3D-Flex-Design: mehr Bewegungsfreiheit!

»Es gibt neue und raffinierte Designs, um eine flexible Leiterplatte mit zusätzlichen Fähigkeiten auszustatten«, so Dr. Christoph Lehnberger, Vertriebsleiter von Andus Electronic. Mit kleinen Tricks können solche Leiterplatten demnach noch flexibler und beweglicher werden.

Normalerweise lässt sich das Ende einer flexiblen Leiterplatte nur senkrecht zur Folienebene, also in z-Richtung verwölben. »Die Beweglichkeit in x/y-Richtung ist durch die geringe Elastizität des Materials so gut wie ausgeschlossen«, erklärt Dr. Lehnberger. Doch wird der Flexleiter mit einer Längenreserve versehen, indem dieser aufgewölbt montiert wird, kann sich die Leiterplatte in einer weiteren Dimension bewegen: Die Länge der Verbindung kann jetzt variieren.

Mit dieser Konfiguration lässt sich eine Bewegung in Längsrichtung ermöglichen. »Die Beweglichkeit des Folienendes in der dritten Raumrichtung ist in diesem Fall aber immer noch gering ausgeprägt«, so Dr. Lehnberger, »weil sich an den Kanten der Wölbung schnell unzulässig kleine Biegeradien ausbilden, sodass eine dauerzuverlässige Verbindung nicht mehr gegeben ist.«

Um auch in der dritten Dimension zusätzliche Bewegungsfreiheit zu erhalten, gibt es folgende Möglichkeit: die Folien im gewölbten Abschnitt werden mit Längsschnitten versehen. Dr. Lehnberger: »Es entstehen dünne Streifen. Diese können sich nun gegeneinander leicht verschieben und verdrehen, sodass man die Enden der Folie insgesamt stärker gegeneinander verschieben kann.« Besonders vorteilhaft seien Einschnitte, die per Laser geschnitten werden, da diese ohne Materialverlust eingebracht werden können. Dr. Lehnberger: »Das bedeutet, dass in Summe die gesamte Flex-Breite zur Verfügung steht.« Nur im Bereich der Laserschnitte müsse das Leiterbild zurückgesetzt werden. Je nach Layout und Größe der Folienschaltung sind 0,05 bis 0,3 mm um den Schnittbereich freizustellen.

Sonderkonfigurationen

Nicht erst im Gigahertz-Bereich sind Vorkehrungen für eine gute Signalintegrität zu treffen. So sind für Schaltungen ab ca. 300 MHz die Wellenwiderstände der Leitungen an die Vorgaben der aktiven Bauteile anzupassen, um Signalstörungen und -dämpfungen zu begrenzen. Für die Übertragung von HF-Signalen über flexible oder starrflexible Bereiche einer Schaltung sind Leiterbahnen mit definierter Impedanz ausführbar.

Für HF-Anwendungen bietet das kleberlose Folienmaterial zusätzlich den Vorteil einer gegenüber FR4 deutlich geringeren Dämpfung und einer Dielektrizitätszahl von er = 3,4. Flexible Leiterplatten mit definierter Impedanz - sogenannte Impedanzflexe - werden häufig mit einem 100 µm starken Basismaterial gefertigt, um die üblichen Wellenwiderstände mit sinnvollen Strukturbreiten realisieren zu können.

Sowohl die single-line-Konfiguration, als auch differenzielle Signale lassen sich auf zweiseitige Impedanzflexe layouten, wobei eine Lage die Signalleitungen enthält und die andere Lage als Referenzebene dient. Zwischen den Signalleitern lassen sich zusätzlich Masseleitungen verlegen, um das Übersprechen zwischen den Kanälen zu reduzieren. Dr. Lehnberger: »Durch die Kupferflächen wird das mechanische Verhalten von Impedanzflexen weniger elastisch. Dafür kommt zusätzlich ein plastischer Anteil hinzu. Das bedeutet, dass diese Flex-Leiterplatten nach der Verformung die angenommene Form zum großen Teil beibehalten.« Aufgerasterte Masseflächen könnten dem geringfügig entgegenwirken, »aus fertigungstechnischen Gründen wurde dies auch früher empfohlen, ist aber heute nicht mehr notwendig.«