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3D-MID ist besser als flexible Leiterplatten

09. Oktober 2020, 10:00 Uhr   |  Nach Unterlagen von Harting 3D-MID

3D-MID ist besser als flexible Leiterplatten
© Harting

Flexible Leiterplatten haben zahlreiche Vorteile. Doch ihre Bestückung und insbesondere ihre Montage sind recht aufwendig. Die 3D-MID-Technologie kann Flex-Leiterplatten nicht nur ersetzen, sondern auch bis zu zwei Drittel der Kosten einsparen.

Flexible Leiterplatten aus dünnen Polyimidfolien haben sich durch die flexiblen Einsatzmöglichkeiten in vielen Produktbereichen durchgesetzt. Ihre Bestückung und Montage erfordert allerdings einen erhöhten Handlingsaufwand. Hier setzt ein neuentwickelter Bauteilträger von Harting an. Bei der 3D-MID-Technologie (Mechatronic Integrated Device) lassen sich elektronische Bauteile direkt auf dem dreidimensionalen Grundkörper montieren, wobei dieser sowohl die mechanische als auch die elektrische Anbindung übernimmt – ohne Leiterplatten und Verbindungskabel. So kann der Bauteilträger flexible Leiterplatten ersetzen.

Die bestückten Bauteilträger werden in Blister-Gurten auf Rollen (Tape & Reel) ausgeliefert und lassen sich als Standardbauform, wie andere SMD-Elektronikkomponenten, durch eine automatische Bestückung verarbeiten. Aktuell sind zwei unterschiedliche Baugrössen verfügbar, auf denen sich Elektronikkomponenten mit der Standardbaugröße SOIC-8 und kleiner bestücken lassen. Darüber hinaus realisiert Harting auch kundenspezifische Baugrößen.

Als Anwendungen, wo dieser Bauteilträger Flex-Leiterplatten ersetzen kann, seien exemplarisch drei Anwendungen genannt:

  • Bauteile im 90-Grad-Winkel zur Leiterplatte: Der Bauteilträger ist geeignet, wenn elektrische Komponenten wie Sensoren rechtwinklig zur Leiterplatte zu positionieren sind. Durch den automatischen Bestückungsprozess lassen sich Temperatur- und Hallsensoren sehr genau platzieren, was zu exakten, wiederholgenauen Messresultaten führt. Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind optische Komponenten wie LEDs oder Fotodioden, um präzise Lichtschranken zu realisieren.
  • Abstand zur Leiterplatte: Der Bauteilträger ermöglicht auch einen Abstand zwischen der Leiterplatte und einem elektronischen Bauteil. Ein Temperatursensor lässt sich somit für die Temperaturmessung im Gehäuse einsetzen, ohne dass das Messresultat durch die Abwärme von weiteren Komponenten auf der Platine beeinflusst wird. Eine LED kann auf diese Weise in einem Abstand zur Leiterkarte platziert und somit mögliche Abschattungen durch umliegende Komponenten vermieden werden (Bild 1).
  • Antennenfunktion: Der Bauteilträger kann mit unterschiedlichen Grundpolymeren bestehen. Dabei können elektrische Eigenschaften, wie Dielektrizitätskonstante und Verlustfaktor der Materialien, berücksichtigt werden, die für Antennen geeignet sind. Das anwendungsspezifische Antennenlayout kann für verschiedene Applikationen im Mega- und Gigahertz-Bereich verwendet werden, zum Beispiel Bluetooth, WiFi, ZigBee oder 5G.
Harting, 3D-MID
© Harting

Bild 1: Mit dem 3D-MID-Bauteilträger von Harting lassen sich LEDs in einem Abstand zur Leiterkarte platzieren und somit mögliche Abschattungen durch umliegende Komponenten vermeiden.

