Dehnbare Elektronik: Neue Ansätze von Würth in der Medizintechnik

Flexible elektronische Schaltungen sind schon seit einigen Jahrzehnten in vielen Produkten zu finden und gehören inzwischen zum Stand der Technik. Der anhaltende Trend zur Miniaturisierung mit steigender Funktionalisierung in der Elektronik führt dazu, dass das immer kleinere Gehäuse in allen drei Dimensionen platzsparend durch das Biegen, Rollen oder Falten ausgenutzt werden soll.

Elektronische Systeme, die bei mechanischer Verformung ihre Funktionalität beibehalten können, ermöglichen neue Eigenschaften wie die Fähigkeit, sich an beliebig geformte Flächen anzupassen oder reversible Dehnung zu bewältigen, und werden daher in vielen Bereichen wie Medizintechnik oder Prothetik, Softrobotik, Wearables oder Textilien eingesetzt. Mithilfe der in der Leiterplattenindustrie etablierten Technologien wie Starrflex, aber auch durch das Nacharbeiten wie Falten oder Rollen von flexiblen Leiterplatten, werden viele geometrische Strukturen erfasst, jedoch ist die Verformung meist auf eine Achse begrenzt.

Neue Konstruktionen auf der Grundlage von Polyurethan- oder Silikonwerkstoffen, Vliesstoffen und Textilien, aber auch dehnbaren Leitern aus Metall oder Polymer und dünnen oder gedruckten elektronischen Bauelementen können entworfen werden. Eine einfachere Alternative stellen dehnbare Polyurethan-Leiterplatten dar (Bild 2). Die als TWINflex-Stretch im Markt eingeführten Leiterplatten werden in angepassten, jedoch konventionellen nasschemischen Ätztechniken realisiert, wobei die Dehnbarkeit der metallischen Leitern durch ein spezielles Mäander-Design erreicht werden kann.

Dehnbare Substrate: Polyurethan-Folien

Thermoplastisches Polyurethan wird aus Diolen und Isocyanaten ohne Einsatz von Weichmachern hergestellt und ist in unterschiedlichen Beschaffungsformen von hart über weich bis hin zu elastisch erhältlich. Aufgrund des breiten Eigenschaftsprofils findet dieses Polymer vielfache Anwendungen. Im täglichen Leben begegnen wir Polyurethan oft im geschäumten Zustand. Die Erzeugnisse wie Matratzen, Schuhsohlen oder Lederimitat werden aus diesem Rohstoff gefertigt. Das Multiblock-Co-Polymer besteht aus „harten“ und „weichen“ Segmenten. Dadurch werden Eigenschaften wie Flexibilität, Biegeschlaffheit oder Dehnbarkeit umgesetzt. Sie eignen sich ideal für Einsätze in Textilien oder Wearables.

Die hohe Oberflächenenergie macht Polyurethan kratz- und verschleißfest. Außerdem besitzt Polyurethan bekanntermaßen charakteristische Eigenschaften wie einen hohen Weiterreißwiderstand oder gute wärmeisolierende Eigenschaften. Deshalb wird dieser Werkstoff gerne als Oberflächenbeschichtung von Möbeln oder Armaturen, als Wärmedamm oder, versetzt mit Füllstoffen, zur Erhöhung der Stabilität von Baukonstruktionen eingesetzt.

In der Elektronikindustrie findet man diesen Werkstoff höchstens als Basis für Klebstoffe oder Vergussmaße. Thermoplastische Polyurethanfolien als Trägermaterial in der Leiterplattenindustrie sind eine Neuheit.

Die Hydrolyse- und Mikrobenbeständigkeit sowie die physikalische Bindung aller Additive in der Polymermatrix ermöglichen hautfreundliche und ferner biokompatible Applikationen. Dies ebnet den Einsatz dieser Substrate im medizinischen Sektor.

