Zukunftstechnologien für die Leiterplatte

Flex, Starrflex und Embedded

Nachbericht

Elektronik Treiber für Innovationen in zahlreichen Branchen
Leiterplatte essentielle Basis für diese Innovationen der Elektronik
Flex, Starrflex und Embedded als Technologievorsprung in Europa
Kooperationsforum in Nürnberg mit 230 Teilnehmern aus 4 Ländern

Die Elektronik als Querschnittstechnologie ist Innovationstreiber in vielen Branchen, z. B. in der medizinischen Diagnostik für mobiles und elektronisches Monitoring von Patienten, im Maschinenbau für Drehmoment gesteuerte Roboter, im Automobil für Fahrerassistenzsysteme mit Umgebungserkennung oder auch für neue Antriebstechnologien wie der Elektromobilität.

Dabei müssen neue Produktentwicklungen in der Elektronik zunehmend mehr Funktionalität in immer kleinere Gehäuse und Bauräume integrieren. Speziell Innovationen aus der Leiterplattentechnologie leisten hierfür einen entscheidenden Beitrag.
Flexible Leiterplatten und Mischbauweisen aus starren und flexiblen Leiterplatten lassen sich ideal an 3D-Geometrien anpassen und ermöglichen zudem neuartige mechatronische Lösungen. Potenzial für weitere Miniaturisierung und Steigerung der Leistungsfähigkeit bietet die „Embedded“-Technologie mit der direkten Integration von aktiven und passiven Bauelementen in die Leiterplatte.

Die Leiterplatte wird damit zu einem multifunktionellen Bauteil für elektronische Geräte. Maßgebend für eine erfolgreiche und kosteneffiziente Entwicklung derartiger innovativer Systeme ist eine möglichst frühzeitige Zusammenarbeit in der gesamten Wertschöpfungskette, wie Prof. Dr. Josef Nassauer, Geschäftsführer der Bayern Innovativ in seiner thematischen Einführung zum „6. Kooperationsforums Zukunftstechnologien für die Leiterplatte“ am 26. Januar 2010 in Nürnberg aufzeigte. Als Schwerpunkte wurden die Themen Flex, Starrflex und Embedded präsentiert. Das Kooperationsforum wurde von der Bayern Innovativ GmbH im Rahmen des Netzwerkes BAIKEM in enger Zusammenarbeit mit dem ZVEI Bayern, dem VDMA Bayern und dem Fachverband Elektronikdesign e. V., Berlin, ausgerichtet.
Über 230 Experten aus Deutschland, Österreich, Schweiz und Italien und 22 Ausstellern kamen in Nürnberg zusammen, um zielgerichtet neue Innovationsansätze zu diskutieren und weiter voranzutreiben. Dies ist eine deutlich Steigerung gegenüber 2009 und bestätigt den Trend, die Unternehmen eröffnen wieder mehr Freiräume für Innovation.

Die nachfolgenden Inhalte sind wie folgt gegliedert:

Trends und Märkte in der Elektronik und Leiterplattenindustrie

Dr. Peter Thelen, Geschäftsführer des ZVEI, Landesstelle Bayern, belegte an Hand aktueller Wirtschaftsdaten ein wieder einsetzendes Wachstum in der Elektronikindustrie. Die Leiterplattenindustrie in Europa befindet sich jedoch in einem Konzentrationsprozess und die Massenproduktion von Standardlösungen wird weiter nach Fernost verlagert. Europa biete jedoch für die Entwicklung und Produktion von High-Tech Leiterplatten enormes Potenzial, so Hans Joachim Friedrichkeit, PCB Networks. Gerade die Automobilindustrie, die Medizintechnik und der Maschinenbau verlangen ständige neue Technologien und innovative Lösungen, die oft nur mit High-Tech Leiterplatten umgesetzt werden können. Deshalb müsste eigentlich zu den Produktionszahlen in Europa stets auch die Technologieposition angeführt werden, um ein aussagefähiges Bild zu erhalten, so Prof. Nassauer in der Diskussion mit Dr. Bochtler.

Flex- und Starrflex-Leiterplatten für 3D-Bauräume

Speziell der Bereich von Flex und Starrflex Leiterplatten hat am einsetzenden Wachstum einen besonders starken Anteil, betonte Dr. Wolfgang Bochtler, Geschäftsführer der Freudenberg Mektec GmbH in Weinheim. Er belegte dies anhand zahlreicher mechatronischer Applikationen aus dem Bereich Automotive. So finden Flex-Leiterplatten zunehmend Verwendung in Sensoren und Schaltern, aber auch im Antriebsstrang und in Schweinwerfern oder Interieur-Beleuchtung. Diese Entwicklung basiert auf den vorteilhaften Eigenschaften der flexiblen Basismaterialien aus Kunstoffen, wie Polyimid oder LCP, die dynamisch belastbar sind und sich ideal an 3-dimensionale Bauräume anpassen lassen. Zudem sind sie beständig gegenüber Temperatur, Feuchte und aggressiven Medien. Dadurch ergeben sich auch Einsatzmöglichkeiten unter rauen Betriebsbedingungen wie im Getriebe.

