Würth Elektronik und Wittenstein Starrflexible Leiterplatten machen komplexe Verkabelungen überflüssig

Alle drei Dimensionen des Gehäusevolumens der elektromagnetischen Baugruppe wurden genutzt, indem der flexible Teil der Leiterplatte in jeden Winkel gebogen wurde.

Steckverbindungen, Elektroantriebe oder Sensoren werden immer kleiner. Dennoch bleibt ein Knackpunkt: komplexe Verkabelungen. Sie brauchen Platz – und gerade der ist oft nicht vorhanden. Abhilfe schaffen besondere Starrflex-Leiterplatten. Sie sind das Ergebnis der Zusammenarbeit des Antriebsherstellers Wittenstein und Würth Elektronik.

Bei hochpräzisen Motor-Getriebe-Einheiten entscheidet sich letztlich am Zusammenspiel von Steuerelektronik und mechanischen Komponenten die Frage, wie präzise und robust sie sind. Gerade bei vibrierenden mechatronischen Einheiten gibt es einen besonderen Schwachpunkt: die Kabelverbindungen. Kontaktfehler und Funktionsausfall, aber auch Langzeitfehler können auftreten.

»An einer Steckverbindung, die zwei Elektronikbaugruppen mit einem Kabel verbindet, können sich Verunreinigungen ablagern oder die Kontaktfedern der Steckverbinder stellen nur unzureichende Verbindungen her«, erklärt Michael Matthes, Experte für neue Elektroniktechnologien bei der Wittenstein electronics GmbH, einer Tochtergesellschaft der Wittenstein AG. »Solche Verunreinigungen und temporäre Kontaktprobleme können zum Beispiel zu Änderungen des Übergangswiderstands zwischen den Baugruppen führen, die wiederum langfristig die elektrischen Eigenschaften der Leitung verändern oder gar zu Steuer- und Messfehlern führen.«

Aus diesem Grund setzte Wittenstein auf den frühzeitigen Gedankenaustausch mit Leiterplattenherstellern. So entstand eine Art Innovationsteam aus Mitarbeitern von Wittenstein und Würth Elektronik, das sich mit der Frage beschäftigte, wie Steckverbindungen bei eingeschränkten Platzverhältnissen überhaupt realisiert werden können. Das Ergebnis: Starrflexible Leiterplatten ersetzen die herkömmliche Kabel und Steckverbinder. »Wir hatten bei der Entwicklung vor allem die fortschreitende Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen im Blick«, erläutert Andreas Schilpp, Produktmanager bei Würth Elektronik. »Das erfordert Überlegungen zur effizienten Nutzung des Gehäusevolumens in alle drei Dimensionen. Ob und wie sich diese Idee umsetzen lässt, war natürlich eine kreative Herausforderung, die wir aber gerne gelöst haben.« Entstanden sind Bauteile mit stabilem Starrteil und flexibler Folie aus Polyimid und LCP (Liquid Cristal Polymer). Alle drei Dimensionen des Gehäusevolumens der elektromagnetischen Baugruppe wurden genutzt, indem der flexible Teil der Leiterplatte in jeden Winkel gebogen wurde.

Die Vorteile dieser Starrflex-Leiterplatten liegen laut Matthes auf der Hand: »Störanfällige Bauteile wie Stecker und Verbindungskabel entfallen, gleichzeitig wird die Signalübertragung verbessert, weil auch Leiterquerschnittsänderungen verschwinden. Insgesamt verbessert sich also die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Und das ist sicher nicht nur für uns ein wichtiges Kriterium.«

Fehlfunktionen sind nach den Worten von Schilpp bei starrflexiblen Leiterplatten ausgeschlossen. »Alterungseffekte auf der Verbindungsstrecke, also beispielsweise Übergangswiderstände, die sich im Laufe der Zeit bilden bzw. verändern, kommen nicht mehr vor. Das Kupfer der flexiblen Leitungen ist direkt durch Lötstopplack oder Deckfolie vor äußeren Einflüssen geschützt.« Der flexible Teil lässt sich in jedem Winkel biegen und ist dennoch robust. So sind nach Aussage von Schilpp auch schwierige Kontaktierungen möglich, ohne dass zusätzlicher Platz benötigt wird. Es bleibt also innerhalb eines Motorgehäuses noch Bestückungsfläche frei für Anderes. Besonders die Flexibilität dieser Leiterplatte erforderte im Vorfeld einige Überlegungen. »Basierend auf den Ergebnissen der Entwicklungsarbeit mit Wittenstein haben wir für unsere Kunden einen Design-Guide für Starrflex-Leiterplatten entwickelt«, erklärt Schilpp. In diesem Handout finden sich nicht nur grundsätzliche Überlegungen zu den verschiedenen Varianten der Starrflex-Leiterplatten, sondern auch eine Checkliste für Systemanforderungen. »Diese Checkliste erleichtert unseren Kunden die Überlegungen zum Leiterplattendesign und hilft uns bei der Entwicklung des endgültigen Produkts.«

Doch trotz des handlichen Design-Guides ist für beide Partner die Kommunikation zwischen Hersteller und Entwickler ein wichtiger Baustein für den Erfolg. Je früher der Gedankenaustausch beginnt, desto förderlicher sei dies für den Erfolg, bestätigen beide unisono. »Besonders bei komplexen Systemen kann der Dialog nicht früh genug beginnen. Denn viele Vorgaben, die sich aus Störkonturen der Gerätemechanik ergeben, haben Auswirkungen auf die Komplexität der Leiterplatte. Dies widerum beeinflusst die spezifischen Designregeln und die Umsetzung für die Serienproduktion«, betont Matthes. Inzwischen ist die Produktion von starrflexiblen Leiterplatten sowohl aus Kostengründen als auch im Hinblick auf konstante Fertigungsqualität eine echte Alternative zum Kabel, denn die benötigten Steckverbindungen werden direkt auf den Baugruppen durch flexible Leiterplattenbereiche ersetzt.

Und die Kosten? »Die Kostenersparnis bei der Montage der Steckverbindungen wiegt die geringen Mehrkosten in der Herstellung der Leiterplatte mehr als auf«, versichert Schilpp. Durchgeführt hat den Kostenvergleich übrigens Michael Matthes von Wittenstein: »Wir haben die beiden Systeme, also die Standard-Leiterplattentechnik mit Kabeln und Steckverbindern mit Starrflex-Leiterplatten verglichen und auf ihre Wirtschaftlichkeit geprüft. Das Ergebnis ist in jedem Fall für beide Seiten positiv ausgefallen.«