Textile Leiterplatten – geht das?

Am Fraunhofer IZM ist in Zusammenarbeit mit dem Elektronikentwickler Esys und dem Vliesstoffproduzenten Norafin im Rahmen der BMBF futureTex 2020 Initiative das Projekt TexPCB entstanden, indem flexible, vliesbasierte Leiterplatten auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen hergestellt wurden. Mit Hilfe von nanosilberbeschichteten Fasern sollte in dem Projekt ein dauerhaft dynamisch belastbares und elektrisch leitfähiges Basismaterial entwickelt werden. Dieses musste anwendungsbedingten Knick- und Biegebelastungen standhalten und extrem flexibel sein, sodass Leiterbrüche und somit Ausfallerscheinungen der elektrischen Funktionalität verhindert werden.

Die metallbeschichteten Fasern wurden zu textilen Flächengebilden, vorzugsweise Vliesstoffen, verarbeitet. Vliesstoffe eignen sich hierbei besonders, da sie ein breitgefächertes Applikationsspektrum bei gleichzeitig geringen Herstellungskosten abdecken. Zur Integration neuartiger, elektrischer Leiter in flexible, elektrische Schaltungen, wurden materialangepasste Prozesstechnologien entwickelt. Der Fokus lag hierbei auf ressourcensparenden Prozessschritten und für die automatisierte Herstellung skalierbare Technologien. Zusätzlich wurden entscheidende Arbeiten zum Brandschutz und dem sicheren Einsatz textiler Leiterplatten durchgeführt. Das stärkte das Vertrauen der Nutzer in die Produktsicherheit der TexPCBs.

Erstmalig wurde im Vorhaben auch das Ultraschall- Kunststoffschweißen zur Integration von Elektronik in die textile Leiterplatte untersucht. In diesem Verfahren werden keine zusätzlichen Rohstoffe wie Lote, Flussmittel oder mit Nanopartikeln gefüllte Pasten benötigt, um einen sicheren, elektrischen Kontakt zu realisieren. Des Weiteren stellt das Ultraschall-Verfahren eine deutlich kostengünstigere und etwa zehnfach schnellere Alternative zur vergleichbaren „Adhesive Bonding Kontaktierungstechnologie“ dar. Ebenfalls konnten neue Lösungsvarianten zum Einsatz von Vliesmaterialien für textilintegrierte Sensorelektronik, insbesondere bei der Verwendung von Vliesstoffen als Sensor- oder Aktorelemente, erarbeitet werden.

Lösungsansatz

Um den hohen Anforderungen an die textile Leiterplatte hinsichtlich Flexibilität, mechanischer Beanspruchung und Haptik gerecht zu werden und dabei gleichzeitig eine hohe elektrische Leitfähigkeit zwischen den elektrischen Bauelementen zu gewährleisten, wurden neuartige Vliesstoffe aus metallbeschichteten Fasern entwickelt. Als Schutzmaterial und zur Verkapselung der elektronischen Schaltungen wurden diese Spezialvliesstoffe mit Brandschutzfunktionen ausgerüstet.

Vor allem die Strukturierung der textilen Leiterplatte folgt einem ressourceneffizienten Ansatz durch Verzicht auf die in der Leiterplattenfertigung typischerweise verwendeten Galvanisierprozesse. Dafür wurde ein neuer Herstellungsprozess entwickelt, der auf dem Verkleben von thermoplastischen Trägerstrukturen mit elektrisch leitfähigem Textil und anschließender Erzeugung eines Leiterbilds durch Laserstrukturierung basiert.

Darüber hinaus war es notwendig, Untersuchungen zur Optimierung bestehender Kontaktierungstechnologien und Bestückungsverfahren zur Integration von elektronischen Bauteilen auf textilen Leiterplatten durchzuführen. Neben den Standardverfahren, wie Löten oder Kleben mit elektrisch leitfähigen Klebstoffen, wurden neue Verfahren, wie das Ultraschall-Kunststoffschweißen und das NCA-Bonden zur Kontaktierung von Elektronikmodulen auf textilen Leiterplatten entwickelt und erfolgreich getestet. Damit konnten materialbedingte Probleme überwunden werden, wie der begrenzte Stabilitätsbereich von Textilien bezüglich Temperatur oder die schlechte Benetzbarkeit der meisten Fasermaterialien mit Lot.

