Innovative PCB-Technologie

18.05.2021 | Dehnbare Leiterplatte mit hoher Funktionsdichte kombinieren

Neue Technologien sind für Binder Elektronik seit je her wichtig. Es gehört zu unserer DNA moderne Verfahren zu prüfen und wenn möglich in unser Portfolio als Dienstleistung aufzunehmen.
Zu den spannendsten Trends der letzten Jahre gehört für uns das Thema dehnbare Leiterplatten.

Dehnbare Leiterplatten werden auf Basis von Polyurethan gefertigt und erhalten daher ihre speziellen Eigenschaften:
• Dehnbar (bis zu 20%)
• dauerhaft und dreidimensional verformbar
• äußerst weich und beweglich (biegeschlaff bzw. forminstabil)
Die Beweglichkeit haben die flexiblen und starr-flexiblen Leiterplatten längst salonfähig gemacht. Aber sie leiden unter dem Problem, dass sie nur in einer Achse wirklich verformbar sind. Auf Verdrehung und erst recht Dehnung reagieren diese Aufbauten äußert empfindlich.
Insbesondere im Umfeld von Wearables und anderen körpernahen Anwendungen ist diese Anforderung aber häufig gesetzt. Die meisten Körperpartien sind uneben und ständig in Bewegung. An dieser Stelle kommen die PU-basierten Leiterplatten ins Spiel.
Wie alle Technologien hat auch diese ihre Nachteile:
Polyurethan ist als Basismaterial nicht sehr temperaturbeständig (<180°C). Das bedingt einen angepassten Lötprozess auf Basis von Zinn-Wismut und auch die Einsatztemperaturen im Feld sollten nicht so hoch liegen wie bei FR4 oder Polyimid.
Auch die Möglichkeiten für komplexes Routing sind derzeit noch eingeschränkt: Multilayer sind bisher nicht möglich.
Dafür punktet die Technologie mit einer wiederholbaren Dehnbarkeit von 10-20%. Um dies zu gewährleisten, muss das Design der Leiterplatte entsprechend optimiert werden. In erster Linie ist die Ausführung der Leiterbahnen ausschlaggebend für den Erfolg. Diese werden als Mäander ausgeführt um die Dehnung ohne Drahtbruch zu ermöglichen.

Außerdem ist das verwendete Polyurethan sehr gut verträglich und angenehm auf der Haut. Was bedeutet, dass für medizinische Anwendungen ein PU-Substrat direkt auf den Körper platziert werden kann. In manchen Anwendungen (ein Beispiel hier) ist dies ein großer Vorteil.

Gute Erfahrungen

Wir sammelten in den vergangenen Jahren schon einige Erfahrungen mit der Verarbeitung von solchen Stretch-Substraten. Gemeinsam mit der Würth Elektronik konnten wir zuerst einige Demonstratoren fertigen und kurze Zeit später auch ein erstes Kundenprodukt.
Die Prozessführung war einfacher als gedacht. Die Sn/Bi Lotpaste lässt sich ohne Einschränkungen prozesssicher verarbeiten. Natürlich wurde ein spezielles Lötprofil erstellt, aber auch das gestaltet sich aufgrund der niedrigeren Temperaturen einfacher als bei SAC-Lot. Die Ergebnisse waren von Anfang an sehr gut, wir hatten mit dem Lot bereits Erfahrungen aus Projekten mit textiler Elektronik.
Das Handling der Substrate entspricht in etwa bekannten Substraten. Dafür wird der eigentlich Kern aus TPU-Folie (Thermoplastisches Polyurethan) mit einer starren Lage verbunden, die nach der Prozessierung gelöst werden kann.
Eine größere Herausforderung besteht bei Stretch-Substraten mit größeren Ausmaßen. Die geringe Formstabilität des Materials führt dazu, dass Strukturen nicht die Maßhaltigkeit und Wiederholgenauigkeit haben, die man von FR4 oder Polyimid gewohnt ist. Hier ist von Vorteil, wenn man mit lokalen Passermarken für den Lotpastendruck und der Bestückung arbeiten kann.

Geht da noch mehr?

Die strukturellen Vorteile der PU-basierten Substrate waren uns also schon bekannt.
Wir waren aber neugierig, ob man nicht einige der Nachteile überwinden könnte.
Im BMBF geförderten Forschungsverbundprojekt PYRAMID waren wir mit der Entwicklung eines körpernahen Sensorsystems beschäftigt. Der Formfaktor orientierte sich an Uhr/Armband. Dort wird regulär die Elektronik in einer kompakten Einheit auf der Oberseite des Armes integriert, das Armband hat keine elektrische Funktion.
Im Rahmen der Forschung wollten wir untersuchen welche Vorteile eine Funktionalisierung des kompletten Bandes verspricht.
Im ersten Versuch wurde die entsprechende Schaltung als Starr-Flex-Version aufgebaut, um deren Funktionalitäten zu überprüfen.