Besonderheiten der 3D-MID-Technologie

Bei der 3D-MID-Technologie wird der Grundkörper im Spritzgussverfahren hergestellt, wobei der thermoplastische Kunststoff mit einem nichtleitenden, anorganischen Additiv versehen ist. Damit dieses Material elektrische Leiterbahnen aufnehmen kann, werden die Additive im Kunststoff durch eine Laserdirektstrukturierung (LDS) »aktiviert«. Dabei beschreibt der Laserstrahl die für die Leiterbahnen vorgesehenen Flächen und es entsteht eine mikroraue Struktur. Die freigesetzten Metallpartikel bilden die Kerne für die anschließende chemische Metallisierung.

Auf diese Weise werden auf dem dreidimensionalen Grundkörper elektrische Leiterbahnen aufgebracht. Der verwendete Kunststoff verfügt über eine hohe Wärmebeständigkeit und lässt sich somit im Reflow-Ofen löten.

Harting setzt die gesamte 3D-MID-Prozesskette seit über zehn Jahren von der Projektidee bis zum bestückten Serienprodukt im eigenen Haus um. Die Technologie wird für Anwendungen unter anderem in der Medizintechnik, in der Industrie- und Unterhaltungselektronik bis hin zu sicherheitsrelevanten Bauteilen in der Automobilindustrie eingesetzt.

Der mit diesem Verfahren entwickelte Bauteilträger ist flexibel für unterschiedliche Anwendungen einsetzbar. So kann er mit mehreren Sensoren bestückt werden, die z. B. für eine Messung in drei Achsen (X, Y, Z) ausgerichtet werden. Die Bauteile können gleichzeitig auf zwei parallele Flächen auf der Vorder- und der Rückseite, sowie auf der Stirnfläche aufgebracht werden.

Spart zwei Drittel der Kosten

Elektronische Bauteile wie LEDs, ICs, Fotodioden und Sensoren bestückt Harting automatisch direkt auf den Bauteilträger. Die Gesamtkosten für den Bauteilträger sind im Vergleich zu Flex-Leiterplatten-Lösungen um zwei Drittel geringer. Der Kostenvorteil ergibt sich durch den Wegfall des oft komplexen Handlings flexibler Leiterplatten wie Bestücken, Kleben und Montieren. Das Verfahren ist selbst bei kleinen Stückzahlen im Vorteil, da der Bauteilträger unverändert für unterschiedliche Anwendungen genutzt werden kann und keine Kosten für ein neues Spritzgusswerkzeug entstehen. Im Vergleich zu Flex-Leiterplatten lassen sich die Bauteile präziser und höherer Reproduzierbarkeit positionieren.

Harting, 3D-MID
© Harting

Bild 2: Da sich die Schaltungsträger per Tape & Reel automatisch bestücken lassen, entfällt das oft kostenintensive manuelle Handling mit flexiblen Leiterplatten.

Als weiteren Vorteil des Bauteilträgers nennt Harting die geringe Projektlaufzeit bis zur Auslieferung fertiger Komponenten. Da der Kunststoffträger unverändert bleibt, reichen Vorgaben zur Platzierung der elektronischen Bauteile. Daraus erstellt das Unternehmen einen fertigungsoptimierten Layoutvorschlag. Für die Anpassung der elektrischen Leiterbahnen an die jeweilige Anwendung reicht eine Anpassung des Laserprogramms aus. Die Auslieferung der ersten Muster aus der Fertigung ist nach Freigabe durch den Kunden und der Anlieferung der Komponenten innerhalb von zwei bis drei Wochen möglich – falls nötig auch schneller.

Die kleinere Bauform des Bauteilträgers ist für Komponenten der Größe SOT23 und kleiner vorgesehen – mit den filigranen Abmessungen von ca. 5 mm × 4 mm × 3 mm (Bild 2). Elektronische Bauteile lassen sich direkt auf den neuen Bauteilträger automatisch bestücken. Das oft komplexe Handling flexibler Leiterplatten entfällt. Die Kosten sind dadurch um bis zu zwei Drittel geringer.

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