Starrflex-Leiterplatte vs. flexible Leiterplatte

Starre oder flexible Leiterplatten: Welche ist die beste?

Eine starr-flexible Leiterplatte (PO) ist ein Halb-Halb-Leiterplattendesign, das Komponenten aus Hartfaserplatten und flexiblen Schaltungen enthält. Starr-flexible Leiterplatten sind an bestimmten Stellen starr und an anderen flexibel. Dadurch können starr-flexible Leiterplatten zusammengefaltet oder kontinuierlich gebogen werden, wobei die Position von Bereichen, die zusätzliche Unterstützung benötigen, beibehalten wird. Die Schaltungen sind in der Regel mehrschichtig aufgebaut und bestehen aus flexiblen Schaltungsträgern, die mit starren Folien verbunden sind. Die flexiblen Schichten sind vollständig umhüllt und durchdringen die starren Bereiche der Leiterplatte.
Einer der Hauptvorteile einer starrflexiblen Leiterplatte ist ihr dünnes Profil. Das Standarddielektrikum in flexiblen Schaltungen beträgt 001 bis 002 Zoll und eignet sich daher hervorragend für ultraleichte und ultraleichte Bündelungsanforderungen. Klebstofffreie Overlays, HDI und dünne Kupferschichten machen sie perfekt für außergewöhnliche Leitungsinnovationen und bieten Ihnen die kleinste, leichteste und leichteste Lösung für Ihre Schaltungspläne.

Starr-Flex-Leiterplattentypen

Starrflexible Leiterplatten unterstützen zwei wesentliche Anwendungstypen: Flex to Intro und dynamisches Flex.
Flexibel einsetzbar ist die bekannteste Anwendung für starr-flexible Leiterplatten. Bei dieser Schaltungsanwendung wird die Platine nur einmal überdeckt, wenn das Gerät zusammengebaut oder entfernt wird. Tatsächlich bleibt der flexible Teil der Platine während des gesamten Gebrauchs stabil, obwohl es aufgrund starker Vibrationen zu einer gewissen Bewegung kommen kann.
Daher ist es für eine Leiterplatte manchmal unerlässlich, sich während der Endnutzung mehrfach verbiegen zu können. Diese Art der Leiterplattenanwendung wird als flexibler Flex bezeichnet. Es erfordert besondere Sorgfalt, um sicherzustellen, dass der flexible Teil der Leiterplatte wiederholter Abnutzung standhält. Bei entsprechender Flexion können diese Leiterplatten problemlos viele Flexzyklen überstehen.

Starrflexible Leiterplattenstruktur 

Die Funktion von Rigid-Flex-PCBs 

• Alle Leitungen sind geordnet, was die Verbindungsarbeit bei Überschussleitungen ersparen kann;
• Geringeres Gewicht und Platzbedarf machen diese starren Flex-Schaltungen zur perfekten Wahl für medizinische Anwendungen, beispielsweise Herzschrittmacher.
• Dadurch lässt sich das Volumen des Artikels effektiv verringern und der Transport wird einfacher.
• Es kann das Gewicht des festen Gegenstands verringern;
• Es kann die Feinheit verbessern und das Zusammenspiel des dreidimensionalen Raums im begrenzten Raum verstärken.

Rigid-Flex-Leiterplattenanwendungen 

Obwohl sie teurer sind, sind starrflexible Leiterplatten unglaublich anpassungsfähig und können für Anwendungen in einem breiten Branchenspektrum maßgeschneidert werden. Sie eignen sich hervorragend für Militär-, Luftfahrt- und Therapiegeräte, können aber auch für bestimmte Industrieprodukte eingesetzt werden. Unter bestimmten Bedingungen sind starrflexible Leiterplatten eine ideale Lösung. Unter solchen Umständen lohnen sich diese Leiterplatten und können zudem die kostengünstigste Lösung sein. Dazu gehören:
• Hohe Stoß- und Vibrationsbelastungen. Starrflexible Leiterplatten sind äußerst stoßfest und können hohen Belastungen standhalten, die sonst zu Geräteausfällen führen würden.
• Hochpräzise Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit wichtiger ist als Kostenaspekte. In Situationen, in denen ein Kabel- oder Steckerausfall gefährlich wäre, sind die robusteren starrflexiblen Leiterplatten ideal.
• Anwendungen mit hoher Dicke. Einige Baugruppen verfügen nicht über die erforderliche Oberfläche für alle wichtigen Steckverbinder und Kabel. Eine starre Flex-Schaltung kann den Platz optimieren, um dieses Problem zu lösen.
• Anwendungen, die unterschiedliche starre Platten erfordern. Wenn Baugruppen mit mehr als vier verbundenen Platten beschäftigt sind, kann es ideal und praktischer sein, diese durch eine einzelne starr-flexible Leiterplatte zu ersetzen.

