Sehr lange flexible Leiterplatten Flex-Multilayer als Kabelbaum

Vorteile flexibler Leiterplatten richtig nutzen

Eine Flex-Leiterplatte erfordert eine sorgfältige Analyse und Planung, bevor ihre Entwicklung und Produktion gestartet wird. Bei der Festlegung der Anforderungen muss der Auftraggeber eng mit dem Leiterplattenhersteller zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass sich eine flexible Leiterplatte tatsächlich für die geplante Anwendung eignet. Um zu gewährleisten, dass das Endprodukt wie vorgesehen funktioniert, sollte ein detaillierter Entwicklungsprozess durchgeführt werden, der die Anforderungen des Endprodukts, die vorgesehene Betriebsumgebung, die Gehäusekonfiguration, die mechanischen und elektrischen Eigenschaften sowie die Montagemethode abdeckt. Die Ergebnisse dieses Prozesses geben dem Hersteller der flexiblen Leiterplatte die geforderten Spezifikationen, um den Entwurf zu validieren und entsprechende Angebote zu erstellen.

Mit der Rolle-zu-Rolle-Fertigung IHT zielt Trackwise in erster Linie auf den Ersatz herkömmlicher Kabelbäume durch Flex-Leiterplatten ab, bei denen sich die zu montierenden Komponenten auf Steckverbinder beschränken (Bild 2). Die nach dem IHT-Prozess hergestellten langen Flex-Leiterplatten sind jedoch im Wesentlichen normale flexible Leiterplatten und können wie diese mit Bauteilen bestückt werden – entweder mit THT- oder SMT-Bauteilen – um einen Kabelbaum mit elektronischer Funktion herzustellen.

Die Automobil-, Luftfahrt- und Telekommunikationsbranche profitiert heute zunehmend von den Vorteilen flexibler Leiterplatten. Flexible Schaltungen ersetzen große, schwere und komplexe Kabelbäume und werden heute verwendet, um den Platz- und Gewichtsbeschränkungen der wachsenden Zahl von Systemen im Fahrzeug-/Flugzeuginnenraum und im Fahrzeug/Flugzeug selbst gerecht zu werden.
Der Elektronikanteil in unseren Fahrzeugen hat in den vergangenen Jahren exponentiell zugenommen. Heutige Fahrzeuge können 30 bis 100 elektronische Steuergeräte (ECUs) aufweisen, die alle Aspekte von der Motorsteuerung über die passive und aktive Sicherheit bis hin zum Fahrgastkomfort abdecken. Modelle der Oberklasse können bis zu 1500 Kupferleitungen mit einer Gesamtlänge von 1,6 km (1 Meile) oder mehr enthalten, die alle miteinander verbunden werden müssen. Mit der Zunahme elektrischer und (teil-)autonomer Fahrzeuge wird dieser Kabelanteil weiter steigen.

Die zivile Luft- und Raumfahrt folgt weitgehend den gleichen Trends. Bei jedem Flugzeug ist Gewichtseinsparung besonders wichtig, da sich dies auf die Betriebskosten und Emissionen auswirkt. In der Luft- und Raumfahrt hat sich gezeigt, dass flexible Schaltungen das Gewicht gegenüber herkömmlichen Kabelbäumen um bis zu 75 % reduzieren.

IHT ermöglicht es, eine einzige flexible Schaltkreisstruktur zu erstellen, die Flugzeugflügel überspannen oder vom Bug bis zum Heck reichen kann. Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Flex-Leiterplatte selbst zu einem Subsystem wird.

Sie kann zusätzlich zur Funktion Kabelbaum auch elektronische Komponenten tragen und bietet damit die Möglichkeit, dezentrale (verteilte) Elektronik ohne zusätzlichen Installationsaufwand zu realisieren. Beispielsweise können mit der Flex-Leiterplatte Sensoren in den Flugzeugflügeln oder im Rumpf verteilt platziert werden, zusammen mit der Signalaufbereitung. Dadurch entsteht ein elektronischer Schaltungsträger, der passive Kabelbäume vollständig ersetzt.

