In modernen Kraftfahrzeugen werden zahlreiche elektronische Bauteile eingesetzt, und die Anzahl der elektronischen Steuersysteme kann 250 übersteigen. Beim Fahren eines Autos können wir die elektronischen Steuersysteme überall leicht erkennen, unter anderem unter der Abdeckung, rund um die Stromversorgungssteuerung, im Fahrzeuginnenraum oder in der Nähe des Lenkrads.
Was die Automobilelektronik betrifft, weisen sowohl elektrische als auch elektronische Geräte äußerst komplexe Strukturen auf. Automobilelektronische Systeme müssen technische Spezifikationen in größtmöglichem Umfang erfüllen und erweiterte Belastungs- und Zuverlässigkeitstests durchlaufen, da alle automobilen Anwendungen aufgrund ihres Einsatzes in rauen Umgebungen entsprechenden Prüfungen unterzogen werden. Daher werden die technischen Anforderungen und Spezifikationen dieser elektronischen Systeme von dem Gedanken bestimmt, hohe Zuverlässigkeit bei möglichst niedrigen Kosten zu erreichen, was deutlich strengere Anforderungen mit sich bringt als bei herkömmlichen starren Leiterplatten (Printed Circuit Boards, PCB). Die Verbindung zwischen Leiterplatten muss hergestellt werden, und sie müssen mit Peripheriegeräten verbunden werden; all dies kann durch den Einsatz herkömmlicher Kabel und Drähte, Flachbandkabel, Drahtbrücken, Steckverbinder usw. realisiert werden. Dennoch sind es während der Prüfverfahren zur erweiterten Zuverlässigkeit, bei Belastungstests und im realen Fahrbetrieb in der Regel minderwertige Lötstellen und Steckverbinder, die zu elektrischen Ausfällen führen.
Vorteile der Anwendung von Flex-Rigid-Leiterplatten in Kraftfahrzeugen
Um das im ersten Absatz erwähnte Problem erfolgreich zu lösen,Flex-Rigid-Leiterplattewird angewendet, um die Anzahl der Steckverbinder und Lötstellen zu reduzieren, was seit über 20 Jahren befolgt wird. Da starrflexible Leiterplatten in automobilen Systemen eingesetzt werden, können die folgenden Vorteile genutzt werden.
• Offensichtliche Verbesserung der Produktqualität und Zuverlässigkeit
Bei der Verwendung von Flex-Rigid-Leiterplatten im Automobilbereich können Steckverbinder und Lötstellen reduziert werden, was die potenziellen Risiken elektrischer Ausfälle verringern kann. Die Leistung und Zuverlässigkeit elektronischer Steuerungssysteme in Fahrzeugen steigt proportional mit der Verringerung der Anzahl von Steckverbindern und Lötstellen.
• Kostenreduzierung durch Verringerung der Fertigungsschritte
Wenn eine Starrflex-Leiterplatte eingesetzt wird, entfallen das Löten des Flachbandkabels und die Montage der Steckverbinder, sodass die Kosten sinken. Letztendlich ist die Umsetzung des gesamten Herstellungsprozesses kostspielig.
• Vereinfachung und Eliminierung von Wartung
Flex-RigidLeiterplatte für Automobilebesteht aus zwei oder mehr starren Materialteilen und einem oder mehreren flexiblen Materialteilen, wobei die starren Abschnitte durch den Einsatz flexibler Materialien miteinander verbunden sind. Jede Starrflex-Leiterplatte kann präzise in einem kleineren Gehäuse untergebracht werden, sodass ein Großteil der Verwaltung und Wartung entfällt.
• Verbesserung der Gestaltungs- und Montagefreiheit
Entwickler von Flex-Rigid-Leiterplatten sind nur für das Layout der starren Leiterplatte verantwortlich. Was den flexiblen Abschnitt betrifft, müssen sie lediglich die Verbindung führen und können ihn nach Belieben befestigen, aufhängen oder stapeln, was die Konstruktion und Montage erheblich erleichtert.
Bis jetzt sind zwei Arten von starrflexiblen Leiterplatten auf dem aktuellen Markt erhältlich:
a. Semi-flexible LeiterplatteDer flexible Abschnitt der semi-flexiblen Leiterplatte besteht aus dünnem FR-4-Material und ist besonders geeignet für Anwendungen, die nur wenige Biegezyklen erfordern. Darüber hinaus führt die semi-flexible Leiterplatte zu geringen Kosten.
b. Mehrfach-flexible Leiterplatte. Hergestellt aus Polyimid (PI)-Material, arbeitet die multiflexible Leiterplatte zuverlässig in Anwendungen, die dynamische Flexibilität erfordern. Da sich die PI-Schicht in den internen starren Abschnitt der Starrflex-Leiterplatte ausdehnen kann, sind multiflexible Leiterplatten besser für Anwendungen geeignet, die eine allmählich zunehmende dynamische Flexibilität erfordern.
Mehrfach-flexible Leiterplatte
Wenn der flexible Abschnitt einer Starrflex-Leiterplatte aus flexiblem PI-Kupferfolienmaterial hergestellt wird, gehört sie zur Kategorie der multiflexiblen Leiterplatten. Als eine Art herkömmlicher Starrflex-Leiterplatte wird die multiflexible Leiterplatte seit mehr als drei Jahrzehnten eingesetzt. Die multiflexible Leiterplatte weist eine Hybridstruktur auf, die aus einem laminierten starren Substratmaterial und einem flexiblen Substratmaterial besteht, wobei die Verbindung zwischen den elektrischen Leitern durch galvanisch beschichtete Durchkontaktierungen hergestellt wird, die sowohl durch starre als auch durch flexible Materialien verlaufen. Abbildung 1 unten zeigt den Aufbau einer zweilagigen Starrflex-Leiterplatte.
