Leiterplattentechnologie Dehnbare Leiterplatten: Der nächste Schritt in der konformen und tragbaren Elektronik

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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Eurocircuits GmbH

Mit der zunehmenden Miniaturisierung wird die Leiterplatte immer mehr zu einem multifunktionalen Bauteil und trägt nicht mehr nur zum System bei. Der neueste Trend in der Elektronikbranche sind dehnbare Leiterplatten, die hochflexible und anpassbare Schaltungen ermöglichen.

Neben der zunehmenden Miniaturisierung wandelt sich die Leiterplatte zunehmend vom simplen Bestückungsträger zum Systemträger bzw. Multifunktionsbauteil.

„Conformable Electronics“, also anpassungsfähige Elektronik, ist das aktuelle Schlagwort, wenn es um dynamisch verformbare, dehnbare, strukturelle und 3-dimensionale Elektronik geht. Hiermit kann ein breites und zunehmend wachsendes Anwendungsfeld von Medizintechnik, Smart Textiles, IoT, Industrie 4.0, Automotive, und Luftfahrt bis hin zu Consumerelectronic bedient werden. Technologisch gibt es dabei breite Schnittmengen mit den Begrifflichkeiten „Printed Electronics“, „Wearable Electronics“, „Smart Textiles“ und „3D-Electronics“.

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Während bei der geformten Elektronik der starre 3D-Aspekt im Vordergrund steht, ist die dehnbare Elektronik Synonym für reversible und höchste dynamische Flexibilität und Dehnbarkeit einer Schaltung.

Durch den Einsatz von elastischen bzw. dehnbaren Leiterplatten als eine Untergruppe der Conformable Electronics erschließen sich völlig neue Anwendungsbereiche und Lösungsmöglichkeiten für elektronische Systeme und Baugruppen. Typische Applikationen sind daher u.a. intelligente Pflaster/Bandagen, Smart Textiles und Wearables.

Es entstehen hochflexible, dehnbare und anpassbare Schaltungen auf der Basis elastischer Materialien, die u.a. hochdynamische Verformungen, angepasste Komponentenmontagen und -Verkapselungen sowie eine Lamination auf textile Materialien mit nachfolgender textiler Weiterverarbeitung ermöglichen.

Basismaterial und Eigenschaften

Im Gegensatz zum aus der Flex/Starrflex-Technologie bekannten und etablierten Polyimid ist die Materialbasis dieses Produktes eine extrudierte, hochelastische thermoplastische Polyurethan (TPU)-Folie, auf die Kupferfolien laminiert werden. Das ohne Einsatz von Weichmachern hergestellte und damit biologisch abbaubare thermoplastische PU ist in verschiedensten Modifikationen von hart über weich bis hin zu elastisch verfügbar und kommt in vielen Bereichen zum Einsatz: in Matratzen, Schuhsohlen, in Schläuchen und Dichtungen, als Baustoff oder auch als Lederimitat für Möbel, um nur einige wenige Beispiele zu nennen.

Für die Anwendung als dehnbares Leiterplattensubstrat kommt eine hochelastische Folie aus Multiblock-Copolymer mit harten und weichen Segmenten zum Einsatz. Die bei CONTAG verarbeitete Standarddicke beträgt 0,10mm, andere Dicken zwischen 0,05mm – 1,00mm können auf Anfrage angeboten werden.

Weitere allgemeine Eigenschaften:

• Chemisch stabil gegenüber Ölen, Ozon, Teer, viele Lösemittel und verdünnte Säuren

• Hohe Dichtheit gegen flüssige Medien bei gleichzeitig hoher Dampfdurchlässigkeit

• Biokompatibel

• Hydrolyse- und mikrobenbeständig

• Hohe UV- und Witterungsbeständigkeit

• Sehr gute Schweißbarkeit und Thermoformbarkeit

• Verkleb-, bedruck-, hinterspritz- und hinterschäumbar

Zur Erzeugung der leifähigen Leiterbildstruktur bieten sich grundsätzlich zwei Verfahren an: die Applikation einer dehnbaren Leitpaste (Inkjet oder Siebdruck) oder die Verwendung einer strukturierten konventionellen PCB-typischen Kupferfolie. Beide Verfahren weisen Vor- und Nachteile auf. Derzeit ist die Nutzung von Kupferstrukturen das bei CONTAG etabliertere Verfahren. Hierbei lässt sich vollständig auf angepasste PCB-Verfahren zurückgreifen.

