Verbindungstechnik Pro und Contra: Diskrete Verkabelung oder FPC?

Autor / Redakteur: Wendy Jane Preston * / Kristin Rinortner

Die Verbindungstechnik spielt besonders in hochzuverlässigen Anwendungen eine große Rolle. Im Artikel gehen wir der Frage nach, wann eine diskrete Verkabelung und wann eine flexible Leiterplatte (FPC) die bessere Lösung ist.

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Hi-Rel-Verkabelung: Wann ist die Verdrahtung mit einzelnen Leitungen und wann mit FPC sinnvoll?
Hi-Rel-Verkabelung: Wann ist die Verdrahtung mit einzelnen Leitungen und wann mit FPC sinnvoll?
(Bild: ©auremar - stock.adobe.com)

Leiterplatten und interne Module in hochkompakten Elektroniksystemen müssen miteinander verbunden werden. Geht es um Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit (High Reliability – Hi-Rel), sind die Anforderungen noch höher.

Dieser Beitrag befasst sich mit den wesentlichen Unterschieden zwischen den verfügbaren Verbindungsoptionen. Wir diskutieren, wann diskrete Verkabelungen verwendet werden sollten und in welchen Situationen flexible Leiterplatten (FPCs; Flexible Printed Circuits) die beste Wahl sind.

Bei den meisten Standardanwendungen reichen diskrete Kabel oder Leitungen aus. Bestehen jedoch Platz- oder Gewichtsbeschränkungen für das System, eignen sich dafür wesentlich besser optimierte Verbindungslösungen wie FPC.

Die Vorteile von flexiblen Leiterplatten

FPCs haben in letzter Zeit ein exponentielles Wachstum erfahren. Hier werden komplizierte Schaltungen direkt auf ein sehr dünnes kupferkaschiertes Kunststoffsubstrat geätzt. Mit noch niedrigeren Bauhöhen und erheblicher Gewichtsreduzierung sind FPCs bereits eine gängige Wahl bei Consumer-Elektronik. Sie finden sich auch immer häufiger in modernen Satelliten, Robotern und Avionik-Designs.

Ein wesentliches Merkmal von FPCs ist, dass sie viel engere Biegeradien als andere Verkabelungen erlauben. Sie sind auch besser in der Lage dynamische Bewegungen in gebogenem Zustand zu bewältigen. Dies ist gerade bei Linear-Aktoren, robusten Laptops und Steuerflächen in Flugzeugen relevant, bei denen ständige periodische Bewegungen in einer einzigen Achse stattfinden.

Durch seinen Aufbau lässt sich das FPC-Kabel rechtwinklig zur Kabelebene biegen, jedoch nicht in andere Richtungen. Kommen FPCs zum Einsatz, verliert man die Fähigkeit, sich gleichzeitig in mehreren Achsen zu bewegen.

Kabel oder FPC – Welche Option sollten Sie wählen?

Ob es am besten ist, sich für eine Kabelkonfektion auf Basis von FPC oder diskreten Verdrahtungen zu entscheiden, hängt von den Betriebsparametern des Systems und der Anwendungsumgebung ab, in der es sich befindet. Nachfolgend finden Sie die acht wichtigsten Fragen, die Sie klären sollten:

1. Welche Stromstärken sind erforderlich?

Wie erwähnt, basieren FPCs auf sehr dünnen Kupferbahnen. Ihre Nenn- und Spitzenstromwerte sind daher niedriger als bei anderen Verkabelungsarten. Dies müssen Sie berücksichtigen, bevor Sie eine Entscheidung über die Verkabelung treffen.

Es ist unwahrscheinlich, dass FPCs eine Stromtragfähigkeit von 1 A pro Leiterbahn überschreiten. Die einzige Möglichkeit, ihre Strombelastbarkeit zu erhöhen wäre, die Kupferbahnen dicker zu machen. Das beeinträchtigt jedoch die Flexibilität des FPC. Im Gegensatz dazu verkraften diskrete Verdrahtungen Stromstärken, die mindestens 3-mal größer sind als die von FPCs. Damit eignen sie sich sowohl für die Strom- als auch Datenübertragung.

