Miniaturisierte Leiterplatten ermöglichen winzige Medizintechnik

Der Trend hin zur Miniaturisierung und Digitalisierung prägt auch die Medizintechnik. Wie in keinem anderen Bereich, haben – trotz fortschreitender Miniaturisierung – Sicherheit und Zuverlässigkeit absolute Priorität, denn die zuverlässige Funktion kann lebenswichtig sein. Geräte für die medizinische Therapie (Hörgeräte, Neurostimulation, Herzschrittmacher, Prothesen, etc.), für die Überwachung von Vitalfunktionen (Blutzucker, Blutdruck, EKG) sowie für die Diagnose und Bildgebung (MRT, Röntgen, Ultraschall) werden immer noch kleiner, leistungsfähiger und zuverlässiger. Für derartige Applikationen ist AT&S einer der wenigen Leiterplattenhersteller, der gemäß der Norm für medizinische Geräte nach EN ISO 13485 zertifiziert ist.

Bild 1: Hörgerät mit einer flexiblen Leiterplatte. AT&S

Bild 2: 6-Lagen-HDI-Leiterplatte mit optimierter Schirmung für Herzschrittmacher. AT&S

Bild 3: Smarte Miniatur-Kapseln für Medikamentengabe im Körper. AT&S

Die Leiterbahnbreiten und -abstände betragen oftmals nur 50 µm und werden stetig kleiner. Zum Vergleich: die Dicke eines menschlichen Haares misst zwischen 80 und 120 µm. Die elektrischen Verbindungen der einzelnen Lagen werden über sehr kleine „stacked Vias“ realisiert. Eine technologische Herausforderung sind dabei die kleinen Restringe rund um die mittels Laser hergestellten Vias. Durch jahrelange Erfahrung und hohe Positionierungsgenauigkeiten können hier Designs mit 150 µm Pad-Größe und 50 µm Restring realisiert werden. Auch der Lötstopplack muss sehr präzise positioniert werden. Außerdem ist zu beachten, dass sich der Polyimidverbund bei der Verarbeitung ausdehnt beziehungsweise schrumpft. Dieser Effekt muss so weit wie möglich minimiert beziehungsweise kompensiert werden. Um all diese hohen Anforderungen im Produktionsprozess reproduzierbar und zuverlässig erfüllen zu können, sind einerseits eine umfassende Expertise sowie andererseits der Einsatz moderner Fertigungsverfahren und Materialien unabdingbare Voraussetzungen.

Darüber hinaus sind moderne und präzis arbeitende Verfahren, wie das Laser Direct Imaging für Leiterbahnendesign und Lötstopplack, AOI (Automatic Optical Inspection) für die Kontrolle des Designs oder das Vakuumätzen für die Leiterbahnerstellung ein Muss. Besonderes Augenmerk muss auch auf eine hohe Positioniergenauigkeit der einzelnen Prozessschritte im gesamten Produktionsablauf gelegt werden.

Von Hörgeräten und Herzschrittmachern bis zu Prothesen

Hörgeräte sind winzige elektrische Bauelemente, die die Schallwellen von Sprache, Musik oder Geräuschen verstärken und dem Hörgeschädigten ermöglichen wieder vollwertig zu kommunizieren und am normalen Leben teilzuhaben. Sie können hinter dem Ohr, im Ohr oder im Ohrkanal getragen werden. Für die jeweiligen Designs sind unterschiedliche flexible Leiterplatten mit üblicherweise zwei bis sechs Lagen erforderlich. Durch den geringen Bauraum (Bild 1) sind die Miniatursysteme als HDI (High Density Interconnection) oder Stacked-Via-Schaltungen ausgeführt, mit Durchmessern von 50 µm für die Laser-Via und Via-Padgrößen von 150 µm. Die Leiterbahnbreiten und Abstände liegen im Finepitch-Bereich von 50 µm und kleiner. In den Biegebereichen wird die Schaltung in der Regel auf zwei Lagen reduziert, um die engen Biegeradien umsetzen zu können.

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.

Zur Stabilisierung des Herzrhythmus werden Herzschrittmacher oder auch Defibrillatoren implantiert. Beide Systeme dienen zur Lebenserhaltung und die verwendeten Leiterplatten müssen eine sehr hohe Qualität und Ausfallsicherheit aufweisen. Für alle hier eingesetzten Leiterplatten (Bild 2) gelten daher spezielle Regelungen zur Prozesskontrolle, welche in internationalen Normen spezifiziert und beschrieben sind. Auch die eingesetzten Materialien müssen bestimmte Kriterien erfüllen, welche in umfangreichen Qualifikationstest regelmäßig überprüft werden. AT&S beliefert seit vielen Jahren erfolgreich, weltweit verschiedene Kunden zu diesen Applikationen und kann durch die langjährige Erfahrung einen Mehrwert in der Entwicklung von anspruchsvollen medizintechnischen Lösungen bieten.

