Thermoplastische Leiterplatten für Bedienoberflächen

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Dieser Beitrag behandelt thermoplastische Leiterplatten, eine alternative Technologie für All-in-One Schaltungsträger, die speziell bei nahtlosen Bedienoberflächen zum Einsatz kommen. Für die Herstellung werden verschiedene Lagen thermoplastischer Folien – jede mit einer speziellen Funktion – zu einem flachen Folienverbund laminiert und dann zur Bedienoberfläche weiterverarbeitet. Bei plastic electronic werden thermoplastische Leiterplatten unter dem Markennamen multiskin Schaltungsträger kundenspezifisch entwickelt und produziert.

Thermoplastische Kunststoffe und ihre Verarbeitung

Thermoplaste sind Kunststoffe, die bei Erwärmung über eine gewisse Temperatur erweichen und sich verformen lassen, um dann nach Wiederabkühlung in dieser Form zu verbleiben.

  • Beispiel Spritzguss: Ein festes Kunststoffgranulat wird aufgeschmolzen, in eine Form gepresst, dort abgekühlt und dann entnommen.
  • Beispiel Thermoformen: Eine flache Folie wird an den Rändern fixiert, erhitzt, mit Druckluft in eine Form gepresst oder mit Vakuum in eine Form gezogen, dort abgekühlt und entnommen.

Thermoplaste finden bei vielen verschiedenen Oberflächen Anwendung. Sei es bei Gehäusen von Geräten, im Innen- und Außenbereich von Fahrzeugen oder bei Möbeloberflächen. Überall dort werden auch thermoplastische Folien eingesetzt. Sie sorgen für großartige Optik und für den nötigen Schutz vor Umwelteinflüssen. Bei der Kombination von Spritzguss mit thermoplastischen Folien, genannt Folienhinterspritzen oder Film Insert Molding (FIM), vereinen sich die herausragenden Oberflächeneigenschaften der Folie mit der mechanischen Stabilität des Spritzgusses in einem Bauteil.

Alle diese interessanten Eigenschaften werden für die Herstellung eines All-in-One Schaltungsträgers, der sich nahtlos in Bedienoberflächen integriert, genutzt. Dabei werden als Grundsubstrate thermoplastische Folien zu einem flachen Folienlaminat verbunden, welches dann 3D verformt und im Spritzguss weiterverarbeitet werden kann.

Im Folgenden werden Lage für Lage Materialien und Herstellung der einzelnen Komponenten der thermoplastischen Leiterplatte und die Weiterverarbeitung des flachen Folienverbunds zur gewünschten Bedienoberfläche beschrieben.

Leiterbahnen auf Folie

In einem ersten Schritt werden Leiterbahnen auf einer thermoplastischen Folie erzeugt. Für die Leiterbahnen finden laminierte Kupferfolien, aufgedampfte Kupferschichten oder gedruckte Silberleitpasten Anwendung. Als Substrate kommen Folien aus Polyethylenterephthalat (PET) und Polyethylennaphthalat (PEN), in manchen Fällen auch Polycarbonat (PC) in Frage.

Als Kriterien für die Auswahl des Materials für die Leiterbahnen sind unter anderem die Leitfähigkeit bzw. der spezifische Flächenwiderstand, die Stromtragfähigkeit und die 3D Verformbarkeit der Leiterbahnen sowie mögliche Strukturgrößen und die Kosten zu berücksichtigen.

Leiterbahnen aus Vollkupfer

Die verwendeten Kupferfolien weisen in der Regel eine Dicke von 18 µm auf. Diese werden vollflächig auf eine meist 50 µm dicke PET- oder PEN-Folie laminiert und durch Fotolithografie und Ätzen im gewünschten Layout strukturiert. Die kleinsten Strukturgrößen betragen 325 µm für die Leiterbahnenbreite und 175 µm für den Leiterbahnenabstand. Als Oberflächenbehandlung wird meist Chemisch-Zinn verwendet. Die so hergestellten Leiterbahnen weisen eine Leitfähigkeit und Stromtragfähigkeit vergleichbar zu konventionellen Leiterplatten mit 18 µm Kupferdicke auf. Die Kupferleiterbahnen sind praktisch nicht verstreckbar, sodass man sich bei der Herstellung von 3D-geformten Schaltungsträgern mit einem Mäander-Design der Leiterbahnen behelfen muss.

