Flexibel, stretchable, embedded Das sind die Leiterplattentrends 2020

Auch wenn der Umsatz der deutschen Leiterplattenproduktion 2019 mit einem Minus von 12 bis 13 Prozent im Vergleich zum Vorjahr zu Buche schlägt: Die Innovationsstärke hiesiger Leiterplattenhersteller ist ungebrochen.

Die deutsche Leiterplattenproduktion belief sich 2019 auf 730 Millionen Euro. Das entspreche in etwa der Hälfte dessen, was hierzulande gebraucht werde, führt Hans Joachim Friedrichkeit, Inhaber von PCB Network, auf dem Leiterplattenforum Bayern Innovativ in seiner Einleitung aus. »Im Umkehrschluss bedeutet das, dass etwa die Hälfte des Bedarfs an Leiterplatten in Deutschland aus dem Ausland importiert wird«, sagt Friedrichkeit. Wachstumsstarke Marktsegmente entwickeln sich laut Friedrichkeit im Bereich 5G-Kommunikation und Infrastruktur, Automotive mit teil- und hochautomatisiertem Fahren, Connected Cars, Hochleistungsrechnern und anderen Segmenten des IoT.

Dass die deutsche PCB-Industrie trotz vielversprechender Wachstumsmärkte in den letzten Jahren immer wieder zu kämpfen hat, liegt zumeist nicht an deren Ideenreichtum. Die Leiterplattenhersteller warten immer wieder mit potenzialträchtigen neuen Technologien auf: Ein wesentlicher Trend ist der Wandel der Leiterplatte von der einfachen bestückten Platine hin zum Systemträger bzw. Multifunktionsbauteil. Aber ein Wermutstropfen bleibt: »Wir denken nicht groß, sondern zu kleinkariert«, bringt es Friedrichkeit auf den Punkt. Das Geschäft im großen Maßstab – sprich: große Serien – ist längst in Asien beheimatet. Die Gründe dafür sind vielschichtig. Mangelnder Mut zum Risiko, die eigenen Visionen umzusetzen, mag einer davon sein. Schließlich steht für deutsche Unternehmer die Investitionssicherheit ganz oben auf der Agenda. Aber auch politische Zick-Zack-Kurse sind kein fruchtbarer Boden für die Umsetzung von Innovationen – und das gilt nicht nur für die Leiterplattenindustrie: PCB-Experte Friedrichkeit führt als Beispiel das seinerzeit unrühmliche Ende des deutschen Transrapid an, während die Technologie in China intensiv gepuscht wird. Wie Risikobereitschaft belohnt wird, sehe man dagegen zum Beispiel an Tesla, führt Friedrichkeit aus. Der Newcomer ist inzwischen (Stand: 30. Januar) trotz allseits bekannter Schwierigkeiten mit seiner Lieferkette an der Börse mehr wert als der VW-Konzern, immerhin weltweit größter Autobauer.

Aber trotz rückläufiger Marktzahlen geizten die auf dem Leiterplattenforum vertretenen PCB-Hersteller aus Zentraleuropa nicht mit Neuerungen rund um die Platine: Flexibel, stretchable und embedded – so lauten die Schlagworte aus der Leiterplattenindustrie.

Flexibel für kleinste Flächen

Die Vielseitigkeit der flexiblen Leiterplatte nahm Dr. Sebastian Schweiger, zuständig für R&D beim Schweizer PCB-Hersteller Dyconex, unter die Lupe. Die immer weiter fortschreitende Miniaturisierung stellt hohe Anforderungen an die Leiterplatte. Flexible Leiterplatten bieten durch Falten die Möglichkeit, das zur Verfügung stehende Volumen besser auszunutzen. Zusätzlich erlaubt die Integration von Komponenten und Funktionalitäten mehr Platzeinsparung. Dünne Materialien und ein feines Leiterbild bieten interessante Perspektiven, stellen aber auch große Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Leiterplatte. Zum Einsatz kommen solche flexiblen PCBs bereits etwa bei Implantaten für Herzschrittmacher oder Hörgeräten. Dass in solchen Systemen die Fehlerrate bei 0 ppm über die Wertschöpfungskette liegen muss, versteht sich von selbst.

