Gedruckte Elektronik Leichtgewicht-Kabel

Elektronische Schaltungen aus dünnen Schichten, auf ein flexibles Substrat gedruckt, verbreiten sich immer weiter. Ihre Vorteile: sie sind extrem dünn und leicht und außerdem äußerst billig. Jetzt folgen auch Kabel in dieser Bauweise.

Es gibt technische Produkte, bei denen unter allen Umständen Masse gespart werden muss. Allen voran sind das sämtliche fliegenden Objekte von der Drohne bis zum A380, aber auch das Elektroauto, wo jedes vermiedene Kilogramm die Reichweite um ein Stück verlängert.

Einen wesentlichen Anteil an der Gesamtmasse eines Fahrzeugs machen die Verbindungskabel aus. Kupfer ist bekanntlich schwer, dazu kommt eine meist unnötig dicke Isolation. Vor allem Kabel, die nur Steuerinformationen übertragen, sind oft weit überdimensioniert. Ihre Masse zu reduzieren, kann im Endeffekt einige Kosten einsparen. Dazu müssen sie aber anders konstruiert sein als die bisherigen.

Kabel aus dem Drucker

Die Marktlücke gesehen hat Tommi Rintala, Chef der Firma New Cable Corporation, gegründet 2016, Sitz in Oulu, Finnland. Als Spezialist für gedruckte Elektronik kam er auf die Idee, mit den gleichen Produktionseinrichtungen wie für die schon verbreiteten gedruckten elektronischen Schaltungen auch Kabel herzustellen. Die Vorteile gegenüber den konventionellen: wesentlich weniger Masse und Volumen und dazu auch noch niedrigere Kosten.

Anders als Flex-Leiterplatten

Nach Austesten verschiedener Herstellungsmethoden zeigte sich ein hybrider Aufbau als am günstigsten. Ausgangsprodukt ist eine Folie aus PET (Polyethylenterephthalat) oder PI (Polyimid) mit auflaminierter Kupferschicht, aus der die einzelnen Leiterbahnen herausgeätzt werden, meist zwischen 0,2 mm und 1 mm breit. Bis dahin ähneln sie den üblichen flexiblen Leiterplatten. Die weiteren Schritte verlaufen dann aber anders. Die nachfolgenden Lagen werden alle mittels Siebdruck hergestellt: Isolationen (Polymere), Abschirmschichten (Silbertinte) und außen herum ein Schutzmantel – alles in einem einzigen Durchlauf von Rolle zu Rolle. Insgesamt sind es sieben Lagen (Bild 1).

Der Grund, warum die Kupferschicht nicht auch gedruckt wird: Laminiertes Kupfer hat ein besseres Verhältnis von Leitfähigkeit zu Preis. Bei den anderen Materialien ist dagegen der Siebdruck günstiger, gerade bei vielen Schichten.

Flach, flexibel und leicht

Das neue Kabel erhielt den Namen „Shielded Flat Flexible Cable“ (SFFC). Mit den derzeitigen Anlagen lassen sich solche Kabel mit Längen bis 600 m und Breiten bis 300 mm herstellen. Je nach Ausführung sind sie zwischen etwa 130 und 170 µm dick und damit äußerst flexibel – mit einem minimalen Biegeradius vom Zehnfachen der Dicke. Mit PET-Substrat sind sie zwischen 0 und +85 °C einsetzbar, mit Polyimid zwischen -40 und +250 °C. Bei starkem Stromdurchfluss – z.B. 2 A durch eine 1-mm-Bahn – erwärmt sich das Kabel, ein Temperaturanstieg um bis zu 40 K ist zulässig. Wegen der größeren Oberfläche fließt hier die Wärme besser ab als aus einem konventionellen Kabel mit rundem Leiter.

Ein Vergleich: 1 m vieladriges Standard- Rundkabel hat eine Masse von z.B. 90 g, davon entfallen auf Kupfer 43 g, auf Kunststoff 46 g, auf Abschirmung 1 g. Ein SFFC mit gleichen Übertragungseigenschaften hat dagegen nur 6,7 g Masse, davon Kupfer 3,5 g, Kunststoff 1,2 g, Abschirmung 1,0 g, Sonstiges 1,0 g. Die gesamte Materialmasse ist um rund 92 Prozent reduziert. Ein typischer SFFC-Auto-Kabelbaum ist um 70 Prozent leichter als ein konventioneller. Wie Rintala errechnet hat, könnte ein Auto mittlerer Größe bei durchschnittlicher Fahrleistung damit 61 kg CO2 pro Jahr einsparen, wenn es mit SFFC ausgerüstet wird. Noch größer wäre der Effekt beim Flugzeug, wo die herkömmliche Verkabelung einige Tonnen ausmachen kann: Eine Massereduzierung von 1 kg in einem Airbus kann während der Lebensdauer des Flugzeugs 12 t Kerosin sparen, was laut Rintala 9500 t CO2 pro Jahr entspricht.

Gefertigt werden verschiedene Standardkabel (Bild 2), den größten Teil der Produktion machen aber kundenspezifische Versionen aus, überwiegend Auto-Kabelbäume.

Geeignete Steckverbinder sollen in Zukunft auch gleich mitgedruckt werden. Im Moment sind sie in Entwicklung, die Details sind noch unter Verschluss. Wenn das mit SFFC ausgestattete Produkt dann sein Lebensdauerende erreicht hat, übernimmt die New Cable Corporation auch das fachgerechte Recycling der gedruckten Flachkabel. Sie sind also umweltfreundlich vom Anfang bis zum Ende.