Wann man flexible und starr-flexible Leiterplatten einsetzt: Anwendungsbeispiele in Wearables und Medizinprodukten

Planen Sie, flexible Leiterplatten in Ihren Projekten einzusetzen? Können Sie sich nicht entscheiden, ob Sie flexible oder starr-flexible Leiterplatten verwenden sollen? Dieser Artikel soll Ihnen bei Ihrer Entscheidung helfen.

Moderne flexible Leiterplatten entstanden mit der Entwicklung von Polyimidfolien in den 1960er Jahren. Dadurch wurde die Herstellung mehrlagiger flexibler Schaltungen möglich. Die Leiterplatte verwendet den gleichen Schichtaufbau aus Kupfer, Klebstoff und Polyamid, der auch heute noch Anwendung findet.

In den 80er-Jahren wurde jedoch das SMT-Verfahren entwickelt. Im selben Zeitraum entstanden sowohl mehrlagige flexible als auch starr-flexible Leiterplatten. Dieses Verfahren ermöglichte die Integration flexibler Leiterplatten in Geräte mit beengten Platzverhältnissen, wie beispielsweise Mobiltelefone, Laptops und medizinische Geräte.

Hier erfahren Sie mehr darüber, wann flexible und starrflexible Leiterplatten eingesetzt werden und wie sie in der Praxis in Wearables und Medizingeräten Anwendung finden. Bei Fragen zu flexiblen und starrflexiblen Leiterplatten wenden Sie sich bitte an UET PCB (https://uetpcb.com/flexible-pcbs/UET ist jederzeit für Sie da. UET ist Experte in der Herstellung von flexiblen und starr-flexiblen Leiterplatten und seit über 20 Jahren in dieser Branche tätig.

Flexible Leiterplatten (oft als FPCs abgekürzt oder auch als Flex-Schaltungen bezeichnet) sind biegsame Leiterplatten, da sie aus Polymerfolien anstelle der üblichen starren Bauteile bestehen. Ihr flexibles Substrat besteht üblicherweise aus Polyimid, Polyester oder PEEK (Polyetheretherketon). In ihrem Lagenaufbau befinden sich in der Regel die Polyamid-Dielektrikumsschicht, Klebeschichten, getemperte Kupferleiterschichten und optional Verstärkungselemente.

Starrflex-Leiterplatten kombinieren starre (z. B. FR4-basierte) und flexible Leiterplatten. Beide Bereiche sind zu einem einzigen Bauteil laminiert, wodurch Steckverbinder entfallen. Der flexible Teil besteht üblicherweise aus einem Polyamid-Substrat. Der starre Teil umschließt den flexiblen Teil zwischen den inneren Lagen und dient als leitfähige Innenschicht. Starrflex-Leiterplatten machen teure FPC-Steckverbinder in der Fertigung überflüssig.

Sowohl flexible als auch starr-flexible Leiterplatten haben ihre jeweiligen Vor- und Nachteile beim Einsatz in Produkten. Letztendlich kommt es auf Form, Funktion, Signalintegrität, Herstellungskosten, Wartungsfreundlichkeit und den Montageprozess an.

Flexible Leiterplatten machen Ihre Schaltung modular und flexibel. Wenn Sie in einem beengten Gehäuse arbeiten und nur wenig Spielraum für Biegungen benötigen, sind flexible Leiterplatten die optimale Lösung. Auch der menschliche Körper ist konturiert und beweglich, was ihn ideal für flexible Leiterplatten macht. Flexible Schaltungen werden häufig in Verbindung mit Biegeszenarien in Wearables und anderen Bereichen eingesetzt, wie zum Beispiel:

● Herzfrequenzsensoren

● EKG-Elektroden

● Tragbare Gurte

● Intelligente Kleidung

● Display-Flexkabel

● Flexible Kabel für Vibrationsmotoren

Da starr-flexible Leiterplatten flexible Leiterplatten integriert haben, eignen sie sich in der Regel für die meisten Anwendungen, die auch mit flexiblen Leiterplatten möglich sind. Die Sache ist jedoch nicht so einfach; die Verwendung starr-flexibler gegenüber flexiblen Schaltungen (oder umgekehrt) erfordert mehr Aufwand. Im Wesentlichen lässt sich dies auf Folgendes reduzieren:

1. Gesamtkosten für die Herstellung der Schaltung

2. Montage- oder Baukosten

3. Zulieferer von Baugruppen

4. Signalintegrität

5. Reparierbarkeit und Service

6. Produktzuverlässigkeit und Konformität

7. Teileaustausch

Beachten Sie, dass die Kosten einer starr-flexiblen Leiterplatte höher sind als die einer starr-flexiblen Leiterplatte (mit Steckverbindern). Dies liegt an den Kosten für die Herstellung eines flexiblen Materials in Kombination mit einem starren Material in einem einzigen Laminierungsvorgang. Manchmal muss man jedoch das Gesamtbild betrachten. Leiterplatten mit günstigen FPC-Steckverbindern müssen unter Umständen manuell in einer Montagelinie bestückt werden. Bei größeren Produktionsmengen, beispielsweise im Tausenderbereich, amortisieren sich die Herstellungskosten starr-flexibler Leiterplatten möglicherweise.