Leiterplattentypische Verarbeitung dehnbarer Substrate

Polyurethan haftet exzellent auf Kupfer, weist gute physikalische und chemische Stabilität auf, sodass es auch als Basismaterial in der Leiterplattentechnik eingesetzt werden kann. Polyurethan ist für Leiterplatten in 50 bis 200 µm Dicke erhältlich und lässt sich bei Temperatuten < 140 °C sicher verarbeiten.

Die dünnen transparenten Folien wurden ursprünglich nicht für die Leiterplattenindustrie entwickelt. Auch hier mussten neue Wege beschritten werden. Vorteil ist die Verwendung leiterplattentypischer Prozesse. So werden die benötigten Laminate in einem ersten Produktionsschritt durch das Laminieren mit Kupferfolien realisiert. Die Haftfestigkeit ist um Faktor 2 bis 4 höher im Vergleich zu Polyimid (PI) oder FR4. Anschließend wird auf die konventionellen nasschemischen Strukturierungs- und Ätzprozesse zurückgegriffen.

Würth Elektronik ist es als erstem Unternehmen gelungen, die hochelastische Polyurethan-Folie unter Serienbedingungen als Muster und auch in größeren Stückzahlen zu fertigen. Das typische Fertigungsformat für Muster ist 18 Zoll × 12 Zoll.

Die Vorteile dieser Aufbauvarianten sind leicht zu erkennen:

• Mit einem flexiblen und anpassungsfähigen Material ist beinahe jede Form realisierbar
• Eine dynamische Dehnung bis zu 20 % ist möglich
• Die Layoutauslegung und Komponentenauswahl muss sich nicht ändern, da leiterplattenübliche Strukturen und Dimensionen eingehalten werden
• Typische Layoutdesigns und herkömmliche Oberflächenveredlung erlauben die SMD-Bestückung, jedoch sind hier Niedrigtemperaturlote einzusetzen
• Zahlreiche Weiterverarbeitungsmöglichkeiten wie Kleben, Schweißen, Lamination, Umspitzen oder Umformen ermöglichen Einsatz dieser Schaltungsträger in vielen unterschiedlichen Applikationen

Eigenschaften dehnbarer Substrate

Wie auch bei den starren und flexiblen Substratmaterialien gibt es eine Vielzahl an Möglichkeiten der Materialwahl und des Aufbaus. Faktoren wie die Biokompatibilität, die maximale Dehnbarkeit, die bei der Endanwendung benötigt wird, die Verarbeitungskompatibilität, die Haftung zwischen Metall und Substrat und die Atmungsaktivität sind entscheidend. Je nach Anwendung müssen die Grenzen jeweils gemessen und festgelegt werden. Die mechanischen Eigenschaften der finalen Schaltung werden im Wesentlichen vom Kupfer-Layout beeinflusst. Da Kupfer wie alle Metalle eine niedrige intrinsische Dehnbarkeit aufweist, müssen die Leiterbahnstrukturen zu einer geeigneten zweidimensionalen Mäandergeometrie geformt werden. Durch dieses spezielle Design kann die Dehnbarkeit der metallischen Leiter wesentlich beeinflusst werden. In Abhängigkeit von der Leiterbahngeometrie kann für dynamische Applikationen eine Ausdehnung zwischen 5 und 20 % erreicht werden. Eine einmalige Ausdehnung bis zu 60 % kann ebenfalls zuverlässig ausgeführt werden.

Bei der Auslegung der Mäandergeometrie sind zunächst unzählige Variationen vorstellbar. Aus diesem Grund ist es schwierig, die grundlegenden Technologieparameter für eine gewünschte Ausdehnung festzulegen. Umso bedeutender ist es, eine optimale Geometrie im Wechselspiel der erzielbaren Eigenschaften und der Fertigbarkeit zu finden. Parameter wie die Veränderung des Mäanderdesigns, Leiterbahnbreite und -abstand sowie Höhe beeinflussen die Dehnbarkeit des Gesamtsystems. Weiterhin sind Themen wie Lötstopp, Deckfolie und anschließende Bestückung nicht zu vernachlässigen.

