Wege in die dritte D mension

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1 ' ', i : : í : i Ì i, : ' : : : :t:i:ì':t::::i:l: :jti: Wege in die dritte D mension M eh rd i mensionle Leiterpltten t' l l Autor: Johnn Hckl, Häusermnn Dreidimensionle Leiterpltten lssen sich mit verschiedenen Verfhren, Aufbuvrinten und Mterilien konstruieren. Jede von den hier vorgestellten drei Verfhren nutzt ndere Aufbuten und ht ndere technische Eigenschften, konstruktive VoÊeile und Grenzen. Ds Wissen um die Möglichkeiten und Eigenschften der Verfhren hilft, die für die jeweilige Bugruppe optimle Lösung uszuwählen.. Dreidimensionle Leiterpltten nutzen engen Einburum geschickt und optiml us. Die Möglichkeit, Teile einer Schltung uf verschiedenen Leiterpltten oder Leiterplttensegmenten direkt miteinnder zu verbinden, ersetzt zudem Steckverbindungen und Kbel. Dreidimensionle Leiterpltten können ber nicht nur die Pckungsdichte vergrößern, Gewicht reduzieren, die Zuverlässigkeit der Bugruppe erhöhen, sie eröffnen uch neue konstruktive Möglichkeiten und reduzieren die Systemkosten. Chrkteristisch ist, dss Leiterpltten ls zweidimensionle Leiterpltte lyoutet, im Nutzen gefedigt und bestückt werden. Erst nch dem Bestücken wird die Leiterpltte in die dreidimensionle Form gebogen. Dbei unterscheidet mn zwischen einmligem Biegen und wenigen Biegungen z.b. beim Einbu oder Montge, oder häufigem Biegen z.b. bei hohen Biegezyklen im Einstz. d tl i{ il 12 l@ektoúusiness

2 Strrflex-Leiterpltte: vielseitige Geometrien und Lyouts Strrflexible Leiterpltten sind eine bevougte und optimle Lösung, wenn mehrere strre Leiterpltten in unterschiedlichen Einbulgen und Ausrichtungen elektrisch verbunden werden sollen. Die Teile der Schltung sind uf mehrere strre Schltungsträger verteilt und über eine flexible Folie us Polyimid miteinnder verbunden. rnzen fur unterschiedlich lnge Werkzeuge simulieren. Außerdem lssen sich digitle Schltusgänge für eindeutige Signlmeldungen drüber progrmmieren, ob ein Werkzeug gut oder schlecht gespnnt ist. Ds usgeklügelte Design ist in einemvierlgigen Strrflex-Multilyer umgesetzt (gerde ml 122,89 mm lng und 70,1S mm breit mit Nickel-Gold-Oberfläche), der vier strre Teile u.. mit einem sich bhebenden Flexteil verbindet. Druf befinden sich u.. ein Mik- d) u) E.l c) - _.- f Lötstopp Kupfer f Polyimid Epoxidkleber Kem FR4/Prepreg ) Flexlge ußen, Endkupfer pm bl lnnenlge, mximl 70 pm c) Außenlge, Endkupfer pm d) Deckfolie / Flexlck ; iir j 'i" Die nspruchsvolle Elektronik für den Werkzeugspnner Power-Check ist uf einem vierlgigen Strrflex-Multilyer untergebrcht, der vier strre Teile u.. mit einem Flexteil verbindet. Die Flexfolie ist in den Lgenufbu der verbundenen Leiterpltten integriefi. Elektrisch verbunden sind der flexible und der strre Teil mit geätzten Leiterbhnen uf dieser Flexfolie. An den Biegestellen wird ds FR4-Mteril bis zur Flexfolie weggefräst. Ds dünne Polyimid grntiert eine mximle dreidimensionle Anpssungsfähigkeit n begrenzte Rumverhältnisse. Der Pltzbedr.f der Leiterpltte lässtsich sozusgen,,wegflten". Die Strrflex-Technik ist bezüglich Lyoutmöglichkeiten und Geometrien sehr vielseitig. Ein weiterer Vorleil: Ds Reduzieren vieler Lötstellen, Kbel, Drähte, Steckbrücken und Steckverbindern sprt nicht nur Pltz und