Der ultimative Leitfaden zu Flexiblen Leiterplatten (FPC): Arten, Design und Anwendungen

Eine flexible Leiterplatte (FPC oder Flex-PCB) ist eine Art Leiterplatte, die so konzipiert ist, dass sie flexibel ist – sie kann gebogen, gefaltet oder verdreht werden. Eine FPC besteht aus mehreren gedruckten Schaltungen sowie Komponenten, die auf einem flexiblen Substrat positioniert sind. Sie wird typischerweise aus einem Polyimid-Film hergestellt, der eine hohe Flexibilität und thermische Stabilität gewährleistet. Dank ihres miniaturisierten Designs, das Innovationen in den wichtigsten Elektronikbereichen wie Verbraucher-, Automobil-, Medizin-, Wearable-, Telekommunikations- und Luftfahrttechnik fördert, wird sie zunehmend eingesetzt.

Eine flexible Leiterplatte benötigt weniger Platz und ist zuverlässiger. Sie kann um bis zu 360 Grad gebogen werden, und die meisten sind für bis zu 500 Millionen Biegezyklen ausgelegt. Die Technologie wird seit den 1950er-Jahren in der einen oder anderen Form zur Verbindung elektronischer Geräte eingesetzt. Heute zählt sie zu den wichtigsten Verbindungstechnologien bei der Herstellung vieler moderner Hochleistungs-Elektronikprodukte.

Arten von flexiblen Leiterplatten

1) Einseitige Flex-PCB:

Die einseitige flexible Leiterplatte ist die einfachste unter den Flex-PCB-Typen. Sie besteht aus einer Substratschicht, einer leitfähigen Kupferschicht, einer Abdeckfolie und einer Beschriftungsschicht (Silkscreen).

Sie verfügt nur über eine einzige Schicht aus flexiblem Polyimid oder Polymerfilm, und die leitfähige Kupferschicht ist nur auf einer Seite der Platine zugänglich. Die andere Seite kann daher für elektronische Komponenten genutzt werden. Ihr einfaches Design macht sie vielseitig einsetzbar und kostengünstiger – der Hauptgrund, warum sie die am weitesten verbreitete Flex-Schaltung ist.

2) Doppelseitige Flex-PCB:

Im Gegensatz zur einseitigen Flex-Schaltung ermöglicht eine doppelseitige flexible Leiterplatte die Erstellung von Leiterbahnstrukturen auf beiden Seiten – oben und unten – der Kupferschichten. Beide Seiten können über durchkontaktierte Kupferlöcher miteinander verbunden werden, wo immer es nötig ist. Sie erlaubt elektrische Verbindungen zwischen den Schichten.

Ein Vorteil der doppelseitigen flexiblen Leiterplatte ist ihre Verwendung in komplexeren elektronischen Produkten, um mehr Funktionen zu realisieren. Hersteller setzen sie in Armaturenbrettkomponenten, Beleuchtungssystemen und anderen industriellen Bereichen ein.

3) Mehrlagige Flex-PCB:

Mehrere Kupferschichten in mehrlagigen flexiblen Leiterplatten werden durch durchkontaktierte Löcher verbunden, ähnlich wie bei doppelseitigen Platinen. Mehrlagige flexible PCBs enthalten mehrere einzelne Kupfer- und Dielektrikschichten.

Ein großer Vorteil der Verwendung einer mehrlagigen flexiblen Leiterplatte ist der Gestaltungsspielraum bei multifunktionalen Designs. Hersteller nutzen sie für komplexe Anforderungen, wie sie in Mobiltelefonen, Satelliten, Kameras und Hörgeräten vorkommen.

Zurzeit bietet die Produktionsstätte von JLCPCB Fertigungsdienstleistungen für Flex-PCBs mit bis zu 2 Lagen bei hoher Präzision und Qualitätskontrolle an.

Wie stark kann man eine Leiterplatte biegen?

