Was sind PCB-Versteifungen?

PCB-Versteifungen sind zusätzliche Komponenten auf Leiterplatten, die nicht Teil des eigentlichen PCB-Designs sind. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Versteifung bestimmter Bereiche der Leiterplatte und bei der Vereinfachung des Verarbeitungsprozesses der Leiterplatte. 

Versteifungen erhöhen die Robustheit von Leiterplatten, um verschiedenen Betriebs- und Fertigungsschwierigkeiten zu begegnen. In Fällen, in denen es um flexible Leiterplatten geht, werden zur Erreichung einer gewissen Steifigkeit in bestimmten Bereichen mechanische Stützen, so genannte Leiterplattenversteifungen, integriert.

Vorteile des Einsatzes von PCB Stiffeners

PCB-Versteifungen
  • Mechanische Verstärkung: Versteifungen verbessern die Steifigkeit und strukturelle Festigkeit bestimmter PCB-Zonen, indem sie Verformungen, Biegungen und Verwerfungen vermindern, was für gewichtstragende Abschnitte oder Situationen mit hoher Beanspruchung entscheidend ist.
  • Widerstand gegen Biegung: Sie spielen eine Schlüsselrolle bei der Bewältigung von Biegespannungen, der Aufrechterhaltung der Stabilität und der Betriebssicherheit der Leiterplatte, was wichtig ist, um Schäden an flexiblen Leiterplatten während der Installation, der Handhabung oder des normalen Betriebs zu vermeiden.
  • Verbesserte Wärmeableitung: Die Versteifungen tragen zu einer effektiven Wärmeverteilung und -ableitung bei, was zu einer besseren Wärmekontrolle auf der Leiterplatte führt und Überhitzung und thermische Ungleichmäßigkeiten vermeidet.
  • Verstärkung der Anschlussstellen: Durch den gezielten Einsatz von Versteifungen werden Steckverbinder, Anschlüsse und zerbrechliche Schaltkreiselemente verstärkt und vor potenzieller Abnutzung beim Anschließen, Trennen oder bei regelmäßiger Nutzung geschützt.
  • Montage von Hilfskomponenten: Versteifungen schaffen ein günstiges Umfeld für die Anbringung zusätzlicher Komponenten wie Kühlkörper, Sensoren oder elektronische Module und erweitern so die Funktionalitäten der Leiterplatte.
  • Ausrichtungsgenauigkeit: Sie dienen auch als Führungsvorrichtungen für die korrekte Positionierung der Leiterplatte während des Montageprozesses, wodurch Montagefehler minimiert werden.
  • Dämpfung von Schwingungen und Resonanzen: Der Einsatz von Versteifungen trägt dazu bei, Vibrationen und Resonanzen auf der Leiterplatte zu dämpfen, die Signalintegrität zu verbessern und Störungen zu reduzieren.

Im Wesentlichen sind Leiterplattenversteifungen unverzichtbar, um die Leistung und Zuverlässigkeit flexibler Leiterplatten zu erhöhen, insbesondere bei Anwendungen, die eine erhöhte mechanische Festigkeit und Stabilität in bestimmten Bereichen erfordern.

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Verschiedene Arten von PCB-Versteifungen

Die Kenntnis der verfügbaren Arten von Leiterplattenversteifungen ist entscheidend für die Auswahl der geeigneten Art für Ihr flexibles Leiterplattenprojekt. Im Folgenden werden einige der Versteifungsarten beschrieben:

Polyimid (PI) Versteifungen

Polyimid-Versteifungen bestehen aus einem hochtemperaturbeständigen Polymerfilm und sind aufgrund ihrer Lötbeständigkeit und starken Klebeeigenschaften eine beliebte Wahl. Diese Versteifungen werden eingesetzt, um kontrollierte Biegepunkte und Kontakttoleranzen während des Montageprozesses zu schaffen.

Insbesondere behindern sie die Flexibilität in bestimmten Bereichen der Leiterplatte, die für die Integration in ein Endprodukt vorgesehen sind. Sie kommen dort zum Einsatz, wo Goldfingernuten vorhanden sind oder auf gegenüberliegenden Seiten, was die Verschleißfestigkeit erhöht.

