Fraunhofer IZM und TU Berlin Dehnbare Leiterplatte im Forschungsprojekt STELLA lässt Textilien funkeln

Winzige, in den Stoff integrierte Dioden lassen ein Kleid des Fraunhofer IZM funkeln. Das Funkeln ist allerdings kein elektronisches Paillettenimitat: Durch integrierte Beschleunigungssensoren und einen Mikrocontroller werden die Bewegungen der Trägerin detektiert und die Dynamik in ein Lichtmuster umgewandelt. Die Basis für das textile integrierte LED-Display ist ein dehnbarer Schaltungsträger.

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Im europäischen Forschungsprojekt STELLA (STretchable ELectronics for Large Area Applications) wurde am Fraunhofer IZM und der TU Berlin ein Prozess zur Herstellung dehnbarer Schaltungsträger entwickelt (SCB: Stretchable Circuit Board). Als Substratmaterial erwies sich dabei eine dehnbare Folie aus Thermoplastischem Polyurethan (TPU) als besonders geeignet. TPU ist in der Textilindustrie seit langem aufgrund hervorragender Eigenschaften wie Reiß- und Abriebfestigkeit vielseitig eingesetzt und erprobt, so zum Beispiel als atmungsaktive Membran in Regenschutzbekleidung.

Um die hochleitfähigen, aber an sich starren Kupferleiterbahnen ebenfalls Dehnungen aussetzen zu können, werden diese in Form kleiner Mäander auf dem Substrat strukturiert. Je nach Design der Mäanderbögen und Anwendungsbereichen konnten die Forscher damit Elastizitäten von bis zu 300% erreichen.

Hergestellt in konventionellen Fertigungsprozessen

Bei der Entwicklung des dehnbaren Schaltungsträger wurde Wert auf konventionelle Fertigungsprozesse der Leiterplattenindustrie gelegt. So wird eine 18 bis 35 µm dünne Kupferfolie auf das TPU laminiert, welche dann mit gängigen Belichtungs- und Ätztechniken strukturiert werden kann.

Momentan arbeiten die Fraunhofer-Forscher am Aufbau doppelseitiger Verdrahtungsträger mit Durchkontaktierungen und der Einbettung von bis zu 100 µm schmalen Leiterbahnen in die Polymerfolie. Auch an einer schützenden Abdeckung der Leiterbahnen und Verkapselung der elektronischen Komponenten wird gearbeitet, um das System vor mechanischen und klimatischen Umwelteinflüssen zu schützen. Eine weitere Zielsetzung ist es, ein waschbares System zu entwickeln.

Zugsperren unterdrücken Elastizität wo Bauteile montiert sind

Beim Bestücken solcher Leiterplatten ist die größte Herausforderung der Übergang vom dehnbaren Substrat zu den starren Einzelkomponenten (Dioden, Treiber-ICs, usw.). Um die Elastizität an diesen Stellen zu unterdrücken, werden um die Komponenten herum Zugsperren in das Kupfer strukturiert. Sowohl für die Bestückung wie auch die anschließende Verkapselung wird auf gängige Materialien und Verfahren wie Niedertemperaturlote, leitfähige Klebeverbindungen, Dispensen oder Spritzguss zurückgegriffen.

Solche Verfahren sind kostengünstig und bei Leiterplattenherstellern seit Jahren etabliert. Die auf diese Weise hergestellte dehnbare Leiterplatte lässt sich dann in einem Standard-Verfahren, dem Thermopressen, bei etwa 190°C problemlos in Textilien übertragen. Der Vorteil: die dehnbare TPU-Folie dient einerseits als Schaltungsträger, andererseits auch als Fixierung der Elektronik auf dem Textil. Nach dem Transferprozess bleiben sogar textile Eigenschaften wie Flexibilität, Reißbeständigkeit und Biegestabilität erhalten; die Elektronik „verschwindet“ nahezu unsichtbar im Stoff.

Interessante Anwenungen in der Medizintechnik

Diese Vorteile zunutze machten sich Designstudenten von der HTW- und der UdK Berlin, die mit den Innovationen vom Fraunhofer IZM und der TU Berlin neue Konzepte für die smarte Kleidung der Zukunft realisiert haben. Die interdisziplinäre Kooperation zwischen Designern und einer Gruppe von Forschern vom Fraunhofer IZM wurde mit dem diesjährigen Avantex Innovationspreis für das interaktive Kleid ausgezeichnet.

Die Anwendungsmöglichkeiten des dehnbaren Schaltungsträgers begrenzt sich aber nicht nur auf „Fashionable Technologies“, sondern ermöglichen beispielsweise neue Produkte im medizinischen Bereich. Gerade überall dort, wo Sensoren nah am Körper getragen werden müssen, um dessen Vitalparameter zu messen und zu überwachen, können dehnbare Schaltungsträger einen wichtigen Vorteil bieten: Sie passen sich der Form und der Dynamik des Körpers an und können so zuverlässig sowie komfortabel getragen werden.

Daher werden im Projekt STELLA zusammen mit den Partnern neue Produktideen realisiert: So ein Trikot für Kleinkinder deren Atmung überwacht wird, um den noch immer ungeklärten plötzlichen Kindstod zu verhindern. Ein »intelligenter« Wundverband kann Sekrete detektieren oder mittels Druckmessung dafür sorgen, dass der Verband nicht zu eng sitzt. Entwickelt wird auch ein Pflaster, das durch Elektrostimulation den Wundheilungsprozess beschleunigt.

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