Bis vor kurzem waren nur wenige Unternehmen in der Lage, flexible gedruckte Schaltungen (FPCs) mit einer Länge von mehr als einigen Metern herzustellen. Neue Fertigungstechniken ermöglichen es jetzt, mehrschichtige FPCs mit unbegrenzter Länge zu entwerfen und herzustellen. Dies eröffnet eine ganze Welt neuer Anwendungen, die bisher durch eine sperrige herkömmliche Verkabelung abgedeckt werden mussten.
Aufbauend auf einem Konzept, das zuerst vom Erfinder Albert Hanson vorgeschlagen und 1902 und 1903 patentiert wurde, repräsentieren FPCs heute einen globalen Markt von mehreren Milliarden Dollar. Übrigens kann der Begriff „gedruckte Schaltung“ irreführend sein, da FPCs wie ihre starren Gegenstücke in einem subtraktiven Prozess hergestellt werden, bei dem Kupfer in sein Substrat geätzt wird, um die leitenden Elemente der Schaltung zurückzulassen. Das Substrat ist nicht bedruckt, daher sollten FPCs nicht mit den jüngsten Innovationen im Bereich der „gedruckten Elektronik“ verwechselt werden. Substrate bestehen aus verschiedenen Materialien. Polyester und Polyamide sind weit verbreitet, aber jetzt kommen andere fortschrittliche Polymere auf den Markt, insbesondere thermoplastische Versionen, die in Bahnen laminiert oder bei sehr hohen Temperaturen betrieben werden können. FPCs können ein- oder doppelseitig sein, und bei Verbindungen mit höherer Dichte können sie auch mehrschichtig sein.
Mehrschichtige FPCs bestehen typischerweise aus mehreren ein- oder doppelseitigen flexiblen Schaltungen, die durch leitfähige und isolierende Schichten und Metallplattierung miteinander verbunden sind, um eine Verbundverbindungsvorrichtung zu bilden. In der Anwendung können flexible Schaltungen statisch oder dynamisch sein. Sie können gebogen werden, um sich an das Gehäuse anzupassen, wodurch komplexe Schaltungen in gekrümmte und aerodynamische Strukturen integriert werden können. Ein dynamisches Design kann sich auch im Gebrauch biegen, beispielsweise bei einer Verbindung durch ein Autotürscharnier. Ein einziger FPC kann nicht nur Flachbandkabel, diskrete Verkabelung oder komplexe Verkabelungssysteme ersetzen, sondern auch Steckverbinder und sogar Backplanes. Schaltung (Leiterplatten, PCB) starr der herkömmlichen Art. FPCs sparen Gewicht und Platz, reduzieren oft die Kosten und verbessern die Schaltungsleistung.
Dank der dreidimensionalen Natur der FPC-Technologie können Schaltkreise auch gebogen und an verschiedene Formate angepasst werden, was mit herkömmlichen Leiterplatten und Kabeln unmöglich wäre. FPCs sind in einer breiten Palette elektrischer und elektronischer Produkte zu finden: Automobil-, Verbraucher-, Medizin-, Unterhaltungs-, IT- und Industrieausrüstung. Sie werden häufig in tragbaren Geräten wie Spielekonsolen, Laptops, Mobiltelefonen und Kameras verwendet. Brustgurte und Armbänder für Sportanwendungen und medizinische Überwachungsgeräte sind klare Beispiele für tragbare Anwendungen. Sie werden auch in kleinen Geräten wie Hörgeräten, Herzschrittmachern und Pumpen in der Medizin verwendet. Ultradünne und flexible Substrate haben auch die Entwicklung von Hautpflastern ermöglicht, die zur Überwachung des Blutzuckers oder zur Verabreichung von Medikamenten verwendet werden. In der Industrie enthalten Smart Tags RFID-Tag-Schaltkreise für Sicherheits-, Fälschungs-, Transport-, Logistik- und Tracking-Anwendungen.
Hauptvorteile von FPCs
- Einsparung von Raum: Sehr dünne dielektrische Substrate, von denen einige bei 25 μm oder weniger beginnen, ermöglichen zusammen mit ihrer flachen Form das Anbringen von Schaltkreisen an oder innerhalb der Struktur eines Produkts.
