am flexiblen Teil oder in der Nähe des Biegebereichs des flexiblen Abschnitts.

7. Starrflexible Leiterplatten sind anfälliger für Hitze, die zu Schäden an der Leiterplatte führen kann. Daher ist ein gutes Wärmemanagement wichtig, um eine Überhitzung der Leiterplatte zu vermeiden.

8. Der Leiterplattenaufbau spielt eine wichtige Rolle für die Genauigkeit der Leiterplatte. Mehrschichtige Rigid-Flex-Leiterplatten verfügen über mehr als zwei leitfähige Schichten. Die korrekte Ausrichtung der leitfähigen Schichten gewährleistet die Signalintegrität und verbessert die Gesamtleistung.

9. Die richtige Ausrichtung der Leiter und die Haftung zwischen den Schichten sind von entscheidender Bedeutung, um die Integrität und Leistung der Schaltung bei gleichzeitiger Wahrung maximaler Flexibilität aufrechtzuerhalten.

10 Halten Sie sich beim Entwurf starrflexibler Leiterplatten immer an den IPC 6013-Standard für starrflexible Leiterplatten.

Herstellungsprozess von Rigid-Flex-Leiterplatten

Im Gegensatz zur Herstellung starrer Leiterplatten sind starr-flexible Leiterplatten komplex und erfordern sorgfältige Arbeit, um Fehler zu vermeiden und eine präzise Flexibilität zu erreichen. Die wichtigsten Schritte bei der Herstellung starr-flexibler Leiterplatten sind:

1. Schematisches Design: Im ersten Schritt entwirft der PCB-Konstrukteur den Schaltplan der starrflexiblen Leiterplatte. Er spezifiziert alle starren und flexiblen Teile im Schaltplan gemäß dem IPC 6013-Standard.

2. Materialauswahl: In diesem Schritt werden die Materialien für die starren und flexiblen Teile ausgewählt. Typischerweise wird Polyimid oder Kapton für den flexiblen Teil und FR4-Material für den starren Teil verwendet.

3. Laminierungsprozess: Sowohl starre als auch flexible Teile der Leiterplatte werden unter extremen Temperaturen laminiert, sodass die Leiterplatte eine starke mechanische Bindung erreicht.

4. Bohren und Beschichten: Um die elektrischen Verbindungen zwischen den leitenden Schichten der Starrflex-Platine herzustellen, werden durchkontaktierte Löcher gebohrt.

5. Komponentenplatzierung: Die Komponenten werden auf die Pads gelegt. Lötpaste wird aufgetragen und durch Reflow-Löten mit der Platine verbunden.

6. Endgültige Prüfung und Inspektion: Abschließend werden mithilfe verschiedener Prüfmaschinen Tests durchgeführt, um etwaige Fehler oder Mängel zu ermitteln.

Kostenüberlegungen für Starrflex-Leiterplatten

Starrflexible Leiterplatten sind zweifellos teuer. Die Anschaffungskosten sind aufgrund der Verwendung spezieller Materialien, eines einzigartigen Herstellungsprozesses und zusätzlicher Designüberlegungen höher.

1. Effizienz der Starrflex-Montage: Die Anschaffungskosten dieser Leiterplatten mögen zwar höher sein, dafür reduzieren sie jedoch die Anzahl der Steckverbinder und Kabel, was den Montageprozess vereinfacht. Dies steigert die Gesamteffizienz des Montageprozesses, was wiederum Arbeitskosten und Fehler reduziert.

2. Kosteneinsparungen: Die Anschaffungskosten von Starrflex-Leiterplatten sind höher, aufgrund der höheren Zuverlässigkeit sinken jedoch die langfristigen Kosten.

3. Großserienproduktion und Kosten: Eine Möglichkeit, die Anschaffungskosten von Starrflex-Platinen zu senken, besteht darin, das Produktionsvolumen zu erhöhen. Mit steigender Produktion sinken die Stückkosten der Herstellung.

4. Prototypenentwicklung und Kosten: Die Entwicklung ist ein iterativer Prozess. In der Prototypphase können Designänderungen und Modifikationen das Gesamtbudget des Produkts belasten. Es ist wichtig, diese Faktoren bereits in der Planungsphase zu berücksichtigen, um eine kosteneffiziente Produktentwicklung zu gewährleisten. 

Wie unterscheiden sich Rigid-Flex-Leiterplatten von herkömmlichen starren Leiterplatten?

Die starrflexible Leiterplatte ist eine flexible Leiterplatte. Ihre Flexibilität macht sie ideal für Anwendungen, bei denen Größe, Platz und Form entscheidend sind. Wie der Name schon sagt, verfügt die starrflexible Leiterplatte über starre und flexible Teile. Der starre Teil besteht aus FR4-Material, der flexible Teil aus Polyimid oder Kapton für mehr Flexibilität. Die Dielektrizitätskonstante von Polyimid ist deutlich besser als die von FR4 und eignet sich daher ideal für den flexiblen Teil der Leiterplatte. Je nach Grad und Nutzung der Flexibilität werden starrflexible Leiterplatten in einseitige, doppelseitige und mehrschichtige starrflexible Leiterplatten eingeteilt. Diese Leiterplatten werden hauptsächlich in hochdichten Verbindungen, militärischen Anwendungen und tragbarer Elektronik eingesetzt.

