Starrflexible Leiterplatten ersetzen komplexe Verkabelungen

Eine Erfolgsgeschichte

(PresseBox) ( Niedernhall, )
Durch immer ausgefeiltere Entwicklungs- und Fertigungsmethoden in Elektrotechnik, Elektronik und Feinmechanik können Steckverbindungen, Elektroantriebe oder Sensoren auf immer kleinere Ausmaße geschrumpft werden. Dennoch bleibt ein Knackpunkt: komplexe Verkabelungen brauchen Platz - und gerade der ist oft nicht vorhanden. Abhilfe schaffen hier Starrflex- Leiterplatten. Sie sind das Ergebnis einer kreativen interdisziplinären Zusammenarbeit des Antriebsherstellers WITTENSTEIN AG aus Igersheim und Würth Elektronik in Niedernhall (beide Baden- Württemberg).

Hochpräzise Servomotoren werden in den unterschiedlichsten Branchen eingesetzt und müssen verschiedene Vorschriften von der Verfahrenstechnik der Luft- und Raumfahrt bis hin zu Medizintechnik oder Automobilbau einhalten. Bei vielen Anwendungen ist die vorhersagbare Zuverlässigkeit der eingesetzten Komponenten wichtig. Natürlich müssen für solche Motor-Getriebe-Einheiten sowohl die Mechanik als auch die Steuerelektronik immer weiter optimiert oder intelligente Sensorik integriert werden. Dennoch entscheidet sich letztlich am Zusammenspiel von Steuerelektronik und mechanischen Komponenten die Frage der Präzision und Robustheit. Gerade bei vibrierenden mechatronischen Einheiten gibt es einen besonderen Schwachpunkt: die Kabelverbindungen. Kontaktfehler und Funktionsausfall aber auch Langzeitfehler können auftreten. "An einer Steckverbindung, die zwei Elektronikbaugruppen mit einem Kabel verbindet, können sich Verunreinigungen ablagern oder die Kontaktfedern der Steckverbinder stellen nur unzureichende Verbindungen her" erklärt Michael Matthes, Experte für neue Elektroniktechnologien bei der WITTENSTEIN electronics GmbH, einer Tochtergesellschaft der WITTENSTEIN AG. "Solche Verunreinigungen und temporäre Kontaktprobleme können zum Beispiel zu Änderungen des Übergangswiderstands zwischen den Baugruppen führen, die wiederum langfristig die elektrischen Eigenschaften der Leitung verändern oder gar zu Steuer- und Messfehlern führen."

Aus diesem Grund setzt man bei WITTENSTEIN auf den frühzeitigen Gedankenaustausch mit Leiterplattenherstellern. So entstand eine Art Innovationsteam aus Mitarbeitern von WITTENSTEIN und Würth Elektronik, das sich mit der Frage beschäftigte, wie Steckverbindungen bei eingeschränkten Platzverhältnissen überhaupt realisiert werden können. Das Ergebnis: Starrflexible Leiterplatten ersetzen die herkömmliche Kabel und Steckverbinder. "Wir hatten bei der Entwicklung vor allem die fortschreitende Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen im Blick", erläutert Andreas Schilpp, Produktmanager bei Würth Elektronik. "Das erfordert Überlegungen zur effizienten Nutzung des Gehäusevolumens in alle drei Dimensionen. Ob und wie sich diese Idee umsetzen lässt, war natürlich eine kreative Herausforderung, die wir aber gerne gelöst haben." Entstanden sind Bauteile mit stabilem Starrteil und flexibler Folie aus Polyimid und LCP (Liquid Cristal Polymer), so genannte Starrflex-Leiterplatten.

Die Vorteile dieser Starrflex-Leiterplatten liegen nicht nur für Michael Matthes auf der Hand: "Störanfällige Bauteile wie Stecker und Verbindungskabel entfallen, gleichzeitig wird die Signalübertragung verbessert, weil auch Leiterquerschnittsänderungen verschwinden. Insgesamt verbessert sich also die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Und dies ist sicher nicht nur für uns ein wichtiges Kriterium."

Andreas Schilpp versichert: "Fehlfunktionen sind bei starrflexiblen Leiterplatten ausgeschlossen. Alterungseffekte auf der Verbindungsstrecke, also beispielsweise Übergangswiderstände, die sich im Laufe der Zeit bilden bzw. verändern, kommen nicht mehr vor. Das Kupfer der flexiblen Leitungen ist direkt durch Lötstopplack oder Deckfolie vor äußeren Einflüssen geschützt." Und er punktet mit weiteren Argumenten: "Der flexible Teil lässt sich in jedem Winkel biegen und ist dennoch robust. So sind auch schwierige Kontaktierungen möglich, ohne dass zusätzlicher Platz benötigt wird. Es bleibt also innerhalb eines Motorgehäuses noch Bestückungsfläche frei für anderes."

