3D-Leiterplatten: drei Technologien, drei Beispiele (Teil 1)

HSMtec 3D Leiterplatte
Dreidimensionale Leiterplatte mit HSMtec

Dreidimensionale Leiterplatten nutzen begrenzten Bauraum optimal aus und lassen sich mit verschiedenen Verfahren, Aufbauvarianten und Materialien konstruieren. Mit Starrflex, Semiflex und HSMtec 3D stellen wir drei Herstellungsverfahren vor und beleuchten ihre technischen Eigenschaften, Anwendungsmöglichkeiten sowie ihre Vorteile und Grenzen.

Packungsdichte vergrößern, Gewicht reduzieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit von Baugruppen erhöhen – dreidimensionale Leiterplatten kommen in immer mehr Produkten zum Einsatz. Die Möglichkeit, Teile einer Schaltung auf verschiedenen Leiterplatten oder Leiterplattensegmenten direkt miteinander zu verbinden, ersetzt Steckverbindungen und Kabel. Darüber hinaus eröffnen 3D-Leiterplatten neue konstruktive Möglichkeiten und helfen, Systemkosten zu reduzieren.

Charakteristisch ist, dass die Leiterplatten als zweidimensionale Leiterplatte layoutet, im Nutzen gefertigt und bestückt werden. Erst nach dem Bestücken wird die Leiterplatte in die dreidimensionale Form gebogen. Dabei unterscheidet man zwischen einmaligem Biegen zur Montage, wenige Biegungen z.B. im Einsatz oder ständiges Biegen z.B. bei hohen Biegezyklen im Einsatz.

Starrflex-Leiterplatte: vielseitige Geometrien und Layouts

Starrflexible Leiterplatten sind die bevorzugte und optimale Lösung, wenn mehrere starre Leiterplatten in unterschiedlichen Einbaulagen und Ausrichtungen elektrisch verbunden werden sollen. Die Teile der Schaltung sind auf mehrere starre Schaltungsträger verteilt und über eine flexible Leiterplattenfolie aus Polyimid miteinander verbunden. Die Flexfolie ist in den Lagenaufbau der verbundenen Leiterplatten integriert. Elektrisch verbunden sind der flexible und der starre Teil über. An den Biegestellen wird das FR4-Material bis zur Flexfolie weggefräst. Das dünne Polyimid garantiert eine maximale dreidimensionale Anpassungsfähigkeit an begrenzte Raumverhältnisse. Der Platzbedarf der Leiterplatte lässt sich sozusagen „wegfalten“.

Die Starrflex-Technik ist bezüglich Layoutmöglichkeiten und Geometrien sehr vielseitig. Weitere Vorteile: Das Einsparen vieler Lötstellen, Kabel, Drähte, Steckbrücken und Steckverbindern minimiert nicht nur Platz und Gewicht, sondern eliminiert potenzielle Fehlerquellen und reduziert die Gesamtkosten. Allerdings müssen für die dünnen Materialien des flexiblen Leiterplattenteiles die Biegeradien und Biegezyklen eingehalten werden.

Starrflex-Multilayer
Starrflex-Multilayer: Die Elektronik für den Werkzeugspanner Power-Check ist auf einem 4-lagigen Starrflex-Multilayer untergebracht, der vier starre Teile mit einem Flexteil verbindet.
Ein Beispiel: Das kompakte Gehäuse des Werkzeugspanners Power-Check von Ott-Jakob im Allgäu passt in die Werkzeugmagazine sämtlicher Maschinenhersteller. Der Werkzeugspanner prüft die Kraft, mit der das Werkzeug in den Spindelkonus der Werkzeugmaschine eingezogen wird. Unterschreitet die Kraft einen bestimmten Schwellenwert drohen vermehrter Werkzeugverschleiß oder Vibrationen, die unsaubere Bearbeitungsspuren auf einem Werkstück hinterlassen. Der Power-Check prüft, aber nicht nur die Kraft: beim Einrichten einer neuen Motorspindel lassen sich verschiedene Toleranzen für unterschiedlich lange Werkzeuge simulieren. Außerdem lassen sich digitale Schaltausgänge für eindeutige Signalmeldungen darüber programmieren, ob ein Werkzeug gut oder schlecht gespannt ist, programmieren.

Das ausgeklügelte Design ist umgesetzt in einem vierlagigen Starrflex-Multilayer – gerade mal 122,89 mm lang und 70,15 mm breit – mit chemisch Nickel-Gold-Oberfläche, der vier starre Teile u.a. mit einem sich abhebenden Flexteil verbindet. Darauf befinden sich u.a. ein Mikrocontroller, ein Messgeräteverstärker, mehrere Magnetschalter, LEDs fürs Display, ein komplettes Frontend für eine Funkübertragung sowie eine Lithium-Zelle als Energiespeicher.

Starrflexible Leiterplatte Biegestelle
Prinzip einer Starrflex-Leiterplatte: In den Lagenaufbau integrierte Flexfolie verbindet die starren Leiterplatten – an den Biegestellen wird das FR4-Material bis zur Folie weggefräst.

3D-Leiterplatten: drei Technologien, drei Beispiele – Teil 2 

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