- Gewichtsersparnis: die entsprechende Gewichtsreduzierung ist größer, da weniger Verbinder und weniger Befestigungselemente erforderlich sind. Dazu tragen kleinere Leiter und ein geringerer Kupferanteil bei.
- Vielseitigkeit: FPCs werden kundenspezifisch entwickelt, sodass sie in praktisch jede Gehäuseform gebogen, gebogen und geformt werden können.
- Robustheit: Robuste Verbindungen im Vergleich zu fest verdrahteten, da die in den FPC integrierten Flachleiter weniger Wärme abführen und mehr Strom führen können als entsprechende Rundkabel. Die geringere Anzahl an Steckverbindern erhöht die Zuverlässigkeit, da sie aus physikalischer Sicht widerstandsfähiger als starre Leiterplatten gegen Vibrationen und Stöße sind.
- Höhere Arbeitstemperatur: Die thermische Stabilität ist besser, insbesondere bei Polyimid-Materialien, wodurch die Schaltung extremeren Hitzeniveaus widerstehen kann als starre PCBs. Die thermische Fehlanpassung wird ebenfalls reduziert.
- Übersprechen und Rauschen: sie lassen sich leichter steuern, indem ein Leiter mit einheitlicher Struktur in der flexiblen Schaltung verwendet wird. Zu den Optionen für die Masseebene gehören gewebte, massive Kupfer-, Aluminium- oder leichte Abschirmfolien. Die Verbindung zwischen Leiterbahnen und internen Schutzschienen kann eine 360°-Abschirmung bieten, mit metallisierten Leiterbahnen über die gesamte Länge der Schaltung.
- Gute EMV-Leistungen: geringere Strahlungsemissionen dank der kleineren Masseschleife, die durch die Schutzleiterbahnen erzeugt wird, und der besseren Übertragungsdämpfungseigenschaften im Differentialmodus.
- In Datenbusanwendungen bessere Impedanzkontrolle, geringere Übertragungsverluste und weniger gestrahlte Feldemissionen aufgrund kürzerer Stromrückwege.
- Einfachere und zuverlässigere Installation: schnellere Montage von weniger Komponenten; bessere Wiederholbarkeit, da weniger manuelle Eingriffe erforderlich sind; Kabel müssen nicht farblich gekennzeichnet werden. Dies alles führt zu niedrigeren Installationskosten, einem geringeren Ausschussrisiko bei der Montage und weniger Fehlfunktionen.
Der IHT-Fertigungsprozess und die neuen Anwendungen, die er ermöglicht
Wie oben erwähnt, hat die Länge von mehrschichtigen FPCs, die hergestellt werden können, ihre Verwendung in vielen Anwendungen eingeschränkt. Die Länge war typischerweise auf 610 mm begrenzt, obwohl einige Hersteller in der Lage sind, Schaltungen bis zu mehreren Metern herzustellen. Ein patentiertes Verfahren namens Improved Harness Technology™ (IHT) ist nun in der Lage, diese Einschränkungen zu überwinden. IHT ist ein Rolle-zu-Rolle-Fertigungsverfahren, das nicht nur die Herstellung beliebig langer mehrlagiger FPCs ermöglicht, sondern auch hochautomatisiert und kostengünstig ist. Bei der herkömmlichen FPC-Fertigung sind Prozessschritte wie Bohren, Bebildern, Drucken und Metallplattieren auf Ausrüstungen angewiesen, die typischerweise statische Prozesse verwenden. IHT verwendet speziell angepasste Maschinen und kundenspezifische Software für die dynamischen Prozesse, die zur Herstellung von FPCs von unbestimmter Länge erforderlich sind. Darüber hinaus verwenden IHT-Prozesse Materialien, die in Rollen geliefert werden, im Gegensatz zu Bögen mit fester Größe, in denen Materialien normalerweise geliefert werden. Vor Beginn eines FPC-Implementierungsprojekts ist eine gründliche Analyse und Planung erforderlich. Bei der Angabe der Anforderungen sollte der Kunde eng mit dem Hersteller zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass eine FPC für die Anwendung geeignet ist. Um sicherzustellen, dass das Endprodukt wie beabsichtigt funktioniert, muss ein detaillierter Designprozess befolgt werden, der die Anforderungen des Endprodukts, seine beabsichtigte Betriebsumgebung, Gehäusekonfiguration, mechanische und elektrische Eigenschaften und Montagemethode erfüllt.
