Rigid-Flex-PCB-Design: Vorteile und bewährte Designmethoden

Mit der Verwendung einer starren Flex-Leiterplatte (starre FPC) werden flexible Schaltungssubstrate und starre Schaltungssubstrate gemeinsam abgedeckt. Starrflex-Leiterplatten überschreiten die Grenzen herkömmlicher starre Leiterplatten und die einzigartigen Eigenschaften von Flexschaltungen, die hochflexible, galvanisch abgeschiedene oder beschichtet verstärkte Kupferleiter verwenden, die auf eine flexible Schutzfolie gedruckt sind.

Flexible Schaltungen bestehen aus Stapeln, die aus flexiblem Polyimid wie Kapton oder Norton hergestellt und mit Kupfer überzogen sind und durch Wärme, Acrylkleber und Druck miteinander verbunden werden.

Ebenso können Sie bei herkömmlichen Leiterplatten Komponenten auf beiden Seiten der starren Platine montieren. Aufgrund der Kombination von starren und flexiblen Schaltungen kommen bei einer starr-flexiblen Konfiguration keine Steckverbinder oder Verbindungskabel zwischen den Komponenten zum Einsatz. Stattdessen verbinden die flexiblen Schaltungen das System elektrisch miteinander.

Durch den Verzicht auf Stecker und Verbindungskabel werden einige Dinge erreicht:

• Verbessert die Kapazität der Schaltung, Signale ohne Probleme zu übertragen
• Bietet kontrollierte Impedanz
• Beseitigt Verbindungsprobleme, z. B. kalte Gelenke
• Reduziert das Gewicht
• Schafft Platz für verschiedene Teile

Jede starrflexible Leiterplatte ist in Zonen unterteilt, die unterschiedliche Materialien und unterschiedliche Schichtstärken aufweisen. Starre Zonen haben manchmal mehr Schichten als flexible Zonen, und die Materialien reichen von FR-4 bis Polyimid und weisen erhebliche Schichtwechselzonen auf.

Komplexe Strukturen wechseln häufig von starr zu flexibel und wieder zurück. Bei diesen Konvergenzen erfordert die Abdeckung aus starr-flexiblen Materialien Öffnungen im Übergangsbereich, um die Integrität zu gewährleisten. Zahlreiche starr-flexible Designs enthalten außerdem gehärtete Stahl- oder Aluminiumversteifungen, die Verbindungsstücke und Segmente zusätzlich stützen.

Starre FPC-Platinen kosten viel mehr als nahezu identische Hartplatten und sind in der Regel ein Vielfaches teurer als eine flexible Schaltung mit Versteifung.

Dennoch sind die erhöhten Kosten im Hinblick auf bestimmte Anwendungen und Situationen gerechtfertigt, zum Beispiel:

• Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit. Bei übermäßiger oder wiederholter Stoßbelastung oder starken Vibrationen versagen Steckverbinder mit flexiblen Kabeln schneller. Starre FPC-Kabel bieten selbst bei extremen Vibrationen und Stoßbelastungen höchste Zuverlässigkeit.
• Anwendungen mit hoher Dicke. In einem kleinen, umzäunten Bereich ist es manchmal schwierig, alle Kabel und Anschlüsse unterzubringen, die für eine elektronische Leiterplattenkonfiguration erforderlich sind. Starre FPC-Platten können in sehr kleine Profile eingepasst werden und bieten in diesen Fällen erhebliche Platzeinsparungen.
• Fünf oder mehr starre Platten. Wenn Ihre Anwendung letztendlich fünf oder mehr starre Platten umfasst, die durch Flexkabel miteinander verbunden sind, ist eine integrierte Starrflex-Lösung oft die ideale und kostengünstigere Lösung.