2. Muss das Gesamtgewicht des Systems so gering wie möglich gehalten werden?

Die Kabelkonfektionierung kann maß­geblich zum Gesamtgewicht eines Systems beitragen. Wird also ein Hi-Rel-System entwickelt, das batteriebetrieben ist oder auf gespeicherte Kraftstoffreserven angewiesen ist, ist das Gewicht ein wichtiges Kriterium. Eine geeignete Verkabelung ist daher entscheidend. Als Beispiel dient ein unbemanntes Fluggerät (UAV; Unmanned Aerial Vehicle). Hier bieten sich FPCs an, um das Gewicht zu reduzieren – vorausgesetzt, die Stromstärken liegen im Rahmen dieser Verbindungsoption.

3. Welche Platzbeschränkungen gibt es?

Bei der Betrachtung des Platzbedarfs einer Leiterplatte-zu-Kabel-Verbindung sind zwei Aspekte zu berücksichtigen. Erstens, dass die Höhe des Kabelsteckverbinders selbst die des entsprechenden Steckverbinders auf der Leiterplatte übersteigt. Zweitens, dass Kabel, die die Rückseite des Anschlusses vertikal verlassen, ausreichend Platz für den Biege­radius haben.

Es kann sogar erforderlich sein, auf dem gegenüberliegenden Gerät, der Platine oder dem Gehäuse eine Polsterung anzubringen, um sicherzustellen, dass sich das gebogene Kabel während des Einsatzes im Feld nicht abnutzt. Bei FPCs bedeutet das Belassen des SMD-Steckverbinders im rechten Winkel, dass diese Problem hinsichtlich des Anschlussraums entschärft werden.

4. Welchem Biegeradius wird die Verkabelung voraussichtlich ausgesetzt sein?

Ein 6- bis 10-facher Biegeradius der Isolationsdicke eines Kabels ist generell akzeptabel. Durch den viel dünneren Aufbau kann ein FPC weitaus engere Biegeradien bewältigen als diskrete Kabelbaugruppen. Zu beachten ist jedoch, dass dies nur in eine Richtung (entlang der Kabelachse) gilt.

Bild 1: Veranschaulichung des Biegeradius von Kabeln.
Bild 1: Veranschaulichung des Biegeradius von Kabeln.
(Bild: Harwin)

Nehmen wir ein anderes Beispiel: einen Roboterarm mit mehreren Axialgelenken, die ihm komplexe Bewegungen ermöglichen. Für diese Art von Anwendungen ist eine diskrete Verkabelung, die sich verdrehen und drehen kann, meist die bessere Wahl (Bild 1).

5. Wird die Biegung konstant gehalten oder muss die Verkabelung im Laufe ihrer Lebensdauer dynamische Biegungen verkraften?

Wenn die Verkabelung viele Biegezyklen durchläuft, unterscheidet sich die Haltbarkeit einer FPC von anderen Varianten, da die Materialien diskreter Kabelverbindungen bei wiederholten Biegebewegungen brüchiger werden.

6. Wo genau wird die Verkabelung in Bezug auf das System verlegt?

Dies ist ein wichtiger Aspekt, da FPCs nur einen dünnen äußeren Schutz (Mantel) aufweisen und daher sehr empfindlich sind. Idealerweise sollten sie sich in einem Gehäuse befinden, um ihren kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten.

Im Gegensatz dazu verfügen diskrete Verkabelungen über einen dicken Kunststoffmantel, durch den ihre Innenleiter besser vor möglichen Beschädigungen geschützt sind. Daher sollten sie in einem Kabelsatz verwendet werden, wenn dieser sich außen an einem Gerät befindet. Außerdem ist es einfacher, Kabelbündel mit Zubehör zu sichern.

Dies trägt dazu bei, unerwünschte Vibrationen sowie Verschleiß an anderen Komponenten oder einer Karosserie zu vermeiden. Es erleichtert auch das Anbringen eines zusätzlichen Schutzes um Kabelbündel herum.

7. Welche Materialien sollten spezifiziert werden?

Steckverbinder, Kabel, FPCs und Zubehör sind in einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien erhältlich. Durch frühzeitiges Festlegen der Temperaturanforderungen und anschließendes Überprüfen, ob alle Bestandteile des gewählten Kabels oder der FPC-Verbindung diesen Anforderungen standhalten, lassen sich später Probleme vermeiden.

Auch die Auswirkungen elektromagnetischer oder HF-Störeinflüsse sollten bei der Materialauswahl berücksichtigt werden. In direkter Zusammenarbeit mit dem Lieferanten lässt sich überprüfen, ob das Endprodukt für alle Faktoren geeignet ist. Sind die Umgebungsbedingungen zu rau, sind möglicherweise Schutzmaßnahmen erforderlich.

