Designing a Rigid-Flex PCB

Was ist Rigid-Flex?

Wie der Name schon sagt, ist eine flexible Leiterplatte ein Muster aus Leitern, das auf eine flexible Isolierfolie gedruckt wird. Rigid-Flex ist die Bezeichnung für eine Leiterplatte, die aus einer Kombination von flexiblen und starren Schaltungsteilen besteht, wie im Bild gezeigt.

Die Technologie flexibler Schaltungen wurde ursprünglich für das Raumfahrtprogramm entwickelt, um Platz und Gewicht zu sparen. Heute ist sie beliebt, weil sie nicht nur Platz und Gewicht spart – und damit ideal für tragbare Geräte wie Mobiltelefone und Tablets ist –, sondern auch die Komplexität der Verpackung reduzieren, die Produktzuverlässigkeit verbessern und die Kosten senken kann.

Flexible Schaltungen werden normalerweise in zwei Anwendungsklassen unterteilt: static flexible Schaltungen und dynamic flexible Schaltungen. Statische flexible Schaltungen (auch bezeichnet als use A) sind solche, die während Montage und Betrieb nur minimal gebogen werden. Dynamische flexible Schaltungen (auch bezeichnet als use B) sind für häufiges Biegen ausgelegt, etwa bei einem Festplattenkopf, einem Druckkopf oder als Teil des Scharniers eines Laptop-Bildschirms. Diese Unterscheidung ist wichtig, da sie sowohl die Materialauswahl als auch die Konstruktionsmethodik beeinflusst. Es gibt eine Reihe von Lagenaufbau-Konfigurationen, die als Rigid-Flex gefertigt werden können, jeweils mit eigenen elektrischen, physikalischen und kostenseitigen Vorteilen.

Mechanisches Rigid-Flex-Design

Das Entwerfen einer Flex- oder Rigid-Flex-Schaltung ist in hohem Maße ein elektromechanischer Prozess. Das Design jeder PCB ist ein dreidimensionaler Konstruktionsprozess, aber bei einem Flex- oder Rigid-Flex-Design sind die dreidimensionalen Anforderungen deutlich wichtiger. Warum? Weil die Rigid-Flex-Leiterplatte an mehreren Flächen innerhalb des Produktgehäuses befestigt sein kann, wobei das Befestigen und Falten oft während der Produktmontage erfolgt. Die Bereitstellung eines funktionierenden elektromechanischen Designs erfordert eine enge und kontinuierliche Zusammenarbeit zwischen den Teams für Mechanik und Elektronik. Der traditionelle Ansatz, um zu bestätigen, dass die gefaltete Leiterplatte in ihr Gehäuse passt, bestand darin, ein mechanisches Mockup zu erstellen – bekannt als Papierpuppen-Ausschnitt. Aufgrund seiner Natur ist es mit diesem Ansatz schwierig, die erforderliche Genauigkeit und Realitätsnähe zu erreichen.

Eine Leiterplatte mit zwei starren Bereichen, die durch einen flexiblen Bereich verbunden sind, im ECAD-PCB-Editor und in MCAD.

Altium hilft bei der Lösung dieser Herausforderung mit CoDesigner, einer ausgereiften Schnittstellentechnologie zwischen mechanischem und elektronischem Design. CoDesigner ermöglicht es Ingenieuren, Leiterplattenform und Bauteiländerungen direkt aus der ECAD- und MCAD-Designsoftware heraus zwischen den ECAD- und MCAD-Designbereichen auszutauschen.

• Überblick über Altiums MCAD CoDesigner-Technologie

• Technische Referenz, erfahren Sie mehr über ECAD-MCAD CoDesign

• Erfahren Sie mehr über das Übertragen eines Rigid-Flex-Designs nach MCADAltium Designer unterstützt außerdem die Einbindung von Rigid-Flex-Leiterplatten als Teil eines Multi-Board-Designs. Erfahren Sie mehr über das Entwerfen von Systemen mit mehreren Leiterplatten.

• Für eine interessante Diskussion über Materialien, Technologien und Prozesse sowie die Herausforderungen bei der Herstellung einer Rigid-Flex-Leiterplatte laden Sie das kostenlose Rigid-Flex Guidebook herunter und lesen Sie es.