Für das Rigid-Flex-PO-Design gelten verschiedene Designregeln

Verschiedene Schwierigkeiten stehen der Anpassungsfähigkeit und Flexibilität entgegen, die die Herstellung dreidimensionaler Pläne und Produkte ermöglichen. Herkömmliche starr-flexible PO-Pläne ermöglichten die Montage von Komponenten, Anschlüssen und dem Rahmen Ihres Produkts am physisch stabileren, starren Teil der Baugruppe. Auch hier diente die flexible Schaltung lediglich als Verbindungselement, reduzierte die Masse und verbesserte den Schutz vor Vibrationen.

Neue Produktstrukturen in Kombination mit verbesserten Flex-Schaltungsinnovationen haben neue Planungsregeln für starr-flexible POs eingeführt. Ihr Konstruktionsteam hat nun die Möglichkeit, Bauteile auf dem Gebiet der flexiblen Schaltung zu platzieren. Die Kombination dieser Möglichkeit mit einem mehrschichtigen Ansatz für die starr-flexible Konfiguration ermöglicht es Ihnen und Ihrem Team, mehr Hardware in die Struktur zu integrieren. Die Nutzung dieser Möglichkeit bringt jedoch einige Herausforderungen hinsichtlich der Steuerung und der Lücken mit sich.

Flexible Schaltungen weisen regelmäßig Verdrehungsleitungen auf, die die Lenkung beeinflussen. Aufgrund des möglichen Materialdrucks dürfen keine Bauteile oder Durchkontaktierungen in der Nähe der Verdrehungsleitungen platziert werden. Selbst bei entsprechender Positionierung der Bauteile führen gebogene flexible Schaltungen zu wiederholten mechanischen Belastungen auf oberflächenmontierten Kissen und Durchgangsöffnungen. Ihr Team kann diese Probleme durch die Verwendung von Durchgangsöffnungsbeschichtungen und die Verstärkung der Kissenhalterung mit einer zusätzlichen Auflage zur Verankerung der Kissen verringern.

Befolgen Sie bei der Planung Ihrer Leiterbahnführung Methoden, die die Belastung Ihrer Schaltkreise verringern. Verwenden Sie inkubierte Polygone, um die Flexibilität bei der Anbringung einer Strom- oder Massefläche auf Ihrer Flex-Schaltung zu erhalten. Verwenden Sie gebogene Leiterbahnen anstelle von 90°- oder 45°-Winkeln und nutzen Sie Rissmuster, um die Leiterbahnbreite zu variieren. Diese praktischen Reduzierungen betonen Schwachstellen und ungleichmäßige Bereiche. Eine weitere bewährte Methode ist die quer verlaufende Ausrichtung der Leiterbahnen, indem die oberen und unteren Leiterbahnen bei doppelseitigen Flex-Schaltungen versetzt werden. Durch die Ausbalancierung der Leiterbahnen wird ein gleichmäßiges Übereinanderliegen der Leiterbahnen verhindert und die PoE (PoE = Po ...

Um den Druck zu verringern, sollten Sie die Spuren auch entgegen der Drehlinie lenken. Beim Ersetzen von starr durch flexibel und von flexibel durch starr kann die Anzahl der Schichten von einem Medium zum nächsten variieren. Durch die Spurführung können Sie die Festigkeit des Flexkreises erhöhen, indem Sie die Lenkung für benachbarte Schichten ausgleichen.

Richtlinien für das starre FPC-Design

Eine Rigid-Flex-Konfiguration ähnelt weitgehend einer Hartfaserplattenstruktur, wobei sich die flexiblen Schichten vollständig in die starren Bereiche der Platte erstrecken. Ähnlich wie bei Hartfaserplattenformaten enthält ein Rigid-Flex-Erstellungspaket Gerber-Schichten, Bohrdokumente, Patch-Veil-Schichten, Klassifizierung, Perimeter-Routenaufzeichnungen, eine Deckschicht usw.