Leiterbahnen aus aufgedampftem Kupfer

Eine weitere Möglichkeit, Leiterbahnen auf Folie herzustellen, ist das Aufdampfen einer dünnen Kupferschicht auf eine typischerweise maximal 50 µm dicken PET-Folie. Dabei wird zuerst direkt auf die PET-Folie eine Maske in Form des Negativ-Layouts der Leiterbahnenstruktur gedruckt. In mehreren Durchläufen werden anschließend dünne Kupferlagen bis zu einer maximalen Gesamtdicke von 1 µm aufgedampft. Dann wird die im ersten Schritt gedruckte Maskierung entfernt. Zurück bleiben die Leiterbahnen, die in Kontaktierungsbereichen durch Karbonleitlack und in allen anderen Bereichen mit einem nicht leitfähigen Schutzlack überdruckt werden. Die kleinsten Strukturgrößen betragen 250 µm für die Leiterbahnenbreite und 250 µm für den Leiterbahnenabstand. Die elektrische Leitfähigkeit der aufgedampften Kupferleiterbahnen beträgt knapp 55% der Leiterbahnen aus Kupferfolie, die Stromtragfähigkeit ist aufgrund der sehr dünnen Kupferschicht gering. Aufgedampfte Kupferleiterbahnen können innerhalb weiter Grenzen sehr gut verstreckt werden und sind in großen Mengen sehr kostengünstig in der Herstellung.

Leiterbahnen aus siebgedruckten Silberleitpasten

Derzeit werden vorwiegend Silberleitpasten für das Siebdrucken von Leiterbahnen verwendet. Der Druck erfolgt auf Polyesterfolien aber auch z.B. auf PC-Folien. Wenngleich die spezifische Leitfähigkeit der gedruckten Siberleiterbahnen, ähnlich wie bei den aufgedampften Kupferschichten, nur bei 55% der Leiterbahnen aus Vollkupfer liegt, so kann die Leitfähigkeit doch über die Dicke der Leiterbahnen gut an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Durch die breitere Auswahlmöglichkeit an thermoplastischen Folien und die gute Einstellbarkeit von Widerstand bzw. Leitfähigkeit über die Schichtdicke des gedruckten Materials kann diese Methode zur Herstellung von Leiterbahnen besonders flexibel eingesetzt werden und vielfältige Anforderungen erfüllen. Manche Silberleitpasten eigenen sich auch für eine 3D-Verformung der gedruckten Leiterbahnen. Die Kosten sind jedoch im Vergleich zu den beiden anderen beschriebenen Verfahren relativ hoch.

Thermoplastische Leiterplatten: Besonderheiten

Thermoplastische Leiterplatten werden üblicherweise mit einer oder maximal zwei Verdrahtungsebenen hergestellt. Die Verdrahtungsebenen können über SMT-Bauteile wie Stecker oder Widerstände verbunden werden. Auch die Herstellung von Brücken auf einer Verdrahtungsebene ist möglich. Meist wird die von der Standard-Leiterplatte bekannte Via-Technologie aus Qualitätsgründen bei der thermoplastischen Leiterplatte nicht angewendet.

Aus lichttechnischen Gründen ist es erforderlich, die thermoplastische Leiterplatte mit einer weißen Lötstopplage abzudecken. Um die Weiterverarbeitung als thermoplastischen Folienverbund zu ermöglichen, wird dafür eine weiße Reflektorfolie verwendet.