Entwurf einer Rigid-Flex-PCB

Eine Leiterplatte wird als eine Reihe von Lagen entworfen, die übereinander gestapelt sind. Bei einer herkömmlichen starren Leiterplatte definiert die Leiterplattenkontur die Leiterplatte in der X-Y-Ebene, und der Lagenstapel definiert die Leiterplatte in der Z-Ebene. Die X-Y-Leiterplattenkontur wird im Hauptfenster des PCB-Editors definiert, und die Lagen werden im Layer Stack Manager konfiguriert. Bei einer Rigid-Flex-PCB gibt es in der fertigen Leiterplatte mehr als eine Zone bzw. Region, und jede dieser Regionen kann einen anderen Satz von Lagen verwenden.

Um eine Rigid-Flex-Leiterplatte zu entwerfen, müssen Sie:

• den erforderlichen Rigid-Flex-Modus aktivieren (Layer Stack Manager, Tools » Features » Rigid-Flex, oder Tools » Features » Rigid-Flex (Advanced) Befehl)

• den für jede Region der Leiterplatte benötigten Substack definieren und konfigurieren, wie diese Substacks in der Z-Ebene zueinander ausgerichtet sind.

• die Form jeder starren und flexiblen Region in der X-Y-Ebene definieren und jeder Region den richtigen Substack zuweisen.

Rigid-Flex-Design aktivieren

Zur Unterstützung der komplexen Strukturen einer modernen Rigid-Flex-Leiterplatte bietet der Editor für die Z-Ebene – der Layer Stack Manager – verschiedene Anzeigemodi zum Bearbeiten der Struktur Ihrer Leiterplatte. Wählen Sie den Design » Layer Stack Manager Befehl, um den Layer Stack Manager zu öffnen. Dort können Sie den erforderlichen Rigid-Flex-Modus aktivieren sowie die in Ihrem Rigid-Flex-Design benötigten Substacks erstellen und ausrichten.

Wenn sich der Layer Stack Manager öffnet, zeigt er den aktuellen Lagenaufbau der Leiterplatte an. Bei einer neuen PCB ist dies eine einfache zweilagige Leiterplatte. Um die Funktionen zu aktivieren, die für das Design einer Rigid-Flex-Leiterplatte benötigt werden, öffnen Sie das Untermenü Tools » Features oder klicken Sie auf die Schaltfläche Features ( ), um entweder den Standardmodus Rigid-Flex (auch als RF1 bezeichnet) oder den Modus Rigid-Flex (Advanced) (auch als RF2 bezeichnet) auszuwählen.

Wählen Sie den Befehl, um den erforderlichen Rigid-Flex-Modus zu aktivieren.

Auswahl zwischen Standard- und Advanced-Rigid-Flex-Modus

In Altiums PCB-Designsoftware stehen zwei Rigid-Flex-Designmodi zur Verfügung. Der ursprüngliche bzw. Standardmodus, bezeichnet als Rigid-Flex (oder rigid-flex 1), unterstützt Rigid-Flex-Designs mit: einzelnen oder mehreren starren und flexiblen Stackup-Definitionen. Um den Standard-Rigid-Flex-Modus zu verwenden, müssen Sie die gesamte Leiterplatte in der Draufsicht als eine einzige flache Form ohne überlappende Bereiche definieren können. Dies ist der Ansatz im rigid-flex 1-Modus – es wird eine einzelne, gesamte Leiterplattenform definiert, und anschließend werden Trennlinien gesetzt, um diese Form in die verschiedenen starren und flexiblen Bereiche zu unterteilen. Danach kann jeder Bereich einem Lagenaufbau zugewiesen werden. 

Erfahren Sie mehr über das Entwerfen einer Rigid-Flex-Leiterplatte im Standardmodus.

Wenn Ihr Design komplexere Rigid-Flex-Anforderungen hat, etwa überlappende Flex-Bereiche, benötigen Sie den Advanced Rigid-Flex mode (auch als rigid-flex 2.0 bekannt). Zusätzlich zu überlappenden Flex-Bereichen bietet der Advanced-Modus außerdem: visuelle Z-Ebenen-Definition der Substacks, unabhängige Definition jeder starren und flexiblen Region der Leiterplatte, Biegungen bei verschachtelten Aussparungen, benutzerdefinierte Split-Konturen, die Möglichkeit, Bookbinder-Strukturen zu definieren, die Möglichkeit, Coverlay in einen Flex-Bereich einzubeziehen, sowie Unterstützung für reine Flex-Designs.

