Dreidimensionale Leiterplatten Welches Herstellungsverfahren ist das beste?

Dreidimensionale Leiterplatten nutzen begrenzten Einbauraum optimal aus. Mit »Starrflex«, »Semiflex« und »HSMtec 3D« stellen wir drei Herstellungsverfahren vor und beleuchten ihre technischen Eigenschaften, Anwendungsmöglichkeiten sowie ihre Vorteile und Grenzen.

von Johann Hackl, Anwendungsentwicklung bei Häusermann.

Packungsdichte vergrößern, Gewicht reduzieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit von Baugruppen erhöhen – dreidimensionale Leiterplatten kommen in immer mehr Produkten zum Einsatz. Die Möglichkeit, Teile einer Schaltung auf verschiedenen Leiterplatten oder Leiterplattensegmenten direkt miteinander zu verbinden, ersetzt Steckverbindungen und Kabel. Darüber hinaus eröffnen 3-D-Leiterplatten neue konstruktive Möglichkeiten und helfen, Systemkosten zu reduzieren.

Charakteristisch für die 3-D-Technik ist, dass die Schaltungsträger als zweidimensionale Leiterplatte layoutet, im Nutzen gefertigt und bestückt werden. Erst nach dem Bestücken erfolgt das Aufbiegen in ihre dreidimensionale Form. Dabei unterscheidet man zwischen wenigen Biegungen etwa bei der Montage und hohen Biegezyklen im Einsatz.

Vielseitig: Starrflex

Starrflexible Leiterplatten sind die bevorzugte Lösung, wenn mehrere starre Leiterplatten in unterschiedlichen Einbaulagen und Ausrichtungen elektrisch verbunden werden sollen. Die Bauteile sind auf mehrere starre Schaltungsträger verteilt und über eine flexible Folie aus Polyimid miteinander verbunden. Die Flexfolie ist in den Lagenaufbau der Leiterplatten integriert. Elektrisch verbunden sind der flexible und der starre Teil mit geätzten Leiterbahnen auf der Flexfolie. An den Biegestellen wird das FR4-Material bis zur Flexfolie weggefräst (Bild 1). Das Polyimid ermöglicht eine gute Anpassungsfähigkeit der Leiterplatte an begrenzte Raumverhältnisse.

Die Starrflex-Technik ermöglicht vielseitige Layouts und Geometrien. Weitere Vorteile: Das Einsparen vieler Lötstellen, Kabel, Drähte, Steckbrücken und Steckverbindern minimiert nicht nur Platz und Gewicht, sondern eliminiert potenzielle Fehlerquellen und reduziert die Gesamtkosten. Allerdings müssen für die dünnen Materialien des flexiblen Leiterplattenteiles die Biegeradien und Biegezyklen eingehalten werden.

Ein Beispiel: Das kompakte Gehäuse des Werkzeugspanners »Power-Check« von Ott-Jakob (siehe Bild oben) passt in die Werkzeugmagazine sämtlicher Maschinenhersteller. Der Werkzeugspanner prüft die Kraft, mit der das Werkzeug in den Spindelkonus der Werkzeugmaschine eingezogen wird. Unterschreitet die Kraft einen bestimmten Schwellenwert drohen vermehrter Werkzeugverschleiß oder Vibrationen, die unsaubere Bearbeitungsspuren auf Werkstücken hinterlassen. Der Power-Check prüft aber nicht nur die Kraft: Beim Einrichten einer neuen Motorspindel lassen sich verschiedene Toleranzen für unterschiedlich lange Werkzeuge simulieren. Außerdem lassen sich digitale Schaltausgänge für eindeutige Signalmeldungen darüber programmieren, ob ein Werkzeug gut oder schlecht gespannt ist.

Das ausgeklügelte Schaltungsdesign basiert auf einem vierlagigen Starrflex-Multilayer – gerade mal 122,89 mm lang und 70,15 mm breit – mit Nickel-Gold-Oberfläche, der vier starre Teile unter anderem mit einem Flexteil verbindet (Bild 2). Darauf befinden sich ein Mikrocontroller, ein Messgeräteverstärker, mehrere Magnetschalter, LEDs fürs Display, ein komplettes Frontend für eine Funkübertragung sowie eine Lithium-Zelle als Energiespeicher.

Expertentipp: Der perfekte Spagat 
Mehrdimensionale Leiterplatten bringen Mehrwert für die elektronische Baugruppe. Obwohl die 3-D-Leiterplatte wertiger und teurer in der Herstellung als eine starre Leiterplatte ist, sinken die Systemkosten der Gesamtlösung. Der dreidimensionale Schaltungsträger wird als zweidimensionale Leiterplatte layoutet und gefertigt und nach der Montage in die gewünschte dreidimensionale Form gebracht. Aus der Sicht des Leiterplattenherstellers steht die Fertigbarkeit im Vordergrund und es gilt, den Spagat zu schaffen zwischen Stabilität, Flexibilität und Genauigkeit. Stabilität, damit die fertige Leiterplatte bestückbar, Reflow-Ofen- und testtauglich ist; Flexibilität, um die Leiterplatte einfach und schnell vom Nutzen zu trennen, und Genauigkeit, weil zu viele Haltestege unsaubere Spuren hinterlassen würden.