Vorteile

Im weiteren Sinne haben starrflexible Leiterplatten die folgenden Vorteile:
• Hält erheblichen Stößen und Vibrationen stand
• Hält unzähligen Flexzyklen stand
• Bündelgewicht verringern
• Schaltungsdicke erhöhen
• Reduzierung wichtiger Sammelaufgaben.
Starrflex-Leiterplatten eignen sich ideal zur Reduzierung oder sogar zum Verzicht auf Steckverbinder, da sie durch ihre geringe Arbeitsleistung, hohe Leistung, hohe Übertragungsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit unverzichtbar sind. Jede Gruppe, die von diesen Merkmalen profitieren kann, kann daher von einer Starrflex-Leiterplatte profitieren.

Häufig verwendetes Material für starr-flexible Leiterplatten

Die Leistung von starrflexiblen Leiterplatten hängt vom Trägermaterial ab, das im Wesentlichen aus flexibler dielektrischer Folie und flexiblem Klebefilm besteht. Flexible dielektrische Folien sind die wichtigsten Trägermaterialien und bestehen hauptsächlich aus Polyester (Mylar), das üblicherweise in niedrigveredelten Produkten verwendet wird, Polyimid (Kapton), dem gängigsten Typ, und Fluorpolymer (PTFE), das üblicherweise in Militär- und Luftfahrtprodukten eingesetzt wird.

Bei der Betrachtung dieser drei flexiblen Materialien weist Polyimid die höchste dielektrische Beständigkeit mit hervorragenden elektrischen und mechanischen Eigenschaften sowie hoher Temperaturbeständigkeit auf, ist jedoch teuer und nimmt leicht Feuchtigkeit auf. Im Vergleich zu Polyimid weist Polyester jedoch eine schlechte Hochtemperaturbeständigkeit auf. Polytetrafluorethylen wird hauptsächlich in hochfrequenten Produkten mit niedriger Dielektrizitätskonstante verwendet.

Die Hauptmaterialien für flexible Klebefilme sind Acrylsäure, Epoxidharz und Polyester. Acrylsäure und Polyesterimid zeichnen sich durch hervorragende Haftung, hohe Elastizität und eine im Allgemeinen hohe chemische Beständigkeit und Wärmeresistenz aus. Da sie jedoch einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, sollte ihre Innendicke 0.05 mm nicht überschreiten. Epoxidharz weist eine schlechte Haftung auf und wird üblicherweise zum Kleben von Deck- und Innenschichten verwendet. Darüber hinaus weist es einen so niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, dass es sich zur Verbesserung der Wärmedämmung von durchkontaktierten Verbindungen eignet.

Flex-Schaltkreis-Overlay

Flex Circuit Overlay oder Coverlay, wie es auch genannt wird, ist ein Abdeckverfahren, das zur Veranschaulichung und Sicherung der äußeren Hardware einer Flexschaltung verwendet wird. Die Coverlay-Folie einer Flexschaltung ist wie ein starre LeiterplatteSchweißschutz, mit einem großen Unterschied: Die Deckfolie ist flexibel! Laut allflexinc.com „ist die Deckfolie im Wesentlichen eine Polyimidfolie, die mit einem duroplastischen Kleber beschichtet ist. Die Foliendicken reichen von 0005 Zoll bis 005 Zoll, wobei 001 Zoll und 002 Zoll die gängigsten sind.“

Wann sollte man starre und wann flexible Materialien verwenden?

Starrflexible Leiterplatten sind in der Regel günstiger als flexible Leiterplatten. „In der Regel“ bedeutet, dass es bei Betrachtung der Gesamtkosten einige Anwendungen gibt, die mit flexiblen Leiterplatten günstiger sein können als mit starren Leiterplatten. Um die Gesamtkosten realistisch und präzise zu erfassen, muss man sich zunächst darüber im Klaren sein, dass flexible Leiterplatten den Bedarf an Bauteilen wie Steckern, Kabeln und anderen Komponenten reduzieren können. Zahlreiche elektronische Geräte (PCs, Soundsysteme, SSDs, Flachbildschirme, Kinderspielzeug und andere elektronische Geräte) verwenden starre Leiterplatten anstelle von flexiblen Leiterplatten. Darüber hinaus finden sich flexible Leiterplatten in ultrakompakten und sogar luxuriösen Geräten wie GPS-Geräten, Tablets, PDAs, Kameras und Wearables.
Höhere Modernität ist nicht der einzige Grund für den Einsatz von Flexschaltungen; auch Low-Tech-Anwendungen können gelegentlich auf die Flexschaltungstechnologie zurückgreifen, da sie die Installation wesentlich vereinfacht.

