Rigid-Flex PCB-Design meistern: Expertenwissen für schnelle, hochwertige Leiterplatten

Ein Rigid-Flex PCB-Design gilt als eine der komplexesten Leiterplatten, da es die Beherrschung technischer Fertigkeiten erfordert. Es hebt sich deutlich von einer herkömmlichen Schaltungsdesign ab durch seine Raffinesse. Zweifellos haben die Eigenschaften eines Rigid-Flex PCBs zu seiner Verbreitung in modernen technologischen Fortschritten geführt.

Daher ist das Wissen und die Beherrschung des Designprozesses essenziell für die Entwicklung qualitativ hochwertiger PCBs. In diesem Artikel lernen wir den Designprozess samt Leitfaden kennen. Zudem nennen wir spezifische Probleme, die auftreten können, und die Vorsichtsmaßnahmen, die in solchen Fällen zu ergreifen sind.

1. Was ist ein Rigid-Flex PCB?

Wie der Name schon sagt, ist ein Rigid-Flex Printed Circuit Board (RFP) eine Hybridplatine, die eine Integration von flexiblen und starren Platinen-Technologien in einer elektronischen Anwendung nutzt. Fast alle Rigid-Flex PCBs sehen ein flexibles Polyimid-Element auf einem festen Flame Retardant Typ 4 (FR4) Versteifungselement vor.

Bei der Untersuchung werden Sie feststellen, dass einige Bereiche der Platine flexibel, andere starr sind. Zudem können Sie die Schaltungen leicht biegen oder falten und dabei die Form der Bereiche beibehalten, die mehr Unterstützung benötigen.

2. Rigid-Flex Layer-Stack-Typ-Design

Der Hersteller entwirft die PCB als mehrlagigen Stack, um das Layout jeder vertikalen Ebene zu definieren, auch als Z-Ebene bekannt. Der Layer-Stack wird als einzelne Einheit in jeder Platine gefertigt.

2.1 Die beste Layer-Stacking-Strategie

Eine perfekte Layer-Stack-up-Strategie sollte es Ihnen ermöglichen, Leiterbahnen und Masseflächen so anzuordnen, dass EMI blockiert wird. Darüber hinaus sollte sie sich an das Rigid-Flex-Design und die Temperaturen des Designs anpassen.

Ein multilayer Stack ist wünschenswert, und zwar aus folgenden Gründen:

• Er kann zwischen Signal- und Masseebenen alternieren.
• Jede seiner Schichten hat ein Dielektrikum oder Prepreg dazwischen.
• Er berücksichtigt thermische Probleme.
• Er nimmt Geräte mit analogen und digitalen Elementen auf. Allerdings müssen die Geräte separate Masseebenen im Stack-up verwenden. Der Zweck der Trennung ist, Rauschen-Kopplung zu vermeiden und EMI zu verhindern.

2.2 Einzel-Layer-Merkmale

• Hat eine oder zwei äußere Polyimid-Deckschichten.
• Es hat Bohrungen, die auf einer oder beiden Seiten zugänglich sind.
• Bauteilbohrungen haben keine Beschichtung.
• Sie können Bauteile, Versteifungen, Pins und Steckverbinder auf einem Einzellayer-Typ verwenden.
• Sehr empfehlenswert für Anwendungen mit statischer und dynamischer Biegung.

2.3 Doppellayer-Merkmale

• Designer beschichten die Bohrungen durch, wodurch eine Verbindung zwischen den beiden Schichten ermöglicht wird.
• Sie können Bauteile, Versteifungen, Pins und Steckverbinder verwenden, auch wenn Versteifungen fehlen können.
• Es sind zwei leitende Schichten mit einem Isolator dazwischen vorhanden. Designer können die äußere Schicht abdecken oder die Pads offen lassen.
• Die unbedeckten Pads oder Zugangsbohrungen sind auf beiden Seiten – Vias können auf beiden Seiten abgedeckt sein.
• Anwendbar für stationäre und aktive Flex-Anwendungen.

2.4 Mehrlagige Merkmale

• Mehrlagige PCBs haben drei oder mehr flexible leitende Schichten. Designer platzieren dann ein flexibles Isolierelement zwischen jeder Schicht. Schließlich können sie die äußere Schicht abdecken oder die Pads freilegen.
• Der Via kann abgedeckt oder freigelegt sein.
• Kontaktbohrungen oder freie Pads befinden sich auf einer oder beiden Seiten der PCB.
• Verschiedene Materialien sind nutzbar, beispielsweise Bauteile, Versteifungen, Pins und Steckverbinder.
• Oft in statischen Flex-Anwendungen zu finden.