Erfahren Sie mehr über das Entwerfen einer Rigid-Flex-Leiterplatte im Advanced-Modus.

Wechsel vom Standardmodus in den Advanced-Modus

Sie wechseln im Layer Stack Manager vom Standardmodus in den Advanced-Modus, wie im obigen Bild gezeigt. Wenn Sie im Menü Tools » Features die Option Rigid-Flex (Advanced) wählen, konvertiert die Software die einzelne Leiterplattenform automatisch in mehrere Board-Region-Objekte und weist die Lagenaufbauten wie erforderlich zu. Das folgende Video demonstriert den Vorgang.

Ein Überblick über den Wechsel vom Standard-Rigid-Flex-Modus in den Advanced-Modus.

Arbeiten mit Board Regions

Eine Board Region ist die Bezeichnung für jeden benutzerdefinierten Bereich der Leiterplatte, dem ein eindeutiger Lagenaufbau zugewiesen werden muss – eine Standardanforderung für eine Rigid-Flex-PCB. Im Bild unten wurde die Leiterplattenform in drei unterschiedliche Board Regions unterteilt: den oberen kreisförmigen Bereich, den schmalen Mittelstreifen und den unteren kreisförmigen Bereich.

Eine Rigid-Flex-Leiterplatte in der Board-Planning-Ansicht; beachten Sie, dass die Leiterplattenform in drei unterschiedliche Board Regions unterteilt wurde, wobei jeweils der Regionsname und der zugewiesene Lagenaufbau angezeigt werden.

Wenn eine neue Leiterplatte erstellt wird, hat sie standardmäßig eine einzelne Board Region. Wenn das Leiterplattendesign mehrere Regionen erfordert, können Sie entweder:

• eine einzelne Board Region in mehrere Regionen aufteilen (Standard-Rigid-Flex-Modus oder Advanced-Rigid-Flex-Modus), oder
• mehrere Board Regions platzieren, um die Gesamtform aufzubauen (Advanced-Rigid-Flex-Modus).

Board Regions werden im Board-Planning-Modus definiert und bearbeitet (Menü View).

Arbeiten mit Biegelinien

Biegelinien werden im Board Planning Mode definiert und bearbeitet (Menü View).

Die Eigenschaften einer Biegelinie

Biegelinien haben die folgenden miteinander verknüpften Eigenschaften:

• Bend Angle (a) – der Winkel, um den die Oberfläche des Flex-Bereichs gebogen wird.
• Radius (r) – der Abstand von der Biegeoberfläche, in dem sich der Mittelpunkt der Biegung befindet.
• Width (w) – die Breite des Oberflächenbereichs, der für den angegebenen Radius und Bend Angle gebogen wird.

Die Beziehung zwischen Bend Angle, Radius und width kann wie folgt ausgedrückt werden:

• w = a/360 * 2*Pi*r
• oder in Worten, width = Fraction of the circumference being bent * Circumference

Durchsuchen von Layer-Stack-Regionen und Biegelinien

Im Modus Layer Stack Regions des PCB panel  ändern sich dessen drei Hauptbereiche wie folgt (von oben nach unten):

• Die Namen der verfügbaren Layer Stacks.
• Die auf der Leiterplatte definierten Stackup Regions oder diejenigen, die einem ausgewählten Layer Stack zugewiesen sind.
• Die Liste der Bending Lines in der ausgewählten Stackup-Region

Während Sie den Modus Layer Stack Regions des Bedienfelds PCB verwenden, wechseln Sie über das Menü View » Board Planning Mode in die Ansicht Board Planning Mode oder verwenden Sie das Tastenkürzel 1.

Eine Leiterplatte kann in unterschiedliche Bereiche (Stackup-Regionen) unterteilt werden, denen bestimmte Layer-Stackup-Anordnungen (Layer Stacks) zugewiesen sind. Faltbereiche (Biegelinien) werden in den flexiblen Bereichen der Leiterplatte definiert.

