Starrflex-Leiterplatte und ZIF-Stecker Würth Elektronik kombiniert starrflexible Leiterplatten mit ZIF-Kontakten und ZIF-Steckverbinder

Betrachtet unter dem Aspekt der Systemkosten sind Starrflex- und Flex-Leiterplatten mit ZIF-Schnittstelle die geeignete Lösung, wenn komplexe Verdrahtungstechnologien auf kleinstem Raum gefordert sind. Komplette Lösungen aus Flex-/Starrflex-Leiterplatte mit ZIF-Kontakt und ZIF-Stecker sind ein Spezialgebiet von Würth Elektronik. Speziell für Entwickler wird ein Design-Kit angeboten.

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Würth Elektronik GmbH & Co. KG Circuit Board Technology

Lösbare Verbindungen zwischen Displays und Leiterplatten oder zwischen zwei Leiterplatten werden oft mittels flexiblen Leiterplatten (Flexible Printed Circuits) oder Flachbandkabeln (Flexible Flat Cable) und ZIF-Steckern (ZIF: Zero Insertion Force) realisiert. Die Kombination aus Flex-/Starrflex-Leiterplatte und ZIF-Kontakt bietet verschiedene Vorteile:

• Einsparung Kontakte/Bauteile,
• erhöhte Zuverlässigkeit,
• Einsparung in der Beschaffung und Logistik,
• geringere Baugröße und
• geringerer Entwicklungsaufwand.

Hierbei bündelt Würth Elektronik seine Expertise in der Fertigung von Leiterplatten und elektromechanischen Bauteilen. Würth Elektronik eiSos hat bei der Entwicklung des neuen ZIF-Steckverbinders WR-FPC darauf geachtet, dass sich Systemrelevante Bereiche eng miteinander abstimmen.

So ist der ZIF-Steckverbinder WR-FPC dahingehend spezifiziert, dass er optimal für den Anschluss von flexiblen und starrflexiblen Leiterplatten passt. Hierfür wurden bei der Entwicklung des Steckers die engen Toleranzen und Parameter der Leiterplattenfertigung einbezogen. Vorteil: Anwender erhalten damit übergreifende und systematische Beratungsleistungen inklusive nahtlos angepasster Systemkomponenten.

Speziell für Entwickler wird ein Design-Kit für ZIF-Stecker angeboten, in dem eine Auswahl an Varianten für Design-Tests enthalten ist. Der ZIF-Stecker WR-FPC ist in verschiedenen Varianten - stehend oder liegend, Kontakte unten oder oben - erhältlich.

Die verschiedenen ZIF-Kontaktierungsmöglichkeiten

Lösbare Verbindungen zwischen Displays und Leiterplatten oder zwischen zwei Leiterplatten werden oft mittels flexiblen Leiterplatten (Flexible Printed Circuits) oder Flachbandkabeln (Flexible Flat Cable) und ZIF-Steckern realisiert.

Fine-Pitch-ZIF-Stecker gibt es z.B. mit 1,0 und 0,5-mm-Pitch. Die Kontaktanordnung besteht dann aus dem auf der Leiterplatte gelöteten ZIF-Stecker und dem ZIF-Kontakt, der exakt in den ZIF-Stecker passen muss. Dieser ZIF-Kontakt kann ein einfaches Flachbandkabel (FFC), eine komplexere flexible Leiterplatte (FPC) oder ein Flexausleger bei einer starrflexiblen Leiterplatte sein.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ZIF-Kontakte aufzubauen. Um auf die notwendigen 0,3mm Leiterplattendicke an den Kontaktstellen zu kommen, werden Starrflex-Leiterplatten und die in der Regel dünneren Flex-Leiterplatten unterschiedlich behandelt.

Bei der Flex-Leiterplatte wird im Kontaktbereich eine Verstärkung aufgeklebt, was einen entsprechenden Handling-Aufwand beim Klebeprozess mit relativ hohen Kosten bedeutet.

Bei der Starrflex-Leiterplatte setzt Würth Elektronik auf das einfache und kostengünstige Präzisions-Tiefenfräsen, um die geforderte Dicke herzustellen.

Herstellungstoleranzen für den ZIF-Kontakt

Damit der ZIF-Kontakt optimal in den ZIF-Stecker passt, muss er mit sehr kleinen geometrischen Toleranzen hergestellt werden. Aus diesem Grund sind auch nur plane Lötoberflächen möglich. Für höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer hat sich in der Praxis die Veredlung mit chemisch Nickel/Gold als vorteilhaft erwiesen.

Die Kontur eines einfachen ZIF-Kontakts, die den technischen Anforderungen einer Leiterplattenkontur im Toleranzbereich ±0,1mm entspricht, wird durch Fräsen hergestellt. Erhöhte Anforderungen wie etwa ±50μm müssen durch Kameraunterstütztes Fräsen oder Laserschneiden realisiert werden.

