Medizintechnik Miniaturisierte 3D-Leiterplatte für intelligente Implantate

Eine miniaturisierte 3D-Leiterplatte als Grundlage zum Aufbau intelligenter Implantate gibt vielen Patienten mit unterschiedlichen Beschwerden neue Lebensqualität.

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Eine Elektronik ohne Leiterplatte als Basismaterial ist, zumindest heute noch, undenkbar. Das gilt auch für aktive medizintechnische Implantate, die im menschlichen Körper die Funktionen beispielsweise von Muskeln übernehmen. Aber wollen Sie sich bei einer Operation eine postkartengroße Elektronikplatine einsetzen lassen? Und wie kann man höchste Zuverlässigkeit erreichen, um „Reparatur-OPs“ weitestgehend auszuschließen?

Eine nur fingergroße Miniatur-Elektronik

Bei der WITTENSTEIN electronics GmbH hat man man die Lösung: eine kompakte und dadurch „körpergerechte“ 3D-Leiterplatte. Angestoßen wurde die Entwicklung des neuartigen Leiterplatten-Designs durch ein Projekt der WITTENSTEIN intens GmbH. Dort arbeitet man aktuell an einem neuartigen aktiven Implantat mit drahtloser Energie- und Datenübertragung.

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Dem Entwicklungsteam um Michael Matthes, Experte für neue Elektroniktechnologien im Tech- nischen Büro von WITTENSTEIN electronics, ist es gelungen, für diese Implantate miniaturisierte 3D-Platinen intelligent zu entwerfen. „Diese Leiterplatten sind nur noch so groß wie ein kleiner Finger und können dadurch in Zukunft platzsparend in eine Vielzahl von Implantaten integriert werden“, erklärt Michael Matthes.

Flexible Leiterbahnen und vergrabene Bauteile

Um für die Elektronik des Implantats die erforderliche Platinen-Baugröße und Zuverlässigkeit für den Einsatz im Körper zu erreichen, ging WITTENSTEIN electronics neue Wege.

In eine Starrflex-Leiterplatte, die sowohl aus starren als auch aus flexiblen Platinenbereichen besteht, werden in unterschiedlichen Embedding-Verfahren aktive Bauelemente wie Schaltungen, und passive Bauelemente, etwa Widerstände, nicht nur auf der Ober- und Unterseite, sondern auch in der Platinenstruktur selbst untergebracht.

„Diese Integration, im Englischen Embedding genannt, spart eine Menge Platz und macht die Leiterplatte deutlich kompakter“, erläutert Michael Matthes, „zudem kann die Platine an den flexiblen Leiterbahnen platzsparend zu einem 3D-Körper gebogen werden, der dann nur noch etwa 39 mm x 25 mm x 7 mm misst.“

CAD, Leiterplatten- und Baugruppentechnik, Folge 14

Vorteile und Nutzen von starrflexiblen Leiterplatten

Diese Leiterplatten-Konzeption nutzt das besondere Design-Knowhow, das bei WITTENSTEIN electronics in den letzten Jahren kontinuierlich auf- und ausgebaut wurde. Beispiels- weise müssen beim Design neben der späteren Funktion der Platine auch bestimmte Anforderungen und Einschränkungen berücksichtigt werden.

So dürfen definierte Bauteile nur für bestimmte Positionen auf der Leiterplatte vorgesehen werden; und Kontaktierungsbohrungen in und durch die Leiterplatten müssen extrem präzise, d.h. im Bruchteil eines Millimeters, vorgegeben werden. Und schließlich muss sich all dies auch noch fertigungstechnisch beherrschen lassen, damit aus dem virtuellen Computer-Modell der Platine das reale Elektronikprodukt entstehen kann.

Dreidimensional denken

Flexible Schaltungen mit Starrflex

Michael Matthes und seinem Team ist es gelungen, die Elektronik für den Einsatz im menschlichen Körper hinsichtlich Baugröße und Zuverlässigkeit in bislang einmaliger Weise zu optimieren.

Erster Platz für die Implantat-Platine

Die körpergerechte 3D-Leiterplatte ist eine ausgezeichnete Lösung – nicht nur für die Patienten, sondern auch für WITTENSTEIN electronics. Für ihr Entwicklungs-, Design- und Fertigungs-Knowhow wurde dem Team um Michael Matthes Ende 2012 vom Fachverband für Design, Leiterplatten und Elektronikfertigung (FED e.V.) der PCB Design Award 2012 in der Kategorie 3D/Bauraum verliehen.

Zusammen mit WITTENSTEIN electronics wurde auch die Würth Elektronik GmbH ausgezeichnet. Dort erfolgte in fast 30 verschiedenen und z.T. hochkomplexen Bearbeitungsschritten die Herstellung des miniaturisierten Boards.

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