Für die Gewährleistung beherrschbarer Eigenschaften sind fundierte Kenntnisse hinsichtlich der eingesetzten Materialien und Layoutgrenzen unumgänglich. Aus diesem Grund sind die Charakterisierung und multiphysikalische Modellierung dehnbaren thermoplastischen Polyurethans sowie mäanderförmiger Kupfer-Leiterbahnen erforderlich. Aufgrund vieler Parameter erwies sich die quantitative Untersuchung der Dehnbarkeit als eine sehr schwierige Aufgabe. In einem ersten Versuch wurde der Einfluss der Mäanderstruktur auf die Dehnbarkeit untersucht. Dazu wurden verschiedene Leiterzugs-Geometrien (Bild 5) einer dynamischen Belastung ausgesetzt und die Anzahl der Dehnzyklen wurde ermittelt. Geradlinige Leiterbahn-Verläufe aus Cu halten hohen Zugbeanspruchungen beziehungsweise Deformationen aufgrund ihrer plastischen Eigenschaften nur unzulänglich stand und können zu Materialversagen und somit zum Funktionsverlust des Schaltungsträgers führen. Die Mäander-Leiterbahnen konnten dagegen bis zu 10.000 mal in Abhängigkeit vom Layout reversibel gedehnt werden. Unerwartet zeigten die rechteckigen Strukturen die beste Performance. Durch weitere und gezielte Optimierung der Leiterbahngeometrie ist eine Erhöhung der Zyklenzahl zu erwarten. Diese Ergebnisse konnten mithilfe der Finiten-Elemente-Simulation (FEM) mittels COMSOL Multiphysics bestätigt werden, womit eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation zu beobachten ist.

Weiterveredelung der Polyurethan-Substrate

Aufgrund der niedrigen Erweichungstemperatur von Polyurethan werden die Stretch-Leiterplatten in einem Niedrigtemperatur-Reflowprozess bestückt. Ein Lot auf Zinn/Wismut (Sn/Bi) -Basis, welches bei zirka 140 °C (Schmelztemperatur: 138 °C) verarbeitet wird, kann hier eingesetzt werden (Bild 6). Erste Abschätzungen zeigen, dass beim Einsatz von Zinn-Wismut-Lot zwei wesentliche Vorteile den herkömmlichen bleifreien SAC-Loten gegenüberstehen.

Wesentliche Vorteile von SnBi-Lot sind dabei:

• geringerer Stress auf die Baugruppe beim Löten
• geringerer Energie-Verbrauch von bis zu 30 % (dies bedeutet gleichzeitig weniger CO₂-Ausstoß)

Dies sind bereits bekannte Möglichkeiten aus dem Bereich flexibler Leiterplatten.

Mit dehnbaren Schaltungsträgern (TWINflex-Stretch) entstehen jedoch noch mehr geometrische Gestaltungs- und Miniaturisierungsoptionen. Auf einer Seite kann die polyurethanbasierte Leiterplatte in etablierten Bestückprozessen weiterverarbeitet werden. Auf der anderen Seite stehen viele neue Möglichkeiten zur Ausführung zur Verfügung, um zur gewünschten Form oder Funktionalität zu gelangen. So können bestückte oder unbestückte Stretch-Folien auf unterschiedliche Substrate wie Textilien, Polymere oder Metalle laminiert, gelötet, geklebt oder geschweißt werden. Bei erhöhten Temperaturen entfaltet Polyurethan seine Klebereigenschaften. Damit kann eine sehr gute Haftung auf vielen Substraten erzielt werden.