Wenn im Bereich Layer Stacks des Bedienfelds PCB ein bestimmter Layer-Stackup-Name ausgewählt wird, wird eine Filterung angewendet, wobei der Layer Stack den Geltungsbereich des Filters bildet. Alle Leiterplattenbereiche, die diesem Stackup zugewiesen sind, werden daher im Bereich Stackup Regions des Bedienfelds aufgelistet. Entsprechend werden alle in einer ausgewählten Stackup-Region definierten Biegelinien im Listenbereich Bending Lines aufgeführt.

Ein Doppelklick auf eine Stackup-Region in der Liste (oder ein Doppelklick auf den Leiterplattenbereich selbst im Arbeitsbereich) öffnet den Dialog Board Region dialog (Standard-Rigid-Flex-Modus) oder den Modus Board Region mode of the Properties panel (Erweiterter Rigid-Flex-Modus). Verwenden Sie diesen Dialog bzw. dieses Bedienfeld, um einen Bereich umzubenennen, ihn einem Layer Stack zuzuweisen oder seine 3D-Eigenschaften zu sperren.

Ein Doppelklick auf eine Biegelinie in der Bereichsliste Bending Line des Bedienfelds öffnet den Dialog Bending Line dialog, in dem die Eigenschaften der Linie detailliert bearbeitet werden können.

Anzeigen und Falten eines Rigid-Flex-Designs in 3D

Der PCB-Editor enthält eine leistungsstarke 3D-Rendering-Engine, die eine hochrealistische dreidimensionale Darstellung der geladenen Leiterplatte ermöglicht. Diese Engine unterstützt auch Rigid-Flex-Schaltungen und erlaubt es dem Entwickler in Kombination mit dem Schieberegler Fold State im Bedienfeld PCB , das Rigid-Flex-Design im flachen Zustand (ohne angewendete Biegelinien-Einstellungen), im vollständig gefalteten Zustand (alle Biegelinien-Einstellungen angewendet) und in jedem Zwischenzustand zu untersuchen.

Um in den 3D-Anzeigemodus zu wechseln, drücken Sie die Tastenkombination 3 (drücken Sie 2, um zu 2D zurückzukehren, oder 1, um zum Board Planning Mode zurückzukehren). Die Leiterplatte wird in 3D angezeigt. Wenn die Bauteil-Footprints 3D-Body-Objekte enthalten, die das montierte Bauteil definieren, werden diese ebenfalls angezeigt. Im Bild unten sehen Sie, dass die Leiterplatte eine Batterie und einen Batterieclip enthält.

Um alle Biegelinien anzuwenden, verschieben Sie den Regler Fold State im Bedienfeld PCB, wenn dieses auf den Modus Layer Stack Regions eingestellt ist, wie im Bild unten hervorgehoben. Beachten Sie, dass die Biegungen in der durch ihre Sequenznummer definierten Reihenfolge angewendet werden. Biegelinien können dieselbe Sequenznummer haben; das bedeutet lediglich, dass diese Biegungen gleichzeitig gefaltet werden, wenn der Regler Fold State verwendet wird. Die Leiterplatte kann auch durch Ausführen des Befehls View » 3D View Control » Fold/Unfold (oder durch Drücken des Tastenkürzels 5) gefaltet/entfaltet werden.

Verwenden Sie den Regler Fold State (oder das Tastenkürzel 5), um alle Biegelinien in der durch ihren Sequenzwert (Fold Index) definierten Reihenfolge anzuwenden.

Unterstützung des 3D Movie Maker für Rigid-Flex-Designs

Die Möglichkeit, ein Rigid-Flex-Design zu falten, kann auch als 3D-Film aufgezeichnet werden. Dies ist sehr einfach und erfordert während der Faltsequenz keine Verwendung von Film-Keyframes.

Eine ausführliche Beschreibung zum Erstellen eines 3D-Films finden Sie auf der Seite Preparing a 3D PCB Video page. Als grundlegende Anleitung:

1. Schalten Sie den PCB-Editor in den 3D-Modus.
2. Öffnen Sie das Bedienfeld PCB 3D Movie Editor und erstellen Sie ein neues Video, indem Sie auf die Schaltfläche New klicken. Klicken Sie im Bereich Movie Title auf das neu erstellte Video und geben Sie ihm einen passenden Namen.
3. Erstellen Sie ein anfängliches Key Frame, das die Leiterplatte im ungefalteten Zustand zeigt.
4. Verschieben Sie den Regler Fold State, um das Rigid-Flex-Design im gefalteten Zustand anzuzeigen, und positionieren Sie dann die gefaltete Leiterplatte wie gewünscht.
5. Erstellen Sie nun ein zweites Key Frame für diese Ansicht und legen Sie die Zeit fest. Überlegen Sie, wie lange das Falten des Rigid-Flex-Designs dauern soll (die Einstellung Duration); typischerweise sind dies einige Sekunden.