Kapton, eine weit verbreitete Form von Polyimid, wird bevorzugt eingesetzt, um die Flexibilität der Leiterplattenenden zu erhöhen und die Befestigung von Komponenten wie ZIF-Steckern zu ermöglichen. In diesen Fällen bietet Kapton die nötige Unterstützung und gewährleistet so den effektiven und zuverlässigen Betrieb der Leiterplatte.

FR-4 Versteifungen

FR-4 besteht aus einem Glasfaserlaminat, das mit Epoxidharz verwoben ist, und ist das bevorzugte Material für viele Versteifungen in flexiblen Schaltungen. FR-4 verleiht der flexiblen Leiterplatte während der Platzierung der Komponenten und des thermischen Reflows eine starre Unterlage.

Die Integration eines FR-4-Rahmens an den Leiterplattenrändern kann SMT-Träger ersetzen und die Kosten während der Montage senken, da PTH-Komponenten direkten Zugang zu Lötpads haben.

Metallversteifungen (Edelstahl oder Aluminium)

Für Designs, die eine außergewöhnliche Formbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und langfristige Haltbarkeit erfordern, sind Versteifungen aus rostfreiem Stahl oder Aluminium eine erstklassige Wahl. Diese verbessern den Montageprozess, indem sie der flexiblen Leiterplatte zusätzliche Festigkeit verleihen.

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Platzierung von Versteifungen in flexiblen PCBs

Obere Schicht Versteifungen

Versteifungen auf der Oberseite von flexiblen Leiterplatten dienen der allgemeinen strukturellen Unterstützung. Sie sind vor allem dann erforderlich, wenn die flexible Leiterplatte große Lasten zu bewältigen hat, z. B. beim Anschluss an schwere Geräte wie LED-Bildschirme, und helfen bei der Lastverteilung über die Oberflächen der Leiterplatte.

Untere Schicht Versteifungen

Wenn bestimmte Bereiche einer flexiblen Leiterplatte eine zusätzliche Verstärkung erfordern - möglicherweise Bereiche, die mit aktiven Komponenten beladen sind -, werden dort Versteifungen der unteren Schicht angebracht, um die mechanische Unterstützung zu verstärken und gleichzeitig das Risiko von Schäden durch wiederholte Belastung zu verringern.

Zweischichtige Versteifungen (oben und unten)

Die Verwendung von Versteifungselementen sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Lage führt zu einer deutlich erhöhten Stabilität und Steifigkeit der flexiblen Leiterplatte, die sich in der Regel an zentralen Stellen der Leiterplatte befinden. Diese können aus verschiedenen Stoffen bestehen, z. B. aus verschiedenen Metallen und Polymeren. Bei der Planung eines Designs mit mehreren Versteifungen ist es wichtig zu unterscheiden, welche Bereiche der flexiblen Leiterplatte mehr Steifigkeit benötigen. Dies kann durch eine Bewertung der mechanischen Bereiche oder durch die Bestimmung der Flexzonen im Endprodukt ermittelt werden.

Gelegentlich ist das Einbringen von Versteifungen sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Lage erforderlich, um die strukturelle Integrität der flexiblen Leiterplatte umfassend zu stärken. Anwendungen, die eine multidirektionale Biege- oder Druckfestigkeit erfordern, können von diesem Ansatz profitieren. In sehr dynamischen Umgebungen kann es erforderlich sein, die Steifigkeit in mehreren Richtungen zu erhöhen, so dass die doppelte Lagenanordnung zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten bietet, um komplexe Anforderungen zu erfüllen.

Methoden zur Befestigung von Versteifungen an einer flexiblen Leiterplatte

Es gibt zwei Haupttechniken für die Befestigung von Leiterplattenversteifungen auf einer flexiblen Leiterplatte, nämlich thermisches Kleben und druckempfindlicher Kleber (PSA). 

Jede Option bringt ihre eigenen Vor- und Nachteile mit sich, und die endgültige Auswahl sollte sich an den spezifischen Designzielen, Umweltanforderungen und Materialüberlegungen orientieren. Die thermische Verklebung gewährleistet eine robustere mechanische Verbindung, die sich für Anwendungen mit hoher Beanspruchung eignet, allerdings erfordert sie unter Umständen eine moderne Ausrüstung. PSA ist zwar einfacher und wirtschaftlicher, aber unter bestimmten Bedingungen möglicherweise nicht langzeitstabil und eignet sich besser für Anwendungen mit geringerer Beanspruchung oder solche, die wieder entfernt werden können müssen.

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