Thermoplastische Leiterplatten: SMT-Bestückung

Die Platzierung der elektronischen Bauteile auf dem multiskin Schaltungsträger erfolgt durch herkömmliches Pick-and-Place. Besonders wichtig ist dabei das das korrekte Handling der flexiblen thermoplastischen Leiterplatten. Bei großen Mengen und verhältnismäßig einfacher Bestückung, z.B. mit LEDs oder mit RFID-Chips, kann die Bestückung in einem Rolle-zu-Rolle Prozess erfolgen. Bei kleineren Stückzahlen oder komplizierterer Bestückung mit verschiedenen Bauteilen, wie z.B. mit Mikrocontrollern, wird das Handling der thermoplastischen Leiterplatte mittels eines starren Carriers durchgeführt.

Zum Einsatz kommen entweder Reflow-Löten mit einem Niedertemperaturlot oder – wenn erforderlich – leitfähiges Verkleben. Da bei thermoplastischen Leiterplatten besonders die Ausdehnung bei Erwärmung und Schrumpfung bei Abkühlung zu berücksichtigen sind, muss bei beiden Verfahren auf eine möglichst geringe Temperaturbelastung (≤ 160 °C) geachtet werden.

Thermoplastische Leiterplatten: Lichtmanagement

Durch die Verwendung von Side-LEDs mit einer Bauhöhe von < 1mm und einer Kombination aus verschiedenen thermoplastischen Folien und Platten für das Lichtmanagement werden hochwertige Leuchtelemente mit hoher Lichtdichte und homogener Ausleuchtung ohne Überstrahlen erzeugt.

Folgende Materialien werden verwendet:

  • transparente Lichtleiter aus PMMA- oder PC-Platten mit einer Dicke von ≥ 1mm
  • weiß-opake Lichttrenner aus PMMA- oder PC-Platten mit einer Dicke von ≥ 1mm
  • Diffusorfolien aus PET oder PC zur Lichtstreuung
  • hochreflektierende weiße PET-Folien als Reflektoren
  • 100% lichtdichte Blackoutfolien aus PET zur Abdeckung optischer Hotspots

All-in-One für schöne, smarte Bedienoberflächen

Der so hergestellte Aufbau wird hinter eine geeignete Oberfläche laminiert. Diese Oberfläche kann 3D-geformt sein oder erst nach der Laminierung durch geeignete Verfahren wie High-Pressure-Forming (HPF) in die gewünschte 3D-Form gebracht werden. Auch eine Weiterverarbeitung der multiskin Schaltungsträger im Film-Insert-Molding (FIM) Verfahren ist in manchen Anwendungen erforderlich.

Thermoplastische Leiterplatten: Aufbau

Fazit

Durch die beschriebene Technologie werden bestückte Schaltungsträger mit Lichtmanagement und ästhetisch ansprechenden Oberflächen in einem dünnen Materialverbund realisierbar (Embedding Technologie). Die Vorteile liegen auf der Hand: Thermoplastische Leiterplatten für Bedienoberflächen sind leicht, dünn, durch Thermoformen 3D gestaltbar und können im Spritzguss verarbeitet werden. Thermoplastische Leiterplatten können somit sowohl die wichtigsten elektrischen als auch optischen und mechanischen Anforderungen an Bedienoberflächen sehr gut erfüllen.

Die Kombination von optisch ansprechender sowie chemisch und mechanisch robuster Oberflächengestaltung auf der einen Seite und elektrischer Funktionalität und Sicherheit auf der anderen Seite birgt sehr große Marktchancen für die thermoplastische Leiterplatte. Technisch gesehen ist gerade dieser Umstand aber auch eine besondere Herausforderung an eine interdisziplinäre Entwicklung und Zusammenarbeit.

Thermoplastische Leiterplatten: Herstellprozess

Die Herstellung von thermoplastischen Leiterplatten basiert auf bekannten und vielfach erprobten Fertigungsschritten. Nicht übersehen werden darf jedoch, dass aufgrund der verwendeten Materialien immer wieder geringfügige Anpassungen der gewohnten Fertigung notwendig sind. Auch die Organisation der Lieferkette – übergreifend zwischen Elektronik und Kunststoff – erfordert eine gewisse Bereitschaft, umzudenken. Gewonnen wird dadurch eine verhältnismäßig kurze und auch regional abbildbare stabile Prozesskette.

Thermoplastische Leiterplatten für Bedienoberflächen