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Miniaturisierte Leiterplatten: Von Herzschrittmachern und Lifestyle-Produkten

Der Trend hin zur Miniaturisierung und Digitalisierung prägt auch die Medizintechnik. Dabei werden Systeme und Komponentn für Therapie, Diagnose und Patientenüberwachung kleiner und leistungsfähiger. Wie in keinem anderen Bereich haben Sicherheit und Zuverlässigkeit dabei absolute Priorität.

AT&S Bildquelle: © AT&S

In Handprothesen unterliegt die miniaturisierte Leiterplatte einer hohen Biegebeanspruchung, was bei der Wahl des Basismaterials und im gesamten Verarbeitungsprozess berücksichtigt werden muss.

Die Miniaturisierung der medizinischen Baugruppen erfordert entsprechend kleine Verbindungslösungen und damit auch extrem kleinen Leiterplattenabmessungen. So sind zum Beispiel die Polyimidfolien für flexible Schaltungen teilweise nur 12,5 µm dick, eine 4-lagige flexible Leiterplatte hat eine Gesamtdicke von nur 150 µm. Die Leiterbahnbreiten und -abstände betragen nur 50 µm oder sogar noch weniger. Die elektrischen Verbindungen der einzelnen Lagen werden über »stacked Vias« realisiert. Eine Herausforderung sind dabei die sehr kleinen Restringe rund um die mittels Laser hergestellten Vias. Auch der Lötstopplack muss sehr präzise positioniert werden, wobei die Stege nur 8  µm breit sind. 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 diese hohen Anforderungen im Produktionsprozess reproduzierbar und zuverlässig erfüllen zu können, sind einerseits eine umfassende Expertise sowie andererseits moderne Fertigungsverfahren und Materialien unabdingbare Voraussetzungen. So lässt sich der erwähnte Materialschrumpf des Polyimids während der Verarbeitung bis zu einem bestimmten Grad kompensieren. Damit können die geforderten Abmessungen beziehungsweise Toleranzen von Pad zu Pad auf einem Produktionspanel eingehalten werden. Dabei ist das Know-how, wie sich bestimmte Aufbauten und entsprechende Designs in der Verarbeitung ausdehnen oder schrumpfen, ein wichtiges Kriterium. Nur so kann das Design im Vorfeld entsprechend ausgelegt werden, um bei der fertigen flexiblen oder starr-flexiblen Leiterplatte die geforderten Parameter zu erreichen.

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.

Hörgeräte und Cochlea-Implantate

Hörgeräte sind winzige elektrische Geräte, 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 (Bild 1). Für die jeweiligen Designs sind unterschiedliche flexible Leiterplatten mit üblicherweise zwei bis sechs Lagen erforderlich.

Durch den geringen Bauraum 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.

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Bild 1. Flexible Leiterplatte mit vier Lagen für Hörgeräte