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Semi-Flex-Leiterplatten vs. Flex-Leiterplatten

by Jeffrey Beauchamp, Director of Technology & Engineering - NCAB Group USA

Flexible Leiterplatten ermöglichen die Platzierung großer Schaltungen auf relativ kleinem Raum. Sie bieten Designern und Ingenieuren auch mehr Spielraum, um zu vermeiden, dass ein ganzes Produkt um die räumlichen Anforderungen einer starren Leiterplatte herum entwickelt wird. Bei der Auswahl von Leiterplatten, die sich an Ort und Stelle biegen lassen, haben Entwicklungsingenieure die Wahl zwischen flexiblen und halbflexiblen Leiterplatten. Im Folgenden erhalten Sie einen grundlegenden Überblick darüber, wie sich diese beiden Arten von Leiterplatten unterscheiden und wie sie in modernen elektrischen Geräten verwendet werden.

Wie unterscheiden sich Semi-Flex-Leiterplatten von Flex-Leiterplatten?

Der entscheidende technologische Unterschied zwischen einer flexiblen Leiterplatte und einer halbflexiblen Leiterplatte (Semi-Flex-Leiterplatte) besteht darin, dass der Aufbau einer flexiblen Leiterplatte auf einer flexiblen Polymerfolie basiert. Wie bei starren Leiterplatten wird das Schaltungsdesign in Kupferlagen geäzt und zum Schutz mit einer dünnen Decklage (coverlay) abgedeckt. Die Folie macht das gesamte Board flexibel, sodass es leicht gebogen und manipuliert werden kann, ohne dass es beschädigt wird.

Eine Semi-Flex-Leiterplatte hingegen lässt sich nur in bestimmten Bereichen biegen, die dafür vorbereitet wurden. Dadurch biegt sich die Leiterplatte nur auf vorgegebene Weise und an definierten Stellen. Die folgenden Grafiken veranschaulichen das Konzept einer Semi-Flex-Leiterplatte.

Mit Ausnahme der Flex-Bereiche ist eine Semi-Flex-Leiterplatte steif und ähnelt eher einer traditionellen starren Leiterplatte. Dies liegt daran, dass Semi-Flex-Leiterplatten durch eine  „kontrollierte Tiefenfräsung“ des FR4-Materials hergestellt werden, bis es sehr dünn und flexibel ist. Der flexible Abschnitt wird dann behandelt, um Risse zu vermeiden, sodass er sich mehr oder weniger frei biegen kann. Hier sehen wir auch ein Schliffbild einer Semi-Flex-Leiterplatte.

Microsection of semi-flex PCB | NCAB Group

Semi-Flex-Leiterplatten können auch unter Verwendung von dünnen Kernlaminaten hergestellt werden. Laminate mit einer Dicke von 0,127mm werden für statische Flex-Anwendungen verwendet. RA-Kupferfolien (rolled Annealed) werden empfohlen, um Rissbildung zu vermeiden und eine robustere Biegehäufigkeit zu ermöglichen.

Einer der entscheidenden Unterschiede zwischen Semi-Flex- und Flex-Leiterplatten aus Designsicht ist die Tatsache, dass eine Semi-Flex-Leiterplatte nur eine begrenzte Anzahl von Biegungen zulässt. Während normale Flex-Leiterplatten ohne Beschädigung um ein vielfaches häufiger gebogen werden können, reisst oder bricht eine halbflexible Leiterplatte bei wiederholtem Biegen. Daher werden Semi-Flex-Leiterplatte am besten in Flex-to-Install-Anwendungen verwendet. Die meisten Semi-Flex-Boards können jedoch auch mehr als einmal gebogen werden. Dies ermöglicht sowohl die Installation als auch die zukünftige Wartung mit minimalem Beschädigungsrisiko, vorausgesetzt, die Leiterplatte wird nicht durch häufiges Biegen belastet.

Vorteile von Semi-Flex-Leiterplatten

Semi-Flex-Leiterplatten bieten Entwicklungsingenieuren und Designern eine Vielzahl von Vorteilen. In erster Linie können Semi-Flex-Leiterplatten ähnlich wie Flex-Boards Platz sparen. Die Biegbarkeit beim Einbau ermöglicht die Verwendung einer vergleichsweise großen Platine auf kleinem, beengtem Raum. Bei richtiger Konstruktion und Herstellung sind semiflexible Leiterplatten auch recht zuverlässig.