6. Um zu prüfen, ob das Video den Faltvorgang korrekt erfasst, klicken Sie auf die Wiedergabeschaltfläche (sie befindet sich in den Player-Steuerelementen unten im Bedienfeld.

   

7. Um eine Filmdatei zu erzeugen, fügen Sie in einer Output-Job-Datei eine PCB 3D Video Documentation Output hinzu. Denken Sie daran, die Videoformatoptionen im Dialog Video settings dialog zu konfigurieren.
8. Klicken Sie in der Output-Job-Datei auf den Link Generate Content, um die Filmdatei zu erstellen.

Das folgende Video wurde mit diesem Verfahren erstellt. Es enthält die beiden oben beschriebenen Keyframes sowie einen zusätzlichen Keyframe, der am Ende hinzugefügt wurde, um die Endposition eine Sekunde lang zu halten.

Ein einfacher 3D-Film, erstellt aus drei Keyframes; das Faltverhalten wird durch die Sequenzwerte der Biegelinien definiert.

► Erfahren Sie mehr über Preparing a 3D PCB Video

Designüberlegungen

Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung wichtiger Designbereiche, die beim Entwurf einer Rigid-Flex-Leiterplatte berücksichtigt werden müssen:

• Leiterbahnführung – die Wahl des Eckstils für Leiterbahnen, die über einen Flex-Bereich verlaufen, ist wichtig; vermeiden Sie scharfe Ecken; verwenden Sie eine Kurve für minimale Belastung.
• Pad-Form und -Fläche – verwenden Sie Verrundungen (Teardrops) mit Rabbit Ears (Verankerungsspornen) für einseitige Flex-Schaltungen. Ziel ist es, einen Teil der Pad-Form mit dem Coverlayer zu erfassen.
• Durchkontaktierungen – versuchen Sie, Durchkontaktierungen im Biegebereich zu vermeiden, insbesondere bei dynamischen Anwendungen.
• Coverlay – vermeiden Sie Spannungsspitzen (freiliegende einlaufende Leiterbahn); reduzieren Sie die Öffnung im Coverlayer auf 250 µm.
• Flächen – wenn möglich, schraffiert.
• Versetzte Längen – um ein Knicken der Lagen beim Biegen zu vermeiden (Bookbinding), staffeln Sie die Längen der Lagen um etwa das 1,5-Fache der Lagenstärke.
• Service-Schleife – machen Sie den Flex-Bereich etwas länger, um die Montage/Demontage zu erleichtern und Produktmaßabweichungen auszugleichen (diese zusätzliche Länge wird als Service-Schleife bezeichnet).
• Kupfer sparen – berücksichtigen Sie, wie die Flex-Schaltung im Nutzen angeordnet wird; möglicherweise ist es besser, das Design anzupassen, um die Materialnutzung zu optimieren.
• Nutzenanordnung – richten Sie die Flex-Bereiche entsprechend der Materialfaser aus (Biegung entlang der Faser).
• Reißfestigkeit – gerundete Ecken; gebohrtes Loch an der Ecke; Loch im Schlitz; Metall in den Ecken stehen lassen.
• Leiterbahnführung – versetzen Sie die Leiterbahnen auf zweiseitigen Leiterplatten, um I-Beam-Effekte zu vermeiden, und verbreitern Sie die Leiterbahnen in der Biegezone (dies ist besonders wichtig bei dauerhaften Biegungen).
• Statisches Biegeverhältnis – Festlegen des Verhältnisses von Biegeradius zu Schaltungsdicke. Idealerweise sollten mehrlagige Schaltungen ein Biegeverhältnis von mindestens 15:1 aufweisen. Bei doppelseitigen Schaltungen sollte das Mindestverhältnis mindestens 10:1 betragen. Bei einlagigen Schaltungen sollte das Mindestverhältnis ebenfalls mindestens 5:1 betragen. Für dynamische Anwendungen sollte ein Biegeverhältnis von 20–40:1 angestrebt werden.
• Gewalztes, geglühtes Kupfer ist duktiler; galvanisch abgeschiedenes Kupfer ist für flexible Bereiche nicht die beste Wahl.