Normalerweise gibt es einige wichtige Unterschiede zwischen den Herstellerpaketen für starre FPCs und Hartfaserplattenanwendungen:

• Eine starre FPC weist im Allgemeinen deutlich mehr Abmessungen auf und sollte die Anforderungen sorgfältig definieren, da diese Platten häufig in 3D-Anwendungen eingesetzt werden. Auch die Übergangsbereiche von starr zu flexibel sollten präzise definiert werden, da diese bei der alleinigen Betrachtung der Gerber-Schichten nicht immer klar erkennbar sind.
• Der Materialaufbau bei starren Flexfolien ist grundlegend und sollte in Zusammenarbeit mit Ihrem Hersteller erarbeitet werden. Ihr Hersteller kann Sie bei der Auswahl der richtigen Materialien basierend auf Ihren Anforderungen unterstützen, z. B. UL-Entflammbarkeitsklasse, erforderliche Mindestverwindungsradien, mechanische Aspekte, Impedanzkontrolle sowohl der flexiblen als auch der starren Schichten, RoHS-Bestätigung, bleifreie Kompatibilität und weitere Aspekte.
• Rigid-Flex-Platten erfordern in der Regel zusätzliche Lagen in den Gerber-Dokumenten. Die Lagen 1 und X enthalten Schweißvlieslagen. Zusätzlich benötigen Sie Grafiklagen, die die Deckschicht und die Bondply-Segmente (sofern erforderlich) der Platte beschreiben und deren jeweiliger Anteil an den Hartfaserplatten angeben. IPC 2223 empfiehlt 0.100 Zoll (ca. XNUMX cm), Ihr Hersteller kann jedoch möglicherweise auch weniger einplanen.

Was beeinflusst das Design von starrflexiblen Leiterplatten?

Elektromechanische Faktoren beeinflussen das Design

Berücksichtigen Sie bei der Planung von starr-flexiblen Leiterplatten die elektromechanischen Faktoren, die die flexible Schaltung und die starre Platte beeinflussen. Konzentrieren Sie sich beim Aufbau Ihrer Struktur auf das Verhältnis von Krümmungsbreite zu Dicke. Bei flexiblen Schaltungen erhöhen enge Krümmungen oder eine erhöhte Dicke im Krümmungsbereich das Ausfallrisiko. Hersteller empfehlen, die Krümmungsbreite mindestens ein Vielfaches der Dicke des flexiblen Schaltungsmaterials zu wählen und eine „Papierpuppe“ derselben Schaltung zu bauen, um die Krümmungsstellen zu identifizieren.

Vermeiden Sie es, die Flexschaltung entlang ihrer äußeren Biegung zu dehnen oder entlang ihrer inneren Biegung zu packen. Das Dehnen der Biegungskante über 90° hinaus führt zu einer Dehnung an einer Stelle und einem Druck an einer anderen Stelle der Flexschaltung.

Ein weiterer wichtiger Faktor für die Stabilität von Starrflex-Leitern ist die Dicke und Art der Leiter im Verdrillungsbereich. Sie können die Dicke und die mechanische Belastung verringern, indem Sie die Beschichtungsstärke der Leiter verringern und nur Polsterbeschichtungen verwenden. Die Verwendung von massiven Kupfer-, Gold- oder Nickelbeschichtungen verringert die Flexibilität an der Biegung und kann zu metallischen Spannungen und Rissen führen.

Überlegungen zur Materialaufteilung

Starre FPC-Materialaufbauten wirken sich stark auf Kosten, Herstellbarkeit und die endgültige PCB-Leistung aus. Daher ist es wichtig, viel Zeit in die Auswahl des optimalen Materials zu investieren. Beispielsweise sind kontrollierte Impedanz, Widerstand und Stromtransportanforderungen äußerst wichtige Überlegungen, die sowohl die Kupferlast als auch die Materialauswahl beeinflussen.

Ein PCB-Architekt sollte mit seinem Leiterplattenhersteller zusammenarbeiten, um diese Faktoren zu untersuchen, damit der spätere Entwurf alle Anforderungen an die Leiterplattenintegrität erfüllt. Sobald der Entwickler erste Berechnungen durchgeführt hat, kann der Hersteller diese überprüfen und eine genauere Darstellung der Impedanzeigenschaften der Leiterplatte und des zur Erreichung dieser Eigenschaften erforderlichen Materialsatzes liefern.

