Miniaturisierte Leiterplatten
Von Herzschrittmachern und Lifestyle-Produkten
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Das optimale Spulendesign für die induktive Energieübertragung
Ein Cochlea-Implantat ist ein elektronisches medizintechnisches Gerät, das die Funktion der beschädigten Hörnerven über elektrische Stimulation optimiert. Im Unterschied zu Hörgeräten, die die Lautstärke von Geräuschen verstärken, übernehmen Cochlea-Implantate die Funktion, Audiosignale (Schallwellen) in elektrische Signale umzuformen und an das Gehirn zu übertragen. Ein Soundprozessor, der hinter dem Ohr oder am Körper getragen wird, erfasst Audiosignale und wandelt sie in elektrische Signale um. Vom Prozessor werden die Daten an eine seitlich am Kopf befindliche Sendespule mittels Induktion an das Spulenimplantat (Empfänger) unter der Haut übertragen. Die elektrischen Impulse werden über haarfeine Drähte zur Schnecke (Cochlea) im Ohr geführt, um die Hörnerven in der Cochlea zu stimulieren, von wo aus die Signalimpulse an das Gehirn weitergeleitet werden. So entsteht dann eine Hörwahrnehmung.
Das optimale Spulendesign für die induktive Energieübertragung und die zuverlässige Datenübertragung erfordern Leiterplatten mit geringen Toleranzen bei den Kupferschichtdicken und vor allem bei den Leiterbahnbreiten und -abständen nach dem Ätzen. Die Parameter der Spulen müssen innerhalb eines Produktionsloses nach einem definierten AQL (Acceptable Quality Level) überprüft und dokumentiert werden.
Herzschrittmacher und Defibrillatoren
Zur Stabilisierung von zu langsamen und/oder unregelmäßigen Herzrhythmus werden permanente Herzschrittmacher-Systeme – kleine batteriebetriebene Geräte, die in den Brustraum implantiert werden – eingesetzt (Bild 2). Die Herzschwäche wird korrigiert und auf eine »normale« Frequenz angehoben. Moderne Herzschrittmacher sind so entwickelt, dass sie die jeweilige physische Aktivität erkennen und dann den Herzschlag entsprechend anpassen, somit können sie ein körperlich aktives Leben ermöglichen.
Neben zu langsamen Herzrhythmusstörungen gibt es auch zu schnelle Formen der Herzfrequenz, die sich eventuell überlagern und zu einem Herzstillstand führen können. Zur Korrektur werden Defibrillatoren (Elektroschock-Geräte) in den Brustraum implantiert, die die Rhythmusstörungen erkennen und durch elektrische Therapie behandeln, um so schnellstmöglich wieder einen normalen Herzschlag herzustellen.
Beide beschriebenen Systeme dienen zur Lebenserhaltung. Die für diese Systeme verwendeten Leiterplatten müssen ein sehr hohe Qualität und Ausfallsicherheit aufweisen. Für alle Leiterplatten gelten daher spezielle Regelungen zur Prozesskontrolle, welche in internationalen Normen spezifiziert und beschrieben sind. Auch die verwendeten Materialien müssen strenge Kriterien erfüllen, welche in umfangreichen Qualifikationstest regelmäßig überprüft werden.
Prothesen
Für Prothesen werden für die Steuer- und Regeleinheit HDI-Schaltungen verwendet und in den Prothesen flexible Leiterplatten, um die dynamische Bewegung umsetzen zu können. Als Prothese konnte bereits eine menschliche Hand – die sogenannte Michelangelo-Hand – mit Hilfe spezieller flexibler Leiterplatten weitgehend nachgebildet werden.
Ein wichtiges Kriterium ist dabei, dass in derartigen Prothesen die flexible Leiterplatte ständig und mit kleinen Biegeradien bewegt wird. Dafür wird ein sehr flexibles Basismaterial mit gewalztem Kupfer benötigt, um die geforderten Biegezyklen und die engen Biegeradien zu gewährleisten. Dazu werden geeignete Biegetests ausgearbeitet und die Lage der Einzelschaltungen auf dem Panel abgestimmt. Hier ist vor allem die Walzrichtung des Kupfers zu berücksichtigen, da diese die Flexibilität wesentlich bestimmt. Um bei mehrlagigen Schaltungen die Biegeeigenschaften des gewalzten Kupfers nicht mit nachträglich abgeschiedenem Elektrolytkupfer zu verschlechtern, sind spezielle Lagenaufbauten erforderlich.
Es besteht auch die Möglichkeit, die Bohrungen mittels Button-Plating zu verkupfern. Bei diesem Verfahren werden nur die Vias selektiv verkupfert. Somit wird nachträglich kein Kupfer elektrolytisch auf dem Walzkupfer abgeschieden.
Patientenüberwachung und Lifestyle-Produkte
Extrem kompakte Verbindungstechnologien kommen auch in Wearables und Tracking-Systemen für die Patientenüberwachung sowie Lifestyle-Anwendungen zum Einsatz. Das Spektrum reicht hier von mobilen medizinischen Messgeräten zur Blutdruckmessung bis hin zu Smart Watches und Fitness-Trackern.
Diese Geräte enthalten oftmals Funktionen wie Kamera, Thermometer, Barometer, Mobilfunk, GPS sowie ein Display. Auch hier ist wieder Miniaturisierung und Zuverlässigkeit gefragt, aber auch möglichst geringe Kosten. Definierte Vertiefungen (Kavitäten) in den Leiterplatten können dazu genutzt werden, um elektronische Komponenten wie Sensoren und sogar logische Komponenten »niedriger« zu positionieren, was den zusammengebauten Leiterplatten allgemein eine dünnere Struktur verleiht. Dieses Feature kann in vielschichtigen Leiterplatten eingesetzt werden und ermöglicht verschiedene geometrische Ausführungsformen der Vertiefungen sowie Anordnungen mit mehreren Kavitäten – sowie bei Bedarf verschiedene Tiefen – auf einer einzigen Leiterplatte.
Die Zukunft wird smart
Dank hoch miniaturisierter Leiterplatten-Technologie als Träger für die entsprechende Elektronik sind auch »smarte Kapseln«, die im Körper bestimmte Parameter überwachen und entsprechende Daten übermitteln oder Medikamente gezielt abgeben keine Zukunftsvision mehr. Neben der notwendigen Miniaturisierung und den hohen Qualitätsanforderungen ist auch die Entwicklung neuer biokompatibler Materialien eine Herausforderung und Bestandteil aktueller Forschungen. Das Ziel geht dabei in zwei Richtungen: Die Materialien sollen je nach Verwendungszweck einerseits resistent sein und zu anderem keine negativen Einflüsse auf Lebewesen und Umgebung ausüben.
- Von Herzschrittmachern und Lifestyle-Produkten
- Das optimale Spulendesign für die induktive Energieübertragung
Lesen Sie mehr zum Thema