Gewicht, sondern eliminiert potenzielle Fehlerquellen und reduziert die Gesmtkosten. Allerdings müssen für die dünnen Mterilien des flexiblen Leiterplttenteiles die Biegerdien und Biegezyklen eingehlten werden. Ein Beispiel: Ds kompkte Gehäuse des Werkzeugspnners Power- Check von Ott-Jkob im Allgäu, psst in die Werkzeugmgzine sämtlicher Mschinenhersteller. Der Werkzeugspnner prüft die Krft, mit der ds Werkzeug in den Spindelkonus der Werkzeugmschine eingezogen wird. Unterschreitet die Krft einen bestimmten Schwellenwed, drohen vermehrter Werkzeugverschleiß oder Vibrtionen, die unsubere Berbeitungsspuren uf einem Werkstück hinterlssen. Der Power-Check prüft ber nicht nur die Krft: beim Einrichten einer neuen Motorspindel lssen sich verschiedene Tole- : rii'ì 1r. Pr nzip einer Strrflex-Leiterpltte: Die Flexfolie, welche die strren Leiterpltten miteinnder verbindet, ist in den Lgenufbu der Leiterpltten integriert. An den Biegestellen wird ds FR4-Mteril bis zur Flexfolie weggefräst. rocontrol ler, ei n Messgeräteverstärker, mehrere Mg netschlter, LEDs für ds Disply, ein komplettes Frontend für eine Funkübertrgung sowie eine Lithium-Zelle ls Energiespeicher. Semiflex-Leiterpltte: die preisgünst ge Alterntive zu Strrflex Als preisgünstige Alterntive zur Strflex-Technik lässt sich die Semiflex-Technik einsetzen. Semiflex-Leiterpltten bieten gegenüber klssischen strrflexiblen Leiterpltten deutliche Kostenvodeile bei eingeschränkten Biegeeigenschften. Der Grund: Die Semiflex- Leiterpltte benötigt keine hochpreisigen Flexfolien-Mterilien. Es wird eine strre Stndrd-FR4-Leiterpltte hergestellt und die flexiblen Bereiche werden in die Tiefe gefräst. Die verbleibende Dicke des FR4 in diesen Bereichen beträgt c. 150 pm. Die Leiterpltte ist somit in diesem Bereich gemeinsm mit den druf pltzierten Leiterbhnen und dem über den Leiterbhnen ufgebrchten Flexlck oder der Deckfolie biegbr. lm Unterschied zur Strrflex- Technik muss der Biegerdius mindestens 5 mm groß sein. Der Semiflex-Aufbu eignet sich gut für sttische Biegebenspruchung bei Montge und Einbu. lm einfchsten Fll lässt sich ein Teil der Leiterpltte nch dem Bestücken bwinkeln und beim Einbu in ds Gehäuse in dieser Position fixieren. Elektor Business Leiterpltten 13

3 ness Simultion 3 Bild 3. Die Semiflex-Leiterpltten-Konstruktion wird zweiml um 90" gebogen, wobei 195 elektrische Verbindungen über die beiden semif lexiblen Bereiche gef ührt werden. Ein Beispiel: n einem neu entwickelten Prüfstnd der Firm LSP lnnovtive Automotive Systems GmbH für den Automotive-Bereich konnten die Vorteile der Semiflex-Technologie genutzt werden. Dieser Prüfstnd dient zur elektromotorischen Betätigung der 1 6 Gswechselventile eines Forschungs-Verbrennungsmotors. Aus Montge- und Burumgründen ist die Regelungseinheit von 4 Ventilen eines Zylinders zu e nem u-förmigen Modul zusmmen gefsst. Prüfstndsmesssignle werden im zentrlen Teil der Pltine erfsst und müssen in die seitlichen Flügel verteilt werden. D eine Lösung mit Steckern nicht in den Burum psste, wurde die Semiflex-Technologie ls pssendste und kostengünstigste Leiterplttentechnik gewählt. Bild 5. Der ecube-wüfel von Continentl ist ein Demonstrtor für ein Modul, ds über BGA-Anschlüsse uf dem Motherbord von Motorsteuerungen montiert wird. Länge