Starrflex-Leiterplatten

Embedded Components für Industrie- und Medizintechnik

| Autor / Redakteur: Dirk Müller, Michael Matthes * / Gerd Kucera

FlowCAD half mit dem Leiterplatten-Layoutsystem Allegro PCB Designer der WITTENSTEIN AG beim Verlegen von Bauteilen in die PCB-Innenlage, um die Leiterplattenfläche einer medizintechnischen Baugruppe zu verkleinern. Die Kombination mit starrflexiblen Boards erhöhte den Grad der Miniaturisierung zusätzlich.

Ist der PCB-Formfaktor für die geforderten Schaltungsfunktionen zu groß, dann sind Embedded Components eine verlässliche Lösung. Fertigungsprozesse für Embedded Components sind erschwinglich und stabil geworden; geeignete ECAD-Software mit den erforderlichen Designregeln ermöglicht das Platzieren der Bauteile auf Innenlagen. Unter anderem wurde auf diese Weise im vorliegenden Anwendungsfall die Miniaturisierung einer medizintechnischen Baugruppe mit nur 39 mm x 25 mm und 7 mm Bauhöhe möglich.

Die WITTENSTEIN AG entwickelt und fertigt hochpräzise elektromechanische Antriebssysteme für den Einsatz in Robotern, Werkzeugmaschinen, der Luft- und Raumfahrt sowie der Medizintechnik. Wenngleich dieses Produktspektrum typischerweise nicht mit extrem miniaturisierter Elektronik in Verbindung gebracht wird, sind die umfangreichen Anforderungen an die Elektromechanik enorm. Denn der zur Verfügung stehende Bauraum ist stets streng limitiert. Entwickler müssen mit Kreativität und ihrem Fachwissen über neue Techniken die bestmögliche Lösung finden.

Eine naheliegende Möglichkeit, die aufgrund der Schaltungsfunktion benötigte Leiterplattenfläche zu minimieren, ist die Verwendung von Bauteilen mit möglichst geringer Baugröße. Doch ist hierbei die genaue Betrachtung der Verlustleistung besonders wichtig. Auch das Einsparen diskreter Bauteile verringert den Gesamtflächenbedarf einer Konstruktion. Zusätzlich wird sogar die Zuverlässigkeit der Baugruppe verbessert, denn je weniger Bauteile Verwendung finden um so geringer ist die Ausfallwahrscheinlichkeit. Ein hohes Potenzial zur Miniaturisierung haben Steckverbinder. Deren Platzbedarf ist sehr groß und sie schmälern außerdem die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems.

Eine Alternative zu Steckverbindern sind Starrflex-Leiterplatten. Bei dieser Technik werden Teile der Schaltung auf mehrere starre Schaltungsträger verteilt, die über eine flexible Leiterplattenfolie miteinander verbunden sind. Diese Folie ist in den Lagenaufbau der verbundenen Leiterplatten integriert. Der Bauraum für Starrflex-Boards schrumpft drastisch, denn der Platzbedarf der Board-Konstruktion lässt sich einfach „wegfalten“.

Der Verzicht auf das IC-Gehäuse bringt 70% Flächeneinsparung

Um noch stärker zu miniaturisieren kann auch auf das verzichtet werden, was bei einem IC aus produktionstechnischen und ggf. aus thermischen Gründen nicht zwingend erforderlich ist: auf das Gehäuse. Stattdessen nutzt man einen Bare Die, der wie in diesem Anwendungsfall gerade einmal 2,5 mm x 3,0 mm misst. Das reduziert den Flächenbedarf für den in dieser Applikation zentralen Baustein um gut 70%.

Um das maximale Einsparpotenzial auszunutzen, darf der Silizium-Chip aber nicht mit Drähten auf die Baugruppe gebondet werden. Er wird durch das Thermokompressionsverfahren direkt als Flip-Chip montiert, was den größten Flächengewinn mit sich bringt.

Diese direkte Anschlusstechnik hat den positiven Effekt sehr kurzer Leitungslängen, wodurch sich die Qualität der Schaltung in Bezug auf die Signalintegrität verbessert. Durch das fehlende Gehäuse des Halbleiters lässt sich bereits erheblich Platz einsparen, doch bleiben die Anforderungen zu miniaturisieren weiterhin die größte Herausforderung.

Nun ist wieder der Designer gefragt: Er muss die Möglichkeiten des verwendeten Tools, aber auch die aktuellen Technologien kennen, die den Anforderungen entsprechen und diese sinnvoll zusammenführen. Seinerzeit berichteten fast zeitgleich sowohl Cadence, der ECAD-Hersteller des bei WITTENSTEIN verwendeten PCB-Layout-Systems Allegro PCB Designer, als auch der Leiterplattenhersteller Würth über Lösungen zu einer neuen Technologie, in der Bauteile direkt in die Leiterplatte auf Zwischenlagen eingebettet werden können. Über die vorhandenen Ansprechpartner bei FlowCAD und Würth wurden schnell erste Informationen über mehr Details zu dieser Technologie eingeholt.

Bald stellte sich heraus, dass ein Platzieren von Bauteilen innerhalb einer Leiterplatte neue realistische Möglichkeiten eröffnet, die Schaltung in Bezug auf kleineren Bauraum und höhere Zuverlässigkeit weiter zu optimieren. Die peripheren Bausteine, die aufgrund der Designregeln nahe am Chip platziert werden sollen, müssen nicht mehr rundherum um den IC angeordnet sein, sondern können jetzt unter und über dem Embedded Chip in nächster Nähe ihren elektrisch optimalen Platz finden. Diese kurzen Leitungslängen optimieren zusätzlich das EMV-Verhalten der Baugruppe.

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