Da auf dieses dielektrische Grundmaterial die Kupferfolien bei CONTAG laminiert und strukturiert werden, kann die finale Kupferdicke zwischen 5-70µm gewählt werden. Die erreichte Haftfestigkeit bzw. Abzugskraft der aufgebrachten Kupferfolie liegt im Bereich von 3N/mm und damit deutlich höher als in der relevanten IPC-Leiterplattennorm gefordert (>1N/mm).

Da Kupfer eine Bruchdehnung von lediglich 14% aufweist, beeinflusst das aufgebrachte elektrische Layout in Form der Kupferstrukturen die mechanischen Eigenschaften der finalen Schaltung erheblich. Insbesondere die hohe Bruchdehnung eines reinen TPU-Materials kann dann natürlich nicht mehr erreicht werden. Je nach Design der Leiterzüge im gedehnten Bereich, die als Mäander oder sog. Horseshoes ausgeführt werden, sind jedoch einmalige Dehnungen bis zu 50% und wiederholbare Dehnungen bis zu 30% möglich.

Herstellungsverfahren

Ausgangsbasis für die verschiedensten Aufbau- und Ausführungsvarianten ist eine ein- oder doppelseitig kupfer-beschichtete TPU-Folie, die nachfolgend mit den bekannten Grundprozessen einer PCB-Fertigung wie Fotodruck, Ätzen, etc. weiter verarbeitet wird. Dabei müssen die Parameter bei den Einzelprozessen auf die spezifischen Besonderheiten des Materials angepasst werden. Technologische Besonderheiten ergeben sich insbesondere aufgrund des hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der mechanischen Beschaffenheit des Materials.

Je nach Ausführung und Anwendungsfall können sich optional diverse Folgeprozesse anschließen, u.a.:

• Ausschneiden der Nutzen bzw. Einzelleiterplatten

• Partielle Verstärkungen aufbringen

• Bauelemente bestücken, ggf. Verkapseln

• Auf andere Träger laminieren (Textilien, Polycarbonat, o.ä.)

• Tiefziehen

Ausführungsvarianten

Auf der Basis strukturierter TPU-Lagen lassen sich neben dem Standard, einseitigen dehnbaren Schaltungen, auch zwei- und höherlagige durchkontaktierte Schaltungen realisieren. Dabei ist zu beachten, dass die Dehnbarkeit mit steigender Dicke deutlich abnimmt.

Auch starr-dehnbare Aufbauten in Anlehnung an die bekannten starr-flexiblen Leiterplatten sind möglich, wobei das bekannte Polyimid dann durch eine TPU-Lage ersetzt wird.

Rein dehnbare Schaltungen müssen u.U. partiell verstärkt werden, z.B. in den Stecker- oder Bestückungsbereichen. Hierzu können Folien aus Polyimid oder Polyester, aber auch FR4-Teile verwendet werden.

Als Endoberflächen können prinzipiell alle gängigen chem. Oberflächenfinishs wie Nickel/Gold (ENIG), Nickel/Palladium/Gold (ENEPIG), Zinn (ISn), Silber (IAg), Silber/Gold (ISIG) oder Palladium/Gold (EPIG) genutzt werden, partiell oder vollflächig. Oberflächen mit Nickelschichten dürfen aufgrund der Sprödheit vom Nickel nach dem Aufbringen einer strukturierten Lötstopplack/TPU-Coverlayerlage nur partiell abgeschieden werden.

