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ProtoNews

Flexible-Leiterplatten: Vorteile und Nachteile

Flexible-Leiterplatten: Vorteile und Nachteile

Die Technologie der flexiblen Leiterplatten, auch bekannt als FPC (Flexible Printed Circuit), befindet sich in ständigem Wachstum, mit Anwendungen in wichtigen Elektroniksektoren wie Unterhaltungselektronik, Automobilindustrie, elektromedizinische Geräte, angeschlossene Kleidung, Telekommunikation und Luft- und Raumfahrt. Die Einführung flexibler Leiterplatten hat die traditionellen elektrischen Verbindungstechniken revolutioniert, die normalerweise zur Verbindung mehrerer Teile derselben Schaltung oder mehrerer elektronischer Geräte verwendet werden. Dank des flexiblen Charakters der Verbindung, ihrer Kompaktheit und der hohen Dichte der herstellbaren elektrischen Verbindungen ermöglicht die Wahl von flexiblen Schaltungen eine erhebliche Reduzierung von Platz, Gewicht und Kosten im Vergleich zu einer gleichwertigen Lösung auf der Basis starrer Leiterplatten. Sie haben in vielen Anwendungen viele Arten der Bestückung, oft von Hand, ersetzt und damit die Gesamtkosten der elektrischen Bestückung um bis zu 70% gesenkt. Das Zentrum einer FPC wird durch flexible Folien und dünne Schichten aus leitfähigem Material dargestellt, die die elektrische Verbindung herstellen, indem sie herkömmliche Drähte ersetzen (denken Sie zum Beispiel an die Verbindung zwischen einer Mikrocontroller-Platine und einem LCD- oder OLED-Display), und auf denen die elektronischen Komponenten direkt durch Löten oder Leitkleber befestigt werden können. Bild 1 zeigt ein Beispiel für eine flexible Leiterplatte.

Eine flexible Leiterplatte

Bild 1: Eine flexible Leiterplatte (Quelle: Hoyogo)

Aufbau einer flexiblen Leiterplatte

Wie bei starren Leiterplatten können FPCs als einlagige, doppelseitige oder mehrlagige Schaltungen hergestellt werden. Die Hauptelemente einer einschichtigen flexiblen Leiterplatte sind:

  • Dielektrischer Substratfilm: das Basismaterial der Leiterplatte. Das am häufigsten verwendete Material ist Polyamid (PI), das sich durch eine hohe Zugfestigkeit und Temperaturbeständigkeit auszeichnet;
  • elektrische Leitungen: sie bestehen aus Kupfer und stellen die Leiterbahnen dar;
  • Schutzbeschichtung, bestehend aus einer Schicht aus flexiblem Material, welche schützt und isoliert (Coverlay oder Covercoat)
  • Haftmaterial (Polyethylen oder Epoxidharz), welches für den Zusammenbau der verschiedenen Teile der Schaltung verwendet wird.

Der erste Herstellungsschritt der FPC ist das Ätzen des Kupfers, um die Leiterbahnen herzustellen. Die Schutzschicht (Cover Lay) muss dagegen gebohrt werden, um den Zugang zu den Pads zu ermöglichen. Nach einer Reinigungsbehandlung werden die Komponenten durch Lamination zusammengesetzt. Die für den elektrischen Anschluss der Leiterplatte notwendigen externen Anschlüsse/Kontaktbeine sind durch Eintauchen in Zinn oder Gold gegen Oxidation geschützt. Wenn die Schaltung eine hohe Komplexität aufweist oder Kupfer-Masseflächen erfordert, ist es notwendig, auf eine doppelseitige oder mehrlagige FPC zuzugreifen. Die Fertigungstechnik ist der einlagigen Leiterplatte sehr ähnlich, mit dem Unterschied, dass bei mehrlagigen FPCs, Plated Through Holes (PTH) eingefügt werden müssen, um ggf. eine elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen leitenden Schichten herzustellen. Der Zusammenbau dieser Materialien bildet eine flexible Schaltung, bei der das Haftmaterial dazu dient, die Leiterbahnen mit dem dielektrischen Substrat zu verbinden oder bei mehrschichtigen flexiblen Platinen die einzelnen Schichten miteinander zu verbinden. Darüber hinaus kann der Klebefilm auch zu Schutzzwecken verwendet werden, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit, Staub oder andere äußere Elemente die flexible Leiterplatte korrodieren oder oxidieren. In Bild 2 sehen wir die Struktur einer mehrschichtigen FPC.

Der Aufbau einer mehrlagigen flexiblen Leiterplatte

Bild 2: Der Aufbau einer mehrlagigen flexiblen Leiterplatte (Quelle: Altium)

