Leiterplattendesign Dienstleister mit Altium Designer

Die in Altium Designer 14 Release, neu eingeführte Funktionalität "Rigid-Flex Design", zur Unterstützung von Starrflex- und Semiflex- Leiterplatten ist eine praktische Ergänzung für das Design von Flex-Leiterkarten.

Gerade wenn mithilfe der Flex-Technologie höchste 3D Packungsdichten erreicht werden sollen, sind zwei Funktionen eine wichtige Ergänzung. Ab Altium Designer 14 ist es nun möglich:

• In einer Leiterkarte einzelne Bereiche mit einer abweichenden Lagenzahl zu definieren.
• Eine Dokumentation über den gemischten Lagenaufbau in den Gerber und PDF Plots zu erstellen.
• Leiterkarten in fest definierten Bereichen zu falten und so mögliche Abstandskollisionen der Bauteile über den DRC im gefalteten Zustand auszuschließen.
• An die Mechanik CAD ein Step Modell der bestückten, sowie der unbestückten Leiterkarte, mit allen LP-Besonderheiten im Layer Stack aus zugegeben.

Im nachfolgenden wird die Vorgehensweise bei der Erstellung eines Leiterkartendesigns mit unterschiedlichen Layer Stacks beschrieben.

Bei Flexiblen Leiterkarten werden einzelne Teilbereiche einer Leiter­karte über mehr oder weniger flexible Ver­bindungs­stege ver­bunden. Dabei ist das gesamte Leiter­karten­system mit einem identischen Layer­stack aufgebaut. Wo einzelne Layer nicht be­an­sprucht werden, mussen sie in ge­sonderten Fertigungs­schritten entfernt werden. In den Verbindungs­stegen wird ein reduzierter (dünnerer) Lagen­auf­bau vor­ge­geben, dessen Material­aus­wahl sich aber aus dem Layer­stack der Leiter­karte ergeben muss.

Je nach der Art der Be­an­spruchung der Biege stelle kann zwischen ver­schiedenen technischen Lösungen gewählt werden. Grob wird zwischen Semiflexiblen Leiter­platten für einen oder zumindest sehr wenige Biege Vor­gängen bei der Montage und Reparatur mit einer Ver­bindungs­lage, und Flexiblen Basismaterial mit Folien aus Polyester oder Polyamid, für mehrere oder viele Biege Zyklen und einer oder zwei Ver­bindungs­lagen je Folie.

Semiflexible Leiter­platten sind Platinen mit einem flexiblen Bereichen der aus deutlich dünnerem FR4 Material besteht als der starre Bereich der Leiterplatte. Ihr wesentlicher Vorteil bezogen auf die übrige Flex-Technologien, ist der deutlich günstigere Preis. Dafür müssen die Nach­teile wie kleinere Biege­winkel und größere Biege­radien sowie eine sehr geringe Anzahl von Biegungen hin­genommen werden.

Flexible Leiter­karten sind mit einem Folien­substrat aufgebaut, das mit einem Kleber und einer Kupfer­folie beschichtet ist. Innerhalb der Leiter­karten­fertigung wird zunächst ein Kupfer­kaschiertes Polyamid Material mit einem FR4 Material verklebt oder laminiert. in einem Späteren Arbeits­schritt wird dann in den Flexiblen Leiter­karten­bereichen das FR4 material wieder entfernt. Je nach geforderter Qualität gibt es hier sehr viele Varianten.

Bei Designs von flexiblen Leiterkarten ist wegen der von einander abweichenden Möglich­keiten einzelner Leiterplatten­lieferanten, unbedingt vor dem Designstart, ein möglicher Leiterplatten Lieferant auszuwählen und mit diesem die Layout­richtlinien abzusprechen. Die nach­folgende Aufzählung dient daher nur als grober Umriss der Anforderung an Flex-Designs.

Leiterbahnbreiten und -abstände im Biegebereich sollten:

• alle Leiterbahnen parallel, im 90° Winkel zur Biegelinie verlaufen
• wenn möglich größer gewählt werden als die min. Spezifikation vorgibt
• möglichst homogen ausgeführt sein (symmetrische Breiten und Abstände)
• keine Winkel oder Knicke im Biegebereich haben, oder wenn notwendig dann nur als Bogen ausgeführt
• gleichbleibende Breiten aufweisen, oder zumindest nur allmählich verjüngt werden

Weiterhin:

