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. So können sich an einer Steckverbindung, die zwei Elektronikbaugruppen mit einem Kabel verbindet, Verunreinigungen ablagern, oder die Kontaktfedern der Steckverbinder stellen nur unzureichende Verbindungen her. 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.

Steckverbinder oder Starrflex?

Der Antriebshersteller Wittenstein setzt 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 herkömmlichen Kabel und Steckverbinder. Bei Würth hatte man bei der Entwicklung vor allem die fortschreitende Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen im Blick. Dies erfordert Überlegungen zur effizienten Nutzung des Gehäusevolumens in alle drei Dimensionen. Ob und wie sich diese Idee umsetzen lässt, war laut des Leiterplattenfertigers, gewissermaßen eine kreative Herausforderung. Entstanden sind Bauteile mit stabilem Starrteil und flexibler Folie aus Polyimid und LCP (Liquid Cristal Polymer), so genannte Starrflex-Leiterplatten.

Zu den Vorteilen dieser Starrflex-Platinen gehört, dass störanfällige Bauteile wie Stecker und Verbindungskabel entfallen und gleichzeitig die Signalübertragung verbessert wird, weil auch Leiterquerschnittsänderungen verschwinden. Insgesamt verbessert sich also die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Fehlfunktionen sind laut Würth bei starrflexiblen Leiterplatten ausgeschlossen. Alterungseffekte auf der Verbindungsstrecke, also beispielsweise Übergangswiderstände, die sich im Laufe der Zeit bilden beziehungsweise verändern, kommen nicht mehr vor. Das Kupfer der flexiblen Leitungen ist direkt durch Lötstopplack oder Deckfolie vor äußeren Einflüssen geschützt. Darüber hinaus kann sich der flexible Teil 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.

Design-Guide für Starrflex

Würth hat seine Erfahrungen in einem Design-Guide für Starrflex-Leiterplatten niedergelegt. In diesem Handout finden sich nicht nur grundsätzliche Überlegungen zu den verschiedenen Varianten der Starrflex-Leiterplatten, sondern auch eine Checkliste für Systemanforderungen. Trotz des handlichen Design-Guides ist für beide Partner die Kommunikation zwischen Hersteller und Entwickler ein wichtiger Baustein für den Erfolg. 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 wiederum beeinflusst die spezifischen Designregeln und die Umsetzung für die Serienproduktion.

Interessant ist, dass die Kostenersparnis bei der Montage der Steckverbindungen die Mehrkosten in der Herstellung der Leiterplatte rasch aufwägt. 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 beziehungsweise 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.

Wo sind die Stecker?

Aus verschiedenen Gründen 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.

Marisa Robles Consée

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ist Chefredakteurin Productronic

(mrc)

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