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

HSMtec 3D-Leiterplatte
Dreidimensionale Leiterplatte mit HSMtec

Dreidimensionale Leiterplatten nutzen den begrenzten Bauraum optimal aus und können mit verschiedenen Verfahren, Bestückungsvarianten und Materialien aufgebaut werden. Mit Starrflex, Semiflex und HSMtec 3D stellen wir drei Fertigungsverfahren vor und beleuchten ihre technischen Eigenschaften, Anwendungsmöglichkeiten sowie ihre Vorteile und Grenzen.

Die Packungsdichte erhöhen, das Gewicht reduzieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit der Baugruppen erhöhen – dreidimensionale Leiterplatten werden in immer mehr Produkten eingesetzt. Die Möglichkeit, Teile einer Schaltung auf verschiedenen Leiterplatten oder Leiterplattensegmenten direkt zu verbinden, ersetzt Steckverbinder und Kabel. Darüber hinaus eröffnen 3D-Leiterplatten neue Designmöglichkeiten und helfen, die Systemkosten zu senken.

Charakteristisch ist, dass die Leiterplatten als zweidimensionale Platine ausgelegt, im Panel gefertigt und bestückt werden. Erst nach der Montage wird die Leiterplatte in ihre dreidimensionale Form gebogen. Man unterscheidet zwischen einmaligem Biegen für die Montage, wenigen Biegungen z.B. im Einsatz oder ständigem Biegen z.B. für hohe Biegezyklen im Einsatz.

Starrflexible 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 flexible Folie wird in den Lagenaufbau der angeschlossenen Leiterplatten integriert. Die flexiblen und starren Teile sind über elektrisch verbunden. An den Biegestellen wird das FR4-Material bis auf die Flexfolie abgefräst. Das dünne Polyimid garantiert maximale dreidimensionale Anpassungsfähigkeit an begrenzte Platzverhältnisse. Der Platzbedarf der Leiterplatte kann sozusagen „weggeklappt“ werden.

Die Starr-Flex-Technologie ist sehr vielseitig in Bezug auf Anordnungsmöglichkeiten und Geometrien. Weitere Vorteile: Durch den Wegfall vieler Lötstellen, Kabel, Drähte, Steckbrücken und Steckverbinder werden nicht nur Platz und Gewicht minimiert, sondern auch potenzielle Fehlerquellen eliminiert und die Gesamtkosten gesenkt. Bei den dünnen Materialien des flexiblen Leiterplattenteils müssen jedoch Biegeradien und Biegezyklen beachtet werden.

Starrflex-Multilayer
Rigid-flex multilayer: The electronics for the Power-Check tool clamp are housed on a 4-layer rigid-flex multilayer that connects four rigid parts with one flex part.

One example: The compact housing of the Power-Check tool clamp from Ott-Jakob in Allgäu fits into the tool magazines of all machine manufacturers. The tool clamp checks the force with which the tool is pulled into the spindle cone of the machine tool. If the force falls below a certain threshold, there is a risk of increased tool wear or vibrations that leave unclean machining marks on a workpiece. The Power-Check checks not only the force: when setting up a new motor spindle, different tolerances for tools of different lengths can be simulated. In addition, digital switching outputs can be programmed for clear signal messages about whether a tool is well or poorly clamped.

The sophisticated design is realised in a four-layer rigid-flex multilayer – just 122.89 mm long and 70.15 mm wide – with an electroless nickel-gold surface, which connects four rigid parts with, among others, a flex part that lifts off. On it are, among other things, a microcontroller, a measuring device amplifier, several magnetic switches, LEDs for the display, a complete front end for radio transmission and a lithium cell as energy storage.

 
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