Binder erforscht neue PCB-Technologie

Wann es bei starr-stretch schwierig wird

1. Juli 2021, 8:00 Uhr | Karin Zühlke
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Im BMBF geförderten Forschungsverbundprojekt PYRAMID war Binder mit der Entwicklung eines körpernahen Sensorsystems beschäftigt. Der Formfaktor orientierte sich an Uhr/Armband.
© Binder Elektronik/WEKA Fachmedien

Wo sind die Grenzen dehnbarer Leiterplatten? Dieser Frage hat sich Binder Elektronik gestellt, u. a. in einem BMBF-Projekt. Das Ergebnis überrascht.

Schaltungen mit dehnbaren Leiterplatten gehören seit Längerem zum Spektrum von Binder Elektronik. Geschäftsführer Christian Rückert sieht die Erforschung neuer Technologien als Teil der DNA des Unternehmens. Die dehnbaren PCBs werden auf Basis von Polyurethan gefertigt und erhalten daher ihre speziellen Eigenschaften:

•    Dehnbar (bis zu 20%)
•    dauerhaft und dreidimensional verformbar
•    äußerst weich und beweglich (biegeschlaff bzw. forminstabil)

Die Beweglichkeit haben die flexiblen und starr-flexiblen Leiterplatten längst salonfähig gemacht. Aber sie leiden unter dem Problem, dass sie nur in einer Achse wirklich verformbar sind. Auf Verdrehung und erst recht Dehnung reagieren diese Aufbauten äußert empfindlich.
Insbesondere im Umfeld von Wearables und anderen körpernahen Anwendungen ist diese Anforderung aber häufig gesetzt. Die meisten Körperpartien sind uneben und ständig in Bewegung. An dieser Stelle kommen die PU-basierten Leiterplatten ins Spiel.

Wie alle Technologien hat auch diese ihre Nachteile:  Polyurethan ist als Basismaterial nicht sehr temperaturbeständig (<180°C). Das bedingt einen angepassten Lötprozess auf Basis von Zinn-Wismut und auch die Einsatztemperaturen im Feld sollten nicht so hoch liegen wie bei FR4 oder Polyimid.

Auch die Möglichkeiten für komplexes Routing sind derzeit noch eingeschränkt: Multilayer sind bisher nicht möglich.
Dafür punktet die Technologie mit einer wiederholbaren Dehnbarkeit von 10-20%. Um dies zu gewährleisten, muss das Design der Leiterplatte entsprechend optimiert werden. In erster Linie ist die Ausführung der Leiterbahnen ausschlaggebend für den Erfolg. Diese werden als Mäander ausgeführt um die Dehnung ohne Drahtbruch zu ermöglichen.

Außerdem ist das verwendete Polyurethan sehr gut verträglich und angenehm auf der Haut. Was bedeutet, dass für medizinische Anwendungen ein PU-Substrat direkt auf den Körper platziert werden kann. In manchen Anwendungen (https://www.we-online.de/web/de/leiterplatten/news_leiterplatte/archiv_2019/news_detail_leiterplatte_108953.php) ist dies ein großer Vorteil.

Gute Erfahrungen

„Wir sammelten in den vergangenen Jahren schon einige Erfahrungen mit der Verarbeitung von solchen Stretch-Substraten. Gemeinsam mit der Würth Elektronik konnten wir zuerst einige Demonstratoren fertigen und kurze Zeit später auch ein erstes Kundenprodukt.“, so Rückert.
Die Prozessführung war einfacher als gedacht. Die Sn/Bi Lotpaste lässt sich ohne Einschränkungen prozesssicher verarbeiten. Natürlich wurde ein spezielles Lötprofil erstellt, aber auch das gestaltet sich aufgrund der niedrigeren Temperaturen einfacher als bei SAC-Lot. Die Ergebnisse waren von Anfang an sehr gut, wir hatten mit dem Lot bereits Erfahrungen aus Projekten mit textiler Elektronik.
Das Handling der Substrate entspricht in etwa bekannten Substraten. Dafür wird der eigentlich Kern aus TPU-Folie (Thermoplastisches Polyurethan) mit einer starren Lage verbunden, die nach der Prozessierung gelöst werden kann.

Eine größere Herausforderung besteht bei Stretch-Substraten  mit größeren Ausmaßen. Die geringe Formstabilität des Materials führt dazu, dass Strukturen nicht die Maßhaltigkeit und Wiederholgenauigkeit haben, die man von FR4 oder Polyimid gewohnt ist. „Hier ist von Vorteil, wenn man mit lokalen Passermarken für den Lotpastendruck und der Bestückung arbeiten kann“, erklärt Rückert.

Geht da noch mehr?

„Die strukturellen Vorteile der PU-basierten Substrate waren uns also schon bekannt.
Wir waren aber neugierig, ob man nicht einige der Nachteile überwinden könnte“, so Rückert weiter.

Im BMBF geförderten Forschungsverbundprojekt PYRAMID war Binder mit der Entwicklung eines körpernahen Sensorsystems beschäftigt. Der Formfaktor orientierte sich an Uhr/Armband. Dort wird regulär die Elektronik in einer kompakten Einheit auf der Oberseite des Armes integriert, das Armband hat keine elektrische Funktion. „Im Rahmen der Forschung wollten wir untersuchen welche Vorteile eine Funktionalisierung des kompletten Bandes verspricht“, schildert der Firmenchef.
Im ersten Versuch wurde die entsprechende Schaltung als Starr-Flex-Version aufgebaut, um deren Funktionalitäten zu überprüfen.
Die Schaltung beinhaltet ein Microcontrollermodul mit Bluetooth, das sich über eine App steuern lässt, verschiedene Sensoren (9DoF, Umgebungslicht, Mikrofon, Temperatur), NFC sowie als Kernstück zwei PPG-Sensoren (für Herzratenmessung), die jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Armes platziert werden (1x Sensor auf der Haupteinheit, 1x Sensor an der Schließe). Die Spannungsversorgung erfolgt über zwei Lithium-Polymer-Akkus, die mittels magnetisch haftenden Abdeckkappen aus FR4 verdeckt werden. Außerdem gibt es eine kapazitive Bedienstrecke auf dem Armband sowie RGB-LEDs zur Visualisierung.
Das PCB-Layout war schon auf eine Stretch-Variante vorbereitet. Die Leiterbahnen wurden dementsprechend als Mäander ausgeführt. Die Dichte der Strukturen war noch recht hoch und sollte später so weit wie nötig reduziert werden. Als Lagenaufbau wurde ein starr-flex-Aufbau mit 4 starren und zwei innenliegenden Flexlagen realisiert (1ri-2F-1Ri_0,99_17). Wobei auch eine Bestückung auf der oberen Flex-Lage vorgesehen war. Dadurch waren Durchkontaktierungen im Flexbereich nötig.

Im nächsten Schritt sollten Schaltung und Aufbau in eine „Starr-Stretch“ Variante überführt werden. Die Motivation dahinter war auszuloten ob mittels dieser Verbindung Stretch-Leiterplatten mit höherer Komplexität realisiert werden könnten. Gemeinsam mit der Würth Elektronik wurde das Konzept für einen solchen Aufbau entwickelt.
Der Lagenaufbau wurde geringfügig modifiziert und das flexible Polyimid (PI) sollte durch das dehnbare Polyurethan (PU) ersetzt werden. Das Coverlay wird in der Stretch-Variante ebenfalls in TPU-Folie realisiert. Bereiche mit Bauteilebestückung mussten zusätzlich vollflächig ausgespart werden.
 

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