Conformable Electronics als Schlüsseltechnologie

Im Gegensatz zum aus der Flex/Starrflex-Technologie bekannten und etablierten Polyimid ist die Materialbasis eine hochelastische thermoplastische Polyurethan-Folie (TPU), auf die Kupferfolien laminiert werden. Das ohne Einsatz von Weichmachern hergestellte Polyurethan ist in verschiedensten Modifikationen von hart über weich bis hin zu elastisch verfügbar. Es wird in vielen Bereichen verwendet, wie in Matratzen, Schuhsohlen, Schläuchen und Dichtungen oder auch als Lederimitat für Möbel. Zudem weist dieses Basismaterial weitere Eigenschaften auf. Es ist chemisch stabil gegenüber Ölen, Ozon, Teer, vielen Lösemitteln und verdünnten Säuren. Es hat eine hohe Dichtheit gegen flüssige Medien bei gleichzeitig hoher Dampfdurchlässigkeit, ist Hydrolyse- und Mikroben-beständig und biokompatibel. Neben der hohen UV- und Witterungsbeständigkeit ist es sehr gut schweißbar, hat eine gute Thermoformbarkeit und lässt sich verkleben, bedrucken und hinterspritzen. Zudem ist es hinterschäumbar.

Lötstellen auf einem textilen Träger. Contag

Hochelastische Folie aus Multiblock-Copolymer

Contag, Berlin, hat sich in diversen Forschungs- und Industrieprojekten ein umfangreiches Know-how zu dieser Technologie erarbeitet und bietet die Prototypenfertigung auch in den firmentypischen kurzen Lieferzeiten an. Für die Anwendung als dehnbares Leiterplattensubstrat kommt eine hochelastische Folie aus Multiblock-Copolymer mit harten und weichen Segmenten zum Einsatz. Bei Contag beträgt die verarbeitete Standarddicke 0,10 mm. Aber auch andere Dicken zwischen 0,05 mm bis 1,00 mm werden auf Anfrage verarbeitet. Die Kupferfolien werden dann auf das dielektrische Grundmaterial laminiert und strukturiert. Als finale Kupferdicke können zwischen 5 bis 70 µm gewählt werden. Die erreichte Haftfestigkeit und Abzugskraft der aufgebrachten Kupferfolie liegt im Bereich von 3 N/mm und ist damit deutlich höher als in der relevanten IPC-Leiterplattennorm gefordert (> 1 N/mm).

Fertigungsablauf dehnbare Leiterplatte. Contag

Das aufgebrachte elektrische Layout in Form der Kupferstrukturen beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der finalen Schaltung erheblich. Je nach Design der Leiterzüge im gedehnten Bereich, die als Mäander oder sogenannte Horseshoes ausgeführt werden, sind einmalige Dehnungen bis zu 50 Prozent und wiederholbare Dehnungen bis zu 20 Prozent möglich.

PCB-Fertigung dem Material anpassen

Ausgangsbasis für die verschiedensten Aufbau- und Ausführungsvarianten ist eine ein- oder doppelseitig kupferbeschichtete TPU-Folie, die nachfolgend mit den bekannten Grundprozessen einer PCB-Fertigung weiterverarbeitet wird. Dabei müssen die Parameter bei den Einzelprozessen auf die spezifischen Besonderheiten des Materials angepasst werden. Technologische Besonderheiten ergeben sich insbesondere aufgrund des hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der mechanischen Beschaffenheit des Materials. Je nach Ausführung und Anwendungsfall können sich diverse Folgeprozesse anschließen, wie Ausschneiden der Nutzen oder Einzelleiterplatten, das Aufbringen von partiellen Verstärkungen, Bestücken oder gegebenfalls Verkapseln der Bauelemente. Auch kann es auf andere Träger laminiert (Textilien, Polycarbonat) oder tiefgezogen werden.