Die Frage „Wie stark kann man eine Leiterplatte biegen?“ mag auf den ersten Blick einfach erscheinen, ist es jedoch keineswegs. Das Biegen einer Leiterplatte kann die Festigkeit der Platine, der Kupferleiterbahnen und der Lötpads beeinträchtigen. Der maximale Biegeradius einer Leiterplatte hängt vom Designmaterial und der Dicke der Platine ab.Eine Leiterplattendicke von 0,4 mm reicht aus, um sie um 90 Grad zu biegen. Einige Leiterplatten können bis zu 20-mal gebogen werden, jedoch ist es im Allgemeinen nicht empfehlenswert, eine Leiterplatte mehr als einmal zu biegen. Die Formel für den maximalen Biegewinkel einer Leiterplatte basiert auf der Dicke des Substrats.

Beispielsweise erhöht ein 90-Grad-Biegen das Risiko von Schaltungsbeschädigungen erheblich. Achten Sie daher unbedingt darauf, dass der Biegeradius nicht kleiner als 1 Millimeter ist. Mit einem flexiblen Material können Leiterplatten zwar bis zu 180 Grad gebogen werden, doch wenn Sie die empfohlenen Grenzen überschreiten, riskieren Sie, die Leiterplatte dauerhaft zu beschädigen oder vollständig zu zerstören.

Aufbau einer flexiblen Leiterplatte

Die drei Arten flexibler Leiterplatten umfassen: einlagige, doppellagige und mehrlagige Schaltungen. Die Hauptbestandteile einer einlagigen Flex-PCB sind:

1.Dielektrische Substratschicht: Sie gilt als Basismaterial der Leiterplatte. Gängige Materialien sind Polyimid (PI), das durch hohe Temperaturbeständigkeit gekennzeichnet ist.

2.Elektrische Leiter: Diese bilden die Leiterbahnen der Schaltung. Kupferfolie wird als leitfähige Schicht in der Produktion von ein- und mehrlagigen PCBs verwendet.

3.Schutzschicht: Sie besteht aus einer organischen Folie und einem Klebstoff. Die Abdeckfolie schützt die fertigen Leiterbahnen der flexiblen Schaltung.

4.Klebstoffmaterial: Eine Art Haftfilm mit unterschiedlichen Klebstofftypen und Dicken. Der Haftfilm wird für die Zwischenschichtverklebung und Isolierung bei Mehrlagenplatinen verwendet.

Rolle des Versteifungsmaterials (Stiffener) im Flex-PCB-Design

Ein Stiffener in einer flexiblen Leiterplatte (FPC) ist eine starre Schicht, meist aus Polyimid oder FR4, die an bestimmten Bereichen der flexiblen Platine angebracht wird. Er bietet mechanische Unterstützung und Verstärkung, um ein Biegen oder Verformen in empfindlichen Bereichen – etwa an Steckverbindern oder Befestigungspunkten – zu verhindern. Stiffener erhöhen die Haltbarkeit, verbessern die Zuverlässigkeit in hochbelasteten Bereichen und helfen, die Form der FPC in kritischen Abschnitten beizubehalten.

Design-Tipps für flexible Leiterplatten

1.Beachten Sie den maximalen Biegeradius bei unterschiedlichen Dicken der FPC.

2.Vermeiden Sie Unstetigkeiten in Bereichen, in denen das Substrat oder die Abdeckung gebogen wird.

3.Fügen Sie Teardrops hinzu, um Durchkontaktierungen stabiler zu machen.

4.Verwenden Sie einen Stiffener unter den Hauptschaltkreisen der Leiterplatte.

5.Machen Sie Ecken rund und etwas größer, um Einrisse zu vermeiden.

6.In der Nähe von Stiffenern sind geätzte Markierungen erlaubt – Silkscreen-Markierungen hingegen nicht.

Für weitere Designinformationen finden Sie einen vollständigen Artikel über eine vollständig flexible Arduino-Platine.

Vorteile flexibler Leiterplatten:

Flexible Leiterplatten bieten zahlreiche Vorteile, weshalb sie bei Elektronikherstellern zunehmend beliebt sind:

●Flexibilität: Diese Leiterplatten können leicht gebogen und verdreht werden. Dadurch lassen sie sich in 3D-Räumen integrieren und erleichtern die Verbindung von Komponenten.