• den max Biegeradius beachten (typ. ca. 6 x Flex-Materialdicke bei einseitigen Flexlagen
• auf doppelseitigen flexiblen Teilen sollten die Leiterbahnen symmetrisch versetzt sein
• konstruktive Vermeidung von Schwingungen und Resonanzen bei Starrflex Leiterplatten
• kein zusätzlich galvanisch aufgebrachtes Kupfer im dynamisch beanspruchtem Flexteil
• für die Bestückung ist das Design in einem Rahmen oder als Mehrfachnutzen ausführen
• optional zusätzliche Kupferbahnen als Einreißschutz an Kannten vorsehen
• gelötete Stellen im Biegebereich vermeiden oder aber den Biegeradius vergrößern,
  da die unflexibelen Lötstellen eine Bruchkannte ausbilden.
• wegen der geringeren Haftung die Lötflächen so groß wie möglich wählen,
  bei THT den Lötaugendurchmesser mindestens zweimal größer als die Bohrung
• Leiterbahnanbindungen an Lötaugen nur tropfenförmig

Neu überarbeitet stellt sich der Layer Stack Manager ab dem Altium Designer 14 nun in zwei Fensterhälften geteilt dar.

Der Layer Stack Manager kann im PCB Bildschirm über die Tastenkürzel "o" + "k" oder über das Menu "Design" aufgerufen werden.
Im oberen Teil des Fensters wird bei einen Standart PCB der Layer Stack wie bisher eingestellt.

Bei einem Flex-Board das ein in Teilen unter­schiedlichen Lagen­aufbau aufweist, muss in dem oberen Fenster­teil ein maximaler Layer Stack ein­gestellt werden, der alle ver­wendeten Lagen enthält.

In weiteren Schritten können dann die einzelnen Teil­bereiche der späteren Leiter­karte im unteren Fenster­bereich zusammen­gestellt werden.
Dazu werden im oberen Layer­stack die Layer makiert ( mit Shift & Mouse Klick ) und anschließend dann diese Stackparts mit Add Stack in den unteren Teil eingefügt.

Neu im Altium Designer 14 ist eine weitere PCB Bildschirmdarstellung: Der Board Planning-Mode.

Im Bild von rechts nach links dargestellt die drei PCB Darstellungs­modi im Altium Designer.

Mit Taste [1] der Board Planning-Mode
Mit Taste [2] der 2D Board Mode
Mit Taste [3] der 3D Board Mode

Im Board Planning-Mode werden die zuvor im Layer Stack Manager eingestellten Stack­parts zugeordnet.

Dazu wird zunächst im Board Planning-Mode im Menu Design mit "Define Split Line" im Board mit Linien das PCB in die einzelnen PCB Teile aufgeteilt. Dabei sollte ein "elektrischer" CU Layer ausgewählt sein.

Durch einen Doppel­klick auf einen dieser Teil­bereiche kann dann anschließend ein Layer­stack ausgewählt werden. Für die Flexleiterkarten Teilbereiche kann im Menu Design mit "Define Bending Line" im Board eingefügt werden. Sowohl die orangenen Bending-Lines und die blauen Split-Lines können auch durch klicken und gehaltene Maus­taste auf den Linien­ende verschoben werden.



Neu ab Altium Designer 14 ist auch eine weitere Split Plane Editor drop-down Auswahl im PCB Panel.

Durch einen Doppelklick auf die aufgelisteten Elemente in der Stackup Regions und Bending Lines können die Eigen­schaften verändert werden.
Und besonders hübsch durch verändern des Sliders des Fold State das im 3D angezeigte Flex-PCB gebogen werden.

Der Online-DRC zeigt beim einfalten Abstands­verletzungen an. Diese werden auch in der 2D Darstellung nach der Slider Einstellung ausgeführt.

Probieren geht über Sudieren. Um selbst mit den neuen Möglichkeiten der Layer Stack Regions zu experimentieren, habe ich hier das

Altium PCB File (800kB ZIP File)

zum DownLoad eingestellt.

Zur Dokumentation konnte im Altium Designer bisher aus dem Layer Stack Manager Menue heraus eine Tabelle für den Layer Stack und eine Drill Table in das PCB Design eingefügt werden.

Diese Möglichkeit wird man im neuen Layer Stack Manager Menue vermissen, denn sie sind in das Menue "Place" verschoben worden.

Mit [Place] Drill Table und [Place] Layer Stack Table werden die Tabellen aufgerufen und anschließend mit der Maus im PCB  durch einen linken Mausklick abgesetzt.
Die die auf einem mechanischen Layer eingefügte Layer Stack Tabele, ist nun ebenfalls wie die im Altium Designer 13 geänderte Drill Table interaktiv und auch zu einem späteren Zeitpunkt, durch einen Doppelklick auf die Tabelle noch verändert werden.

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