Die Schaltung beinhaltet ein Microcontrollermodul mit Bluetooth, das sich über eine App steuern lässt (das inzwischen leider eingestellte Simblee), verschiedene Sensoren (9DoF, Umgebungslicht, Mikrofon, Temperatur), NFC sowie als Kernstück zwei PPG-Sensoren (für Herzratenmessung), die jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Armes platziert werden (1x Sensor auf der Haupteinheit, 1x Sensor an der Schließe). Die Spannungsversorgung erfolgt über zwei Lithium-Polymer-Akkus, die mittels magnetisch haftenden Abdeckkappen aus FR4 verdeckt werden. Außerdem gibt es eine kapazitive Bedienstrecke auf dem Armband sowie RGB-LEDs zur Visualisierung.
Das PCB-Layout war schon auf eine Stretch-Variante vorbereitet. Die Leiterbahnen wurden dementsprechend als Mäander ausgeführt. Die Dichte der Strukturen war noch recht hoch und sollte später so weit wie nötig reduziert werden. Als Lagenaufbau wurde ein starr-flex-Aufbau mit 4 starren und zwei innenliegenden Flexlagen realisiert (1ri-2F-1Ri_0,99_17). Wobei auch eine Bestückung auf der oberen Flex-Lage vorgesehen war. Dadurch waren Durchkontaktierungen im Flexbereich nötig.

Im nächsten Schritt sollten Schaltung und Aufbau in eine „Starr-Stretch“ Variante überführt werden. Die Motivation dahinter war auszuloten ob mittels dieser Verbindung Stretch-Leiterplatten mit höherer Komplexität realisiert werden könnten. Gemeinsam mit der Würth Elektronik wurde das Konzept für einen solchen Aufbau entwickelt.
Der Lagenaufbau wurde geringfügig modifiziert und das flexible Polyimid (PI) sollte durch das dehnbare Polyurethan (PU) ersetzt werden. Das Coverlay wird in der Stretch-Variante ebenfalls in TPU-Folie realisiert. Bereiche mit Bauteilebestückung mussten zusätzlich vollflächig ausgespart werden.

Schwierige Umsetzung

Die Umsetzung brachte einige Schwierigkeiten und Fehlversuche mit sich. Das ambitionierte Ziel schien außer Reichweite zu geraten. Die Kombination des schwierigen Materials mit dem gewählten Lagenaufbau sorgte für Probleme in der Herstellung.
Nach einiger Zeit wurde klar, dass der Aufbau geändert werden muss, um zum Erfolg zu kommen. Speziell die Durchkontaktieren im Stretch-Teil konnten nicht aufrechterhalten werden. Also trafen wir uns nochmals mit Würth und entwickelten eine neue Konstruktion, denn wir wollten unbedingt wissen, ob unsere Vorstellung realisierbar sein würde.
Eine Anpassung der Schaltung war ohnehin notwendig geworden, weil das bisher verwendete Simblee Modul inzwischen abgekündigt war. Wir implementierten dafür ein NINA-W10X von uBlox.
Im Lagenaufbau mussten verschiedene Änderungen vorgenommen werden, um aus den Erfahrungen der ersten Umsetzungsversuche eine realisierbare Lösung zu erhalten. So wurde die Anzahl der elektrischen Lagen im dehnbaren Bereich auf eine reduziert und die dehnbare Innenlage nach Außen verlegt. Durch die fehlende elektrische Lage im dehnbaren Bereich entfielen dort auch die Durchkontaktierungen. Um das Design trotzdem routen zu können mussten mittels 0R-Widerstände die Möglichkeit von Leitungskreuzungen eingeführt werden.

Nach Abschluss der Layout Anpassung gingen die Daten dann erneut in die Leiterplattenherstellung für einen weiteren Fertigungsdurchlauf. Zum Glück konnten in diesem erfolgreich funktionale Leiterplatten hergestellt werden.
Diese wurden anschließend bei Binder Elektronik bestückt. Dabei kam die Lotpaste Indium 5.7LT zum Einsatz, die aus vorherigen Projekten bereits bekannt war. Der Auftrag wurde mittels Schablonendrucker realisiert. Für den Jetprinter gab es zu diesem Zeitpunkt noch keine freigegebene Lotpaste, aber wir arbeiten hier an einer Lösung.
Das Handling der Baugruppen war aufgrund der von Würth erstellten Rahmenkonstruktion, die das Substrat stabilisiert, gut beherrschbar. Bestückung und Test liefen daher annähernd analog zu „herkömmlichen“ Baugruppen ab.
Für den Reflow-Prozess überprüften wir das spezielle Profil, das bei möglichst niedriger Peaktemperatur ein stabiles Prozessfenster für das Sn-Bi-Lot bietet. Die Temperatur sollte niedrig sein, um das Polyurethan nicht unnötig zu belasten. Die Lötergebnisse waren sehr gut.
So sieht das Gesamt-Ergebnis aus:

Fazit

Noch stellt die Herstellung dieser komplexen Leiterplatte (Starr-Stretch) eine große Herausforderung dar. Die Ausbeute ist noch nicht serienreif. Die Technologie wird weiterverfolgt, mal sehen was die Zukunft bringt.
Bei der Bestückung der dehnbaren Bereiche fiel auf, dass einige Leiterbahnen und Pads etwas verschoben/verzogen sind. Das stellte sich aber als beherrschbar heraus.
Funktional ist die Baugruppe völlig in Ordnung, derzeit läuft die Inbetriebnahme.
Auch wenn die Technologie so noch nicht einsetzbar ist, war es für uns ein spannender Demonstrator. Wir konnte damit weitere Erfahrungen in Hinblick auf Layout und Verarbeitung von Stretch-Leiterplatten sammeln. Und wir konnten die einmalige Kombination aus hoher Funktionalität und dehnbarer Leiterplatte demonstrieren.
Im Bereich Wearables und Medizintechnik (und vielleicht auch darüber hinaus) gibt es zukünftig zahlreiche Anwendungen, die von den Eigenschaften solche eines Starr-Stretch-Aufbaus profitieren würden. Wir bleiben auf jeden Fall an dem Thema dran und werden es weiterverfolgen um als Technologiepartner neue innovative Produkte zu ermöglichen.