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4-2021

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Fachzeitschrift für Medizintechnik-Produktion, Entwicklung, Distribution und Qualitätsmanagement

Produktion Prototyping

Produktion Prototyping von vollflexiblen Sensoren Lösung für Sensoren auf ein- und doppelseitig kupferkaschierten Laminaten a) b) a) b) Bild 1: Laserbearbeitete Sensoren auf der Basis von Flex-Materialien. a) Demonstration der Sensorflexibilität mit lasermodifizierten Schnittstelleneigenschaften. b) Aktuelle Forschungsfortschritte bei dehnbaren elektronischen Detektionssystemen, die auf der menschlichen Haut zum Einsatz kommen. Bilder mit freundlicher Genehmigung von Prof. Xiangjiang Liu, Zhejiang University, China. Bild 2: a) Via mit 200 µm Durchmesser, das die Kontaktflächen der oberen und unteren Layer verbindet und b) Leiterbahnen und Kontaktflächen in der Kupferschicht. Die Fotos zeigen eine hohe Kantenglätte und präzise Formen, Ecken, Größen sowie eine präzise Via-Positionierung. Autor: Jaka Mur, PhD, ist Postdoktorand und Assistenzprofessor an der Fakultät für Maschinenbau der Universität Ljubljana, Slowenien LPKF Laser & Electronics AG www.lpkf.com Flexible Leiterplatten, komplexe Flachkabel und Sensoren sind in der Computer- und Automobilelektronik, bei Smartphone-Baugruppen, in der Medizintechnik und anderen High-Tech-Anwendungen weit verbreitet. Wir demonstrieren einen vollintegrierten Laserbearbeitungsprozess mit einem System zur Laser-Mikrobearbeitung, Schneiden und Bohren von vollflexiblen, doppelseitig kupferkaschierten Laminaten für eine umfassende Proto typing-Lösung. Die fertigen Muster zeigen unveränderte Flexibilität, Haftung der Kupferstruktur und ein nur geringfügig verdünntes Substratmaterial ohne erkennbare hitzebedingte Degradation. Einführung Leiterplatten (PCBs) wurden seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelt und haben heute einen Marktumsatz von vielen Milliarden Euro. Mit der Revolution der mobilen Technologien, selbstfahrenden Autos und fortschrittlicher medizinischer Geräte werden flexible Leiter platten weit verbreitet eingesetzt. Ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen starren und starr-flexiblen Leiter platten liegen in der Größen- und Gewichtsreduzierung, den nahezu unbegrenzten Form- und Größenoptionen, der hohen Temperaturstabilität durch verbesserte Wärmeableitung, der Unempfindlichkeit von Polyimid sowie in einer genau kontrollierten Impedanz und Abschirmung. Die Flexibilität ist wichtig für Anwendungen in Handheld-Geräten und Sensoren, wo Formfaktor und Design von Bedeutung sind, vor allem in der Unterhaltungselektronik, aber ebenso für Sensoren und - in der Medizintechnik - für die patientennahe Diagnostik bei sogenannten Point-of-Care-Geräten. Flexible Substrate erhöhren den Tragekomfort Auch der weitestgehende Tragekomfort moderner Wearables, der eine für den Patienten angenehme Langzeitüberwachung durch elek- Bild 3: Mikrostrukturierte Kupferschichten auf beiden Seiten des Flex- Materials DuPont CG 185018R. Die horizontalen Leiterbahnen befinden sich oben, die vertikalen, gebogenen Leiterbahnen sind unten. Die Anordnung wurde durch eine Kombination aus transmissiver und reflektierender Beleuchtung sichtbar gemacht. Zu beobachten ist eine hohe Ausrichtungspräzision, da die unteren Bahnen hinter der Biegung alle parallel nach rechts weiter verlaufen. Maßstabsleiste: 100 µm. 20 meditronic-journal 4/2021