Wenn die Impedanzeigenschaften nicht allzu wichtig sind, suchen Sie nach den kostengünstigsten und stabilsten Rigid-Flex-Designvorschlägen. Das Rigid-Flex-Programm bietet die niedrigsten Materialkosten und einen sicheren Einstieg für Designer, die neu in der Rigid-Flex-Architektur sind.

Wenn Sie eine schnelle Einschätzung der Kosten für Ihre Starrflex-Konfiguration benötigen, nutzen Sie unseren Starrflex-Kostenrechner. Dieser berücksichtigt Ihre Anforderungen und ermittelt die voraussichtlichen Kosten für niedrige Produktionsmengen. Er ist ein hervorragender Ausgangspunkt, um zu prüfen, ob Ihr Plan mit Ihren Programmanforderungen finanziell realisierbar ist.

Die starren Segmente von Starrflex-Platten bestehen in der Regel aus 20 Lagen oder weniger. Manchmal sind es mehr, aber im Allgemeinen sind mehr als 16 Lagen sehr selten. Die Hartfaserplatten müssen nicht alle die gleiche Schichtanzahl aufweisen. Beispielsweise könnte ein starres Segment 12 Lagen und eines XNUMX Lagen Hartfaserplatten aufweisen. Solange der Materialaufbau beider Segmente vergleichbar ist und die Schichten die gleiche Gesamtdicke aufweisen, treten keine Fertigungsprobleme auf. Gelegentlich kann ein Design Hartfaserplatten unterschiedlicher Dicke verwenden, solche Konfigurationen sind jedoch deutlich schwieriger herzustellen, und es sollten verschiedene Optionen in Betracht gezogen werden.

Die flexiblen Bereiche von Starrflexfolien bestehen typischerweise aus einer (Singlet), zwei (Dublett), drei (Triplett) oder vier Lagen (Quad-Entwicklung). Manchmal benötigt ein Entwickler mehr als vier Lagen über den flexiblen Bereichen der Ladung, die jedoch häufig unverbunden sind. Verstärkte Flexbereiche mit mehr als vier Lagen können sehr unempfindlich gegen Verdrehen und Biegen sein. Die Kupferlasten auf den flexiblen Schichten der Starrflexfolien betragen meist eine halbe bis eine Unze.

Manchmal erfordert die elektrische Versorgung 57 g Kupfer. In diesen Fällen sollte der Hersteller eng mit seinem Hersteller zusammenarbeiten, um das richtige strömungsfreie Prepreg auszuwählen, mit dem die dickeren Schaltkreise in den Hartfaserplatten optimal gefüllt werden können. strömungsfreies Prepreg ist konstruktionsbedingt nicht strömungsfreundlich, und 57 g Kupfer können Probleme bereiten. Gelegentlich wird auch 85 g Kupfer verwendet, was aus dem gleichen Grund zu erheblichen Problemen bei der Herstellung führen kann.

Rigid-Flex-PCB-Design erfordert Teamarbeit

Neue PCB-Konfigurationstools ermöglichen Ihrem Planungsteam die Bearbeitung verschiedener Lagenstapel, die Visualisierung elektromechanischer 3D-Strukturen, die Überprüfung von Konfigurationssteuerungen und die Simulation der Funktionsweise flexibler Schaltungen. Selbst mit diesen Geräten in der Nähe hängt die effektive Konstruktion einer starrflexiblen Leiterplatte von der Zusammenarbeit zwischen Ihrem Team und den Herstellern ab.

Die Teamarbeit muss bereits in den frühesten Phasen des Projekts beginnen und sich über den gesamten Konstruktionsprozess erstrecken und basiert auf einer ständigen Kommunikation.

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