Für die Steuer- und Regeleinheit von Prothesen werden HDI-Schaltungen eingesetzt und in den Prothesen selbst kommen flexible Leiterplatten zum Einsatz, um die dynamische Bewegung umsetzen zu können. Ein wichtiges Kriterium ist dabei, dass die hier verbaute flexible Leiterplatte ständig und mit kleinen Biegeradien bewegt wird. Dafür wird ein sehr flexibles Basismaterial mit gewalztem Kupfer eingesetzt, um die geforderten Biegezyklen und die geringen Biegeradien zu gewährleisten. Durch spezielle Oberflächen (Carbon-Druck) wird die Haltbarkeit dieser stark beanspruchten Teile weiter erhöht.

Dank hoch miniaturisierter Leiterplatten-Technologie als Träger für die entsprechende Elektronik sind auch „smarte Kapseln“ (Bild 3), die im Körper bestimmte Parameter überwachen und entsprechende Daten übermitteln oder Medikamente gezielt abgeben keine Zukunftsvision mehr.

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Bild 4: Femsense – smartes, an den Körper anschmiegsames Patch mit Temperatursensor und Batterie auf flexibler Leiterplatte für kontinuierliche Temperaturmessung. AT&S

Letztendlich finden extrem kompakte Verbindungstechnologien auch Verwendung in Wearables und Tracking-Systemen für die Patientenüberwachung und Lifestyle-Anwendungen. Das Spektrum reicht hier von mobilen medizinischen Messgeräten zur Blutdruckmessung bis hin zu Smart Watches und Fitness-Trackern. Diese Geräte integrieren oftmals Funktionen wie eine Kamera, Thermometer, Barometer, Mobilfunk, GPS sowie ein Display. Auch hier ist wieder Miniaturisierung und Zuverlässigkeit gefragt, aber auch möglichst geringe Kosten.

Vor diesem Hintergrund bietet die 2,5-D-Technologie zur Erzeugung von Kavitäten Vorteile. Die definierten Vertiefungen (Kavitäten) in den Leiterplatten können dazu genutzt werden, um elektronische Komponenten wie Sensoren und sogar logische Komponenten „niedriger“ zu positionieren, was dem Leiterplattenaufbau 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.

Neben Leiterplatten mit Kavitäten werden auch flexible und starrflexible Leiterplatten mit innen- und außenliegenden Flex-Lagen – in Kombination mit der HDI-Technologie – eingesetzt, um das größtmögliche Potenzial für die Miniaturisierung zu erreichen.

Smarte Temperaturmesslösungen

Ein wesentlicher Nachteil von nichtinvasiven punktuellen Temperaturmessungen ist, dass plötzliche Temperaturanstiege – die zum Beispiel auf eine Infektion nach einer Operation hinweisen – nicht aufgezeichnet werden. Vor diesem Hintergrund hat das Start-up-Unternehmen Steadysense mit der Femsense-Technologie (Bild 4) eine innovative und smarte Temperaturmesslösung für medizinische Anwendungen entwickelt. Die lückenlose Temperaturüberprüfung bis zu sieben Tage ist eine ideale Lösung, um beispielsweise die fruchtbaren Tage bei Kinderwunsch oder aber auch zur Verhütung zu ermitteln beziehungsweise für das Patienten-Monitoring in Kliniken. AT&S war an dieser Entwicklung von Anfang an beteiligt – von der Machbarkeitsstudie, über die Produktentwicklung bis hin zur Fertigung.

Das Femsense-Sensorsystem besteht neben der Schaltungslogik im Wesentlichen aus einem temperaturempfindlichen vollintegrierten Sensor, der als Temperaturmesspflaster unter der Achsel aufgeklebt und mit dem Smartphone aktiviert wird. Der Hightech-Patch ermittelt und speichert in der Folge kontinuierlich die aktuellen Körpertemperaturwerte in vorgegebenen Zeitintervallen. Bei Bedarf werden die gemessenen Werte mit einem NFC (Near Field Communication) -fähigen Smartphone ausgelesen, ausgewertet und in der eigens entwickelten App angezeigt. Das Resultat ist eine exakte, einfache, durchgängige und diskrete Temperaturmessung. Im Vergleich zu Punktmessungen (zum Beispiel einmal täglich) kann dadurch eine Temperaturkurve präzise ermittelt werden. Femsense ist ein zertifiziertes Medizinprodukt nach ISO 13485.

Der handliche und kompakte Femsense Patch basiert auf einer Schaltung mit flexibler Leiterplatte und schmiegt sich bequem der Körperoberfläche an. Durch den Einsatz flexibler Leiterplatten können Verbindungen und Geometrien erzeugt werden – wie zum Beispiel in den Femsense Patches – die mit einer starren Leiterplatte nicht realisierbar sind. Die Femsense-Leiterplatte wurde mittels SMT mit dem Temperatursensor und einer Batterie bestückt.

Ausblick

Neben der notwendigen Miniaturisierung und den hohen Qualitätsanforderungen ist auch die Entwicklung neuer biokompatibler Materialien eine spezielle Herausforderung in der Medizintechnik. Daher forscht AT&S an Materialien, die direkt im Körper zum Einsatz kommen sollen. Das Ziel der Forschung geht dabei in zwei Richtungen: Die Materialien sollen je nach Einsatzbereich einerseits resistent sein und zu anderem keine negativen Einflüsse auf den Menschen und die Umgebung haben.

(neu)