Was ist eine flexible Leiterplatte? Ein umfassender Leitfaden

Einführung

Flexible Leiterplatten (PCBs), allgemein als flexible Schaltungen bezeichnet, bieten einzigartige Möglichkeiten, die über die traditionellen starren PCB-Technologien hinausgehen. Ihre flexible Konstruktion ermöglicht es ihnen, sich im Gebrauch zu biegen, zu falten und dynamisch zu verformen, was sie in modernen elektronischen Geräten und Produkten aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung und Innovation in der Elektronik unverzichtbar macht.

Das Verständnis der Grundlagen der flexiblen Leiterplattentechnologie wird Ihnen helfen, den effektiven Einsatz von flexiblen Schaltungen in Ihren elektronischen Produkten und Designs zu bestimmen. Wenden Sie sich an PCBPit - den zuverlässigen PCB-Herstellungsunternehmen für flexible PCB-Lösungen.

 

Was ist eine flexible Leiterplatte?

Flex-Leiterplatte

Eine flexible Leiterplatte verwendet eine dielektrische Basisschicht aus einem flexiblen Polymermaterial wie Polyimid oder Polyester. Leitende Kupferbahnen werden auf die flexible Basisschicht laminiert, um eine dünne, biegsame Leiterplatte zu schaffen. Da keine starre Glasfaserverstärkung vorhanden ist, kann die flexible Leiterplatte während des Gebrauchs dynamisch gebogen und verformt werden.

Gebräuchliche Bezeichnungen für flexible PCBs:

  • Flexible Schaltungen
  • Flexible Schaltungen
  • Flexible gedruckte Schaltungen
  • Flexdrucke

Zu den wichtigsten Eigenschaften, die flexible Leiterplatten auszeichnen, gehören ihre Flexibilität, ihr geringes Gewicht, ihr dynamisches Verhalten, ihre Langlebigkeit, ihre Integration mit Komponenten, ihr platzsparendes Design und ihre Anpassungsfähigkeit. Dank dieser Fähigkeiten können flexible Schaltungen die komplexen physikalischen und elektrischen Anforderungen in kompakten, tragbaren elektronischen Geräten erfüllen.

 

Materialien und Konstruktion von flexiblen Leiterplatten

Die einzigartigen Materialien und die Konstruktion flexibler Leiterplatten ermöglichen ihre besonderen Fähigkeiten. Die wichtigsten Komponenten für den Aufbau einer flexiblen Schaltung sind:

Dielektrisches flexibles Substrat

Die dielektrische Grundschicht bildet die Grundlage, auf der die Leiterbahnen hergestellt werden. Die Auswahl des geeigneten flexiblen Trägermaterials ist entscheidend.

Zu den gängigen Optionen gehören Polyimid (Kapton), Polyester (PET), Polyamid, Fluorpolymere (PTFE) und Flüssigkristallpolymer (LCP). Polyimid ist aufgrund seiner hohen Haltbarkeit, seiner thermischen Eigenschaften und seines günstigen Kosten-Nutzen-Verhältnisses das am häufigsten verwendete Material für flexible Substrate.

Kupfer-Folie

Eine ultradünne, gewalzte und geglühte Kupferfolie wird auf das Basissubstrat laminiert. Die typische Foliendicke bei flexiblen Leiterplatten liegt zwischen 12μm und 35μm (0,5 Unzen bis 1 Unze).

Dirigenten

Die Kupferfolie wird mit lithografischen Verfahren strukturiert, um die erforderlichen Leiterbahnen zu erzeugen.

Deckblatt

Zur Isolierung und zum Schutz kann eine dünne flexible dielektrische Deckschicht über die Leiterschicht laminiert werden.

Klebender Klebstoff

Acrylat- oder epoxidbasierte Klebefilme werden verwendet, um das Basissubstrat mit der Kupferfolie und das Coverlay mit den Leitern zu verbinden.

Versteifungen

Bei mehrlagigen Konstruktionen können zusätzliche dielektrische Versteifungsschichten hinzugefügt werden, um das Falten oder Knicken der Leiterplatte aufgrund von thermischen Spannungen zu minimieren.

