Vias aus Flüssigmetall-Tröpchen Neuartiger Ansatz für flexible Leiterbahnen

Anbieter zum Thema

University of Virginia School of Engineering

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Ein Forschungsteam der Virginia Tech hat eine neue Methode zur Herstellung weicher, flexibler elektrischer Verbindungen über und durch Schaltungsebenen entwickelt. Hierbei kommen Mikrotröpfchen aus Flüssigmetall zum Einsatz, um kleine leitende Durchgangsverbindungen herzustellen.

Soft Electronics, also die Produktion weicher, flexibler Schaltungen und Leiterplatten, ist für die kommende Generation an Medizinelektronik und Wearables von besonderem Interesse. Nicht-rigide, also dehn- und formbare Leiterbahnen bieten vielversprechende Ansätze für robustere Elektronikgeräte, flexiblere und für Patienten angenehmere Medizingeräte oder auch kompaktere Wearables. Für solche Anwendungsfelder haben Forscher der Virginia Tech eine innovative Methode zur Konstruktion der dafür notwendigen weichen elektronischen Komponenten entwickelt, mit besonderem Fokus auf die Schaltkreise und Leiterbahnen.

Bei der neuartigen Technik werden Mikrotröpfchen aus flüssigem Metall verwendet. Mit diesen wird eine treppenartige Struktur geschaffen, die kleine leitende Durchgänge bildet, die sogenannten Vias. Für gewöhnlich müssen für Durchkontaktierungen in Leiterplatten eigens Löcher gebohrt werden. Die mit der an der Virginia Tech entwickelten Vias schaffen hingegen elektrische Verbindungen durch und zwischen den Schaltungsschichten, ohne dass Bohrungen in der Hardware notwendig werden.

„Dies bringt uns näher an aufregende Möglichkeiten wie fortschrittliche weiche Robotik, tragbare Geräte und Elektronik, die sich dehnen, biegen und verdrehen kann, ohne an Funktionalität einzubüßen“, sagt Michael Bartlett. Er ist der leitende Forscher des Projekts und außerordentlicher Professor der Fakultät für Maschinenbau der Virginia Tech.

Die aktuelle Studie zu dem Projekt, die im Fachblatt Nature Electronics veröffentlicht wurde, setzt auf früheren Forschungen der Virginia Tech auf dem Gebiet weicher Elektronik auf. Dort wurden in erster Linie weiche Komponenten für die Bestückung von Leiterplatten konzipiert. Die aktuelle Studie fokussiert sich hingegen auf die Schaltkreise, Leiterbahnen und die Platinen selbst. Dabei stellten bislang die Vias eine besondere Herausforderung dar, also die Durchleitung elektrischer Ströme zwischen den einzelnen Schichten oder der Vor- und Rückseite einer Leiterplatte. Eine solche Durchkontaktierung ist nötig, um den vorhandenen Platz einer Leiterplatte möglichst effizient auszunutzen und die resultierende Elektronik so platzsparend wie möglich zu gestalten.

Die in rigiden, starren Leiterplatten eingesetzten Methoden zur Durchkontaktierung sind für das Gebiet der Soft Electronics wenig geeignet. Müssten in ein flexibles Material für die Schaffung von Vias Löcher gestanzt werden, würde dies das Trägermaterial erheblich schwächen. Die resultierende weiche Leiterplatte hätte eine geringere Strukturelle Integrität. Da flexible Elektronik darauf angelegt ist, auch flexibel gedehnt oder gebogen zu werden, wäre das für deren Lebensdauer von großem Nachteil.

Das Team der Virginia Tech hat daher für die Durchkontaktierung einen komplett neuartigen Ansatz geschaffen: Sie setzt auf Flüssigmetall-Mikrotröpfchen ("Droplets"), um weiche Durchgangslöcher und flächige Verbindungen zu bilden, ohne Öffnungen im Trägermaterial zu schaffen. Die so geschaffenen Vias stellen die gewünschten elektrischen Verbindungen durch und zwischen den Schaltungsschichten her, ohne die strukturelle Stabilität der Leiterplatte zu schwächen.

Eine unerwünschte Anomalie als Feature

Das Verfahren beinhaltet die gezielte Schichtung von Flüssigmetalltröpfchen in einem Photo-Harz. Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von Elektronik und anderen Mikro- und Nanotechnologien treten bei der Ultraviolettbestrahlung Unvollkommenheiten auf, die als Maskenkantenanomalien bekannt sind. Bei der üblichen Produktion von Leiterbahnen stellen solche Anomalien in der Regel eine Herausforderung dar, die es zu vermeiden gilt.

Die Forscher haben diesen Fehler jedoch in eine Schlüsseleigenschaft ihrer Schaltkreise umgewandelt: Die Kanten der ultraviolett belichteten Bereiche bewirken, dass sich die flüssigen Metalltröpfchen absetzen und in einem treppenartigen, vertikalen Muster schichten. Diese gerichtete Anordnung ermöglicht es den Tröpfchen, eine durchgehende Via durch das Photo-Harz zu bilden, welche die oberen und unteren Schichten miteinander verbindet. Dieser Prozess findet gleichzeitig statt, und die Tröpfchen setzen sich schnell ab, so dass der Prozess zur Herstellung mehrerer Vias weniger als eine Minute dauert.

„Indem wir uns diese ansonsten unerwünschten Randeffekte zunutze machen, können wir weiche, leitfähige Vias erzeugen, die verschiedene Schaltungsebenen schnell und parallel miteinander verbinden“, sagt Dong Hae Ho, ein Postdoktorand der Virginia Tech und Erstautor der begleitenden Studie. „Dabei bleiben die Flexibilität und die mechanische Integrität des Soft-Elektronik-Bauteils erhalten. Dies ermögliche neue Möglichkeiten bei der Fertigung weicher, flexibler Elektronik. Die Forschenden erhoffen sich, mit ihrer Studie das Feld der Soft Electronics entscheidend voranzubringen. (sg)

Elektronikfertigung

Raum schaffen mit flexiblen Leiterplatten

Leiterplattentechnologie

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

(ID:50217801)