Layout-Tipps – Flexible Leiterplatten

Typische Anwendungsfälle:

Flexible Leiterplatten bzw. die flexiblen Bereiche in Starrflex-Leiterplatten ersetzen in vielen Fällen flexible  Verbindungselemente zwischen (starren) Leiterplatten. Sie ermöglichen jedoch auch spezielle Konstruktionen, die mit konventionellen (starren) Leiterplatten nicht möglich wären.

Durch den sinnvollen Einsatz flexibler Leiterplatten können in manchen Fällen Kosten eingespart werden. Mit flexiblen Leiterplatten realisierte Konstruktionen sind platzsparend umzusetzen.

Die Anzahl an Biegezyklen, die eine flexible Leiterplatte übersteht, ist abgesehen von Ihrem Aufbau und den verwendeten Materialien wesentlich abhängig vom Biegeradius, dem dieser Bereich ausgesetzt ist. Bei im Gebrauch bewegten flexiblen Leiterplatten ist durch konstruktive Maßnahmen der Biegeradius auf einen sinnvollen Wert zu begrenzen.

Nur beim Einbau bzw. zu Servicezwecken bewegte Bereiche sind relativ unkritisch.

Schon bei der Entwicklung flexibler bzw. starrflexibler Leiterplatten müssen fertigungstechnische Aspekte berücksichtigt werden. Eine rechtzeitige Abstimmung mit dem Leiterplattenfertiger ist zu empfehlen.

Materialien für flexible Leiterplatten

Gängiges Material für flexible Leiterplatten ist Polyimid in verschiedenen Stärken (25-100 µm). Dieses Material ist elektrisch und thermisch hochwertig, neigt jedoch zur Einlagerung von Wasser. Um Probleme bei Lötvorgängen zu vermeiden, sollten Platinen gegebenenfalls vor der Verarbeitung getempert werden.

Der übliche Aufbau flexibler Materialien setzt auf kleberfrei auf Polyimid aufgebrachtes Kupfer. In flexiblen Leiterplatten können verschiedene Kupferstärken eingesetzt werden (18, 35, 70 µm).

Flexible Leiterplatten bestehen in den meisten Fällen aus einer oder zwei Lagen.

Flexible Leiterplatten als Ersatz für Flachbandkabel

Flexible Leiterplatten können als Ersatz für Flachbandkabel eingesetzt werden, unter Umständen ist die Anbringung eines Steckers an der flexiblen Platine nicht notwendig. Spezielle Steckverbinder auf der starren Platine können die flexiblen Platinen direkt klemmen. Im Kontaktbereich werden die flexiblen Platinen mit entsprechenden Oberflächenbeschichtungen veredelt, um eine hohe Kontaktsicherheit zu ermöglichen (chem. Ni/Au). Die Stecker-Bereiche können durch eine zusätzlich auf der Rückseite aufgebrachte Folie mechanisch stabilisiert werden.

Auf der flexiblen Platine läßt sich eine hohe Strukturdichte erreichen. Die Leiterbahnführung und Kontaktierung der Steckerflächen  kann beidseitig erfolgen. Zudem lassen sich durch mehrschichtige Aufbauten gegeneinander abgeschirmte Leitungen realisieren. Nach außen können die flexiblen Leiterplatten durch Abdeck-Layer isoliert werden.

Beschädigte als Verbindung eingesetzte Leiterplatten lassen sich bei einem Defekt relativ problemlos austauschen.

Komplette “Kabelbäume” mit mehreren Anschlußstellen lassen sich durch entsprechend geformte flexible Leiterplatten ersetzen.

Bestückte flexible Leiterplatten

In Sonderfällen können SMD-Bauteile direkt auf flexible Leiterplatten bestückt und gelötet werden. Abhängig von der Größe der Bauteile lassen sich diese flexiblen Leiterplatten bedingt mit entsprechend großem Radius gebogen einbauen, ohne eine Beschädigung der Leiterplatte der Bauteile oder der Lötstellen zu riskieren. Die Lötstellen, die Bauteilpins bzw. das Basismaterial müssen die bei der Biegung auftretenden Kräfte aufnehmen können.

Durchkontaktierungen auf der flexiblen Platine sind möglich. Spezielle bedingt flexible Lötstoplacke sind verfügbar. gegebenenfalls können Laserstrukturierte Abdecklagen eingesetzt werden.

Layouten flexibler Platinen (-bereiche)

• wenn möglich parallele Strukturen quer zur Biegung.
• möglichst große gleichmäßige Strukturbreiten
• bei Änderung von Strukturbreiten, Übergang Leiterbahn zu Pad, stetige Übergänge (Teardrops) schaffen
• über den gesamten flexiblen Bereich etwa gleiche Kupferdichte (gegebenenfalls durch Dummy-Leiterbahnen oder Rasterflächen zu erreichen)
• bei doppelseitigem Layout paralleler Leiterbahnen diese auf die Lücke versetzt.
• Richtungsänderung von Leiterbahnen nicht spitz sondern über Radien
• Flexible Leiterplatten können gebohrt und gefräst werden.
• Verjüngung der Platinenbreite über Schrägen
• Durchkontaktierungen sind realisierbar.
• Außenkonturen nicht mit scharfen Richtungswechseln sondern über Bögen.
• Mindestabständer der Strukturen zur Platinenkontur einhalten

Starrflex-Leiterplatten

Ein Sonderfall sind Starrflex-Leiterplatten, die starre und flexible Bereiche in einem Bauteil kombinieren.

Häufig müssen Leiterplatten, die zu einem Gerät gehören, und in diesem räumlich getrennt angeordnet sind, elektrisch mit einer Vielzahl von Leitungen miteinander verbunden werden. Als Alternative zu einzelnen starren Platinen, die z.B, durch Flachbandkabel oder flexible Leiterplatten verbunden werden, können Starrflex-Platinen eingesetzt werden. Der Fertigungsaufwand für Starrflex-Platinen ist relativ hoch, dafür entfallen jedoch aufwändige Steckverbinder und Montage-Tätigkeiten (Steckverbinder montieren,….) In vielen Fällen amortisiert sich diese Konstruktion erst bei größeren Stückzahlen. Bei Defekt eines flexiblen Bereiches müssen alle miteinander verbundenen Platinen ausgetauscht werden.

Die Fertigung erfolgt als Multilayer. Die starren Komponenten werden in den Bereichen, in denen die Platine flexibel sein soll, vor dem Verpressen ausgefräst

Für die flexiblen Bereiche einer Starrflex-Platine gelten die oben genannten Hinweise.

Beisipiel für Starrfex-Platine von oben	Beispiel für Starrflex-Platine seitlich

Semiflex-Leiterplatten

FR4 mit einer Stärke von 0,1 bis 0,3 mm kann als bedingt flexibel angesehen werden, das heißt für bis zu 10 Biegezyklen, die beim Einbau oder bei Reparaturarbeiten auftreten, kann dieses Material mit großzügigen Radien gebogen werden.

Der Vorteil dieses Verfahrens ist die Verwendung von Standard-Materialien und -Verfahren. Durch partielle Tiefenfräsungen in starre Leiterplatten oder das Verwenden dünner Kerne, die partiell frei liegen, sind diese in Bereichen flexibel zu gestalten.

Leiterplatten aus FR4, die durchgehend eine Stärke von z.B. 200 µm haben können im gebogenen Zustand eingebaut werden.