Wie Starrflex-Leiterplatten die Baugruppenzuverlässigkeit erhöhen

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Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

In Zukunft werden Motoren, wie z.B. in der Medizintechnik, noch weiter miniaturisiert, sodass es wegen der eingeschränkten Platzverhältnisse keine Möglichkeit mehr gibt, einen Steckverbinder einzusetzen. Durch die daraus resultierende Verwendung von starrflexiblen Leiterplatten als Ersatz für die Kabel und Steckverbinder, wird zusätzlich die Zuverlässigkeit der Baugruppen deutlich erhöht.

Heute ist die Produktion von starrflexiblen Leiterplatten sowohl aus Kostengründen als auch im Hinblick auf konstante Fertigungsqualität als Ersatz für Kabel eine echte Alternative. Benötigte Steckverbindungen werden auf den Baugruppen direkt durch flexible Leiterplattenbereiche ersetzt. Im Laufe des Betriebs kommt es innerhalb des elektrischen Schaltkreises zu keinen Alterungseffekten auf der Verbindungsstrecke. Übergangswiderstände, die sich im Laufe der Zeit bilden bzw. verändern, kommen somit nicht mehr vor. Das Kupfer der flexiblen Leitungen ist direkt durch Lötstopplack vor äußeren Einflüssen geschützt.

Sensible Kabellängen zur Regelelektronik

Bei einigen Sensorapplikationen ist die exakte Leitungslänge vom integrierten Sensor bis zur Regelelektronik von Bedeutung. Da geringe Unterschiede der Signalspannung vom Sensor ausgewertet werden müssen, werden die Sensorleitungen exakt abgestimmt. Die letztendlichen Leitungslängen sind mit ihren parasitären Eigenschaften in der Schaltung zu berücksichtigen und sind für die präzise Funktion der Schaltung relevant. Durch den Einbau und das Biegen der flexiblen Elemente der Starrflex-Leiterplatte müssen 3D-Biegeradien berücksichtigt werden, die dann in der 2-D-Abwicklung die Kontur der flexiblen Folie für das Routing und die spätere Fertigung ergeben. Sowohl die Elektronik als auch die Mechanik erfordert exakte Längenangaben bereits im Design. Eine spätere Längenanpassung hätte ein Redesign mit entsprechenden Kosten zur Folge.

Komplett: Die Motor-Getriebe-Einheit mit integrierter und externer Steuerelektronik (Bilder: WITTENSTEIN)

Da der mechanische Einbau zuverlässig erfolgen muss, ist es zwingend erforderlich das mechanische Umfeld bereits beim Festlegen der Leiterplattenkontur zu berücksichtigen. Bei WITTENSTEIN werden die mechanischen Unigraphics-Daten zusammen mit den Allegro-PCB-Designdaten im Modul Nextra, einer Starrflex-Entwicklungsumgebung, eingelesen. Anschließend kann der exakte Verlauf der flexiblen Leitungselemente in den dreidimensionalen mechanischen Gehäuse-Designdaten verlegt werden. Das Tool liefert eine zweidimensionale Abwicklung des dreidimensionalen Körpers (PCB-Outline), der sich direkt in die Leiterplatten-Layout-Software einlesen lässt. Die Starrflex-Modelle im Leiterplatten-Design-Modul Nextra erlauben eine realistische Darstellung der Leiterplatte mit echtem Lagenaufbau.

Der Lagenaufbau ist entscheidend

Für eine 3-D-Darstellung sind kleinste Abweichungen in Teillängen oder Segmentwinkeln des flexiblen Leiterplattenstücks von großer Bedeutung, da sie alle in der Abwicklung folgenden Segmente und Winkel im Raum beeinflussen und somit die endgültige Lage des letzten Teilstücks, das kontaktiert wird, erheblich beeinflussen. Bei dieser Darstellung ist eine realistische Repräsentation des Lagenaufbaus und des Biegeverhaltens von größter Bedeutung.

Für eine vereinfachte Simulation der Abwicklung wäre ein Biegeverhalten der Leiterplatte ideal, wenn es sich um einen fünflagigen Schaltungsträger handeln würde, der in der Mitte das flexible Material hätte. Dann wäre die für das Biegen und das Simulationsmodell notwendige neutrale Phase in der Mitte des Lagenaufbaus. Jedoch erfordert die Fertigung von Starrflex-Leiterplatten einen meist asymmetrischen Aufbau und die flexiblen Folien sind auf der Top oder einer äußeren Innenlage. Dies kann in mechanischen Systemen nur schwer nachgebildet werden. Der Lagenaufbau hat aber einen erheblichen Einfluss auf die exakt zu konstruierenden Leitungslängen und damit auch auf die Funktion der gesamten Schaltung, gerade im Hinblick auf Sensoren für Drehmomente und Rotationskräfte im Antriebsstrang.

Artikelfiles und Artikellinks

Link: Das Nextra-PCB-Modul

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