»Die Größenreduktion eines Systems ist nicht unbegrenzt möglich. Insofern muss man Fläche durch Package-Integration gewinnen oder man faltet das System«, führt Schweiger aus. Und wie funktioniert das Falten? Das ist laut Schweiger relativ einfach: Man defniert sogenannte Biegezonen, damit genau definiert wird, wo und in welchem Radius die Biegung stattfinden muss. Die Biegezonen können vorgefräst werden. d.h. die Außenlagen werden vogefräst und auf die Innenlagen verpresst. Diese Technik ist gut für größere Flex-Bereiche geeignet. Bei kleineren Bereichen und asymmetrischen Aufbauten sind tiefengefräste Biegezonen das Mittel der Wahl. Sie kommen zum Beispiel bei Herzrhythmusmanagement-Implantaten zum Einsatz. »Solche flexiblen Leiterplatten sind sehr zuverlässige Systeme«, schildert Schweiger. »Die verwendeten Matrialien sind sehr weich und ermöglichen eine gute Kompensation von Unterschieden in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie eine direkte Verbindung der Komponenten. Es sind also keine Kabel und Stecker erforderlich.«

Dehnbar und waschbar

Quasi die Weiterführung flexibler Elektronik ist „Comformable bzw. Stretchable Electronics“: Dabei geht es um formbare, dynamisch dehnbare, strukturelle und anpassungsfähige Elektronik. »Mit Leiterplatten aus dehnbaren Substraten auf Polyurethan-Basis werden in diesem Wachstumsmarkt Anwendungen möglich, die von der Industrielektronik über die Medizintechnik bis hin zu Smart Textiles reichen«, erläutert Christian Ranzinger, technischer Vorstand von Contag. Bestückt werden können diese dehnbaren PCBs klassisch durch Löten, Leitkleben oder Crimpen; wobei der Lotpastendruck bei Bauformen kleiner 0402 kritisch zu sehen ist. Sehr gut hingegen funktonieren laut Ranzinger Klebeverfahren mittels ICA- und ACA-Kleber. »Die Textillamination kann vor oder nach dem Bestücken erfolgen. Verschiedene Stoffqualitäten sind dabei möglich; die elektrische Anbindung erfolgt über Leitgarn«, fasst Ranzinger zusammen. Auch waschbar seien solche Systeme, zumindest im Schonwaschgang. Voraussetzung ist allerdings, dass das System verkapselt ist.

Ein weiterer Vorteil: Für die Herstellung der dehnbaren PCBs sind etablierte Technologien wie fotolithografische und galvanische Prozesse nutzbar. Die Herstellungsverfahren für dehnbare Leiterplatten sind nach den Worten von Ranzinger erprobt und funktionieren erwiesenermaßen. Eine dynamische Dehnung der Leiterplatte von bis zu 30 Prozent ist unter Verwendung eines Mäanderdesigns im dehnbaren Bereich möglich. Allerdings, so Ranzinger, sollte die Belastungssituation simuliert und vor einer Serienfertigung in der Anwendungsumgebung erprobt werden. Bisher arbeitet Contag mit zwei dehnbaren Lagen. »Aber der Plan ist, hier weiter in Richtung vier Lagen Stretch zu gehen.«

Entsprechende Entwicklungen seien im Gange, resümiert Ranzinger.
Auch bei Würth Elektronik wird an dehnbaren Leiterplatten geforscht, die unter dem Namen TWINflex-Stretch vermarktet werden. Für eine Medizin-Anwendung, die gemeinsam mit dem Fraunhofer IZM entstand, gewann Würth bereits 2018 den IHK-Forschungstransferpreis in Gold: In einer Applikation des Schweizer Unternehmens Swisstom wird die dehnbare TWINflex-Stretch-Leiterplatte in einen auf die Haut aufgelegten Messgürtel integriert. Mit dem Gürtel kann die Herz- und Lungenfunktion von Säuglingen sehr sanft und schonend, ohne Eingriffe gemessen und in dynamischen Bildern vom Arzt beobachtet werden.