von 8,5 mm und die Gesmtbreite ller Biegebereiche beträgt 426 mm. lnsgesmt werden 195 Leiterbhnen über die vier semiflexiblen Bereiche geführt. Zwelml um 90" gebogen benötigt die Leiterpltte im verbuten Zustnd nur noch eine Fläche von 175 mm x 67 mm x276 mm. Die Stromführung zu den Leistungsbuteilen und sogr deren Entwärmung konnte mit eingebetteten Kupferprofilen uf derselben Leiterpltte relisiert werden. c) ) :r i ) LÖtstopp ffi Kupfer! Polyimid KemFfl4/Prepreg ) Außenlge, Endkupfer35-70 pm lnnenlge. mximl 105 pm c) Deckfolie/Flexlck 't ti if,i rè 'f 1t l.rx.t jl.i il it:] tl Bild 4. Prinzip einer Semiflex-Leiterpltte: Die flexiblen Bereiche. werden in die Tiefe gefräst, wobei zirk 150 pm FR4 verbleiben. ln diesem Bereich ist die Leiterpltte gemeinsm mit den druf pltzieéen Leiterbhnen und dem ufgebrchtem Flexlck biegbr. lm ebenen Zustnd misst die Semiflex-Leiterpltte 413 mm x 276 mm und besteht us 6 Lgen mit jeweils 70 pm Kupfer. Die während der Montge um 90o zu biegenden Bereiche hben eine HSMtec 3D-Leiterpltte: d e selbsttrgende 3D-Konstruktion Ohne Flexfolie n der Biegestelle kommt die HSMtec 3D-Leiterpltte us. Bei dieser Technik werden Kupferdrähte und Kupferprofile, die im FR4-Mteril des Multilyers verpresst sind, ls biegbres Mteril verwendet. An den Biegeknten wird ds FR4 mit Kerbfräsungen bgetrgen. An diesen Sollbiegestellen lssen sich einzelne Segmente mit einem Neigungswinkel bis +90" usrichten. Die Besonderheit: Die Kupferdrähte und Kupferprofile erluben eine selbsttrgende Konstruktion, wobei uch hohe Ströme oder Wärme über die Biegeknte hinweg geführt werden können. Auf diese Weise lssen sich mehrdimensionle Anwendungen mit Leistungselektronik über den Biegebereich oder mit einer rschen Wärmespreizung bei Schltungsträgern für LEDs kombinieren. Die Konstruktion ist prädestiniert für Einmlbiegungen z.b. für Anwendungen, bei denen der flexible Bereich nur für den Einbu der Bugruppe gebogen wird. Die Leiterpltte ist qulifizierl nch DN EN und JEDEC A 101-A sowie für Luftfhrt und Automotive uditied. Ein weiterer Vorteil: Durch die niedrige Feuchtigkeitsufnhme entfllen zumeist thermische Vorbehndlungen beim Löten. Außerdem sind lle weiteren Prozesse vollständig komptibel zum Stndrd-Fertigungsprozess. 14 Qektorbusiness

4 å lë ) bl c) d) ).- _lr Lötstopp! Kupfer Profil/Drhr Kern FR4/prepreg - ) Außenlge, Endkupfer pm c) 120" Kerbfräse bei schließender Kerbe durch Biegen lnnenlge, mximl 105 rm d) 90'Kerbfräse bei öffnender Kerbe durch Biegen Bild 6. Prinzip einer HSMtec 3D-Leiterpltte: Kupferelemente, die im Multilyer verpresst sind, werden ls biegbres Mteril verwendet. An den Biegeknten wird ds Leiterplttenmteril mit Kerbfräsungen bgetrgen. Die Möglichkeiten dieses 3D-Aufbus demonstriert eoube - ein Würfel, entstnden in einem Forschungsprojekt unter Leitung von Continentl Automotive. Ds Ziel wr, eine dreidimensionle würfel- oder quderförmige Leiterpltte zu entwickeln, die uf einem vorhndenen Continentl-Stndrdleiterplttenlyout für eine Motorsteuerung bsiert. Die Buteile sollten uf einer Bestückungslinie mit den bestehenden Bestückutomten uf der Leiterpltte montiert werden. Die Leiterpltte wurde nch dem Bestücken n den definierten Knickknten gefltet und die entstndenen Stoßknten elektrisch und mechnisch verbunden. Nch