Um elektromagnetische Störungen zu mindern, kann ein Schirmgeflecht um die Leiter erforderlich sein. Hier könnten sich dann aber flexible Verbindungen als die bessere Wahl erweisen, da sie weniger anfällig für elektromagnetische Störungen sind. Es können auch Tests erforderlich sein, mit denen die besten Optionen für eine bestimmte Anwendung festgelegt wird.

8. Welche anderen Faktoren sollten berücksichtigt werden?

Bild 2: 
Beispiel einer diskreten Kabelkonfektion von Harwin.
Bild 2: 
Beispiel einer diskreten Kabelkonfektion von Harwin.
(Bild: Harwin)

Beim Umgang mit Satelliten-Hardware ist unbedingt auf die Ausgasungseigenschaften der Baugruppe zu achten, da sonst im Vakuum des Weltraums Stoffe freigesetzt werden, die den Betrieb kritischer elektronischer Schaltungen beeinträchtigen. Besteht die Möglichkeit einer Verunreinigung durch Öle, Kraftstoffe und andere Chemikalien oder die Aussicht auf Pilzbefall, müssen ebenfalls Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden (Bild 2).

Zur Ergänzung seines bestehenden Angebots an diskreten Kabelkonfektionen bietet Harwin jetzt Hi-Rel-Steckverbinder mit FPCs an. Diese FPC-Optionen sind für die Produkte Datamate J-Tek (Raster 2 mm) und Gecko (Raster 1,25 mm) erhältlich und für platzkritische Designs geeignet. Durch ihre niedrige Bauhöhe können sie viel näher übereinander gestapelt werden.

Darüber hinaus ist durch rechtwinklige Steckverbinder die gesamte Verkabelung leichter zugänglich, da die Anschlüsse am Rand der Platine und nicht näher in der Mitte platziert werden können.

Charakteristika der flexiblen Leiterplatten

Die in diesen Baugruppen verwendeten FPCs verfügen über eine kupferkaschierte Polyimid-Basis mit einer gebondeten Deckschicht (Bild 3). Der starre Bereich am freien Ende ist kompatibel zu den verschiedenen FPC-Steckertypen (ZIF und LIF).

Bild 3: 
Harwins FPC-Kabelbaugruppe für die Serien Datamate und Gecko.
Bild 3: 
Harwins FPC-Kabelbaugruppe für die Serien Datamate und Gecko.
(Bild: Harwin)

Die FPC-Baugruppen kommen im Raster von 0,5 mm und mit einem Nennstrom von 0,4 A für Gecko auf bzw. einem Raster von 1 mm und einem Nennstrom von 1 A pro Leiterbahn für Datamate. Gemäß der Spezifi­kation wird ein großer Betriebstemperaturbereich unterstützt. Ergänzend zu den bestehenden Beispielen stehen auch weitere FPC-Baugruppen (mit unterschiedlichen Größen und Längen) zur Verfügung, um speziellen Anforderungen gerecht zu werden.

Charakteristika der Verdrahtung

Verschiedene Standard-Optionen für die diskrete Kabelkonfektionierung ist direkt ab Lager erhältlich. Diese sind mit einer PTFE-Isolierung ausgestattet und entsprechen dem internationalen Kabelkonfektionsstandard IPC-WHMA-A-620. Sie sind in verschiedenen Kabellängen erhältlich, wahlweise mit einseitiger oder doppelseitiger Anordnung.

Daneben sind auch Sonderanfertigungen möglich, die genau auf die spezifischen Anforder­ungen der Kunden zugeschnitten sind. Aufgrund der geringen Mindestbestellmengen können solche Baugruppen auch für die Entwicklung und das Prototyping geliefert werden.

Fazit: Besonders in Umgebungen, in denen der verfügbare Platz begrenzt ist oder das Gesamtgewicht des Systems so gering wie möglich gehalten werden muss, eignen sich entweder FPCs oder diskrete Kabelverbindungen. Beide haben in bestimmten Bereichen entsprechende Vorteile. Die Entscheidung für eine der beiden Varianten hängt von den jeweiligen Umständen ab. Eine fundierte Beratung durch den Hersteller hilft, die richtige Wahl zu treffen.

* Wendy Jane Preston arbeitet als Content Marketing Specialist bei Harwin in Portsmouth / U.K.

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