„Conformable Electronics“ ist das aktuelle Schlagwort, wenn es um dynamisch verformbare, dehnbare, strukturelle und 3-dimensionale Elektronik geht. Hiermit kann ein breites und zunehmend wachsendes Anwendungsfeld von Medizintechnik, Smart Textiles, IoT, Industrie 4.0, Automotive und Luftfahrt bis hin zu Consumer-Elektronik bedient werden.
Durch den Einsatz von elastischen bzw. dehnbaren Leiterplatten als eine Untergruppe der Conformable Electronics erschließen sich völlig neue Anwendungsbereiche und Lösungsmöglichkeiten für elektronische Systeme und Baugruppen. Typische Applikationen sind daher u.a. intelligente Pflaster/Bandagen, Smart Textiles und Wearables.
Es entstehen hochflexible, dehnbare und anpassbare Schaltungen auf der Basis elastischer Materialien, die hochdynamische Verformungen, angepasste Komponentenmontagen und -verkapselungen sowie eine Lamination auf textile Materialien mit nachfolgender textiler Weiterverarbeitung ermöglichen.
Im Gegensatz zum aus der Flex/Starrflex-Technologie bekannten und etablierten Polyimid, ist die Materialbasis dieses Produktes eine hochelastische thermoplastische Polyurethan-(TPU)-Folie, auf die Kupferfolien laminiert werden.
Das ohne Einsatz von Weichmachern hergestellte und damit biologisch abbaubare thermoplastische PU ist in verschiedensten Modifikationen von hart über weich bis hin zu elastisch verfügbar und kommt in vielen Bereichen zum Einsatz: in Matratzen, Schuhsohlen, in Schläuchen und Dichtungen, als Baustoff oder auch als Lederimitat für Möbel, um nur einige wenige Beispiele zu nennen.
Für die Anwendung als dehnbares Leiterplattensubstrat kommt eine hochelastische Folie aus Multiblock-Copolymer mit harten und weichen Segmenten zum Einsatz. Die bei CONTAG verarbeitete Standarddicke beträgt 0,10mm, andere Dicken zwischen 0,05mm – 1,00mm können auf Anfrage angeboten werden.
| Eigenschaft | Wert | Eigenschaft | Wert |
|---|---|---|---|
| Dichte | 1,15 g/cm³ | Thermische Ausdehnung | ca. 200ppm/K |
| Härte | 87 Shore A | Feuchteaufnahme | ca. 0,6% |
| Erweichungsbereich | 155 – 170°C | Wärmeleitfähigkeit | ca. 0,2W/m*K |
| Bruchspannung | 60 MPa | Dielektrizitätskonstante εr | 4,4 (10MHz); 3,2 (1GHz) |
| Spannung bei 50% Bruchdehnung | 6-7 MPa | Verlustfaktor tanδ | ca. 0,08 |
| Bruchdehnung | 550% | Durchschlagsfestigkeit | >7,5kV/100µm |
Tab.: Physikalische und elektrische Eigenschaften des Materials
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Da auf dieses dielektrische Grundmaterial die Kupferfolien bei CONTAG laminiert und strukturiert werden, kann die finale Kupferdicke zwischen 5-70µm gewählt werden. Die erreichte Haftfestigkeit bzw. Abzugskraft der aufgebrachten Kupferfolie liegt im Bereich von 3N/mm und damit deutlich höher als in der relevanten IPC-Leiterplattennorm gefordert (>1N/mm).
Das aufgebrachte elektrische Layout in Form der Kupferstrukturen beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der finalen Schaltung erheblich. Insbesondere die Bruchdehnung eines reinen TPU-Materials kann dann natürlich nicht mehr erreicht werden. Je nach Design der Leiterzüge im gedehnten Bereich, die als Mäander oder sog. Horseshoes ausgeführt werden, sind einmalige Dehnungen bis zu 50% und wiederholbare Dehnungen bis zu 30% möglich.