dem Verbinden der Knten wurde der Würfel uf der Bsispltte usgerichtet und sowohl elektrisch ls uch mechnisch zusmmengefügt. Der Wüdel wird über einen Bll-Grid-Arry-Aufbu mit dem Motherbord der Motorsteuerung verbunden. Ws im ersten Moment ufwändig erscheint, nämlich eine mehrdimensionle Leiterplttenkonstruktion uf die eigeniliche Leiterpltte der Motorsteuerung zu montieren, ist bei näherer Betrchtung technisch clever und wirtschftlich gglöst. Mit der mehrdimensionlen Leiterpltte wird ein Modul konstruiert, ds sich in verschiedenen Vrinten - ber stndrdisierl fertigen lässt und dbei den verfügbren Burum nutzt. Expertentipp: Der perfekte Spgt Mehrdimensionle Leiterpltten bringen einen Mehrwert für die elektronische Bugruppe. Obwohl die 3D-Leiterpltte in der Herstellung wertiger und teurer ls eine strre Leiterpltte ist, sinken die Systemkosten der Gesmtlösung. Die dreidimensionle Leiterpltte wird ls zweidimensionle Leiterpltte lyoutet und gefertigt und nch der Montge in die gewünschte dreidimensionle Form gebrcht. Aus der Sicht des Leiterplttenherstellers, steht die Fertigbrkeit im Vordergrund und es gilt, den Spgt zu schffen zwischen Stbilität, Flexibilität und Genuigkeit. Stbitität, dmit die fertige Leiterpltte bestückbr, reflowofen- und testtuglich ist; Flexibilität, um die Leiterpltte einfch und schnell vom Nutzen zu trennen und Genuigkeit, weil zu viele Hltestege unsubere Spuren hinterlssen würden. >> þnzeigel SCHNELL. ZUVERLÄSSG. PROFESSONELL r Deutschtnd:lve t 4,90 Eurci- Lieferkostenpuschte # r Zustettung m nächsten Arbeitstg bei Bestetteingng r 500 nmhfte Herstelter t Artiket b Lger verfügbr r Sitz mit Le 0berhchin g bei München bis 1B:00 Uhr $ rsrtþ 'll r.l,l!rl /,/,/,/ l;iirf,lirr f flilir'ljlli buerktin.com ElektorBusiness Leiterpltten 15

5 Jektorbusiness 3D -Sch ltun gsträg er: Leiterplttentypen m Verg leich Strrflex-Leiterpltte Semiflex-Leiterpltte HSMtec 3D-Leiterpltte i M Aufbu und Funktionsprinzip. Biegung über Polyimid und Kupfer. Biegerdius mind. 1 mm. 2 Biegelgen. mx. Biegewinkel 180". Mehrfchbiegungen. Biegung iiber FB -Reststeg und Kupfer. Biegerdius mind. 5 mm. 2 Biegelgen. mx. Biegewinkel 180" bedingtmehrfchbiegung. Biegung über Kupferdrht und Kupferprofil. 1 Biegelge. mx. Biegewinkel t90'. keinemehrfchbiegung Anwendung und Einstzgebiet. enge Biegerdien. komplexeeinbusitution. flexible Montge o Feinleiterstrukturen>150 llm Line/Spce. für sttische Biegung bei Montge und Einbu feste Montge Feinleiterstrukturen>150 pm Line/Spce selbsttrgende stblle Konstruktion Kombintion mit Hochstrom über die Biegestelle Kombintion mit Wärmemngement für LEDs Eig enschften UL-zertifiziert HDltuglich selbsttrgend lmpednz-kontrolliert l j nein j.j 'j. nein.l l j j nei n Vorteile vielfältige Geometrien u. Lyoutmög lichke iten. symmetrischer und symmetrischer Aufbu. Mehrfchbiegungen. kleine Biegerdien. mehrere Flexlgen möglich kostengünstige Alterntive zur Strrflex-Lösung einfche Verrbeitung Auf bu selbsttrgender stbiler 3D-Strukturen ohne zusätzliche Montgen Kombintion mit Leistungselektronik oder Wärmebleitung über den Biegebereich Nchteile Trocknungsprozess vor dem Bestücken 120"C,2h größerer Biegerdius ls Strrflex-Leiterpltte nur bedingt Mehrfchbiegungen keine Mehrfchbiegung möglich Preisreltion T 16 lekto bus ness