Trackwise hat mehrere sehr lange Flex-Leiterplatten für den Einsatz in Flugzeugen entworfen, mit denen Kabelbäume ersetzt werden konnten, beispielsweise:

  • Eine 10 m lange, 6-lagige, Flex-Leiterplatte mit Schutz gegen kabelinterne Störlichtbögen und Kriechstrombildung für ein Verkehrsflugzeug.
  • Eine 42 m lange, mehrlagige Flex-Leiterplatte für einen Energieübertragungsstrang in einer ausklappbaren Solaranlage für Raumfahrzeuge.
  • Eine 26 m lange abgeschirmte Flex-Leiterplatte (Bild 3) zur Übertragung von Energie und Signalen über die Spannweite eines unbemannten Luftfahrzeugs (UAV, Unmanned Aerial Vehicle).

Auch bei Elektrofahrzeugen zeichnet sich ab, dass IHT-Flex-Leiterplatten als Kabel für niedrige und höhere Spannungen für Elektrofahrzeug-Batterien eingesetzt werden. Hier kann eine flexible Leiterplatte Stromversorgungs-, Steuerungs- und Überwachungsschaltungen kombinieren.

 

Vorteile von Flex-Leiterplatten (FPCs)

  • Platzsparend: Sehr dünne dielektrische Substrate, bis hinab auf 25 μm oder weniger, ermöglichen dünne Leiterplatten – auch als Multilayer.
  • Kleine Masse: Zusätzlich zur Gewichtsersparnis durch die dünnen Substrate erlaubt es die Flexibilität der Substrate weniger Anschlüsse und Befestigungen einzusetzen. Kleinere Leiter und ein reduzierter Kupfergehalt tragen zusätzlich dazu bei, Masse einzusparen.
  • Vielseitig: Flex-Leiterplatten sind speziell zum Falten, Biegen und Einpassen in praktisch jede Gehäuseform konzipiert.
  • Robust: Zuverlässigere und robustere Verbindungen im Vergleich zu Kabelbäumen, da die Flachfolienleiter einer Flex-Leiterplatte Wärme besser ableiten und mehr Strom führen können als vergleichbare Runddrähte. Weniger Schnittstellenverbindungen erhöhen die Zuverlässigkeit. Im Vergleich zu starren Leiterplatten sind Flex-Leiterplatten widerstandsfähiger gegen Vibrationen und Stöße.
  • Höhere Betriebstemperatur: Die thermische Stabilität ist vor allem bei Polyimidmaterialien besser, sodass der flexible Schaltungsträger extremeren Temperaturen standhält als starre Leiterplatten.
  • Übersprechen und Rauschen lassen sich durch ein einheitliches Leitermuster in der flexiblen Schaltung leichter kontrollieren als in einem Kabelbaum. Als Massefläche können kreuzweise schraffierte Kupfer-/Aluminiumfolien oder leichte Abschirmfolien verwendet werden. Mit Durchkontaktierungen (Stitching Vias) und internen Schutzleiterbahnen (Guard Rails) können Signalleiterbahnen rundum abgeschirmt werden.
  • Gute EMV-Eigenschaften: Reduzierte Störstrahlung aufgrund geringerer Potenzialunterschiede (Masseschleife), die durch die Schutzleiterbahnen erzeugt werden; geringere Übertragungsverluste im Differenzialmodus.
  • Impedanz: In Datenbusanwendungen besser kontrollierte Impedanz, weniger Übertragungsverluste und geringere Strahlung aufgrund kürzerer Stromrücklaufwege.
  • Einfachere und zuverlässigere Installation: Schnellere Montage da weniger Bauteile; verbesserte Wiederholbarkeit durch weniger manuelle Eingriffe; keine Notwendigkeit, Kabel farblich zu kennzeichnen. Dies führt zu niedrigeren Installationskosten, einem geringeren Ausschussrisiko bei der Montage und weniger Betriebsstörungen.

 

Der Autor

Philip Johnston

absolvierte ein Studium der Luft- und Raumfahrttechnik an der Universität Bristol und begann nach seinem Abschluss in der Raumfahrtabteilung der Britisch Aerospace (BAe). Er hat außerdem einen Abschluss in Rechtswissenschaften von der Universität London und ist ein Chartered Engineer, eingetragen von der britischen Ingenieursgesellschaft Institution of Mechanical Engineers.

Johnston kam 1999 zu Trackwise und übernahm das Unternehmen im Jahr 2000. Während seiner Amtszeit entwickelte und patentierte er Improved Harness Technology (IHT). Er ist der benannte Erfinder einer Reihe von britischen und internationalen Patenten und hat mehrere von der britischen Regierung unterstützte FuE-Konsortien geleitet, darunter ein Forschungsprojekt innerhalb des europäischen Clean-Sky-Programms.

philip.johnston@trackwise.co.uk