Herkömmliche starre Leiterplatten hingegen enthalten keine flexiblen Teile. Sie bestehen hauptsächlich aus FR4-Material. Im Gegensatz zu starr-flexiblen Leiterplatten können starre Leiterplatten hohe Vibrationen nicht absorbieren und können leicht beschädigt werden. Aufgrund ihrer Starrheit sind sie für komplexe Geometrien ungeeignet.

Übersicht über Flex- und Rigid-Flex

Flex- und Starrflex-Leiterplatten sind beides Leiterplattentypen und werden für unterschiedliche Zwecke eingesetzt. Flex-Leiterplatten lassen sich ohne Beschädigung biegen und verformen. Sie werden dort eingesetzt, wo geringes Gewicht, Kompaktheit und eine geringere Anzahl von Steckverbindern erforderlich sind. Bei Flex-Leiterplatten wird üblicherweise Polyimid oder Kapton verwendet, um Flexibilität zu erreichen. Der verbesserte DK-Wert dieser Leiterplatten ermöglicht Flexibilität und Biegsamkeit. Je nach Grad der Flexibilität und Biegsamkeit werden Flex-Leiterplatten in zwei Typen eingeteilt.

1. Statische Flex-Leiterplatten: Eine flexible Leiterplatte ist so konstruiert, dass sie während ihrer Lebensdauer weniger als 100 Mal gebogen werden kann. Diese Art von flexibler Leiterplatte wird als statische flexible Leiterplatte bezeichnet. Statische flexible Leiterplatten werden in der Regel nur während des Montageprozesses gebogen. Sie sind nicht dafür ausgelegt, sich nach der Montage zu biegen. Sobald die Leiterplatte im Endprodukt verbaut ist, bleibt sie statisch.

2. Dynamische Flex-Leiterplatten: Wenn eine flexible Leiterplatte so konstruiert ist, dass sie regelmäßig gebogen werden kann, spricht man von einer dynamischen flexiblen Leiterplatte. Diese Leiterplatten halten Tausenden von Biegezyklen stand.

Starrflex-Leiterplatten hingegen vereinen die Vorteile von Starr- und Flex-Leiterplatten. Bei Starrflex-Leiterplatten ist ein Teil der Leiterplatte starr und enthält alle Komponenten, während der andere Teil flexibel ist und die Verbindung zwischen den beiden starren Bereichen herstellt. Je nach Anwendung werden eine oder mehrere flexible Schaltungen auf starren Leiterplatten montiert. Starrflex-Leiterplatten bieten zahlreiche Vorteile, darunter Flexibilität, Biegsamkeit, Robustheit, Vibrationsfestigkeit und Platzersparnis. Damit eignen sie sich ideal für Anwendungen in der Medizintechnik, Verteidigung, Wearables und Unterhaltungselektronik.  

Unterschied zwischen FFC und FPC

Das flexible Flachkabel (FFC) ist ein einfaches Kabel mit Drähten an beiden Enden ohne zusätzliche Schaltungen. Es wird hauptsächlich zur Verbindung von Modulen verwendet. Flexible Printed Circuit (FPC) hingegen ist ein Kabel mit Drähten an beiden Enden und zusätzlichen Schaltungen. Es ist komplexer als FFC. Sowohl FFC als auch FPC sind für spezielle Anwendungen konzipiert.

PCBasic: Ein Starrflex-Leiterplattenlieferant aus China

Die Auswahl des richtigen Mannes für die richtige Aufgabe ist immer eine kritische Aufgabe. PCBasic ist der vertrauenswürdige und zuverlässige Lieferant für die Herstellung von starrflexiblen Leiterplatten. Hier sind die Gründe, warum Sie PCBasic für Ihr starrflexibles Design in Betracht ziehen sollten.

1. Hohe Qualitätsstandards: Wir verfügen über umfassende Test- und Kontrollverfahren, die sicherstellen Qualitätskontrollen in jedem Schritt des Produktionszyklus. Wir sind stolz darauf, eine ISO9001 und QS9000 Qualitätssystem, um den internationalen Standards zu entsprechen.

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3. Zuverlässigkeit: Wir sind ein führender Anbieter von starrflexiblen Leiterplatten in China und darüber hinaus. Unser technisches Team befolgt strikt die Standards und Verfahren, um sicherzustellen, dass das Produkt höchste Qualitätsstandards erfüllt. Unsere strengen Richtlinien verhindern die Verwendung falscher Komponenten oder Teile und sorgen so für Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Endprodukts. Wir verfügen über mehr als 10 Jahre Erfahrung in der Herstellung von Leiterplatten (PCBA). Wir liefern unseren Kunden starrflexible Leiterplatten, die präzise und zuverlässig funktionieren.

4. Technische Fähigkeiten: Unser technisches Team bewältigt Ihre komplexen Starrflex-Leiterplatten problemlos. Wir verfügen über ein Expertenteam, das alle im Herstellungsprozess auftretenden Probleme löst.