Die Leiterplatte, die mitwächst.

Im Gegensatz zum aus der Flex/Starrflex-Technologie bekannten und etablierten Polyimid, ist die Materialbasis dieses Produktes eine hochelastische thermoplastische Polyurethan-(TPU)-Folie, auf die Kupferfolien laminiert werden. 
Das ohne Einsatz von Weichmachern hergestellte und damit biologisch abbaubare thermoplastische PU ist in verschiedensten Modifikationen von hart über weich bis hin zu elastisch verfügbar und kommt in vielen Bereichen zum Einsatz: in Matratzen, Schuhsohlen, in Schläuchen und Dichtungen, als Baustoff oder auch als Lederimitat für Möbel, um nur einige wenige Beispiele zu nennen. 
Für die Anwendung als dehnbares Leiterplattensubstrat kommt eine hochelastische Folie aus Multiblock-Copolymer mit harten und weichen Segmenten zum Einsatz. Die bei CONTAG verarbeitete Standarddicke beträgt 0,10mm, andere Dicken zwischen 0,05mm – 1,00mm können auf Anfrage angeboten werden.

Vorteile

Stretchable Leiterplatten
  • Chemisch stabil gegenüber Ölen, Ozon, Teer, vielen Lösemitteln und verdünnten Säuren
  • Hohe Dichtheit gegen flüssige Medien bei gleichzeitig hoher Dampfdurchlässigkeit
  • Biokompatibel, Hydrolyse- und mikrobenbeständig
  • Hohe UV- und Witterungs-beständigkeit
  • Sehr gute Schweißbarkeit und Thermoformbarkeit
  • Verkleb-, bedruck-, hinterspritz- und hinterschäumbar

ANWENDUNG

Aufgrund der Erweichungstemperatur des TPU-Materials beginnend bei ca. 155°C muss ein niedrig schmelzendes Lot auf der Basis einer SnBi- bzw. SnBiAg-Legierung verwendet werden. Dafür bietet sich beispielsweise das Lot Indalloy 282 an, welches einen Schmelzpunkt von ca. 140°C aufweist. Der Lotauftrag erfolgt über Siebdruck.
Aber auch Leitkleben und Crimpen sind erprobte und bewährte Verbindungstechnologien. Für das Crimpen von Steckerkontakten ist zu beachten, dass die Crimpkontakte verstärkt werden, z.B. durch partiell aufgebrachte Polyimid- oder FR4-Bereiche.
Die bestückten Bauelemente lassen sich bei Bedarf verkapseln und dadurch schützen. Hierfür kann ein Einkomponenten- oder wasserlösliches Polyurethan verwendet werden, das in Spritzgießtechnologie oder mit einer Glob-Top-Pistole aufgebracht wird. Auch der Einsatz von PU-Ringen (Dam&Fill Glob-Top) und das Aufsetzen von vorgeformten PU-Kappen mit anschließender thermischer Verklebung haben sich bewährt.
Für den Anwendungsbereich Textil/Wearables bietet sich vor dem Bestücken die Lamination auf baumwollbasierte Textilien an. CONTAG nutzt dazu die hydraulische Presse, auf der unter Temperatur und Druck das Material erweicht und in die Gewebestruktur eingearbeitet wird.
Für dauerhaft verformte Anwendungen wie Bedienkonsolen etc. kann die dehnbare TPU-Schaltung auf eine relativ starre Trägerfolie wie bespielsweise Polycarbonat (Dicke 200-300µm) auflaminiert werden, die nach dem Bestücken im Tiefziehverfahren verformt wird.

Konkrete Vorteile mit CONTAG

  • Express-Prototyping: Schnelle Realisierung dehnbarer Schaltungen für Ihr Time-to-Market.
  • Intensives Engineering: Proaktive Beratung zu speziellen Design-Rules (z. B. Meander-Layouts für Dehnbarkeit ohne Kupferbruch).
  • Innovative Spezialmaterialien: Sichere Verarbeitung von hochflexiblen TPU Substraten.
  • 3D-Anpassungsfähigkeit: Nahtlose Integration an komplexe Körperkonturen oder bewegliche Mechaniken.
  • 100 % „Made in Germany“: Höchste Qualität und Zuverlässigkeit aus Berlin für Ihre Innovationen.

CONTAG – Ihr Kompetenzcenter für dehnbare Leiterplatten

Die Verwendung eines thermoplastischen, dehnbaren Substrates ermöglicht völlig neuartige Applikationen auf dem Gebiet der Conformable und Wearable Electronics.
Auf Basis eines thermoplastischen Polyurethanmaterials sind elektrische Schaltungsträger möglich, die dauerhaft verformt werden oder dynamisch belastet und gedehnt werden können.
Das elektrische Layout ist standardmäßig einlagig, aber auch doppelseitige durchkontaktierte Schaltungen und starr-dehnbare Ausführungen können realisiert werden. Im gedehnten Bereich ermöglichen mäanderförmige Leiterbahnstrukturen die Längenänderung des Substrates, die je nach Design und Aufbau bis zu 30% betragen kann.
Die CONTAG AG hat sich in diversen Forschungs- und Industrieprojekten umfangreiches Know How zu dieser innovativen Technologie erarbeitet und bietet die Prototypenfertigung auch in den firmentypischen kurzen Lieferzeiten an.
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Spezifikationen für Ihre Stretchable Leiterplatten