3. Anwendungsbereich von Rigid-Flex PCBs

RFP hat ein breites Anwendungsspektrum in der Elektronik und manchmal in Steuerungssystemen. Je nach Produkt, in dem es verwendet wird, finden Sie seine Anwendung in:

• Konsumgeräte
• Automobilindustrie
• Luft- und Raumfahrtindustrie
• Kontrollturmsysteme
• CCTV-Überwachungssysteme
• Industrielle Automatisierungssysteme
• Bedienfelder

4. Richtlinien für Rigid-Flex-Design

Ohne die richtigen Richtlinien bei der Montage oder dem Design Ihres RFP kann das Endprodukt anfällig für Probleme sein. Daher kann die Befolgung der festgelegten Anweisungen Ihnen viel Ärger ersparen.

Im Folgenden finden Sie einige Standardrichtlinien, die Sie beim Design Ihrer PCB befolgen können:

• Zuerst das Material (Klebstoff, Leiter usw.), das Fertigungsverfahren (ob Druck und Hitze erforderlich sind) und die Anzahl der Lagen festlegen.
• Zweitens die Kupferleiterbahnen im 90°-Winkel zu starren und flexiblen Biegungen platzieren.
• Dann die elektrochemischen Faktoren berücksichtigen, die sowohl den Flex-Schaltkreis als auch die starre Platine betreffen. Dabei müssen Sie sich auf das Verhältnis von Biegeradius zu Dicke konzentrieren. Als Faustregel sollte der Biegeradius mindestens das Zehnfache der Dicke des Flex-Materials betragen.
• Zudem sollten Sie einen Abstand von 0,5 mm zwischen dem Kupferring und benachbarten Vias einhalten. Eine zu enge Verbindung kann Ermüdung verursachen, die häufig nach häufigem Biegen auftritt. Wiederum sollten die Vias in bewegungslosen Bereichen der Platine liegen, also dort, wo sie sich selten bewegen.
• Zuletzt die Betriebsbedingungen des Produkts prüfen. Anders ausgedrückt: Umgebungsbedingungen wie Temperaturänderung, Kühlung, Luftfeuchtigkeit, Stoß, Nichtentflammbarkeit und Vibrationen überprüfen.

5. Welches Material sollten Sie für das Rigid-Flex PCB-Design wählen?

Substrat- und Coverlay-Folien

Der bevorzugte Typ ist Gewebeglasfaser, eingebettet in Epoxidharz. Die Glasfaser besitzt eine gewisse Elastizität. Ausgehärtetes Epoxidharz macht die Platine starr. Die Verwendung von Epoxidharz erfordert einen Zustand mit geringer Bewegung.

Polyimid ist ein Ersatz für Epoxidharz aufgrund seiner verbesserten Flexibilität. Darüber hinaus lässt sich dieses Material nicht leicht reißen oder von Hand dehnen. Schließlich ist es hoch hitzebeständig und behält bei Temperaturschwankungen seine Stabilität.

Polyester (PET) wird häufig im Design eingesetzt. Ein Nachteil dieses Materials ist, dass es in extremen Temperaturen nicht lange überlebt. Daher findet es Anwendung in kostengünstigen elektronischen Produkten.

Polytetrafluorethylen (PTFE) kann anstelle von PET dienen. Es wirdmostly in Hochfrequenzprodukten mit niedriger Dielektrizitätskonstante eingesetzt.

Coverlay fungiert als Isolator und schützt die äußere Oberfläche vor Schäden und unerwünschter Verschlechterung.

Leiter

Die Auswahl reicht von Kohlefilm und silberbasierter Tinte, aber das Bevorzugte ist Kupfer. Die Kupferwahl wird definitiv seiner Anwendung entsprechen. Beispielsweise ist ein laminierter Kupferfolie (Elektroabscheidung) für einfache, flexible Schaltungsteile oder schwere Kupferfolien für hohe Stromtragfähigkeit geeignet.

Ein weiterer Leiter auf dem Markt ist Rolled Annealed (RA) Folien. Er hat höhere Kosten als Standardkupfer, aber die Qualität in Dehnung und Federung ist hervorragend.

Klebstoffe

Klebstoffe dienen der Flexibilität. Ihre Funktion ist es, die Kupferfolie mit Polyimid oder anderen Folien zu verbinden, da Hitze und Druck allein keine zuverlässige Verbindung bilden können. Verwendete Materialien sind Acryl- oder Epoxid-basierte Klebstoffe mit Dicken von etwa 0,5–1 mil.

Sie können auch Silikone und Heißkleber in Flex- und Starr-Bereichen verwenden.