Verstehen, wann beides genutzt werden sollte

Sie müssen nun verstehen, wann Sie eine starre und wann eine flexible Leiterplatte verwenden sollten. Natürlich sind starre Leiterplatten günstiger als flexible Leiterplatten. Die Kosten für den Betrieb und die Anwendung können jedoch den Betrag bestimmen, den Sie ausgeben müssen. In manchen Fällen kann der Einsatz flexibler Leiterplatten die Kosten senken. Um die Gesamtkosten zu verstehen, sollten Sie einige Fakten kennen. Flexible Leiterplatten machen einige Komponenten wie Stecker, Kabelverbindungen und andere Leiterplatten überflüssig. Wenn Sie Hersteller flexibler Leiterplatten fragen, werden Sie dasselbe erfahren.
Natürlich können eine flexible Schaltung und ein starrflexibles PO bei Bedarf zusammen – als zusammengeführte Leiterplatte – verwendet werden. Diese Methode vereint möglicherweise das Beste aus beiden Welten.

Die Unterschiede

Bei der Entwicklung starrer Leiterplatten müssen bestimmte Konstruktionsregeln eingehalten werden, darunter Mindestspaltgrößen, Mindestabstand und -breite, Mindestabstände zu den Leiterplattenrändern sowie Kupfer- und allgemeine Strukturdicken. Viele Montageschritte werden von starren und flexiblen Leiterplatten gemeinsam genutzt. Zu diesen Prozessschritten gehören das Bohren und Plattieren von Spalten und Durchkontaktierungen, die Bildaufnahme und -entwicklung, das Zeichnen von Kupferleiterbahnen, -kissen, -layouts und -ebenen sowie das Erhitzen der Leiterplattenladungen zum Entfernen von Feuchtigkeit aus den Leiterplatten. Im Montageprozess gelangen starre Leiterplatten zur Schweißvliesstation, während flexible Leiterplatten zur Deckschichtstation gelangen.

Welche Mittel gibt es, um eine starr-flexible Leiterplatte herzustellen?

• Die Herstellung von starr-flexiblen Strukturen ist komplexer als die Erstellung eines einfachen starren Entwurfs, da für den Aufbau einer starr-flexiblen Struktur 3D-Raum erforderlich ist.
• Das Basismaterial eines starren Teils besteht aus FR4 und das flexible Teil aus Polyimid. Anschließend werden Kupferfolie und eine Deckschicht-Haltefolie aufgebracht.
• Im ersten Schritt der Montage einer starrflexiblen Leiterplatte werden zugängliche Klebstoffe auf eine Kupferschicht aufgetragen.
• Anschließend wird eine dünne Schicht Kupferfolie auf den Klebstoff aufgebracht. Alternativ kann auch eine Kupferbeschichtung anstelle eines Beschichtungsverfahrens verwendet werden.
• Im nächsten Schritt werden kleine Öffnungen in das Flexsubstrat gebohrt. Für die Herstellung exakter und präziser Öffnungen eignet sich das Laserbohren am besten.
• Kupfer wird in die Zwischenräume eingelagert, wenn diese in das Flex-Design eingebracht werden. Dieses Verfahren wird als Durchkontaktierung bezeichnet, bei der Kupfer synthetisch beschichtet wird.
• Im nächsten Schritt wird eine lichtempfindliche Gravurbeschichtung auf die Flexoberfläche aufgebracht. Die Fensterornament-Beschichtungstechnik eignet sich hierfür hervorragend.
• Nach dem Aufbringen der Beschichtung wird die Kupferfolie entsprechend geritzt. Anschließend wird der Druckwiderstand von der Leiterplatte entfernt.
• Im nächsten Schritt wird eine Deckschicht auf die Ober- und Basisschicht des Flexsubstrats aufgebracht. Polyimid eignet sich hervorragend als Deckschicht.
• Das Stanzen ist der nächste Schritt, bei dem das Flexsubstrat je nach Designanforderungen zugeschnitten wird. Die am häufigsten verwendeten Verfahren zum Schneiden von Flex sind Stanzen und Hydraulikstanzen. Diese Techniken ermöglichen das Schneiden verschiedener Flexmaterialien mit hoher Genauigkeit und Präzision.
• Im letzten Schritt wird eine im Stanzverfahren hergestellte Flexplatine zwischen die starren Lagen gelegt, wodurch das elektrisch prüfbare Endprodukt für elektronische Zwecke zugänglich wird.