Zeichnungsangaben in den Herstellungsunterlagen

Eine flexible Abzweigung ist ohne entsprechende Angaben in Zeichnungen und/oder ohne Vermassung in den Gerberdaten nicht als ZIF-Kontakt erkennbar. In der Zeichnung sollten deshalb folgende Angaben nach Spezifikation in den Datenblättern des Steckerherstellers enthalten sein:

• Länge und Breite des Kontaktbereichs,
• Dicke des Kontaktes (Verstärkung + Flexmaterial + Kupfer) mit Toleranzen. Standard ist 0,3mm ± 0,05mm,
• Länge der Verstärkung. Verstärkung muss mit dem Flexlack/Coverlayer überlappen,
• Abstand erster Kontakt zur Kontur mit Toleranz,
• Ideal: Kennzeichnung möglicher Bereiche für Stegeanbindung im Liefernutzen.

Stege lassen sich bei Starrflex-Leiterplatten in verschiedenen Varianten setzen

Damit der Kontakt in den ZIF-Stecker eingeführt werden kann, darf die vorgegebene Kontaktlänge seitlich nicht mit Stegen versehen sein. Die Anbindung durch Stege muss außerhalb des Steckbereichs erfolgen. Dazu gibt es mehrere Varianten:

1) Kann die Kontaktverstärkung nach Abklärung mit dem Kunden in den Flexbereich hinein verlängert werden, dann können stabile Stege im Verstärkungsbereich (FR4 tiefengefräst) gesetzt werden.

2) Ist eine Verlängerung des Verstärkungsbereiches nicht zulässig, so müssen die Stege im Flexbereich direkt im Anschluss an die Verstärkung gesetzt werden.

3) Zwischensteg: Hier bleibt Material in der Gesamtstärke der Leiterplatte stehen und bietet viele Vorteile.

4) Gelaserte Microstege im flexiblen Bereich: Bei gelaserter Flexkontur können Microstege verwendet werden. Starrmaterial unter dem Flexausleger erhöht die Stabilität des Nutzens. Das Austrennen kann leicht von Hand ohne Werkzeuge erfolgen.

5) Handlingshilfen „Ohren“ ist eine Idee aus der Leiterplattentechnik mit hohem Nutzwert und geringen Kosten. Der Kontakt kann an den Ohren gehalten und ganz leicht in den Stecker geführt werden.

Weitere Möglichkeiten beim stabilen Zwischensteg

Normalerweise liegt bei Starrflex mit innenliegender Flex der ZIF-Kontakt ebenfalls auf dem Flexkern. Das erfordert einige aufwändige Sonderprozesse in der Produktion. Bei Starrflex mit Flexlage außen kann ein Wechsel der Kontaktseite notwendig sein. Dieser Seitenwechsel wird durch Vias im starren Zwischenbereich möglich.

Starrflexible Leiterplatten in der Praxis

Wie sich starrflexible Multilayer-Leiterplatten gerade auch im Alltag bewähren, zeigt ein Einsatz als Sensorfläche zur Steuerung von Motoren in Rollläden, Markisen und Raffstoren inklusive innenliegender Widerstände und Heizung. Hier werden alle typischen Anforderungen erfüllt: hohe Funktionssicherheit und Langlebigkeit, einfache Montage, Resistenz gegen Öle, Fette, Feuchte und aggressive Umgebungsbedingungen sowie zuverlässiger, einfacher elektrischer Anschluss durch Flexbereich mit ZIF-Kontakt. Verkabelungen und Lötstellen wurden ersetzt, hochwertige Anschlüsse verwendet und ein Bestückungsprozess für die Heizwiderstände vermieden.

Eine spezielle Ausführung und Realisierung von Kontakten in einem anderen Anwendungsfall war eine semi-flexible Leiterplatte aus FR4-Material mit ZIF-Kontakt für standardisierte ZIF-Stecker-Anschlüsse. Hierbei handelte es sich um ein Modul für die optische Anzeige von Temperatur und Luftqualität in einem Luftqualitätssensor.

Die einlagige Leiterplatte für große Biegeradien war auch im Kontaktbereich durchweg 0,3mm dick, so dass sie auch ohne Verstärkung oder Fräsung direkt eingesteckt werden konnte. Weitere Vorteile waren das Wegfallen von Verkabelung zur Hauptplatine, eine einfache Montage und der positive Nebeneffekt, dass das Trocknen vor dem Lötprozess durch die Materialwahl überflüssig wurde.

Auch bei einem Redesign eines MDE-Gerätes, das für die Lagerbestandsverwaltung konzipiert wurde, kommt die Starrflex-Technologie zum Einsatz. Mittels einer Adapter-Leiterplatte mit zwei ZIF-Kontakten konnte das Display problemlos und sicher erneuert werden und zudem mehrfach punkten: lasergeschnittene Flex- bzw. ZIF-Konturen erzielen präzise Kontakttoleranzen und eine zusätzlich ausgeklügelte Nutzenauslegung sorgt für einen stabilen Bestückungsnutzen, der im Flexbereich ohne Werkzeuge einfach von Hand ausgelöst werden kann.

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