6. Software für Rigid-Flex PCB-Design

Sie können Software im PCB-Design verwenden, um Ihre PCBs zu animieren und eindeutig zu definieren. Hier sind zwei bekannte Wege, wie Sie den Prozess starten können:

Integrierte ECAD/MCAD-Tools

ECAD/MCAD ermöglicht bidirektionale Zusammenarbeit zwischen elektrischen und mechanischen Domänen. Die Tools validieren Designs visuell mit fotorealistischem 3D, um Iterationen zu reduzieren. Sie vereinfachen den Designprozess durch Prüfung auf:

Altium Designer

Altium Designers PCB ist eine mehrlagige Designumgebung, die etwa 32 Signallagen und 16 Ebenen unterstützt. Zweifellos ist der fortschrittliche Altium Designer die einzige PCB-Design-Software, die in der Lage ist, Ihnen die notwendigen Werkzeuge für die Rigid-Flex PCB-Montage auf einer einzigen Plattform zu geben.

Alternativ verfügt Altium Designer über eine leistungsstarke 3D-Rendering-Engine, die eine realistische dreidimensionale Darstellung der Leiterplatine liefert. Die Engine unterstützt Rigid-Flex-Schaltungen und kann die Platine in flachem Zustand untersuchen.

7. Vorsichtsmaßnahmen für Rigid-Flex PCB-Design

Die Nichtbeachtung von Richtlinien kann katastrophale Folgen haben. Zudem kann es zu Material-, Zeit- und Geldverschwendung führen, sollten Sie einen Schritt im Verfahren verpassen.

Es gibt einige allgemeine Vorsichtsmaßnahmen, die Sie vor dem Designprozess beachten sollten:

• Vermeiden Sie Biegungen an Ecken. Sollten Sie dies tun, stellen Sie sicher, dass die Ecken abgerundet, nicht scharf sind.
• Sie sollten keine Bauteile oder Vias in der Nähe der Biegelinie platzieren. Die Biegelinien beeinflussen das Routing durch Materialspannung.
• Verwenden Sie geschraffte Polygone, um Flexibilität beizubehalten, wenn Sie eine Strom- oder Masseebene auf dem Flex-Schaltkreis führen.
• Ändern Sie die Leiterbahnbreite progressiv. Plötzliche Breitenänderungen können eine Schwachstelle erzeugen.
• Halten Sie die Flex-Lagen auf mindestens zwei für maximale Flexibilität und niedrige Kosten.
• Verwenden Sie eine Leiterplatte mit der geringsten Dicke und reduzierten Materialtypen. Ein dickes RFP beeinträchtigt die Miniaturisierung von Baugruppen und behindert den Fertigungsprozess.
• Die Anordnung der Leitungen zeigt die Faltenwiderstandsanforderungen zur Erhöhung der Stoßfestigkeit.

8. Häufig auftretende Probleme beim Rigid-Flex PCB-Design

• Biegeradius und Position des flexiblen PCBs

Wenn die Platine über einen längeren Zeitraum gebogen wird, haben einige Flex-Schaltungsteile mehr Spannung als andere. Ein weniger gerundeter Radius trägt ebenfalls zu physischer Spannung bei.

• Es können Probleme mit den mechanischen Anforderungen für Rigid-Flex-PCBs auftreten. Dies betrifft die Platinenstärke (dicke Boards sind ineffizient), Biegeform, Biegefrequenz und das Verhältnis von Bohrlochdurchmesser zu Platinenstärke.
• Wenn Sie den Abstand zwischen einem Pad und einer Kupferleitung nicht korrekt platzieren, kann es zu Kurzschlüssen kommen. Daher sollte der Abstand in der Lage sein, die Maske aufzunehmen.
• Gestapelte Leiterbahnen, die sich an derselben Stelle auf der gegenüberliegenden Seite von Dielektrika befinden, erfahren Spannung aufgrund ihrer Position, was tragischerweise zu deren Bruch führt.
• Designer können zugrundeliegende Leiterbahnen beschädigen, wenn sie eine übermäßige Menge Coverlay-Film auf der PCB anwenden.

Zusammenfassung

Alles in allem bietet die Einhaltung von Vorsichtsmaßnahmen einen höheren Prozentsatz an Effektivität im PCB-Design. Eine solche Vorgehensweise ist lobenswert, da sie Kosten spart, die Lebensdauer der Platine verlängert und insgesamt die Qualität des Designs erhält.

Wir hoffen, Sie haben aus diesem Artikel einige grundlegende Rigid-Flex-Kenntnisse gewonnen. Bei Fragen, Bedenken oder Kommentaren nehmen Sie gerne Kontakt mit uns auf. Wir freuen uns, Sie in unserer schrittweisen Lernsession begrüßen zu dürfen.