Entwicklungsbegleitend erfolgten Standardtests aus Elektronik- und Textilnormen, um genauere Aussagen zur Langzeitstabilität und zu eventuell auftretenden Ausfallmechanismen treffen zu können. Als Bewertungskriterien für die Vorhabenergebnisse wurden zahlreiche technische Zielparameter aus allgemeinen Produktanforderungen definiert und kontinuierlich geprüft.

Leiterplatten-Technologie

Für die textile Leiterplattenfertigung wird ein starrer Prozessträger benötigt. Damit können nicht nur die zu lasernden Leiterbilder bis zur vollständigen Verklebung mit dem Substrat prozessiert werden, es vereinfacht auch die Positionierung und das Handling der biegeschlaffen Substratmaterialien während der einzelnen Prozessschritte enorm. Geeignetes Trägermaterial wurde nach folgenden Voraussetzungen recherchiert und ausgewählt:

• Planare Oberfläche, biegesteif und leichte Haftung für die zu laminierenden Materialien
• Überschüssiges Material soll nach dem Laserschneiden leicht abziehbar sein
• Keine gesundheitliche Gefährdung durch austretende Dämpfe im Laserprozess
• Temperaturstabil bis 200 °C, kostengünstig, keine Bruchgefahr
• Mindestens 25-mal wiederverwertbar

Schematischer Prozessablauf der textilen Leiterplattenfertigung. Fraunhofer IZ

Zum Einsatz kommen dabei nur Maschinen, die in der Textil- sowie Elektronikfertigung bereits etabliert sind: ein Laminiergerät mit mindestens einer beheizbaren Platte sowie ein CO₂-Laser. Zum Laminieren werden kein Vakuum, sondern nur geringe Laminiertemperaturen bis max. 180 °C und geringe Laminierdrücke bis max. 5 bar benötigt. Dadurch können zahlreiche kostengünstige Pressen eingesetzt werden. Aufgrund der guten Absorptionseigenschaften von Kunststoffen im IR-Bereich werden CO₂-Laser bevorzugt. In empirischen Untersuchungen der Laserparameter Leistung, Frequenz und Geschwindigkeit konnte für den Verbundwerkstoff aus silberbeschichteten Polyamidfasern und thermoplastischem Polyurethan geeignete Prozessparameter zur Strukturierung der Leiterbilder ermittelt werden. Als Beurteilungskriterium der gelaserten Strukturen diente die erzielbare, minimale Schnittspaltbreite bei kompletter Durchtrennung aller versilberten Fasern (Kurzschluss-Gefahr). Im Ergebnis lassen sich mit den optimalen Prozessparametern Strukturbreiten und -abstände (line/space pitch) von jeweils 500 µm erzielen. Ein erster Prozessnachweis wurde anhand einer textilen RFID-Antennenstruktur erbracht.

Laminierte und gelaserte hochflexible, textile RFID-Antennenstruktur. Fraunhofer IZ

Schutzlaminat

Ziel in Bezug auf das textilbasierte Schutzlaminat mit Brandschutzfunktion war eine flammhemmende Wirkung, wie sie bei Basis-Leiterplattenmaterialien schon lange Standard ist. Konventionelle Basismaterialien für die Leiterplattenfertigung sind unter der Bezeichnung „FR“ bekannt, wobei das Kürzel für „Flame Retardant“ = flammhemmend steht. Im Bereich von Smart Textiles gibt es bisher keine Standards, Vorschriften oder verbreitete Lösungen zum Brandschutz, wobei die Gefährdung von leicht brennbaren, textilen Systemen durch den körpernahen Kontakt deutlich größer ist.

Im Vorhaben wurde der Ansatz des Flamm- und Brandschutzes für textile Leiterplatten mit einem „inneren“ und „äußeren“ Schutz umgesetzt. Neben dem „inneren“ Verbundwerkstoff mit brandhemmenden Additiven in der TPU-Folie wurden zusätzlich aramidbasierte Vliesstoffe für den „äußeren“ Schutz entwickelt. Das Schutzlaminat wird beidseitig auf die textile Leiterplatte laminiert und erzielt neben dem Brandschutz auch eine vorteilhafte textile Haptik. Durch zahlreiche Beflammungstests ließen sich der optimale Anteil von meta- und para-Aramiden sowie die benötige Porosität des Schutzlaminats ermitteln und somit ein gesamtheitlich sicheres Konzept für textile Leiterplatten umsetzen.

