Die speziellen Herausforderungen von Rigid-Flex-Designs in puncto strukturelle Integrität

 

Rigid flex circuit board up close

Seit der Entwicklung der Rigid-Flex-Technologie sind wir in der Lage, mehr Komponenten in kleineren Formfaktoren unterzubringen. Außerdem bieten Rigid-Flex-Designs im Vergleich zu konventionellen starren Designs Vorteile in Bezug auf Gewicht und Zuverlässigkeit. Ich könnte diesen Blogbeitrag ausschließlich mit den vielen Pluspunkten von Rigid-Flex füllen, will mir das jedoch für eine andere Gelegenheit aufsparen. Stattdessen möchte ich mich heute einem der Aspekte widmen, die Sie beim Design von Rigid-Flex-PCBs beachten sollten: den besonderen Herausforderungen in puncto Routing. Wenn Sie sich zusätzlich über die anderen mit einem Rigid-Flex-Designprojekt verbundenen Herausforderungen informieren möchten, würde ich Ihnen dringend empfehlen, unser Whitepaper zum Thema zu lesen.

Routing der flexiblen Segmente

In Bezug auf das Routing der flexiblen Segmente Ihres PCBs sind verschiedene zusätzliche Gesichtspunkte zu beachten, die sämtlich mit der Tatsache zusammenhängen, dass die flexiblen Teile eines Rigid-Flex-Designs – anders als starre Leiterplatten – bewegt oder verformt werden.

Beispielsweise werden in der IPC-Fachbereichsrichtlinie für das Design flexibler Leiterplatten (IPC 2223C) drei Arten von Biegeanforderungen an flexible PCBs und darauf aufbauend drei Anwendungsbereiche mit jeweils spezifischen Beschränkungen unterschieden:

  • Flex to Install (Biegung zur Montage)

  • Dynamic Flex (Dynamische Biegung)

  • One Time Crease (Einmalige Faltung)

Jede dieser drei Kategorien enthält Minimalspezifikationen für Flex- und Rigid-Flex-Designs. Dabei werden die mindestens erforderlichen Biegeeigenschaften in Abhängigkeit von der Verformung der Kupferbahnen festgelegt und als Vielfaches der Dicke bzw. der Schichtenanzahl der fertigen Flexleiterplatte angegeben.

Für Sie als PCB-Designer bedeutet das, dass Sie nicht nur elektrische, sondern auch mechanische Rahmenbedingungen berücksichtigen müssen. Insbesondere müssen Sie sich über Brüche und Risse in Ihren Kupferbahnen Gedanken machen und die daraus resultierenden Einschränkungen und Möglichkeiten im Blick behalten.

So kann Ihr Rigid-Flex-Design beispielsweise Durchkontaktierungen aufweisen, doch sollten diese wegen der zusätzlichen Belastung der Leiterbahnen nicht in den flexiblen Bereichen angesiedelt sein. Aus dem gleichen Grund ist es erforderlich, die Anschlussflächen der Durchkontaktierungen als Teardrops zu gestalten.

Und wenn sich die Breite Ihrer Leiterbahnen ändert, sollten Sie diesen Übergang unbedingt sanft gestalten und nicht als abrupte Verjüngung. Denn wo immer Leiterbahnen in Löt- oder Kontaktflächen übergehen, entstehen potenzielle Schwachstellen mit einer Anfälligkeit zur langfristigen Materialermüdung – insbesondere bei parallelem Verlauf wie in dem unten dargestellten Endstück einer flexiblen Leiterplatte. Diese Notwendigkeit zur graduellen Verjüngung der Leiterbahnen entfällt nur dann, wenn Versteifungen hinzugefügt werden oder es sich um ein Design zur einmaligen Faltung handelt.

Sanfte Verjüngung der Leiterbahnen zur Steigerung ihrer Lebensdauer

Darüber hinaus müssen Sie beim Design flexibler Leiterplatten darauf achten, die Belastung der Biegeflächen zu minimieren. Zur Entlastung sollten Sie die Leiterbahnen möglichst gleichmäßig verteilen. Ergänzend können Sie die Reißfestigkeit Ihrer Leiterbahnen steigern, indem Sie deren Breite in den Randbereichen Ihres Flex-Designs erhöhen.

Übereinander verlaufende Leiterbahnen (oben) und versetzt angeordnete Leiterbahnen (unten) auf benachbarten Schichten

Weitere Anforderungen bestehen bei Flex-Designs mit doppelseitigem Routing. Hier sollten Sie sicherstellen, dass Ihre Leiterbahnen schichtweise versetzt angeordnet sind und nicht direkt übereinander liegen. Dadurch verringern Sie die Zug- und Drucklasten in Ihrem Schaltkreis und erhalten ein zuverlässigeres Endprodukt.

Wie Sie sehen, ist das Thema Rigid-Flex äußerst vielschichtig und umfangreich, sodass bei der Erstellung eines derartigen Designs zahlreiche Aspekte berücksichtigt werden müssen. Doch der wichtigste Grundsatz, den ich Ihnen hier mit auf den Weg geben möchte, lautet: Versuchen Sie nicht, „auf Biegen und Brechen“ den erstbesten Entwurf umzusetzen, sondern achten Sie sorgfältig auf strukturelle Integrität. Wenn Sie sich näher über dieses Thema informieren möchten, sollten Sie unser kostenloses technisches Whitepaper mit Strategien zur Überwindung der mit Rigid-Flex-Designs verbundenen Herausforderungen lesen.


 

Über den Autor

Alexsander Tamari

Alexsander joined Altium as a Technical Marketing Engineer and brings years of engineering expertise to the team. His passion for electronics design combined with his practical business experience provides a unique perspective to the marketing team at Altium. Alexsander graduated from one of the top 20 universities in the world at UCSD where he earned a Bachelor’s degree in Electrical Engineering.

Weitere Inhalte von Alexsander Tamari
Vorheriger Artikel
Power-Integritätsanalyse von Stromverteilungsnetzen
Power-Integritätsanalyse von Stromverteilungsnetzen

Sie möchten zwei ähnliche PCB-Designs aus einem Set von Schaltplänen erstellen? Dieses gängige Szenario läs...

Nächster Artikel
So implementieren Sie kapazitive Berührungssensoren
So implementieren Sie kapazitive Berührungssensoren

Die manuelle Erstellung oder Modifikation komplexer anbieter- oder technologiespezifischer Sensorelektroden...