Oberfläche und Beschichtungen

Eine Lötmaske bedeckt das Leiterbild zur Isolierung und zum Schutz vor Oxidation. Die freiliegenden Pads können mit Heißluftlötung (HASL) oder anderen Oberflächenbehandlungen versehen werden.

Wichtige Eigenschaften von flexiblen Leiterplatten

Die Materialien und Konstruktionsmethoden verleihen den flexiblen Schaltungen charakteristische Eigenschaften, wie Gesamtdicke, Biegeradius, Hitzebeständigkeit, chemische Beständigkeit und geringes Gewicht. Dank dieser Eigenschaften eignen sich flexible Leiterplatten für eine Vielzahl von elektronischen Anwendungen.

Merkmale von flexiblen Leiterplatten

  • Hochfrequenz-Eigenschaften - Kurze Signalwege und dünne dielektrische Materialien tragen zu einer hervorragenden Hochfrequenzleistung bei. Substrate wie LCP bieten hervorragende HF-Eigenschaften und eignen sich daher für Hochfrequenzanwendungen.
  • Aktuelle Bewertungen - Die Strombelastbarkeit flexibler Leiterplatten ist durch die Kupferdicke begrenzt. Typische Dauerstromwerte liegen zwischen etwa 0,5 A und 5 A für gängige flexible Schaltungskonstruktionen.
    Durch die sorgfältige Auswahl von Materialien und die Einhaltung von Designregeln können die Eigenschaften flexibler Leiterplatten auf die spezifischen Anforderungen der Anwendung zugeschnitten werden.

Überlegungen zum flexiblen PCB-Design

Der Entwurf einer zuverlässigen flexiblen Leiterplatte erfordert besondere Aufmerksamkeit für dynamische Biegeaspekte. Nachfolgend sind die wichtigsten zu berücksichtigenden Richtlinien aufgeführt:

  • Leiterbahnbreite und -abstände - Engere Leiterbahnen erfordern einen größeren Flex-Abstand, um Risse zu vermeiden. Für dynamische Bereiche wird ein Verhältnis von 2:1 zwischen Abstand und Leiterbahnbreite empfohlen.
  • Biegeradius - Das Verlegen von Leiterbahnen senkrecht zu den Biegeachsen ist unerlässlich. Es ist wichtig, einen Biegeradius von mindestens dem Dreifachen der Basisdicke für statische Bereiche und dem Zehnfachen für dynamische Biegebereiche einzuhalten.
  • Abdeckfolie Hohlräume - Um Verschleiß vorzubeugen, sollten die Hohlräume in den Bereichen, in denen die Leiterbahnen freiliegen, möglichst gering gehalten werden. Die strategische Platzierung von Hohlräumen sollte in dynamischen Biegezonen in Betracht gezogen werden.
  • Verstärkung - In mehrlagigen Bereichen können zusätzliche Versteifungen erforderlich sein, um Knicken und Faltenbildung beim Biegen zu verhindern.
  • Klebstoffe - Verwenden Sie flexible Hochleistungsklebstoffe, die für dynamische, flexible Anwendungen entwickelt wurden. Acrylatklebstoffe sind für ihre Langlebigkeit bekannt.
  • Vias - Um eine Rissausbreitung von den Bohrlochrändern aus zu verhindern, sollten tropfenförmige Durchkontaktierungen mit entsprechenden Ringringen verwendet werden.
  • Ecken - Das Abrunden scharfer Leiterbahnecken mit größeren Radien hilft, Spannungskonzentrationen zu verringern. Es ist ratsam, abgewinkelte Leiterbahnen an Ecken zu vermeiden.
  • Pads - Verwenden Sie abgerundete, rechteckige oder kreisförmige Pads. Pads an Biegebereichen sollten mit Einschnürungen thermisch entlastet werden.
  • Abschirmung - Flexible Abschirmfolien oder leitfähige Schichten helfen beim EMI/ESD-Schutz. Dedizierte Abschirmungsbahnen können ebenfalls integriert werden.

