Leiterplattentrends 2020 Flexibel, eingebettet – und sogar waschbar

»Wir denken nicht groß, sondern zu kleinkariert«, warnt Hans Joachim Friedrichkeit, Inhaber von PCB Network, auf dem Leiterplattenforum Bayern Innovativ.
»Wir denken nicht groß, sondern zu kleinkariert«, warnt Hans Joachim Friedrichkeit, Inhaber von PCB Network, auf dem Leiterplattenforum Bayern Innovativ.

Längst besteht die Leiterplatte nicht mehr nur aus dem klassischen „grünen“ FR4-Material: Flexibel, stretchable und embedded – so lauten die aktuellen Schlagworte aus der Leiterplattenindustrie, präsentiert auf dem Leiterplattenforum von Bayern Innnovativ.

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 Materialien 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 funktionieren 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.