Semi-Flex-Leiterplatten bieten im Vergleich zu Flex-Leiterplatten auch erhebliche Kosteneinsparungen. Dies liegt daran, dass der flexible Teil der Platine durch die Reduzierung der Dicke des FR4-Materials durch kontrolliertes Tiefenfräsen erreicht wird. Flex-Leiterplatten hingegen verwenden ein viel teureres Polyimid-Substrat, um ihre größere Flexibilität zu erreichen. Abgesehen von Projekten für die die verbesserten Biegefähigkeiten einer flexiblen Leiterplatte erforderlich ist, ist es deshalb empfehlenswert, wenn möglich halbflexible Leiterplatten zu verwenden um die Kosten zu reduzieren.

Allgemeine Semi-Flex-Leiterplatten Designrichtlinien

Wie bei allen Leiterplatten sind die Best Practices beim Design robuster, zuverlässiger Semi-Flex-Leiterplatten umfangreich. Es gibt jedoch einige allgemeine Regeln, die Entwicklungsingenieure beim Design einer halbflexiblen Leiterplatte beachten sollten. 

Die vielleicht wichtigste dieser Richtlinien ist, dass der flexible Teil des Boards zwar entweder entlang der x- oder y-Ebene verlaufen kann, aber immer in eine Richtung verlaufen sollte. Obwohl es möglich ist, Boards mit Flexbereichen in x- und y-Richtung zu konstruieren, sind die Kosten aufgrund der Notwendigkeit zusätzlicher Herstellungsschritte höher.

Die Positionierung von Bauteillöchern ist auch beim Design einer Semi-Flex-Leiterplatte wichtig. Als Faustregel gilt, mindestens einen Millimeter Platz zwischen den Bauteillöchern auf der Leiterplatte und dem flexiblen Teil der Platine zu lassen.

Schließlich sollten Konstrukteure ihre Platinen so planen, dass der flexible Bereich mit einem einzigen Durchgang einer Fräse zum Ausdünnen des FR4-Materials hergestellt werden kann. Durch wiederholte Fräsprozesse können Schwachstellen entstehen, die beim Biegen der Leiterplatte für den Einbau oder für die spätere Wartung problematisch werden.

Wann sollten Semi-Flex-Leiterplatten verwendet werden

Semi-Flex-Leiterplatten eignen sich gut für Situationen, in denen eine Leiterplatte nur für die Installation und geplante zukünftige Wartung gebogen werden muss. Ihre Flexibilität macht Semi-Flex-Leiterplatten auch zu einer guten Design-Wahl für Anwendungen, bei denen Platz eine wichtige Rolle spielt. Wenn der gebogene Bereich der Leiterplatte jedoch dynamischer Belastung ausgesetzt ist, ist es besser, eine flexible Leiterplatte zu wählen.

Semi-Flex-Leiterplatten finden sich in vielen gängigen Anwendungen. Automotiv, Industrieausrüstungen und sogar Sicherheitselektronik nutzen diese Leiterplattenkategorie in großem Umfang. Eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst die Wahl zwischen starren, flexiblen und halbflexiblen Leiterplatten. Zu diesen Faktoren gehören der verfügbare Platz, die Belastungsanforderungen, die Anforderungen an die thermischen Eigenschaften und das Budget.

Die Auswahl des richtigen Leiterplatten-Typs ist entscheidend für die erfolgreiche Entwicklung und Herstellung von Elektronikprodukten. Um mehr über die Fähigkeiten dieser Leiterplatten-Varianten zu erfahren, können Sie unsere Designrichtlinien für Semi-Flex- oder Flex-Leiterplatten herunterladen oder uns in einem unserer lokalen Büros kontaktieren, um mehr zu erfahren.

Design Guidelines for Semi-flex PCBs (printed circuit boards) | NCAB Group

Leiterplatten-Designrichtlinien herunterladen

Um Fehler von Anfang an zu vermeiden, haben wir unsere Designrichtlinien in Form einer Checkliste zusammengestellt.