Rigid-Flex-PCBs – die intelligenten, effektiven Designs der Zukunft

Flexible PCB circuit

Von uns PCB-Designern wird oft nichts Geringeres erwartet als die sprichwörtliche Quadratur des Kreises. Ein ums andere Mal stehen wir vor der Aufgabe, Tausende verschiedener Komponenten auf einer zweidimensionalen Leiterplatte von der Fläche eines 20-Euro-Scheins (oder weniger) unterzubringen und sind dabei mit strikten Beschränkungen durch den Formfaktor des Geräte- oder Maschinengehäuses konfrontiert.

Angesichts dieser Herausforderungen ist es kein Wunder, dass der Designprozess in manchen Fällen nicht reibungslos verläuft: Wir alle mussten nach der Fertigstellung eines Layouts – bei einem letzten Blick auf die Platzvorgaben – schon einmal feststellen, dass wir die festgelegten Limits überschritten hatten. Da heißt es dann zurück auf Anfang.

Bei Beibehaltung eines zweidimensionalen Leiterplattenlayouts gibt es drei gängige Strategien zur Lösung derartiger Probleme: Erstens können Sie die Bauteildichte und die Zahl der Durchkontaktierungen erhöhen, indem Sie ein Ultra-HDI-Design erstellen. Zweitens können Sie die Lagenzahl Ihres PCB steigern und die einzelnen Schichten über verschiedenartige Durchkontaktierungen miteinander verbinden. Drittens ist es eventuell möglich, die Bestückungsgrenze näher an den Leiterplattenrand zu verschieben, sodass mehr Komponenten auf die Ober- und Unterseite des PCB passen. Alternativ gibt es noch eine weitere Möglichkeit: Sie können sich von einem klassischen zweidimensionalen Layout verabschieden und ein Rigid-Flex-Design in Erwägung ziehen.

Was sind Rigid-Flex-PCBs?

Wie der Name schon sagt, bestehen Rigid-Flex-PCBs teils aus starren und teils aus flexiblen Leiterplattenmaterialien. Dabei dienen die starren PCB-Segmente mit dem vertrauten Look als Montageflächen für die meisten Komponenten. Die flexiblen Segmente sind hingegen – wie Sie wahrscheinlich bereits erraten haben – speziell so ausgelegt, dass sie sich auf eine vorgesehene Weise verformen lassen und beispielsweise gebogen, verdreht, gerollt oder gefaltet werden können.

Auch wenn die Faltmöglichkeiten bislang noch hinter den Ansprüchen eines Origami-Meisters zurückbleiben, sind Flex-PCBs wahre Wunder der Ingenieurskunst. Sie lassen sich mit Komponenten bestücken und an nahezu jeden Formfaktor anpassen. Allerdings eignen sie sich weniger gut zur Befestigung des PCBs im Gerät, da sie keine feste Struktur aufweisen. Daher bietet es sich an, die starren PCB-Segmente zur Montage der Leiterplatte im Gehäuse und die flexiblen Segmente zur Realisierung eines dreidimensionalen Layouts im gewünschten Formfaktor zu verwenden. Auf diese Weise vereint die Rigid-Flex-Technologie die Vorteile beider Welten.

Aerial view of a flexible circuit layer

Die Leiterbahnen und Schaltkreise flexibler PCBs lassen sich genau wie bei starren Leiterplatten gestalten.

Fünf entscheidende Vorteile der Rigid-Flex-Technologie

Wie Sie vielleicht schon bemerkt haben, bin ich ein begeisterter Verfechter von Rigid-Flex-Lösungen. Um auch Sie restlos von dieser Technologie zu überzeugen, präsentiere ich Ihnen im Folgenden fünf ihrer zahlreichen Vorteile:

 

Flexible Anpassung an den Formfaktor des Geräts: Auch wenn dieser Vorteil oben schon genannt wurde, verdient er seinen eigenen Abschnitt. Denn es kann nicht oft genug betont werden, dass Sie sich mit einem Rigid-Flex-Design von den Einschränkungen zweidimensionaler Layouts lösen und dadurch mehr Spielraum zur Einhaltung strikter Platzvorgaben verschaffen. Solange alle starren Segmente über flexible Segmente miteinander verbunden sind, kommen sämtliche Gehäusewände als Montageflächen infrage. Dadurch werden unkonventionelle Designs möglich, die bestens an den Formfaktor des Geräts angepasst sind.

Reduziertes Gewicht und geringerer Platzbedarf: Flexible Leiterplatten bestehen aus völlig anderen und deutlich leichteren Materialien als starre PCBs. Das hat zur Folge, dass Sie mit einem kompakten Rigid-Flex-Design nicht nur Platz sparen, sondern auch das Gewicht des Geräts reduzieren können.

Keine zusätzlichen Lötverbindungen: Bei der Herstellung eines Rigid-Flex-PCBs werden zwei oder mehr starre Segmente über ein flexibles Segment miteinander verbunden – und zwar ohne zusätzliche Lötverbindungen, Steckverbinder oder Crimpanschlüsse. Dadurch ist die strukturelle Integrität des PCBs auch bei Verformung der flexiblen Segmente sichergestellt.

Kosteneinsparungen durch einen geringeren Materialbedarf: In fast allen Fällen (sagen wir: 98 %) sinkt beim Übergang von einem starren Design zu einem Rigid-Flex-Design der Materialbedarf. Das sich in Kosteneinsparungen niederschlagen und Ihrem für die Beschaffung zuständigen Team einiges an Arbeit ersparen.

Schutz vor extremen Umwelteinflüssen: Als weiterer Vorteil erweist sich, dass flexible Materialien besser gegen UV-Strahlen, radioaktive Strahlung und schädliche Chemikalien geschützt sind, was die Lebensdauer eines Rigid-Flex-PCBs in Umgebungen mit extremen Umwelteinflüssen erhöhen kann.

Flexible PCB interconnect

Flexible Materialien werden auch zur Fertigung von Flachbandkabeln genutzt.

Die Zeit ist reif für Ihre Rigid-Flex-Designs

Ich hoffe, ich habe Sie mit meiner Aufzählung der zahlreichen Vorteile von Rigid-Flex-PCBs davon überzeugt, dass diesem Ansatz die Zukunft gehört. Halten Sie sich stets vor Augen, dass dreidimensionale Rigid-Flex-Designs die Einhaltung strikter Platzvorgaben erleichtern, Gewichts- und Kostensenkungen ermöglichen, robuste Verbindungen aufweisen, weniger Material erfordern und unempfindlicher gegen extreme Umwelteinflüsse sind. Daher kann ich Sie nur ermutigen, diese Technologie von jetzt an bei Ihren Designprojekten einzusetzen.

Einzige Voraussetzung hierfür ist eine moderne PCB-Designsoftware, die die Erstellung bahnbrechender Layouts unter Ausnutzung des vollen Potenzials des Rigid-Flex-Ansatzes unterstützt. Lösungen wie Altium Designer® bieten Ihnen nicht nur Funktionen zur Fehlerprüfung in Echtzeit und auto-interaktive Routingtools, sondern eine komplett ausgestattete, nutzerfreundliche Oberfläche zur Layoutgestaltung.

Wenn Sie sich näher über die Erstellung von Rigid-Flex-Designs mithilfe einer modernen CAD-Software informieren möchten, sollten Sie noch heute mit einem Experten von Altium sprechen.

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