Besonders die Flexibilität dieser Leiterplatte erforderte im Vorfeld einige Überlegungen. "Basierend auf den Ergebnissen der Entwicklungsarbeit mit WITTENSTEIN haben wir für unsere Kunden einen Design- Guide für Starrflex-Leiterplatten entwickelt", erklärt Andreas Schilpp. In diesem Handout finden sich nicht nur grundsätzliche Überlegungen zu den verschiedenen Varianten der Starrflex-Leiterplatten, sondern auch eine Checkliste für Systemanforderungen. "Diese Checkliste erleichtert unseren Kunden die Überlegungen zum Leiterplattendesign und hilft uns bei der Entwicklung des endgültigen Produkts."

Doch trotz des handlichen Design-Guides ist für beide Partner die Kommunikation zwischen Hersteller und Entwickler ein wichtiger Baustein für den Erfolg. Je früher der Gedankenaustausch beginnt, desto förderlicher sei dies für den Erfolg, bestätigen beide unisono. "Besonders bei komplexen Systemen kann der Dialog nicht früh genug beginnen. Denn viele Vorgaben, die sich aus Störkonturen der Gerätemechanik ergeben, haben Auswirkungen auf die Komplexität der Leiterplatte. Dies widerum beeinflusst die spezifischen Designregeln und die Umsetzung für die Serienproduktion", betont Matthes.

Inzwischen ist die Produktion von starrflexiblen Leiterplatten sowohl aus Kostengründen als auch im Hinblick auf konstante Fertigungsqualität eine echte Alternative zum Kabel, denn die benötigten Steckverbindungen werden direkt auf den Baugruppen durch flexible Leiterplattenbereiche ersetzt. "Die Kostenersparnis bei der Montage der Steckverbindungen wiegt die geringen Mehrkosten in der Herstellung der Leiterplatte mehr als auf", versichert Andreas Schilpp. Durchgeführt hat den Kostenvergleich übrigens Michael Matthes von WITTENSTEIN: "Wir haben die beiden Systeme, also die Standard-Leiterplattentechnik mit Kabeln und Steckverbindern mit Starrflex-Leiterplatten verglichen und auf ihre Wirtschaftlichkeit geprüft. Das Ergebnis ist in jedem Fall für beide Seiten positiv ausgefallen."

Inzwischen hat die Zusammenarbeit zwischen WITTENSTEIN und Würth Elektronik weitere Früchte getragen: Im Rahmen der 20. FED Jahreskonferenz in Dresden wurde eine gemeinsame Leiterplattenlösung für eine medizintechnische Anwendung in Form eines aktiven Implantats mit dem PCB Design Award in der Kategorie 3D/Bauraum ausgezeichnet.

Der Einsatz dieses Implantats im menschlichen Körper erforderte zwingend die möglichst weitgehende Miniaturisierung der Elektronikbaugruppe. Da die Schaltung im eingebauten Zustand nicht mehr bzw. nur durch einen operativen Eingriff am Patienten zugänglich ist, muss sie zudem eine hohe Zuverlässigkeit und damit sehr lange Lebensdauer bei gleichzeitig geringer Ausfallwahrscheinlichkeit aufweisen. Dabei verringert jedes eingesparte Bauteil den Flächenbedarf und verbessert dabei gleichzeitig die Zuverlässigkeit der Baugruppe. Aus letztgenanntem Grund, aber auch aufgrund ihres Platzbedarfs, hat WITTENSTEIN jegliche Art von Steckverbindungen eliminiert und die Leiterplatte im Starrflex-Prinzip konzipiert. Die fertigungstechnische Umsetzung des Designs wurde nur durch die enge Zusammenarbeit beider Unternehmen über die gesamte Designphase hinweg möglich. Auch hier fällt die Gesamtbetrachtung äußerst positiv aus.

Beide Partner sind sich sicher, dass die Starrflex-Technologie in Zukunft eine wichtige Rolle spielen wird. Andreas Schilpp verspricht: "Wir bleiben an der Weiterentwicklung auf jeden Fall dran!"

Über WITTENSTEIN

Die WITTENSTEIN AG entwickelt, produziert und vertreibt unter anderem hochpräzise Planetengetriebe, komplette elektromechanische Antriebssysteme, sowie AC-Servosysteme und -motoren. Einsatzgebiete sind Roboter, Werkzeugmaschinen, die Verpackungstechnik, Förderund Verfahrenstechnik, Papier- und Druckmaschinen, die Medizintechnik sowie die Luft- und Raumfahrt. WITTENSTEIN versteht sich als Partner für intelligente Komponenten und beherrschbare Servosystemen auf dem Gebiet der mechatronischen Antriebstechnik.

www.wittenstein.de
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