In den meisten Standardanwendungen sind diskrete Litzen- oder Massivdrahtleitungen in der Regel ausreichend. Bei Systemen mit begrenztem Platzangebot oder Gewicht sollten jedoch optimierte Verbindungslösungen in Betracht gezogen werden.
 
Die Vorteile von flexiblen Leiterplatten (FPCs):
FPCs haben in letzter Zeit ein exponentielles Wachstum erfahren. Bei ihnen werden komplexe Schaltungsschichten direkt auf ein ultradünnes, kupferkaschiertes Polymersubstrat geätzt. Dank ihrer noch flacheren Bauweise und der erheblichen Gewichtsreduzierung sind FPCs bereits eine beliebte Wahl im Bereich der Unterhaltungselektronik. Sie werden nun auch zunehmend in modernen Satelliten-, Roboter- und Avioniksystemen eingesetzt.

Ein wesentliches Merkmal von FPCs ist ihre Fähigkeit, deutlich stärkere Biegungen als andere Verdrahtungsarten zu überstehen. Darüber hinaus sind sie besser gegen dynamische Bewegungen beim Biegen geschützt. Dies ist besonders wichtig für Linearantriebe, robuste Laptops und Flugsteuerflächen, bei denen kontinuierliche periodische Bewegungen um eine Achse auftreten.

Die Bauweise eines FPC (Filter-on-Cable) ermöglicht das Biegen im rechten Winkel zur Kabelebene, jedoch nicht in andere Richtungen. Durch dessen Verwendung geht die Möglichkeit des gleichzeitigen Biegens um mehrere Achsen verloren.

Welche Option ist die richtige?
Die Eignung von FPC-basierten Kabelkonfektionen oder Einzelkabeln hängt von den Betriebsparametern des Systems und der Anwendungsumgebung ab. Folgende Hauptpunkte sind zu beachten:
 
1. Welche Stromstärke benötigen Sie?
Wie bereits erwähnt, basieren FPCs auf ultradünnen Kupferleiterbahnen. Daher sind ihre regulären und Spitzenstromstärken geringer als die anderer Kabeltypen. Dies muss bei der Auswahl der Kabeloption berücksichtigt werden. FPCs erreichen in der Regel nicht mehr als 1 A pro Leiter. Die einzige Möglichkeit zur Erhöhung ihrer Strombelastbarkeit bestünde in der Verdickung der Kupferleiterbahnen, was die Flexibilität der FPCs beeinträchtigen würde. Einzelkabel hingegen können Ströme liefern, die mindestens dreimal höher sind als die von FPCs. Daher eignen sie sich sowohl für die Stromversorgung als auch für die Datenübertragung.

2. Ist die Minimierung des Gesamtgewichts des Systems von höchster Priorität?
Die Verkabelung kann erheblich zum Gesamtgewicht eines Systems beitragen. Wenn Sie also ein Hochgeschwindigkeitssystem (Hi-Rel) entwickeln, das mit Batterien betrieben wird oder auf gespeicherte Kraftstoffreserven angewiesen ist, spielt das Gewicht eine wichtige Rolle, und die Auswahl der geeigneten Verkabelung ist unerlässlich. Betrachten Sie beispielsweise ein unbemanntes Luftfahrzeug (UAV). Für diese Anwendung kann der Einsatz von Kraftstoffschutzschaltungen (FPCs) zur Gewichtsreduzierung sinnvoll sein, sofern die Stromstärken im zulässigen Bereich dieser Anschlüsse liegen.

3. Welche Platzbeschränkungen gibt es?
Bei der Planung der Verbindung zwischen Leiterplatten und Kabeln sind zwei Aspekte zu berücksichtigen. Erstens muss die Höhe des Kabelsteckers größer sein als die des entsprechenden Leiterplattensteckers. Zweitens müssen die Kabel, die vertikal aus der Rückseite der Verbindung austreten, ausreichend Platz für den Biegeradius haben. Gegebenenfalls ist es erforderlich, die gegenüberliegende Platine oder das Gehäuse zusätzlich zu polstern, um Verschleiß der gebogenen Leitungen im Feldeinsatz zu vermeiden. Bei flexiblen Leiterplatten (FPCs) lassen sich diese Platzprobleme durch die rechtwinklige Anordnung des SMD-Steckers minimieren.

4. Welchen Biegeradius kann die Verkabelung aushalten?
Ein Biegeradius vom 6- bis 10-Fachen der Kabelisolierungsdicke ist üblicherweise akzeptabel. Dank ihrer deutlich dünneren Struktur verträgt eine flexible Leiterplatte (FPC) wesentlich engere Biegungen als einzelne Kabelbaugruppen. Dies gilt jedoch nur in einer Richtung (entlang des Kabels). Ein anderes Beispiel: ein Roboterarm mit mehreren axialen Gelenken, der komplexe Bewegungen ermöglicht. Für solche Anwendungsfälle ist eine einzelne, dreh- und schwenkbare Kabelbaugruppe möglicherweise die bessere Wahl.

5. Bleibt die Biegung konstant oder muss das Kabel im Laufe seiner Lebensdauer wechselnden Biegungen standhalten?
Wenn zu erwarten ist, dass das Kabel vielen Biegezyklen ausgesetzt sein wird, dürfte sich die Haltbarkeit von FPC gegenüber anderen Kabeltypen deutlich abheben, während diskrete Kabelmaterialien bei wiederholter Biegung spröder werden.