Als Ergebnis dieses Prozesses erhält man die vom FPC-Hersteller geforderte Spezifikation, um das Design zu validieren und die entsprechenden Budgets bereitzustellen. Mit IHT versucht Trackwise in erster Linie, herkömmliche Verkabelungen zu ersetzen, deren zusammengesetzte Komponenten sich auf Steckverbinder beschränken. Die durch das IHT-Verfahren hergestellten langen FPCs sind häufig Leiterplatten, in die Komponenten unter Verwendung von PTH- oder SMT-Techniken für eine „intelligente“ Verdrahtung integriert werden können.
Heute nutzen die Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Telekommunikationsindustrie zunehmend die Vorteile von FPCs. Große, schwere und komplexe Verkabelung wird durch flexible Schaltungen ersetzt, um Raum- und Gewichtsbeschränkungen in einer zunehmenden Anzahl von Kabinen- und Bordsystemen zu berücksichtigen. In Autos zum Beispiel haben elektronisch gesteuerte Funktionen in den letzten Jahren exponentiell zugenommen. Heutige Fahrzeuge können zwischen 30 und 100 elektronische Steuergeräte integrieren und alle Aspekte rund um das Motormanagement, die passive und aktive Sicherheit sowie den Fahrgastkomfort abdecken. Deluxe-Modelle können bis zu 1.500 Kupferkabel mit einer Gesamtlänge von mehr als 1,5 km enthalten, die alle miteinander verbunden werden müssen. Dieser Prozentsatz wird mit dem Aufkommen von Elektro- und autonomen Fahrzeugen steigen. Die Zivilluftfahrt folgt weitgehend den gleichen Trends. Bei jedem Flugzeug ist Gewichtseinsparung von großer Bedeutung, da es sich auf die Betriebskosten und Emissionen auswirkt. Mit IHT können Sie eine einzelne flexible Schaltungsstruktur erstellen, die die Flügel des Flugzeugs oder von der Nase bis zum Heck überspannen kann.
Auf diese Weise werden wichtige Vorteile auf Subsystem- und Systemebene erzielt, da die FPC selbst zu einem Subsystem wird. IHT ebnet auch den Weg für die Elektronikverteilung, einschließlich der In-Circuit-Integration von Signalkonditionierungs- und Sensorfunktionen. Auf diese Weise entsteht in der Praxis eine intelligente Verschaltung statt passiver Verdrahtungsverschaltungen. In Luft- und Raumfahrtanwendungen haben flexible Schaltungen ihre Fähigkeit unter Beweis gestellt, das Gewicht im Vergleich zu herkömmlicher Verkabelung um bis zu 75 % zu reduzieren. Eine aktuelle IHT-Anwendung ist eine 10 m lange, 6-lagige bogengeführte Verkabelung für ein Verkehrsflugzeug. Andere Luft- und Raumfahrtprojekte umfassen eine 42 m lange mehrschichtige Schaltung für die Stromverkabelung zur Installation eines Solarpanels auf einem Raumfahrzeug und eine 26 m lange abgeschirmte FPC zur Übertragung von Strom und Signalen über die Breite eines UAV. Auch EV-Anwendungen beginnen sich zu entwickeln, bei denen FPCs, die durch das IHT-Verfahren hergestellt werden, voraussichtlich in Hoch- und Niederspannungsverkabelungen für Batteriepacks in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. In diesem Fall kann die FPC Leistungs-, Steuer- und Überwachungsschaltkreise kombinieren.
Fazit
Der Trend zu Nachhaltigkeit und Umweltschutz hat den Einzug neuer Entwicklungen in den Automobil- und Luft- und Raumfahrtmarkt vorangetrieben. Zukünftige Projekte umfassen Elektrofahrzeuge, unbemannte Luftfahrzeuge, effizientere Flugzeugtriebwerke und Satellitentechnologie. Diese und andere Entwicklungen im medizinischen und industriellen Bereich sollen vom Design und der Herstellung flexibler Schaltungen mit unbegrenzter Länge profitieren.