Durch die Einhaltung dieser speziellen Richtlinien können Flex-Leiterplatten so gestaltet werden, dass sie Millionen von Biegezyklen überstehen und eine lange Produktlebensdauer haben.

 

Gängige Typen und Anwendungen von Flex-PCBs

Flexible Schaltungen können in verschiedenen Konfigurationen für Verbindungs- und Verpackungsanwendungen eingesetzt werden:

  • Flexible Zusammenschaltungen - Einfache Leiterbahnen oder Drahtmuster werden auf flexiblen Substraten verwendet, um Leiterplatten, Displays und andere Module über dynamische Bewegungen zu verbinden.
  • Flexible Kabel - Verwenden Sie parallele Leiterbahnen auf gewalzten Flex-Substraten, um Bandkabel mit hoher Dichte für Signal-, Daten- und Stromverbindungen herzustellen.
  • Membranschalter - Integrieren Sie Leiterbahnen, Abstandshalter und flexible Overlays, um ultradünne berührungsempfindliche Steuerschalter herzustellen.
  • Starre Flex-Platten - Kombinieren Sie starre Leiterplatten mit flexiblen Abschnitten, um kompakt faltbare Hybrid-Leiterplatten mit komplexen starren Teilen zu erstellen.
  • Flexible Heizungen - Mustern Sie Widerstandsheizelemente auf flexiblen Substraten, um dünne Heizkissen und -decken herzustellen, die sich an Oberflächen anpassen können.

Einige gängige Anwendungen für flexible Leiterplatten sind medizinische Instrumente, tragbare Geräte, Robotik und Industriemaschinen, Unterhaltungselektronik, Automobilelektronik, Luft- und Raumfahrt und militärische Systeme. Die Flexibilität, das geringe Gewicht und die dynamischen Eigenschaften von Flexschaltungen ermöglichen innovative Designmöglichkeiten.

 

Vorteile von Flex PCBs

Die flexible Leiterplattentechnologie bietet mehrere entscheidende Vorteile:

  • Dynamisches Biegen - Kann Millionen von Bewegungszyklen aushalten und ermöglicht das Rollen, Verdrehen und Falten, was bei starren Leiterplatten nicht möglich ist.
  • Passt sich der Form an - Kann sich im Gegensatz zu starren Platten eng an Produktkonturen und Gehäuse anpassen.
  • Leichtgewicht - Es weist im Vergleich zu starren Laminaten eine extrem geringe Masse auf und eignet sich daher für tragbare und tragbare Geräte.
  • Schlanker Formfaktor - Ermöglicht die Erstellung kompakter, flacher Schaltungen, die in kleine Räume passen und dünnere Produkte ermöglichen.
  • Dauerhaft - Widerstandsfähig gegen Vibrationen und mechanische Stöße dank seiner flexiblen Konstruktion.
  • Hohe Dichte - Integriert Verbindungen und macht externe Kabel und Stecker überflüssig.
  • Benutzerdefinierte Formen - Kann in unbegrenzten 2D-Formen und Umrissen hergestellt werden.
  • Weich und biegsam - Ermöglicht die Integration kompletter elektronischer Systeme in Textilien.
  • Verlässlichkeit - Bietet bei richtiger Konstruktion eine gleichbleibende Leistung über die gesamte Lebensdauer der Flex.
  • Kosteneinsparungen - Vereinfacht die Montage, reduziert den Bedarf an Steckverbindern und senkt die Gesamtproduktkosten.
 

Herausforderungen und Beschränkungen

Die flexible Leiterplattentechnologie bietet zwar zahlreiche Vorteile, weist aber auch die folgenden Einschränkungen auf:

  • Begrenzte Schichten und Dichte - In der Regel sind 1-6 Schichten möglich, was die Komplexität der Schaltungen einschränkt. Multilayer-Flex mit hoher Dichte befindet sich noch in der Entwicklung.
  • Niedrigere Stromstärken - Die Dicke des Kupfers begrenzt die Strombelastbarkeit, die in der Regel unter 5 A liegt.
  • Anspruchsvolle Montage - Erfordert spezielle SMT-Verfahren, die für flexible Substrate geeignet sind.
  • Anfällig für Abnutzung - Unzureichende dynamische Biegeabstände können zu Rissen und Leiterausfällen führen.
  • Anforderung an die Backing-Struktur - Für eine vollständige Systemintegration müssen die flexiblen Schaltungen in starre Rahmen oder Gehäuse eingebaut werden.
  • Wärmemanagement-Belange - Das isolierende Polymersubstrat behindert die Wärmeabgabe.
  • Anfällig für Umweltschäden - Erfordert eine zusätzliche Schutzkapselung zur Minderung von Umweltschäden.