Ultraschall-Kunststoffschweißen

Das Ultraschallschweißen (US) von Drahtbonds für Chipverbindungen oder Kunststoffen für Verpackungsprodukte ist in der industriellen Fertigung seit Jahren etabliert. Der wesentliche Unterschied zwischen beiden Verfahren ist die verwendete Schweißtechnik. Das Ultraschall-Metallschweißen wird für elektrische Verbindungen und das Ultraschall-Kunststoffschweißen zum Fügen von Kunststoffen eingesetzt. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Verfahren ist die Richtung der Ultraschalleinbringung. Sie ist bei der Kunststoffschweißung senkrecht zur Schweißnaht und bei der Metallschweißtechnik parallel zur Schweißkontaktfläche.

Prinzip des Ultraschall-Kunststoffschweißen zur Elektronikintegration. Fraunhofer IZM

Im Vorhaben wurde erstmalig das Ultraschall-Kunststoffschweißen zur elektrischen Kontaktierung untersucht. Die Methodik basiert dabei auf der Flip-Chip-Montage durch das Kleben mit nicht-leitfähigen Klebstoffen. Im Verbundwerkstoff ist die thermoplastische Folie der Klebstoff, der lokal aufgeschmolzen wird, während parallel das elektronische Bauteil/Modul durch Druck dem textilen Kontaktpad angenähert wird. Im Vorhaben konnten die US-Prozessparameter, Design Rules für Kontaktpads und die Zuverlässigkeit der Kontaktwiderstände ermittelt werden.

US-geschweißte LED. Fraunhofer IZM

Somit steht erstmalig eine wirtschaftliche und zuverlässige Kontaktierungstechnologie für die Integration von Elektronik in Textilien zur Verfügung. Der Machbarkeitsnachweis wurde mittels elektrisch kontaktierter LED-Chips auf textilen Leiterplatten erbracht.

Textile Sensoranwendungen

Zusätzlich zur Entwicklung flexibler Leiterplatten wurden verschiedene vliesbasierte Sensoren entwickelt. Erste Untersuchungen und Entwicklungen erfolgten in den Bereichen Feuchtigkeits- und Druckdetektion. Mit den im Vorhaben entwickelten Drucksensoren, inklusive batteriebetriebener Messwerterfassung, -auswertung, -verarbeitung und -visualisierung ist es gelungen, Druckkräften, u. a. auf einem (Büro-)Stuhl, sektoral aufzunehmen, in elektrische Signale umzuwandeln, sie drahtlos zu übertragen und entsprechend zu visualisieren. Darüber hinaus sind verschiedene Möglichkeiten der Überwachung und Alarmierung denkbar. Insbesondere die Erfassung der Druckverteilung über mehrere Zonen bzw. Segmenten erlaubt qualifizierte Informationen weit über die klassische „Präsenzmeldung“ hinaus.

Textiler 4-Zonen-Kraft-/Flächendruck-Sensor mit integrierter Elektronik und Bluetooth LE. Esys

Wirtschaftliche Bedeutung

Die Vorhabenergebnisse führten zu neuen Produkten bzw. Herstellungstechnologien für funktionalisierte, technische Textilien, deren Nachweis anhand eines gemeinschaftlich entwickelten Drucksensors erbracht wurde. Durch seine nahtlose Integration in den Vliesstoff ist dieser in der Lage, statische und dynamische Druckkräfte aufzunehmen, zu verarbeiten und die Daten zur Visualisierung der Messwerte drahtlos, z. B. per Bluetooth LE an eine App, weiterzuleiten. Im Ergebnis erfolgreicher Funktionstests der vliesstoffbasierten, flexiblen Leiterplatten stehen diese Neuentwicklungen für verschiedene Anwendungen bereit.

Im Rahmen der wirtschaftlichen Verwertung arbeiten die Verbundpartner an neuen Einsatzfeldern für elektronische Lösungen mit textilen Leiterplatten, die mit klassischen Basismaterialien nicht bedient werden können, wie Gesundheitsprodukte und Funktionsbekleidung (Schutz-, Sport-, Freizeit-, Gesundheitsbekleidung). Dabei werden die Hersteller ihr Produkt- und Leistungsspektrum erweitern, neue Marktsegmente erschließen und damit neue Zielgruppen erreichen.

(pg)