●Leichtgewicht: Flex-PCBs sind kleiner und leichter als starre PCBs – ideal für Produkte mit hoher Zuverlässigkeit und Dichte.

●Haltbarkeit: Flex-Schaltungen können um 360 Grad gebogen werden. Sie widerstehen Vibrationen und Stößen, was ihre Leistungsfähigkeit verbessert.

●Thermische Stabilität: Durch das dünnere Substrat und das geringere Gewicht wird Wärme effizient abgeführt. Flex-Schaltungen halten Temperaturen bis 400 °C stand.

●Signalintegrität: Sie bieten hohe mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse mit verbesserter elektromagnetischer Verträglichkeit (EMI).

Nachteile flexibler Leiterplatten:

Trotz der vielen Vorteile gibt es einige Nachteile, die berücksichtigt werden müssen:

● Der Montageprozess ist komplex.

● Reparaturen und Fehlersuche sind schwierig.

● Hohe Beschädigungsgefahr bei der Handhabung.

● Flex-PCBs sind teurer als herkömmliche starre PCBs.

● Sie sind empfindlich gegenüber Kratzern.

● Sie müssen in schwefelfreien Kunststoffbehältern gelagert werden.

Anwendungen flexibler Leiterplatten

Flexible PCBs werden aufgrund ihrer Vielseitigkeit, Zuverlässigkeit und Platzersparnis in vielen Bereichen eingesetzt:

Verbraucherelektronik:

Flex-PCBs werden in kompakten, leichten Designs verwendet, um Komponenten effizient zu verbinden – z. B. in Smartwatches, Fitness-Trackern und Wearables. Sie werden auch in kompakten digitalen und analogen Mixed-Signal-Systemen für Hochleistungsverbindungen integriert.

Automobilindustrie:

Sie ermöglichen eine effiziente Kommunikation zwischen Sensoren und Steuergeräten in Fahrzeugen mit Fahrerassistenzsystemen (ADAS). Sie sorgen für zuverlässige Verbindungen in Infotainmentsystemen und werden in LED-Scheinwerfern und Innenbeleuchtung eingesetzt.

Medizin- und Gesundheitsgeräte:

Hochdichte FPC-Verbindungen tragen zur Miniaturisierung von Geräten wie MRT- und CT-Scannern bei. Sie bieten kompakte und zuverlässige Verbindungen in kleinen Designs, z. B. in Hörgeräten und tragbaren Überwachungsgeräten.

Industrielle Anwendungen:

Sie bieten Flexibilität und Haltbarkeit in Roboterarmen und Maschinen mit beweglichen Teilen. Sie gewährleisten effiziente und kompakte Verbindungen in automatisierten Systemen mit Sensoren und Steuergeräten.

Warum nicht immer eine flexible Leiterplatte verwenden?

Obwohl flexible PCBs viele Vorteile wie Designfreiheit und Platzersparnis bieten, sind sie nicht für jede Anwendung ideal. Sie sind teurer als herkömmliche starre PCBs, komplexer in der Herstellung und empfindlicher bei der Handhabung. Bei einfacheren Designs, die kein Biegen oder Falten erfordern, sind starre PCBs oft wirtschaftlicher und robuster. Zudem haben Flex-Schaltungen Einschränkungen bei der Hochleistungsverarbeitung und mechanischen Stabilität.

Fazit

Zweifellos sind flexible Leiterplatten in vielen Branchen unverzichtbar geworden, um leistungsstarke und dennoch tragbare Produkte zu entwickeln. Keine herkömmliche Alternative kann mit der Flexibilität und Präzision von Flex-Schaltungen konkurrieren. Komponenten für Flugzeuge, medizinische Geräte, Fahrzeuge und Alltagsprodukte basieren auf flexiblen Leiterplatten, um Gewicht zu sparen, ohne die Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Mit dem technologischen Fortschritt und der fortschreitenden Innovation werden Flex-PCBs auch in Zukunft die bevorzugte Wahl für Leiterplatten in unterschiedlichsten Industriebereichen bleiben.