Starr-Flex-Leiterplattenkosten

Der Hauptgrund für die höheren Kosten für Leiterplattenwerkzeuge im Zusammenhang mit flexiblen oder starrflexiblen Leiterplatten liegt in der Anzahl der physisch gefertigten Baupläne, die eine bestimmte Struktur enthalten kann. Ein weiterer Grund ist die Stückzahl. Bei laufenden Stückzahlen stellen wir jedoch häufig fest, dass die meisten Kunden die Mehrkosten bereits bei 2000 Stück oder weniger amortisieren.

Ein weiterer Faktor für die Kosten der Werkzeugherstellung ist die Stückzahl. Starrflex- und Flex-Modelle sowie Kleinserien werden meist mittels Laserschneiden oder mechanischer Bearbeitung hergestellt. Dies dient der Herstellung der Oberflächenmontage in den Deckschichten, der Teilezeichnung und, falls erforderlich, der Struktur der Versteifungen.

Elektrische Prüfungen an diesen kleineren Stückzahlen werden üblicherweise mit einem Flugtest abgeschlossen. Bei der Serienproduktion von Flex- und Starrflex-Schaltungen muss auf Stahlband-Durchläufe oder Stanz- und Prägesätze umgestiegen werden. Diese Stahlband-Durchläufe sind teurer und in der Herstellung oft teurer als Laserschneidanlagen. Auch die elektrischen Prüfgeräte werden auf festverdrahtete Tests umgestellt, was mit höherem Arbeitsaufwand verbunden sein kann. Beide Faktoren können anfängliche Kosten verursachen, führen aber bei größeren Stückzahlen zu einer deutlichen Senkung der Stückkosten.

• Schichten sind der wichtigste Faktor, wenn einseitiges Flexen ausreichend ist, versuchen Sie nie mehr Schichten
• Flex-Board-Typen: Einzelstücke oder als Panel. Berücksichtigen Sie bei der Kostenschätzung für Flex-PCBs den Materialverbrauch. Flex-PCB-Material ist eine bewegliche Einheit, eine Seite darf nicht länger als 250 mm sein. Bei der Erstellung legen wir die Größe der Arbeitsplatine fest. Wenn Pakete verschwendet werden, bestimmt dies die Kosten für Flex-PCBs.
• Min. Spurweite/Abstand: 2–3 mil.
• Mindestlochgröße, nicht zu klein, 0.25.
• Goldfinger, zwei Optionen für Goldfinger von flexiblen Leiterplatten: Hartgold oder Überflutungsgold. Hartgold ist deutlich teurer.
• Kupferdicke: 1/3 oz ist normal, bleiben Sie flexibel, schlagen Sie kein übermäßiges Kupfer vor.
• Versteifung, Flex-PO-Anschluss bietet 3 Auswahlmöglichkeiten für die Versteifung: Fr4-Versteifung, Aluminium-Versteifung, Pi-Versteifung. Für den Fall, dass Sie den Stecker wiederverwenden, empfehlen wir die Verwendung einer härteren Versteifung.
• Oberflächenbeschaffenheit: Normal ist durchtränktes Gold.
• Größe: höhere Materialausnutzungsrate, weniger teuer.
• Menge: Je mehr, desto günstiger

Fazit

Obwohl sowohl starre als auch flexible Leiterplatten im Grunde denselben Zweck erfüllen – die Verbindung verschiedener elektrischer und mechanischer Komponenten –, haben beide Technologien ihren Platz im Alltag. Während für starre und flexible Leiterplatten viele ähnliche Designregeln gelten, erfordern flexible Leiterplatten aufgrund zusätzlicher Montageschritte zusätzliche Regeln. Auch wenn starre Leiterplatten zumindest auf den ersten Blick günstiger erscheinen, sollte man die Gesamtkosten eines Designs berücksichtigen, bevor man flexible Leiterplatten als zu teuer bezeichnet.

Alles in allem ist es wichtig zu beachten, dass nicht alle Leiterplattenhersteller für die Bestückung flexibler Leiterplatten geeignet sind. Bevor Sie mit der Planung flexibler Leiterplatten beginnen, sollten Sie verschiedene Leiterplattenhersteller kontaktieren und die Möglichkeiten zur Herstellung flexibler Leiterplatten und die damit verbundenen Kosten besprechen.