Ausgangsbasis für die verschiedensten Aufbau- und Ausführungsvarianten ist eine ein- oder doppelseitig kupfer-beschichtete TPU-Folie, die nachfolgend mit den bekannten Grundprozessen einer PCB-Fertigung wie Fotodruck, Ätzen, etc. weiter verarbeitet 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 optional div. Folgeprozesse anschließen, u.a.:
Auf der Basis strukturierter TPU-Lagen lassen sich neben dem Standard, 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.
| Bezeichnung | Durchkontaktiert | Lagenzahl stretch | Lagenzahl starr | Verstärkung |
|---|---|---|---|---|
| 1-seitig stretch | nein | 1 | --- | optional |
| 2-seitig stretch | möglich | 2 | --- | optional |
| starr-stretch | ja | 1 | 1-n | ja |
Rein dehnbare Schaltungen müssen u. U. partiell verstärkt werden, z.B. in den Stecker – oder Bestückungsbereichen. Hierzu können Folien aus Polyimid oder Polyester, aber auch FR4-Teile verwendet werden.
Als Endoberflächen können prinzipiell alle gängigen chem. Oberflächenfinishs wie Nickel/Gold (ENIG), Nickel/Palladium/Gold (ENEPIG), Zinn (ISn), Silber (IAg), Silber/Gold (ISIG) oder Palladium/Gold (EPIG) genutzt werden, partiell oder vollflächig. Oberflächen mit Nickelschichten dürfen aufgrund der Sprödheit vom Nickel nach dem Aufbringen einer strukturierten Lötstopplack/TPU-Coverlayerlage nur partiell abgeschieden werden.
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.
Geometrische Parameter der Horseshoes-/Wellengeometrien sind Radien, Öffnungswinkel (Öffnungswinkel 0° = Halbkreis) sowie die Leiterbahnbreite. Die max. mögliche einmalige und wiederholbare Dehnung liegt bei ca. 50% bzw. ca. 30%, abhängig vom konkreten Layout.
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Materialdicke | 100µm (Standard) |
| Deckfolie | TPU |
| Lötstopp | Partiell |
| Line/Space min | ≥100µm |
| Kupferdicke | 9 -70µm |
| Radius R | ≥125µm |
| Öffnungswinkel W | -45° bis +45° |
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Aufgrund der Erweichungstemperatur des TPU-Materials beginnend bei ca. 155°C muss ein niedrig schmelzendes Lot auf der Basis einer SnBi- bzw. SnBiAg-Legierung verwendet werden. Dafür bietet sich beispielsweise das Lot Indalloy 282 an, welches einen Schmelzpunkt von ca. 140°C aufweist. Der Lotauftrag erfolgt 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, z.B. durch partiell aufgebrachte Polyimid- oder FR4-Bereiche.
Die bestückten Bauelemente lassen sich 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.
Für den Anwendungsbereich Textil/Wearables bietet sich vor dem Bestücken die Lamination auf baumwollbasierte Textilien an. CONTAG nutzt dazu die hydraulische Presse, auf der unter Temperatur und Druck das Material erweicht und in die Gewebestruktur eingearbeitet wird.
Für dauerhaft verformte Anwendungen wie Bedienkonsolen etc. kann die dehnbare TPU-Schaltung auf eine relativ starre Trägerfolie wie bespielsweise Polycarbonat (Dicke 200-300µm) auflaminiert werden, die nach dem Bestücken im Tiefziehverfahren verformt wird.
Die Verwendung eines thermoplastischen, dehnbaren Substrates ermöglicht völlig neuartige Applikationen auf dem Gebiet der Conformable und Wearable Electronics.
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% betragen kann.
Die CONTAG AG hat sich in diversen Forschungs- und Industrieprojekten umfangreiches Know How zu dieser innovativen Technologie erarbeitet und bietet die Prototypenfertigung auch in den firmentypischen kurzen Lieferzeiten an.
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