In Übereinstimmung mit Abbildung 1 lässt sich feststellen, dass das flexible Substratmaterial auf herkömmlichem PI-Kupferfolienmaterial basiert und nicht nur im flexiblen Bereich verlegt wird, sondern auch den gesamten starren Bereich abdeckt. Es ist jedoch gleichermaßen effektiv, bestimmte Strukturen aus PI-Kupferfolie nur in ausgewählten Bereichen zu verlegen. Da die Fertigungskomplexität zunimmt, sobald flexible PI-Kupferfolie nur in ausgewählten Bereichen eingesetzt wird, wird dieses Verfahren im Allgemeinen nur selten verwendet.
Bei mehrlagigen flexiblen Leiterplatten kann der Klebstoff aufgrund seines relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE, coefficient of thermal expansion) in Z-Richtung während Spannungs- oder Thermoschocktests zu mechanischen Schäden an galvanisch durchkontaktierten Vias führen. Daher ist es bei Kfz-Leiterplatten, die eine höhere thermische Zuverlässigkeit erfordern, zwingend erforderlich, im starren Bereich auf flexibles Basismaterial und Coverlay zu verzichten, da galvanisch durchkontaktierte Vias in der Regel im starren Bereich eingesetzt werden.
Darüber hinaus müssen Zuverlässigkeitsprobleme in Bezug auf die Temperatur im Hinblick auf Klebstoff und nicht fließendes Prepreg aus gewöhnlichem FR4 berücksichtigt werden, da FR4-Prepreg ebenfalls eine Art Substratmaterial mit hohem CTE ist. Das nicht fließende Prepreg aus gewöhnlichem FR4 weist eine Tg von 105 °C auf, die um etwa 30 °C niedriger ist als die des herkömmlichen FR4-Prepregs.
Abgesehen von FR4-Material, das als starres Substratmaterial verwendet wird, ist nahezu jede Art von starrem Material für mehrlagige flexible Leiterplatten geeignet, einschließlich High-Tg-Material, halogenfreiem Material oder sogar Hochfrequenzmaterial.
Die Mehrheit der flexiblen Materialien für Starrflex-Leiterplatten verwendet PI mit Klebstoff oder PI ohne Klebstoff, das eine bessere Leistung bietet. Nichtsdestotrotz können PEN- und PET-Materialien ebenfalls für einfache und asymmetrische Starrflex-Leiterplattenstrukturen verwendet werden. LCP (flüssigkristallines Polymer) kann als optimales flexibles Material ohne Klebstoff mit hochzuverlässigem Design und Design für Hochgeschwindigkeitssignalübertragung angesehen werden. Es wird empfohlen, sie vor ihrer Verwendung zu backen, um Feuchtigkeit zu entfernen, da PI eine hohe Feuchtigkeitsaufnahme aufweist. Mehrlagen-Flex-Leiterplatten mit LCP als Substratmaterial müssen jedoch nicht gebacken werden.
Was starre-flexible Leiterplatten betrifft, ermöglichen Multi-Flex-Schaltungen, dass mehrere flexible Lagen gleichzeitig verfügbar sind. Da komplexe Schaltungsverbindungen integriert entworfen werden, können sie wiederholt hergestellt werden, was gegenüber Kabel- und Drahtverbindungen vorteilhaft ist. Dadurch kann ein Signalübertragungsleitungsdesign mit kontrollierter charakteristischer Impedanz implementiert werden, um Koaxialkabel zu ersetzen.
Semi-flexible Leiterplatte
Semi-flexible Leiterplatten ermöglichen keine dauerhafte Biegebeanspruchung. Tatsächlich führt der flexible Teil einer Starrflex-Leiterplatte in vielen Anwendungen nur wenige Biegebewegungen aus, etwa während der Montage, Nacharbeit und Wartung. Daher ist teures flexibles Material wie PI für solche Anwendungen nicht erforderlich, und es wird stattdessen ein biegsames Material verwendet, das ausreichend ist. Außerdem können die Kosten gesenkt werden. Semi-flexible Leiterplatten können herkömmliches Basismaterial für Mehrlagen-Laminierungen nutzen, sodass vermieden wird, unterschiedliche Materialien miteinander zu verpressen, wodurch die inneren thermischen Spannungen auf ein Minimum reduziert werden. Um flexibles Material zu erhalten, besteht die optimale Methode darin, herkömmliches FR4-Basismaterial so zu gestalten, dass es ausreichend biegsam ist. Natürlich besteht eine weitere Methode darin, die Dicke des flexiblen Bereichs selektiv zu verringern.
Die semi-flexible Leiterplatte wird unter Verwendung derselben Fertigungstechnologie wie herkömmliche doppelseitige Leiterplatten und mehrlagige Leiterplatten hergestellt. Das Ausdünnen des flexiblen Bereichs kann durch Fräsen erfolgen. Darüber hinaus wird die semi-flexible Leiterplatte mit einer ähnlichen Fertigungstechnologie wie herkömmliche Leiterplatten produziert, mit dem Unterschied, dass ein Flexibilitätsherstellungsprozess hinzugefügt wird.
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