6. Wo genau werden die Kabel im Verhältnis zum System verlegt?
Dies ist ein wichtiger Aspekt, da flexible Leiterplatten (FPCs) eine dünnere externe Abschirmung besitzen und daher stärker exponiert sind. Idealerweise sollten sie in einem Gehäuse untergebracht werden, um einen unterbrechungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Im Gegensatz dazu verfügen diskrete Kabelbäume über eine dickere Polymerummantelung, die die Adern besser vor Beschädigungen schützt. Daher sollten sie, wenn sie außerhalb eines Systems verlegt werden, in einem Kabelbündel verwendet werden. Kabelbäume lassen sich zudem einfacher mit Kabelmanagement-Zubehör befestigen. Dies trägt dazu bei, unerwünschte Vibrationen sowie Abrieb an anderen Komponenten und dem Gehäuse zu vermeiden. Außerdem erleichtert es das Anbringen zusätzlicher Abschirmungen um die Kabelbündel.

7. Welche Materialien sollten spezifiziert werden?
Steckverbinder, Kabel, flexible Leiterplatten (FPCs) und Zubehör sind in einer Vielzahl von Materialien erhältlich. Die Festlegung der Temperaturanforderungen von Anfang an und die Überprüfung, ob alle Materialien der gewählten Kabel- oder FPC-Verbindung diesen standhalten, können spätere Probleme vermeiden. Die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen (EMI) sollten bei der Materialauswahl ebenfalls berücksichtigt werden. Die direkte Zusammenarbeit mit dem Lieferanten ermöglicht es Ihnen, sicherzustellen, dass das Endprodukt allen relevanten Anforderungen genügt. Bei zu rauen Umgebungsbedingungen können Abschirmungsmethoden erforderlich sein. Eine externe Ummantelung des Kabelbündels kann zur Reduzierung von EMI notwendig sein, flexible Verbindungen sind in diesem Fall jedoch möglicherweise die bessere Wahl, da sie weniger anfällig für EMI-Emissionen sind. Tests können erforderlich sein, um die optimalen Optionen für eine bestimmte Anwendung zu ermitteln.

8. Welche weiteren Faktoren sind zu berücksichtigen?
Bei Satellitenhardware ist es unerlässlich, die Ausgasungseigenschaften der Baugruppe zu beachten, da andernfalls Substanzen in das Vakuum des Weltraums freigesetzt werden könnten, die die Funktion kritischer elektronischer Schaltungen beeinträchtigen könnten. Besteht die Möglichkeit einer Kontamination durch Öle, Treibstoffe und andere Chemikalien oder eines Pilzbefalls, müssen entsprechende Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden.

Ergänzend zu seinem Portfolio an diskreten Kabelkonfektionen bietet Harwin nun Hi-Rel-Steckverbinder mit FPCs an. Diese FPC-Optionen sind für die Produkte Datamate J-Tek (2 mm Rastermaß) und Gecko (1,25 mm Rastermaß) erhältlich und eignen sich ideal für Systeme mit begrenztem Platzangebot. Dank ihrer geringen Bauhöhe können die Platinen deutlich enger gestapelt werden. Darüber hinaus ist der Zugriff auf alle Kabel durch die Verwendung von Winkelsteckern einfacher, da die Anschlüsse am Platinenrand anstatt in der Mitte positioniert werden können.

Die in diesen Baugruppen verwendeten FPCs besitzen einen kupferkaschierten Polyimidkern mit einer Klebeschicht. Der starre Bereich am freien Ende ist so ausgelegt, dass er mit verschiedenen FPC-Steckverbindern (ZIF und LIF) kompatibel ist.

Die FPC-Baugruppen von Harwin haben ein Rastermaß von 0,5 mm und eine Strombelastbarkeit von 0,4 A für Gecko bzw. 1 mm Rastermaß und 1 A pro Leiterbahn für Datamate. Je nach Steckverbinderspezifikation wird ein breites Spektrum an Betriebstemperaturen unterstützt. Neben den bestehenden Beispielen können weitere FPC-Baugruppen (in verschiedenen Größen und Längen) geliefert werden, um spezifische Kundenanforderungen zu erfüllen.

Eine breite Palette an Kabelkonfektionen ist ab Lager verfügbar. Dank PTFE-Isolierung entsprechen sie vollständig dem international anerkannten Verdrahtungsstandard IPC WHMA-A-620. Sie sind in verschiedenen Kabellängen und wahlweise mit ein- oder zweiseitigen Anschlüssen erhältlich. Darüber hinaus fertigen wir kundenspezifische Konfektionen, die exakt auf Ihre Anforderungen zugeschnitten sind. Geringe Mindestbestellmengen ermöglichen die Lieferung dieser Konfektionen für Entwicklungs- und Prototypenprojekte.

Es ist offensichtlich, dass in Umgebungen mit begrenztem Platzangebot oder wenn das Gesamtgewicht des Systems möglichst gering sein muss, sowohl flexible Leiterplatten (FPCs) als auch unauffällige Verkabelung von Vorteil sind. Jede Lösung hat in bestimmten Bereichen ihre Stärken. Die Wahl hängt von den jeweiligen Gegebenheiten ab. Die Experten von Harwin beraten Sie gerne und helfen Ihnen, die richtige Entscheidung zu treffen.

Autorin: Wendy Jane Preston, Interconnection Specialist, Harwin