Eine weitere interessante Weiterveredelung dehnbarer Schaltungsträger gelingt mit der Kombination eines thermischen Umformprozesses. Somit sind elektronische 3D-Strukturen relativ einfach zu realisieren. Dieses sogenannte „Conformable“ Konzept für die Integration der Komponenten und Funktionen direkt in ein Gehäuse oder Gehäusedeckel schafft weiteres Miniaturisierungspotenzial. Nach diesem Konzept können Schaltungsträger nach der Bestückung von 2D in eine 3D-Form gebracht werden. Flache gedruckte Funktionen (zum Beispiel Antenne) aber auch diskrete Komponenten könnten auf diese Weise direkt im Gehäuse oder Deckel untergebracht werden (Bild 7). Diese Art der Freiformbarkeit (SHAPEflex) ist geradezu prädestiniert für medizintechnische Applikationen und gewährleistet eine exzellente Passgenauigkeit. Diese Technologie könnte zum Beispiel die bisherige 3D-MID-Technik ergänzen und ist besonders für großflächige und gleichzeitig leichtgewichtige Elektronik geeignet.

TWINflex-Stretch für Applikationen in der Medizintechnik

Die Konzipierung medizinischer Implantate zur Behandlung komplexer Krankheitsbilder zählt zu den bedeutsamsten Schlüsseltechnologien der heutigen Zeit. Das Innovationscluster „INTAKT“, initiiert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), setzt sich in diesem Zusammenhang mit der Entwicklung und präklinischen Untersuchung von interaktiven Mikroimplantaten auseinander. Unter anderem sollen innovative Therapieansätze in Form von dehnbaren und flexiblen Kathetern zur Suppression des weit verbreiteten Tinnitus-Leidens realisiert werden, welche in die Gehörschnecke (Cochlea) zum Zwecke der Elektrostimulation implantiert werden können. Dabei muss der Aspekt der materiellen sowie immateriellen Biokompatibilität aller eingesetzten Materialien in jedem Fall Beachtung finden. Des Weiteren ist die individuelle Anpassungsfähigkeit von Implantaten an die jeweilige Körperkontur von großer Wichtigkeit, um einen adäquaten Tragekomfort zu gewährleisten.

Wie bereits beschrieben, erlaubt eine Überführung der elektronischen Komponenten in die dritte Dimension beispielsweise die Einbettung passiver beziehungsweise aktiver Bauelemente und bringt eine signifikante Erweiterung des Funktionsumfangs bei gleichzeitiger Reduktion des Flächenbedarfs mit sich. Diese Art der Freiformbarkeit und das Verhalten wie eine zweite, intelligente Haut (Smart Skin) beziehungsweise organische Oberfläche (weich, anpassbar) ist geradezu prädestiniert für medizintechnische Applikationen und gewährleistet eine exzellente Passgenauigkeit. Dieser Ansatz mit Polyurethan (TPU) kann in Zukunft gegenüber dem aktuell häufiger eingesetzten thermoplastischen Liquid Crystal Polymer (LCP) zum Beispiel auch für Katheter interessante Ansätze bieten.

Smart Skin – LCP

Mit Smart Skin I wurde im Verbundförderprojekt „KoSiF“ ein erster Anwendungsdemonstrator für eine intelligente Haut vorgestellt. Hier wurden vier ultradünne Chips in ein flexibles Substrat integriert und auf dem adaptiv bionischen Finray-Greifer angebracht (vergleiche Bild 9 – Demonstrator mit LCP-Substrat). Basis ist eine geeignete Embeddingtechnologie (CHIP+) für das Einbetten von dünnen Chips in Folien, welche bereits im Vorgängerprojekt Ultimum entwickelt wurde. Der wesentliche Unterschied zu standardmäßig eingebetteten Chips, wie in KRAFAS beschrieben, besteht darin, dass der gesamte Aufbau inklusive Chip eine ausreichende Flexibilität (Bild 8) behält und somit für verschiedenste Anwendungen im Bereich Wearable, Healthcare und Soft Robotics zum Einsatz kommen kann.