Auf der Basis strukturierter TPU-Lagen lassen sich neben dem Standard der einseitigen dehnbaren Schaltungen auch zwei- und höherlagige durchkontaktierte Schaltungen realisieren. Dabei ist zu beachten, dass die Dehnbarkeit mit steigender Dicke deutlich abnimmt. Auch starr-dehnbare Aufbauten in Anlehnung an die bekannten starr-flexiblen Leiterplatten sind möglich, wobei das bekannte Polyimid dann durch eine TPU-Lage ersetzt wird. Rein dehnbare Schaltungen müssen unter Umständen partiell verstärkt werden, beispielsweise in den Stecker- oder Bestückungsbereichen. Hierzu können Folien aus Polyimid oder Polyester, aber auch FR4-Teile verwendet werden. Als Endoberflächen kommen prinzipiell alle gängigen chemischen Oberflächenfinishs wie Nickel/Gold (ENIG), Nickel/Palladium/Gold (ENEPIG), Zinn (ISn), Silber (IAg),  Silber/Gold (ISIG) oder Palladium/Gold (EPIG) – partiell oder vollflächig – in Frage.

Grundsätzlich gelten für das elektrische Design vergleichbare Vorgaben wie bei flexiblen Schaltungen. Darüber hinaus müssen die Leiterzüge im dehnbaren Bereich als Mäander ausgeführt werden, um die Längenänderung einer möglichen Dehnung im Leiterzug abzufangen. Hierzu bieten sich die Geometrien Mäander/Horseshoes, Wellen (Halbkreise und Kreisabschnitte) oder Rechtecke an.

Die Leiterzüge im dehnbaren Bereich lassen sich auch als Mäander ausführen. Contag

Bestückung & Weiterverarbeitung

Aufgrund der Erweichungstemperatur des TPU-Materials beginnend bei cirka 155 °C, muss ein niedrig schmelzendes Lot auf der Basis einer SnBi- oder SnBiAg-Legierung verwendet werden. Dafür bietet sich beispielsweise das Lot Indalloy 282 an, welches einen Schmelzpunkt von etwa 140 °C aufweist. Der Lotauftrag erfolgt dann über Siebdruck. Aber auch Leitkleben und Crimpen sind erprobte und bewährte Verbindungstechnologien. Für das Crimpen von Steckerkontakten ist zu beachten, dass die Crimpkontakte verstärkt werden müssen, wie durch partiell aufgebrachte Polyimid- oder FR4-Bereiche. Die bestückten Bauelemente lassen sich dann bei Bedarf verkapseln und dadurch schützen. Hierfür kann ein Einkomponenten- oder wasserlösliches Polyurethan verwendet werden, das in Spritzgießtechnologie oder mit einer Glob-Top-Pistole aufgebracht wird. Auch der Einsatz von PU-Ringen (Dam & Fill Glob-Top) und das Aufsetzen von vorgeformten PU-Kappen mit anschließender thermischer Verklebung haben sich bewährt.

Messgürtel zur Erfassung der Lungenfunktion

Die Verwendung eines thermoplastischen, dehnbaren Substrates ermöglicht völlig neuartige Applikationen auf dem Gebiet der Conformable und Wearable Electronics. Die Anwendungsfelder erstrecken sich von Medizintechnik, Smart Textiles, IoT, Industrie 4.0, Automotive, Luftfahrt bis hin zu Consumer-Elektronik. Auf Basis eines thermoplastischen Polyurethanmaterials sind elektrische Schaltungsträger möglich, die dauerhaft verformt werden oder dynamisch belastet und gedehnt werden können. Das elektrische Layout ist standardmäßig einlagig, aber auch doppelseitige durchkontaktierte Schaltungen und starr-dehnbare Ausführungen können realisiert werden. Im gedehnten Bereich ermöglichen mäanderförmige Leiterbahnstrukturen die Längenänderung des Substrates, die je nach Design und Aufbau bis zu 30 Prozent betragen kann.

Messgürtel zur Erfassung der Lungenfunktion. Contag

Im Anwendungsbereich Textil/Wearables bietet sich vor dem Bestücken die Lamination auf baumwollbasierte Textilien an. Contag nutzt hierfür eine hydraulische Presse, auf welcher unter Temperatur und Druck das Material erweicht und in die Gewebestruktur eingearbeitet wird. Für dauerhaft verformte Anwendungen wie beispielsweise Bedienkonsolen kann die dehnbare TPU-Schaltung auf eine relativ starre Trägerfolie wie Polycarbonat (Dicke 200 bis 300 µm) auflaminiert werden, die dann nach dem Bestücken im Tiefziehverfahren verformt wird.

(hw)