Mit soliden Designpraktiken und Fortschritten bei den Materialien werden laufend Anstrengungen unternommen, diese Einschränkungen zu beseitigen und die Möglichkeiten von flexiblen Leiterplatten zu erweitern.

 

Vergleich von flexiblen Leiterplatten und starren Leiterplatten

Während sich die starre Leiterplattentechnologie für viele Anwendungen eignet, ist in bestimmten Fällen der Übergang zu flexiblen Leiterplatten vorteilhaft. Im Folgenden wird ein Vergleich zwischen flexiblen Leiterplatten und starren Leiterplatten angestellt:

Parameter Flexible PCB Starre PCB Zusammensetzung Polymer-Dielektrikum (PI, PET) Starres Laminat (FR4) Lagen Typischerweise 1-6 Lagen Bis zu 30+ Lagen Merkmale Feine Leiterbahnen, Dichte Mittlere Dichte Sehr hohe Dichte möglich Thermische Leitfähigkeit Schlechte Wärmeleitung durch Polymer Gute Wärmeleitung Strombelastbarkeit Typisch < 5A Hohe Ströme möglich Montage Erfordert spezielles SMT-Verfahren Standard-SMT-Montage Form Kann jede 2D-Kontur herstellen Begrenzt auf rechteckige Leiterplatten Biegeradius Kann sich dynamisch biegen Fast kein Biegeradius Kosten $$$$$

Während starre Leiterplatten für die meisten Anwendungen mit hoher Komplexität, Dichte und Leistung geeignet sind, bieten flexible Leiterplatten die mechanische Flexibilität, die für mobile Designs mit begrenztem Platzangebot erforderlich ist. Die optimale Lösung besteht oft darin, beide auf einer starr-flexiblen Leiterplatte zu integrieren, um das Beste aus beiden Technologien zu nutzen.

 

Zukünftige Trends bei flexiblen PCBs

Hier sind einige wichtige Trends, die die weitere Entwicklung der flexiblen Leiterplattentechnologie bestimmen:

  • Dünnere Konstruktionen - Reduzierung der Dicke flexibler Schichten auf bis zu 1 mil, um die Biegsamkeit zu verbessern.
  • Kleinere Merkmale - Geringere Leiterbahnbreiten und Abstände von bis zu 2 mils zur Verbesserung der Integration.
  • Verbesserte Materialien - Neue Substrate wie LCP für bessere elektrische und hochfrequente Leistungen.
  • Feine Teilung Komponenten - Ermöglicht die direkte Oberflächenmontage von ICs mit ultrafeinem Pitch auf flexiblen PCBs.
  • High Density Flex - Entwicklung von flexiblen Multilayer-Platten mit bis zu 12 leitenden Schichten.
  • Passive einbetten - In die flexiblen Schichten sind dünne Widerstände und Kondensatoren eingebettet.
  • Dehnbare Schaltkreise - Verwendung neuartiger Materialien, damit sich flexible Leiterplatten dehnen und verformen können.
  • Additive Verarbeitung - Übergang vom subtraktiven Ätzen zur additiven Fertigung mit Hilfe von Druck- oder Plattierungsverfahren.
  • 3D-strukturierte flexible Schaltungen - Techniken zur Herstellung von flexiblen Schaltkreisstrukturen außerhalb der Ebene.
 

In dem Maße, in dem die Materialwissenschaft und die Fertigungsverfahren reifen, wird die flexible Leiterplattentechnologie Türen zu innovativeren Elektronikdesigns öffnen, die bisher nicht möglich waren.

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