Dokumentations- und Zeichnungsanforderungen

Typische empfohlene Dokumentationsanforderungen sind:

1. Die Flex-Leiterplatte ist gemäß IPC-6013, Klasse (hier Ihre Anforderung einfügen), zu fertigen.
2. Die Flex-Leiterplatte ist so aufzubauen, dass mindestens die Entflammbarkeitsklasse V-0 erreicht wird (falls erforderlich).
3. Die Flex-Leiterplatte muss RoHS-konform sein (falls erforderlich).
4. Das starre Material muss GFN gemäß IPC-4101/24 sein (bei Verwendung von Epoxidmaterial).
5. Das starre Material muss GIN gemäß IPC-4101/40 sein (bei Verwendung von Polyimidmaterial).
6. Das flexible kupferkaschierte Material muss IPC 4204/11 entsprechen (flexibles, klebstofffreies kupferkaschiertes Dielektrikummaterial).
7. Das Covercoat-Material muss IPC 4203/1 entsprechen.
8. Die maximale Leiterplattendicke darf (hier Ihre Anforderung einfügen) nicht überschreiten und gilt nach allen Laminier- und Galvanikprozessen. Gemessen wird über fertig galvanisierten Oberflächen.
9. Die Dicke des Acrylklebstoffs im starren Bereich des Nutzens darf 10 % des Gesamtaufbaus nicht überschreiten. Siehe die obigen Anmerkungen hierzu.
10. Beutelmaterial kann zur Erleichterung der Fertigung verwendet werden und muss vor dem Versand aus dem flexiblen Bereich der Leiterplatte entfernt werden.
11. Die Dicke des flexiblen Bereichs muss (hier Ihre Anforderung einfügen) betragen. Diesen Hinweis nicht hinzufügen, wenn diese Dicke nicht kritisch ist.
12. Die Mindest-Kupferwanddicke metallisierter Durchkontaktierungen muss (hier Ihre Anforderung einfügen; .001” im Mittel wird empfohlen) betragen, bei einer minimalen Ringbreite von (hier Ihre Anforderung einfügen; .002 wird empfohlen).
13. Grüne LPI-Lötstoppmaske (falls erforderlich) nur in den starren Bereichen der Leiterplatte auf blankes Kupfer auf beiden Seiten aufbringen. Alle freiliegenden Metallflächen erhalten (hier Ihre Anforderung an die Oberflächenbeschichtung angeben).
14. Beidseitiger Siebdruck auf der Leiterplatte (falls erforderlich) mit weißer oder gelber (am gebräuchlichsten) nichtleitender Epoxidfarbe.
15. Anforderungen an Kennzeichnung und Identifikation.
16. Anforderungen an elektrische Prüfungen.
17. Anforderungen an Verpackung und Versand.
18. Anforderungen an die Impedanz.

Zusätzliche Zeichnungsdetails

1. Eine Bohrtabelle mit Angaben zu fertigem Lochdurchmesser, zugehörigen Toleranzen sowie metallisiert/nicht metallisiert.
2. Eine Maßzeichnung einschließlich Bezugsdatum/-daten, kritischer Abmessungen, Übergängen von starr zu flexibel, Biegeposition und Richtungsmarkierungen.
3. Nutzenangaben, falls erforderlich.
4. Aufbau- und Lagenangaben mit Details zu den für jede Lage verwendeten Materialien, Dicken und Kupfergewichten.

Referenzen

Technischer Leitfaden für Flex- und Starrflex-Schaltungen - Epec Engineering Technologies

Flexible Circuit Technology - Joe Fjelstad

Flex Circuits Design Guide - Minco Products Inc

Minco Products Flex Resources

Machine Design Website:

• Grundlagen des Flex-Schaltungsdesigns - Robert Repas
• Flexibel bleiben - Mark Finstad, Anwendungsingenieur