Dr. Michael Fink, Geschäftsführer der Dyconex AG im schweizerischen Bassersdorf präsentierte weitere Anwendungsbeispiele von Flex-Leiterplatten für medizinische Systeme mit lebenserhaltenden Funktionen, wie implantierbare Defibrillatoren. Es wurden hierfür höchste Qualitätsstandards aus der Halbleiterindustrie für die Produktion von Null-Fehler-Systemen übernommen. Diese Kompetenzen sind mittlerweile auch für die Kunden der Dyconex AG zugänglich, da das Unternehmen einen Foundry-Service für die Produktion spezifischer Kleinserien von komplexen Schaltungsträgern im Kundenauftrag anbietet.

Neben Flex-Leiterplatten lassen sich auch starrflexible Leiterplatten für komplexere Anwendungsfälle nutzen, da sie sich bezüglich Aufbau- und Verbindungstechnik bereits bestens bewährt haben. Starrflexible Leiterplatten bestehen aus starren und flexiblen Bereichen, wobei herkömmliche, starre mehrlagige Leiterplatten durch flexibles Basismaterial verbunden werden. Ähnlich wie bei Flex-Leiterplatten ist auch hier eine planare Verarbeitung und Bestückung möglich. Mit diesen flexiblen Systemen können auch Stecker und Verkabelung ersetzt werden was die Qualität und Zuverlässigkeit der Elektronik wesentlich verbessert, so Pascal Oberson, Verkaufsleiter der Optiprint AG in Berneck, Schweiz.

Das planare Schaltungsdesign ermöglicht auch in der 3-dimensionalen Anwendung gleichmäßige, reproduzierbare elektrische Eigenschaften, wie Wellenwiderstand und Signalintegrität – „ideale Voraussetzungen für die High-Speed Datenübertragung“, wie Herr Wille, Produktmanager bei Schoeller-Electonics GmbH, am Beispiel kabelloser UMTS-Basisstationen, und optischer Transceiver aufzeigte. Er präsentierte auch Ergebnisse von aktuellen Untersuchungen aus dem BMBF-Verbundprojekt „hotEL“, die in Zukunft auch zuverlässige Starr-Flexleiterplatten für Hochtemperaturanwendungen im Bereich von 150 °C bis 180 °C ermöglichen werden.

Embedded Technologien für höchste Systemintegration

Neben der Flex- und Starrflex-Technologie wird die Integration von aktiven Komponenten wie z. B. Chips, in eine Multilayer-Leiterplatte (Embedded-Technologie) zu einem entscheidenden Wettbewerbsfaktor für die europäische Leiterplattenindustrie.

Roland Schönholz, Würth Elektronik GmbH & Co. KG stellte hierzu den technologischen Ansatz „LASERCAVITY“ vor. Mit einem CO2-Laser kann das Kunststoffbasis-Material von Leiterplatten bis zur nächsten Cu-Lage und Tiefen bis zu 220 µm abgetragen werden. In den Hohlraum können dann blanke Siliziumchips über Flip-Chip-Technik kontaktiert werden, einer Verbindungstechnik aus der Halbleiterindustrie, die überaus robust und temperaturzyklenfest ist. Die Entwärmung erfolgt durch eine thermische Anbindung des Chips an eine Wärmesenke in einer unteren Lage der Leiterplatte. Durch diese Methode wird gleichzeitig Platz für weitere Bauteile auf der Oberfläche der Leiterplatte geschaffen.

Eine andere Lösung für dieselbe Aufgabenstellung, jedoch ohne Veränderung der Standard-Leiterplattendesignregeln führte Markus Leitgeb von der AT&S AG in Leoben, Österreich, ins Feld, die 2.5D Technologie-Plattform. Bestimmte Bereiche von mehrlagigen Leiterplatten werden nicht verklebt und können nach dem Durchtrennen der Randbereiche mit einem Laser wie ein Deckel entfernt werden. Mit dieser Methode können verschiedene Tiefen und beliebige Formen in einem Aufbau realisiert werden. In den Hohlräumen können Halbleiterbauelemente wie Chips über Bondtechnik kontaktiert und eingebettet werden. Da keine Sonderprozesse notwenig sind, eignet sich das Verfahren auch für die Produktion größerer Stückzahlen dieser High-Tech-Produkte.

Für die Integration dieser Chips in Leiterplatten sind strategische Partnerschaften überaus wichtig, da die Leiterplattenindustrie sich zunehmend mit hohen Reinraumanforderungen und neuen Verbindungstechnologien auseinander setzen muss.
Die vorgestellten technischen Möglichkeiten machen deutlich: die Leiterplatte wird mehr und mehr zu einem System. Entsprechend der Kundenanforderungen gilt es zunächst, die angestrebte Funktionalität, Qualität und Zuverlässigkeit zu erfüllen und dann die kostengünstigste Lösung aus einem Baukasten von Materialien und Fertigungsvarianten auszuwählen. Hierbei ist jedoch eine Gesamtbetrachtung aller Kosten (Total Cost of Ownership) erforderlich, wie in den Diskussionen mehrfach betont wurde.

Dr. Rupert Tkotz, Projektleiter BAIKEM bei der Bayern Innovativ, Nürnberg, fasste die Kernaussagen des Forums zusammen und gab einen Ausblick auf anstehende Kongresse und Foren des Jahres 2010 bis hin zum nächsten Kooperationsforum „Leiterplatten 2011“.

Ansprechpartner

Dr. Rupert Tkotz
Dr. Andreas Böhm
Jürgen Frickinger