Wie Starrflex-Leiterplatten die Baugruppenzuverlässigkeit erhöhen

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Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

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.

Beim Einsatz von starrflexiblen Leiterplatten in mechatronischen Anwendungen bietet sich ein Co-Design der mCAD-und eCAD-Daten in einem Designtool, gegenüber der herkömmlichen Methodik mit einem permanenten Wechsel zwischen den CAD-Welten mit speziellen Zwischenformaten (DXF, IDF) an. Der wesentliche Vorteil der neuen Methodik ist die zeitgleiche Abwägung der technischen Entwicklungskompromisse in einem inhaltlichen Kontext. Es können die Position der Sensoren, der flexiblen Zuleitungen und des Gehäuses gleichzeitig optimiert werden. Falls sich größere funktionelle Änderungen ergeben, lassen sich die Zwischenergebnisse in den ursprünglichen CAD-Welten im nativen Datenformat weiterbearbeiten.

Durch den neuen eCAD-mCAD-Design-Flow hat WITTENSTEIN das Risiko deutlich minimiert, dass es im Betrieb zu fehlerhaften Messungen kommt und die Zuverlässigkeit des gesamten Antriebsstrangs erhöht.

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Das Modul Nextra im dreidimensionalen Raum

Bei steigender Miniaturisierung schaffen Kabelverbindungen mit Steckern ein Platzproblem. Alternativ bieten sich hier die starrflexiblen Leiterplatten an. Unter Betrachtung der Gesamtkosten ist diese Verbindungstechnik eine echte Alternative. Um den Einbau der Boards zu optimieren, können die PCB-Designdaten vom Allegro-PCB-Editor mit dem Zusatzprogramm Nextra im 3-D-Raum konstruiert werden. Das Flex-Board-Modul von NEXTRA stellt eine Reihe von Technologie-Parametern zur Verfügung, die speziell auf die Konstruktion von flexiblen Schaltungsträgern ausgerichtet sind. Es ermöglicht die Konstruktion von Flex-Boards unter Berücksichtigung der tatsächlichen Einbaugeometrien, d.h. in NEXTRA können Flex-Boards im gebogenen Zustand konstruiert werden und das auch direkt im mechanischen Kontext, etwa innerhalb eines Gehäuses. Jederzeit verfügbar ist eine zweidimensionale Abwicklung des dreidimensionalen Flex-Modells, über die auch die Ausgabe von z.B. Gerberdaten organisiert werden kann. Das Flex-Board-Modul von NEXTRA ist als optionales Ergänzungsmodul zu dem 3-D-Basis-Modul (PCB) verfügbar. Mögliche Anwendungen gibt es bereits in der Automatisierungs-, Verfahrens und Medizintechnik sowie in der Automobilindustrie. Da alle Verbindungen in einem Herstellungsprozess erstellt werden, lässt sich eine hohe und konstante Präzision der Verbindungen erreichen.

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WITTENSTEIN-Fakten

Kernkompetenzen der WITTENSTEIN electronics GmbH sind Beratung, Entwicklung, Herstellung und Vertrieb kundenspezifischer Elektronik- und Softwarelösungen für die Antriebstechnik. Die miniaturisierten Komponenten sind durch Netzwerkfähigkeit, Zuverlässigkeit und Integrationsfreundlichkeit charakterisiert. Kunden sind Unternehmen der Luft- und Raumfahrt, Automobil- sowie Industrie- und Medizintechnik. WITTENSTEIN electronics ist einer von insgesamt acht Unternehmensbereichen der WITTENSTEIN AG in Igersheim.

Betrachtung zur Nachkalkulation

Neue Technologien müssen sich nicht nur technisch, sondern auch kommerziell beweisen. So führte WITTENSTEIN einen Vergleich der beiden Lösungsansätze zwischen Kabeln mit Steckverbindern und normaler Leiterplattentechnik sowie dem Einsatz von Starrflex-Leiterplatten durch. Nach der Inbetriebnahme wurden die einzelnen Kosten verglichen. Der hohe Einbauaufwand der Sensoren mit Kabeln lässt sich durch den Einsatz von Starrflex-Leiterplatten, welche zum einen als Sensorträger, zum anderen als Kabelersatz dienen, deutlich verringern. Die Kostenersparnis bei der Montage der Steckverbindungen wiegt die geringen Mehrkosten in der Herstellung der Leiterplatte mehr als auf.

Aber neben den Kosten gab es noch weitere Kriterien für den Erfolg der neuen Technologie. Die Strukturen lassen sich feiner darstellen und somit eröffnet diese Technologie bei der weiteren Miniaturisierung von Motor-Getriebe-Einheiten weitere Möglichkeiten und Innovationen. Der aber wohl wichtigste Punkt für den weiteren Einsatz der Starrflex-Technologie in der Motorentechnik ist sowohl die deutlich gestiegene Zuverlässigkeit bei der gesamten Lebensdauer als auch bei der Qualität der Sensorsignale im Laufe der Betriebszeit.

* *Dirk Müller ...ist Geschäftsführer beim PCB-Spezialisten FlowCAD in Feldkirchen.

* * Michael Matthes ...ist Entwicklungsingenieur beim Antriebsexperten WITTENSTEIN electronics GmbH (Entwicklung und Design im Bereich Antriebs-, Medizintechnik und Sensorik) in Igersheim.

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Link: Das Nextra-PCB-Modul

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