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PUR-Leiterplatten: Mehr als nur flexibel

Die weichen und hautfreundlichen Eigenschaften der Polyurethane sind prädestiniert für Anwendungen in der Medizin – am und im menschlichen Körper. Bei der Leiterplattenherstellung stellt sich die Herausforderung, ihre Vorteile mit den Eigenschaften des starren Kupfers in einem Produkt zu vereinigen.

Würth Elektronik Bildquelle: © Würth Elektronik

Flexibel und robust: Mithilfe dehnbarer PUR-Leiterplatten lassen sich medizinische Systeme realisieren, die am Körper weder stören noch bei der Nutzung kaputt gehen.

Polyurethan (PUR) als Basismaterial für Leiterplatten bietet neue Möglichkeiten der Formung und Gestaltung und eröffnet somit neue Anwendungsgebiete. Die kaum sichtbare Leiterplatte faltet, biegt, dehnt sich und folgt so nahezu unbemerkt jeder Bewegung.

Im täglichen Leben begegnen wir dem Kunstharz oft in geschäumter Modifikation. Erzeugnisse wie Matratzen, Schuhsohlen oder Leder-Imitat werden aus diesem Rohstoff gefertigt. Das Multiblock-Copolymer besteht aus »harten« und »weichen« Segmenten. Dadurch werden Eigenschaften wie Flexibilität, Biegeschlaffheit oder Dehnbarkeit umgesetzt. Sie eignen sich ideal für Einsätze in Textilien oder Wearables (Bild 1). Da alle Additive physikalisch in der Polymermatrix gebunden sind, die Polymerisation weichmacherfrei erfolgt sowie wegen der Hydrolyse- und Mikrobenbeständigkeit können hautfreundliche und letztlich biokompatible Applikationen realisiert werden, die den Einsatz dieser Sub­strate im medizinischen Sektor ermöglichen. Als neues Basismaterial für Leiterplatten könnte PUR nach Einschätzung von Branchenkennern für einen Innovationsschub in der Elektronik sorgen.

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Bild 1. Ultraflexibilität dank Materialeigenschaften und Design.

Aufgrund seines hohen Weiterreiß­widerstands sowie der guten Wärmeisolation wird PUR gerne als Oberflächenbeschichtung von Möbeln oder Armaturen, als Wärmedamm oder – versetzt mit Füllstoffen – zur Erhöhung der Stabilität von Baukonstruktionen verwendet. In der Elektronikindustrie finden sich die Reak­tionsharze höchstens als Basis für Klebstoffe oder Vergussmaße. Thermoplastische PUR-Folien als Trägermaterial in der Leiterplattenindustrie sind noch eine Neuheit. Dabei haftet der Kunststoff sehr gut auf Kupfer, weist hohe physikalische und chemische Stabilität auf, sodass er eigentlich als Basismaterial in der Leiterplattentechnik dienen kann. Die dünnen Folien sind in 50 bis 200 µm Dicke erhältlich und werden bei Temperatuten <180 °C verarbeitet. Die »dehnbare Leiterplatte«, die in den Bereichen Medizintechnik, medizinische Prothetik, Softrobotik, Wearables oder Textilien große Vorteile bietet, fiel jedoch nicht vom Himmel, sondern erforderte mehrere Jahre Entwicklungsarbeit. In der industriellen Herstellung geht es nun darum, die Vorteile des neuen Basismaterials mit den konventionellen, nasschemischen Strukturierungs- und Ätzprozessen gewissermaßen zu verheiraten. 

Mäanderstruktur der Kupferbahnen

Es gibt kein bestimmtes Substratmaterial und auch keine bestimmte Konstellation an Materialien, die für alle dehnbaren Elektronik-Applikationen verwendet werden können. Die Dehnbarkeit lässt sich auch nicht durch ein oder zwei Faktoren eindeutig beschreben und festlegen. Viele Faktoren wie die Kupferdimensionen, Materialdicke, Lötstoppmaske oder Layoutgestaltung beeinflussen den Dehngrad. Je nach Anwendung müssen die Grenzen jeweils gemessen und festgelegt werden. Die mechanischen Eigenschaften der finalen Schaltung werden im Wesentlichen vom Kupfer-Layout beeinflusst. Da Kupfer von sich aus kaum dehnbar ist, müssen die Leiterbahnstrukturen zu einer geeigneten zweidimensionalen Mäandergeometrie geformt werden, damit die Dehnbarkeit des Polyurethans erhalten bleibt. Bei der Auslegung der Geometrie sind unzählige Variationen vorstellbar. Die Dehnbarkeit des Gesamtsystems ändert sich entsprechend der Modifikation des Mäanerdesigns wie Leiterbahnbreite oder Höhe (Line/Spac-Abmessungen). In Abhängigkeit von den genannten Faktoren kann für dynamische Applikationen eine Ausdehnung zwischen 5 und 20 % erreicht werden, möglich ist auch eine einmalige Ausdehnung bis zu 60 %. Der Mäander entsteht dadurch, dass sich mehrerer Kreisbögen verbinden; das nicht dehnbare Kupfer wird gewissermaßen ausgetrickst (Bild 2).

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Bild 2. Mäandergeometrie der Leiterbahnen ermöglicht die Ausdehnung der Leiterplatte.

Je nach Anwendungsbereich und Anforderung bestehen viele Folgeverarbeitungsverfahren, um zur gewünschten Geometrie oder zum Produkt zu gelangen. Aufgrund der niedrigen Erweichungstemperatur werden die dehnbaren Schaltungsträger (Stretchflex) in einem Niedrigtemperatur-Reflowprozess bestückt. Ein Lot auf Basis von Zinn/Bismut (Sn/Bi), welches bei ca. 140 °C verarbeitet wird, kann hier genutzt werden. Auch elektrisch leitfähige Kleber oder Niedrigtemperatur-Sinterpasten eignen sich sehr gut. Anschließend lässt sich die bestückte oder unbestückte Leiterplatte auf unterschiedliche Substrate wie Textilien, Polymere oder Metalle laminieren, löten, kleben oder schweißen. Bei erhöhten Temperaturen entfaltet PUR seine Klebereigenschaften und ermöglicht so eine sehr gut Haftung auf vielen Substraten. Durch Verguss oder Hinterspritzen können die Leiterplatten vor Umwelteinflüssen geschützt und gleichzeitig in die gewünschte dreidimensionale Form gebracht werden.

Thermisch umformbare Elektronik steht schon lange im Fokus der Forschung. Mit der Entwicklung dehnbarer Schaltungsträger gelingt es, in einem thermischen Umformprozess elektronische 3D-Strukturen relativ einfach zu realisieren. Die fertig bestückten PUR-Leiterplatten werden auf einen geeigneten Polymerträger laminiert und anschließend mittels Tiefziehen oder Thermoumformen in die gewünschte Form gebracht. Ein Gehäuse verbunden mit der innen oder außen sitzenden Elektronik entsteht.

Zuerst gesehen: Dieser Beitrag stammt aus der Medizin+elektronik Nr. 3 vom 14. Juni 2018.

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Bild 3. Weiche und hautfreundliche Leiterplatte mit Bewegungssensoren.

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Bild 4. PUR-basiertes System mit Elektrodenarrays zur elektrischen Stimulation von Muskeln oder für EKG- und EMG-Messungen.