Designhinweise

Grundsätzlich gelten für das elektrische Design vergleichbare Vorgaben wie bei flexiblen Schaltungen. Darüber hinaus müssen die Leiterzüge im dehnbaren Bereich als Mäander ausgeführt werden, um die Längenänderung einer möglichen Dehnung im Leiterzug abzufangen. Hierzu bieten sich folgende Geometrien an:

Geometrische Parameter der Horseshoes-/Wellengeometrien sind Radien, Öffnungswinkel (Öffnungswinkel 0° = Halbkreis) sowie die Leiterbahnbreite.

Die max. mögliche einmalige und wiederholbare Dehnung liegt bei ca. 50% bzw. ca. 30%, abhängig vom konkreten Layout.

CONTAG bietet den Kunden die Möglichkeit, mittels FEM-Software individuell die anwendungsspezifischen mechanischen Belastungen zu simulieren und notwendige Designoptimierungen vorzunehmen.

Bestückung und Weiterverarbeitung

Augrund der Erweichungstemperatur des TPU-Materials beginnend bei ca. 155°C muss ein niedrig schmelzendes Lot auf der Basis einer SnBi- bzw. SnBiAg – Legierung verwendet werden. Dafür bietet sich beispielsweise das Lot Indalloy 282 an, welches einen Schmelzpunkt von ca. 140°C aufweist. Der Lotauftrag erfolgt über Siebdruck.

Aber auch Leitkleben (insbesondere ICA-Kleben) und Crimpen sind erprobte und bewährte Verbindungstechnologien. Für das Crimpen von Steckerkontakten ist zu beachten, dass die Crimpkontakte verstärkt werden, z.B, durch partiell aufgebrachte Polyimid- oder FR4-Bereiche.

Die bestückten Bauelemente lassen sich bei Bedarf verkapseln und dadurch schützen. Hierfür kann ein Einkomponenten- oder wasserlösliches Polyurethan verwendet werden, das in Spritzgießtechnologie oder mit einer Glob-Top-Pistole aufgebracht wird. Auch der Einsatz von PU-Ringen (Dam & Fill Glob-Top) und das Aufsetzen von vorgeformten PU-Kappen mit anschließender thermischer Verklebung haben sich bewährt.

Für den Anwendungsbereich Textil/Wearables bietet sich vor dem Bestücken die Lamination auf baumwollbasierte Textilien an. CONTAG nutzt dazu die hydraulische Presse, auf der unter Temperatur und Druck das Material erweicht und in die Gewebestruktur eingearbeitet wird.

Für dauerhaft verformte Anwendungen wie Bedienkonsolen etc. kann die dehnbare TPU-Schaltung auf eine relativ starre Trägerfolie wie bespielsweise Polycarbonat (Dicke 200-300µm) auflaminiert werden, die nach dem Bestücken im Tiefziehverfahren verformt wird.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Verwendung eines thermoplastischen, dehnbaren Substrates ermöglicht völlig neuartige Applikationen auf dem Gebiet der Conformable und Wearable Electronics.

Auf Basis eines thermoplastischen Polyurethanmaterials sind elektrische Schaltungsträger möglich, die dauerhaft verformt werden oder dynamisch belastet und gedehnt werden können.

Die Leiterbildstrukturen werden vorzugsweise als Kupferstrukturen ausgeführt. Im gedehnten Bereich ermöglichen mäanderförmige Leiterbahnstrukturen die Längenänderung des Substrates, die je nach Design und Aufbau bis zu 30% betragen kann. Alternativ sind auch gedruckte dehnbare Leitpasten möglich.

Das elektrische Layout ist standardmäßig einlagig, aber auch doppelseitige durchkontaktierte Schaltungen und starr-dehnbare Ausführungen können realisiert werden.

Die CONTAG AG hat sich in diversen Forschungs- und Industrieprojekten umfangreiches Know How zu dieser innovativen Technologie erarbeitet und bietet die Prototypenfertigung auch in den firmentypischen kurzen Lieferzeiten an.

 (mbf)

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