Smart Skin II – EMG Elektroden

Als neues Substrat für die Leiterplattenproduktion sorgt Polyurethan für einen Innovationsschub in der Elektronik. Der Transfer der Technologie aus dem Entwicklungsstadium in die Serienfertigung ist inzwischen abgeschlossen. Einseitige und doppelseitige Leiterplatten sowie flexible Systeme mit partieller Verstärkung werden unter dem Namen TWINflex-Stretch angeboten. Erste Kundenprojekte wurden umgesetzt. Wobei nicht immer nur die elektrische Performance im Vordergrund steht, sondern Eigenschaften wie die Dehnbarkeit oder die Weichheit für die Kunden die entscheidenden Einsatzargumente sind. Des Weiteren sind die Weiterverarbeitungstechnologien ebenfalls ein bedeutender Faktor, da die neuartigen Leiterplatten geklebt, geschweißt, umgeformt etc. werden können. Aufgrund dieses weiten Eigenschaftsprofils finden dehnbare TWINflex-Stretch-Leiterplatten vielfache Anwendungen in den Bereichen Medizintechnik, Sensorik, Automotive, Wearable oder SmartTextile, Softrobotik als sogenannte Stretchable Electronics.

Mit geeigneten Endoberflächen können hautfreundliche oder sogar biokompatible Leiterplatten für die Medizintechnik realisiert werden. In Bild 10 ist ein Beispiel eines Elektrodenarray zur elektrischen Stimulation der Muskeln gezeigt.

Dieser mittels Leiterplattentechnologie realisierte funktionelle Sensoraufbau auf Basis von Polyurethan besitzt mehrere Elektrodenelemente mit Silber-Oberfläche und kann bei der Rehabilitation der gelähmten Muskeln zum Beispiel bei Schlaganfallpatienten eingesetzt werden. Die Stimulation erfolgt über einzelne Elemente oder über mehrere Elemente. Somit können mehrere Muskelpartien angesprochen werden. Die Flexibilität von PI- und auch LCP-Folien ist nicht ausreichend für diese Anwendung. Das besonders weiche, biegeschlaffe und hautfreundliche PU legt sich dagegen sehr gut und komfortabel an die unregelmäßige Form des Unterarms und hinterlässt weniger Abdrücke auf der Haut. Ähnliche Anwendungen direkt auf der Haut oder eingebettet in ein Textil können mit dieser Technologie umgesetzt werden.

Smart Skin III – Neonatologie

Das TWINflex-Stretch-Konzept konnte bereits in die Serie überführt werden. In einer Anwendung des Schweizer Unternehmens SenTecAG wird eine dehnbare Leiterplatte der Würth Elektronik in einen auf die Haut aufgelegten Messgürtel integriert. Mit dem Gürtel kann die Lungenfunktion von Säuglingen sehr sanft und schonend, ohne Eingriffe, gemessen und in dynamischen Bildern vom Arzt beobachtet werden. Der Einsatz von Radiologie ist nicht erforderlich.

Zusammenfassung und Ausblick

Mit TWINflex-Stretch, STRETCHflex und SHAPEflex steht eine neuartige und innovative Lösung für 3D-Elektronik für verschiedene Anwendungsbereiche zur Verfügung.

Mit dieser Entwicklung konnte eine neuartige Leiterplattentechnologie umgesetzt und auf dem Markt etabliert werden, die zur Erweiterung und sogar zum Wandel auf dem Elektronikmarkt führen könnte. Die Vorteile einer konventionellen Leiterplatte (Stabilität, Mehrlagen, Bestückung etc.) und neuartige Eigenschaften der biegeschlaffen Polyurethanfolien (Dehnbarkeit, Weichheit, Biokompatibilität) werden in der neuen „Starr-Dehnbaren“ Technologie vereint.

Ebenso wird in aktuell gestarteten Europäischen Forschungsprojekten wie APPLAUSE an der Entwicklung elektronischer Patches/Pflaster gearbeitet.

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