Vorteile von flexiblen Leiterplatten

Da FPCs flexibel sind, können sie gebogen werden, was eine größere Freiheit bei der Gestaltung und der Anwendung ermöglicht. Diese Leiterplatten können auch in sehr kleine Bereiche passen oder eine ungleichmäßige Form haben, etwas was bei starren Leiterplatten nicht möglich ist. Außerdem beanspruchen die FPCs weniger Platz, wodurch das Gewicht vom Mainboard des Geräts reduziert wird. Eine optimale Nutzung des freien Raums ermöglicht auch ein besseres Wärmemanagement, wodurch die abzuführende Wärmemenge reduziert wird. Im Vergleich zu starren Leiterplatten können flexible Platinen zuverlässiger und haltbarer sein, insbesondere bei Anwendungen, bei denen die Schaltungen ständigen Vibrationen und mechanischer Belastungen ausgesetzt sind. Die üblichen Verbindungstechniken, die auf angelöteten Drähten und handbestückten Steckverbindern basieren, werden durch flexible Leiterplatten ersetzt, die sich durch deren extrem geringes Gewicht und Dicke, deren hohen mechanischen Festigkeit, der Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Widerstandsfähigkeit gegen Verwitterung sowie gute elektromagnetische Störfestigkeit (EMI) auszeichnen. Nehmen Sie als Beispiel die Bestückung mehrerer elektronischer Geräte in der Automobilbranche, wie z.B. ein Armaturenbrett, ein Display und Mensch-Maschine-Schnittstellen (Drehknöpfe, Knöpfe usw. ). Alle diese Vorrichtungen erfordern eine zuverlässige Verbindung unter allen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs, welches darüber hinaus einer ständigen mechanischen Belastung und Vibration ausgesetzt ist. In diesem Sektor garantieren flexible gedruckte Schaltungen Zuverlässigkeit, Nachhaltigkeit und Wartungsarbeiten die sich auf null Prozent hin bewegen. Bild 3 zeigt eine Automobilanwendung der FPC-Technologie, die hier in einem Kfz-Lichtschalter eingesetzt wird.

Beispiel einer FPC-Anwendung in der Automobilindustrie

Bild 3: Beispiel einer FPC-Anwendung in der Automobilindustrie

Darüber hinaus kann der Einsatz von FPC den Prozentsatz von menschlichen Fehlern bei der Bestückung reduzieren, was zu einer Qualitätsverbesserung und Kostensenkung führt. Diese Technologie trägt dazu bei, die Größe und das Gewicht der Anwendung erheblich zu reduzieren, ein entscheidender Faktor bei der Fertigung zuverlässiger, kompakter und hoch integrierter elektronischer Geräte.

Begrenzungen einer flexiblen Leiterplatte

Obwohl es mehrere Vorteile gibt, hat die PFC-Technologie einige Nachteile. Zunächst einmal haben FPCs im Vergleich zu herkömmlichen starren Leiterplatten hohe Anschaffungskosten. Da flexible Schaltungen für sehr spezifische Anwendungen ausgelegt sind, sind die Anfangskosten für den Leiterplatten Entwurf und Prototyping höher als bei starren Leiterplatten. Wenn die Kosten ein entscheidender Faktor bei der Wahl des Leiterplattentyps sind, ist es vorzuziehen, diese Technologie nur für nicht zu geringe Produktionsvolumen einzusetzen. Außerdem ist es schwierig, die Leiterplatte zu reparieren oder zu ändern, wenn die überarbeitet werden muss. In diesem Fall muss zuerst die Schutzfolie entfernt werden, die den Schaltkreis umhüllt und nach dem Eingriff muss diese wieder aufgesetzt werden. Da es sich um eine neue Technologie handelt, sind nicht alle Hersteller in der Lage, ihren Kunden diese Art von Produkten anzubieten. Darüber hinaus ist während der Montagephase große Vorsicht geboten, da die Schaltung bei falscher Handhabung oder durch unqualifiziertes Personal leicht beschädigt werden kann.

Schlussfolgerung

Flexible Leiterplatten kommen in vielen Anwendungen des täglichen Lebens zum Einsatz, z. B. in Smartphones, Tablets, Kameras, Druckern und Laptops. Sie können sogar in unserem Körper untergebracht werden, ein grundlegendes Element bei der Herstellung von Herzschrittmachern, Cochlea-Implantaten und Defibrillatoren. In den letzten Jahren ist die Industrie des FPC’s erheblich gewachsen, angetrieben durch die Verbreitung kleinerer und leichterer tragbarer und elektromedizinischer Geräte. In vielen Anwendungen können flexible Leiterplatten den Bedarf (und die Kosten) für Steckverbinder und Kabel eliminieren, wodurch die Zuverlässigkeit der Verbindung verbessert und die Montagezeit, die Montagekosten und die Gesamtabmessungen der Geräte reduziert werden.

Abschließend können wir sagen, dass flexible Leiterplatten die Umsetzung neuer und interessanter Anwendungen ermöglicht haben, die mit herkömmlichen starren Leiterplatten nicht möglich waren. Bei der vorläufigen Analyse jedes neuen Designs ist es jedoch notwendig, die Vorteile und Grenzen der Verwendung einer flexiblen Leiterplatte im Vergleich zu einer starren Leiterplatte sorgfältig zu bewerten. Bei vielen Anwendungen ist die Wahl einer flexiblen Leiterplatte obligatorisch, bei anderen hängt sie vom Kosten-Nutzen Vergleich ab.

maurizio-paolo-emilioVon M. Di Paolo Emilio

Maurizio hat einen Ph. D. in Physik und ist TK-Ingenieur und Journalist. Er hat an verschiedenen internationalen Projekten auf dem Gebiet der Gravitationswellenforschung mitgewirkt. Er ist Chefredakteur von Power Electronics News. Er ist Autor mehrerer Bücher, die bei Springer veröffentlicht wurden, sowie zahlreicher wissenschaftlicher und technischer Veröffentlichungen über Elektronikdesign.

 

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