Ein weiterer Aspekt ist, dass der Verzicht auf Steckverbinder die Zuverlässigkeit von Hochgeschwindigkeitssignalen verbessern kann. Darüber hinaus erhalten Sie im Rahmen der DVT-Konformität möglicherweise ein robusteres Endprodukt, das Vibrationstests standhält.

Auch ein gutes Produkt kann im Laufe seiner Lebensdauer ausfallen. Daher sollte eine Reparatur möglich sein. Die Wartung und der Austausch von Teilen werden deutlich vereinfacht, wenn eine flexible Leiterplatte mit einem passenden Stecker versehen ist. Beispiele hierfür sind Motoren, Kameras, CD-/Blu-ray-Linsen und andere Leiterplatten. Fehlt der Stecker, kann die Reparatur umständlich und zeitaufwendig sein.

Im Gegensatz dazu werden starr-flexible Leiterplatten häufiger in Produkten eingesetzt, die keiner Wartung bedürfen. Dies deutet darauf hin, dass von diesen Produkten eine geringe Ausfallrate und hohe Zuverlässigkeit über ihre gesamte Lebensdauer erwartet werden. Sie sind in der Regel abgedichtet, wasserdicht, staubdicht und mechanisch stabil. Obwohl ihre Herstellung teurer sein kann, wird von ihnen eine lange Lebensdauer erwartet.

Verwenden Sie eine starr-flexible Leiterplatte.

Die Leiterplatte einer Smartwatch benötigt fast immer eine starr-flexible Leiterplatte. Der Grund dafür ist, dass starr-flexible Leiterplatten auf Steckverbinder verzichten. Steckverbinder zählen zu den häufigsten Fehlerquellen bei Smartwatches und auch bei manchen anderen Wearables.

Smartwatches sind anfällig für Schweiß, Kälte, Hitze, Vibrationen, wiederholte Bewegungen, Stöße und Oxidation, was zu erheblichem Verschleiß führen kann. Starrflex-Leiterplatten eignen sich daher ideal für diesen Einsatz, da sie abgedichtet, mechanisch stabil, wasser- und staubdicht sind. Dadurch weisen Smartwatches eine geringe Ausfallrate und eine lange Lebensdauer auf.

Hier einige Designüberlegungen für Smartwatches:

● Die SoC- und Energiemanagement-Sektionen sind im starren Leiterplattenteil untergebracht.

● Flexible Leiterplatten werden für den Anschluss von Batterie, Display, Sensoren usw. verwendet.

● Die HF-Sektionen befinden sich auf einer starren Leiterplatte mit kontrollierter Impedanz.

● Um die Zuverlässigkeit zu verbessern, werden keine FPC-Steckverbinder verwendet.

Flexible Leiterplatte verwenden

Ein elektronisches EKG-Pflaster profitiert von einer flexiblen Leiterplatte, da es auf der Brust des Patienten getragen wird. Der EKG-Sensor kann mit einer flexiblen, biegsamen Leiterplatte verbunden werden, die sich den Konturen des Körpers anpasst. Darüber hinaus sollte der flexible Teil ungiftig sein und aus zytotoxizitätsarmem Polyimid bestehen. Dieses EKG-Pflaster ist für den Einmalgebrauch bestimmt.

Entwurfsüberlegungen:

● Muss den Zytotoxizitätstest nach ISO 10993 bestehen.

● Verwenden Sie nickelfreies Material auf Oberflächen, die mit dem menschlichen Körper in Berührung kommen.

● Leicht und biegsam.

● Verwenden Sie kostengünstige Materialien, da diese Einwegmaterialien sind.

Darüber hinaus können auch andere medizinische Geräte flexible Einweg-Leiterplatten verwenden, wie beispielsweise Blutzuckersensoren, Schwangerschaftsteststreifen und medizinische Einwegsensoren.

Es gibt zahlreiche praktische Anwendungen für flexible und starrflexible Leiterplatten in Wearables und Medizinprodukten. Dieser Artikel stellt einige davon vor und beleuchtet die Vor- und Nachteile der jeweiligen Struktur. UET PCB ist ein erfahrener Hersteller von Leiterplatten und Leiterplattenbestückungen und unterstützt Sie gerne bei der Fertigung Ihrer Medizinprodukte und Wearables mit diesen flexiblen Schaltungen.