Produktion Bild 4: Bei dieser doppelseitigen Struktur sind der präzise Abtrag der Kupferschicht sowie die nahezu unbeschädigte dielektrische Schicht deutlich zu erkennen. Die Größe des Musters beträgt 25 x 25 mm 2 . Für die Laserbearbeitung von doppelseitigen Materialien in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten gibt es zwei Grundvoraussetzungen: die absolute Positioniergenauigkeit und die sichere Befestigung auf dem Arbeitstisch. Beide Voraussetzungen werden mit dem Design des Lasergerätes erfüllt: erstere durch die Kombination von Passermarkenerstellung und -lesung, letztere durch den Vakuumtisch, der das Muster stabil in Position hält. Der erste Schritt der Laserbearbeitung ist daher das Bohren von Passermarken. Damit wird sichergestellt, dass die Strukturen beider Layer korrekt ausgerichtet sind und eine feste Basis für alle weiteren Bearbeitungsschritte bieten. Bild 2a zeigt die aufeinander ausgerichteten Strukturen, die durch die Materialschichten hindurch sichtbar sind. Anforderungen dünner Substrate Das laserbasierte PCB-Prototyping ist bereits eine etablierte Tech- nik, bei der in der Regel Nanosekunden-Laserpulse eingesetzt werden. Diese Technik erzielt eine hohe Effizienz beim Materialabtrag, setzt relativ widerstandsfähige Substrate ein und erfordert nur eine durchschnittliche Bearbeitungsqualität. Für das Bohren der Passermarken ist in der Regel keine besondere Präzision bzw. der Einsatz ultrakurzer Pulse erforderlich. Das Gegenteil gilt jedoch für die Laser- Mikromaterialbearbeitung der auf dem dünnen und flexiblen dielektrischen Substrat aufgebrachten Kupferschicht. Denn bei der Arbeit auf dünnen Substraten ändern sich die Regeln dramatisch, da das Substrat für Wärmebelastungen und – wegen der geringen Dicke – auch für die direkte Schädigung durch den Laser anfälliger ist. „Grüne“ Wellenlänge Eine Allround-Lösung für solche Aufgaben ist der Einsatz ultra-kurzer Laserpulse mit „grüner“ Wellenlänge. Wenn die Bearbeitungseffizienz durch entsprechende Para- tronische Sensoren bedeutet, wird erst durch den Einsatz flexibler Substrate möglich. Das wachsende Interesse in den letzten Jahren und die Möglichkeiten zur Herstellung flexibler Sensoren, wie in Bild 1 gezeigt, führt zu einem steigenden Bedarf an einer umfassenden, universell einsetzbaren Prototyping-Lösung zur vollständigen Bearbeitung von flexiblen Leiterplatten. Ziel war es, ein solches Verfahren auf Grundlage des Lasersystems zu entwickeln. Dieses Verfahren sollte alle Schritte von der Handhabung des Schaltungsdesigns, der Laser-Mikromaterialbearbeitung der leiten den Kupferschicht, dem Bohren der Durchkontaktierungen (Vias) sowie dem abschließenden Schritt des Schneidens der gewünschten Kontur umfassen. Das Lasergerät ist mit einer ultrakurz gepulsten Laserquelle ausgerüstet, die sich für die Bearbeitung flexibler Leiterplatten als entscheidend herausstellte. Zusätzlich zu den charakteristischen Eigenschaften aller laserbasierten Bearbeitungsverfahren – berührungslos und chemiefrei – ermöglichten ultrakurze Laserpulse mit Wellenlängen im grünen Bereich qualitativ hochwertige Strukturen in der Kupferschicht. Gleichzeitig wurde die Wärmebelastung und die direkte laserinduzierte Schädigung der dielektrischen Schicht minimiert. Neuartiger laserbasierter Ansatz Die meisten flexiblen Leiterplatten werden mit herkömmlichen Techniken (z. B. durch chemisches Ätzen) hergestellt. Unser Ziel für den neuartigen laserbasierten Ansatz war es daher, die Gesamtqualität der Leiter platten und die Bearbeitungstoleranzen traditioneller Methoden zu erreichen und gleichzeitig die Vorteile der hohen Flexibilität und der kurzen Umschlagzeiten für individuelle Prototypen oder Kleinserien zu erhalten. Schritte der Laserbearbeitung Die typischen ein- und doppelseitigen flexiblen kupferkaschierten Laminate bestehen aus einem dielektrischen Substrat bzw. Kernmaterial auf Polyimidbasis mit einer Dicke von 25 µm bis 150 µm und Kupferlagen mit einer Dicke von bis zu 35 µm. meditronic-journal 4/2021 21

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