Da auf dieses dielektrische Grundmaterial die Kupferfolien bei CONTAG laminiert und strukturiert werden, kann die finale Kupferdicke zwischen 5-70µm gewählt werden. Die erreichte Haftfestigkeit bzw. Abzugskraft der aufgebrachten Kupferfolie liegt im Bereich von 3N/mm und damit deutlich höher als in der relevanten IPC-Leiterplattennorm gefordert (>1N/mm).
Das aufgebrachte elektrische Layout in Form der Kupferstrukturen beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der finalen Schaltung erheblich. Insbesondere die Bruchdehnung eines reinen TPU-Materials kann dann natürlich nicht mehr erreicht werden. Je nach Design der Leiterzüge im gedehnten Bereich, die als Mäander oder sog. Horseshoes ausgeführt werden, sind einmalige Dehnungen bis zu 50% und wiederholbare Dehnungen bis zu 30% möglich.
Eigenschaft Wert Eigenschaft Wert
Dichte 1,15 g/cm³ Thermische Ausdehnung ca. 200ppm/K
Härte 87 Shore A Feuchteaufnahme ca. 0,6%
Erweichungsbereich 155 – 170°C Wärmeleitfähigkeit ca. 0,2W/m*K
Bruchspannung 60 MPa Dielektrizitätskonstante εr 4,4 (10MHz); 3,2 (1GHz)
Spannung bei 50% Bruchdehnung 6-7 MPa Verlustfaktor tanδ ca. 0,08
Bruchdehnung 550% Durchschlagsfestigkeit >7,5kV/100µm
Ausgangsbasis für die verschiedensten Aufbau- und Ausführungsvarianten ist eine ein- oder doppelseitig kupferbeschichteteTPU-Folie, die nachfolgend mit den bekannten Grundprozessen einer PCB-Fertigung wie Fotodruck, Ätzen, etc. weiter verarbeitet wird. Dabei müssen die Parameter bei den Einzelprozessen auf die spezifischen Besonderheiten des Materials angepasst werden. Technologische Besonderheiten ergeben sich insbesondere aufgrund des hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der mechanischen Beschaffenheit des Materials.
Je nach Ausführung und Anwendungsfall können sich optional div. Folgeprozesse anschließen, u.a.:
  • Ausschneiden der Nutzen bzw. Einzelleiterplatten
  • Partielle Verstärkungen aufbringen
  • Bauelemente bestücken, ggf. Verkapseln
  • Auf andere Träger laminieren (Textilien, Polycarbonat, o.ä.)
  • Tiefziehen
Schematische Darstellung der Fertigungsschritte einer dehnbaren Leiterplatte auf TPU-Folie bei CONTAG, von der Kupfer-Laminierung bis zum Oberflächenfinishing.
Grundsätzlich gelten für das elektrische Design vergleichbare Vorgaben wie bei flexiblen Schaltungen. Darüber hinaus müssen die Leiterzüge im dehnbaren Bereich als Mäander ausgeführt werden, um die Längenänderung einer möglichen Dehnung im Leiterzug abzufangen. 
Geometrische Parameter der Horseshoes-/Wellengeometrien sind Radien, Öffnungswinkel (Öffnungswinkel 0° = Halbkreis) sowie die Leiterbahnbreite. Die max. mögliche einmalige und wiederholbare Dehnung liegt bei ca. 50% bzw. ca. 30%, abhängig vom konkreten Layout.
Tab.: Design-Empfehlungen
Parameter Wert
Materialdicke 100µm (Standard)
Deckfolie TPU
Lötstopp Partiell
Line/Space min ≥100µm
Kupferdicke 9 -70µm
Radius R ≥125µm
Öffnungswinkel W -45° bis +45°

Horeshoes

Wellen (Halbkreis und Kreisabschnitte)

Rechtecke

Ausführungsvarianten

Querschnitt-Aufbau einer einseitigen dehnbaren Leiterplatte (TPU) mit lokaler Verstärkung.
1-seitig mit Verstärkung
Schematische Darstellung einer zweiseitig durchkontaktierten, dehnbaren Leiterplatte auf TPU-Basis.
2-seitig durchkontaktiert
Lagenaufbau einer zweiseitigen starr-dehnbaren Schaltung (Starr-Stretch) mit Durchkontaktierungen als Alternative zu klassisch starr-flex.
2-seitig Starr-Stretch

Auf der Basis strukturierter TPU-Lagen lassen sich neben dem Standard, einseitigen dehnbaren Schaltungen, auch zwei- und höherlagige durchkontaktierte Schaltungen realisieren. Dabei ist zu beachten, dass die Dehnbarkeit mit steigender Dicke deutlich abnimmt.
Auch starr-dehnbare Aufbauten in Anlehnung an die bekannten starr-flexiblen Leiterplatten sind möglich, wobei das bekannte Polyimid dann durch eine TPU-Lage ersetzt wird.

Tab.: Aufbauvarianten dehnbarer und starr-dehnbarer Schaltungen
Bezeichnung Durchkontaktiert Lagenzahl stretch Lagenzahl starr Verstärkung
1-seitig stretch nein 1 --- optional
2-seitig stretch möglich 2 --- optional
starr-stretch ja 1 1-n ja

Rein dehnbare Schaltungen müssen u. U. partiell verstärkt werden, z.B. in den Stecker – oder Bestückungsbereichen. Hierzu können Folien aus Polyimid oder Polyester, aber auch FR4-Teile verwendet werden.
Als Endoberflächen können prinzipiell alle gängigen chem. Oberflächenfinishs wie Nickel/Gold (ENIG), Nickel/Palladium/Gold (ENEPIG), Zinn (ISn), Silber (IAg), Silber/Gold (ISIG) oder Palladium/Gold (EPIG) genutzt werden, partiell oder vollflächig. Oberflächen mit Nickelschichten dürfen aufgrund der Sprödheit vom Nickel nach dem Aufbringen einer strukturierten Lötstopplack/TPU-Coverlayerlage nur partiell abgeschieden werden.

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