Bauteil-Träger ersetzt flexible Leiterplatten

Flexible Leiterplatten haben viele Vorteile. Ihre Bestückung und insbesondere die Montage ist allerdings recht aufwendig. HARTING hat basierend auf der 3D-MID-Technologie eine neue Lösung entwickelt, die Flex-Leiterplatten ersetzen kann. Durch einen Bauteil-Träger können bis zu zwei Drittel der Kosten eingespart werden.

Beim MID-Herstellungsprozess wird der Kunststoffträger mit einem kundenspezifischen Leiterbahnlayout versehen, auf welchem anschliessend elektronische Komponenten bestückt werden.

Flexible Leiterplatten aus dünnen Polyimidfolien haben sich durch die flexiblen Einsatzmöglichkeiten in vielen Produktbereichen durchgesetzt. Ihre Bestückung und Montage erfordert allerdings einen erhöhten Handlingsaufwand. Hier setzt ein neuentwickelter Bauteil-Träger von HARTING an.

Ein standardisierter Bauteil-Träger für elektronische Bauteile
HARTING hat einen Bauteilträger entwickelt, der direkt mit elektronischen Bauteilen bestückt werden kann und somit flexible Leiterplatten ersetzt. Der Bauteil-Träger dient als Verbindungselement zwischen der Leiterplatte (PCB) und elektronischen Bauteilen, wie LEDs, ICs, Fotodioden oder Sensoren.

Die bestückten Bauteil-Träger werden in Blister-Gurten auf Rollen (Tape & Reel) ausgeliefert und können als Standardbauform, wie andere SMD-Elektronikkomponenten, durch eine automatische Bestückung verarbeitet werden. Aktuell sind zwei unterschiedliche Baugrössen verfügbar, auf welchen Elektronikkomponenten mit der Standardbaugrösse SOIC-8 und kleiner bestückt werden können. Darüber hinaus realisiert HARITNG auch kundenspezifische Baugrößen.

HARTING nennt beispielhaft drei Anwendungen, wo der Bauteil-Träger Flex-Leiterplatten ersetzen kann:
» Bauteile im 90°-Grad Winkel zur Leiterplatte: Der Bauteil-Träger ist geeignet, wenn elektrische Komponenten wie Sensoren rechtwinklig zur Leiterplatte positioniert werden sollen.
Der automatische Bestückungsprozess ermöglicht eine hohe Genauigkeit in der Platzierung der Temperatur- und Hallsensoren, was zu exakten, wiederholgenauen Messresultaten führt. Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind optische Komponenten wie

LEDs oder Fotodioden zur Realisierung von präzisen Lichtschranken.
» Abstand zur Leiterplatte: Der Bauteil-Träger ermöglicht auch einen Abstand zwischen der Leiterplatte und einem elektronischen Bauteil. Ein Temperatursensor kann somit für die Temperaturmessung im Gehäuse eingesetzt werden, ohne, dass das Messresultat durch die Abwärme von weiteren Komponenten auf der PCB beeinflusst wird. Eine LED kann auf diese Weise in einem Abstand zur Leiterkarte platziert und somit mögliche Schattierungen umliegender Komponenten vermieden werden.
» Antennenfunktion: Der Bauteil-Träger kann mit unterschiedlichen Grundpolymeren hergestellt werden. Dabei können elektrische Eigenschaften, wie Dielektrizitätskonstante und Verlustfaktor der Materialien berücksichtigt werden, die für Antennen geeignet sind. Das anwendungsspezifische Antennenlayout kann für verschiedene Applikationen im MHz und GHz-Frequenzbereich verwendet werden, wie z.B. Bluetooth, WiFi, ZigBee oder 5G.

3D-MID-Technologie als Alternative zu Flex-Leiterplatten
Durch die 3D-MID-Technologie (Mechatronic Integrated Device) können elektronische Bauteile direkt auf einen dreidimensionalen Grundkörper bestückt werden, ohne Leiterplatten und Verbindungskabel. Der Grundkörper wird im Spritzgussverfahren hergestellt, wobei der thermoplastische Kunststoff mit einem nicht leitenden, anorganischen Additiv versehen ist. Damit dieses Material elektrische Leiterbahnen aufnehmen kann, werden die Additive im Kunststoff durch eine Laserdirektstrukturierung (LDS) „aktiviert“. Dabei beschreibt der Laserstrahl die für die Leiterbahnen vorgesehenen Flächen und es entsteht eine mikroraue Struktur. Die freigesetzten Metallpartikel bilden die Kerne für die anschließende chemische Metallisierung.
Auf diese Weise werden auf dem dreidimensionalen Grundkörper elektrische Leiterbahnen aufgebracht. Der verwendete Kunststoff verfügt über eine hohe Wärmebeständigkeit und lässt sich somit im Reflow-Ofen löten.

HARTING setzt die gesamte 3D-MID-Prozesskette seit über 10 Jahren von der Projektidee bis zum bestückten Serienprodukt im eigenen Haus um. Die Technologie wird für Anwendungen u.a. in der Medizintechnik, in der Industrie- und Unterhaltungselektronik bis hin zu sicherheitsrelevanten Bauteilen in der Automobilindustrie eingesetzt. Der Geschäftsbereich 3D-MID von HARTING ist der größte Anbieter von 3D-MID-Komponenten außerhalb Asiens.

Der mit diesem Verfahren entwickelte Bauteil-Träger ist flexibel für unterschiedliche Anwendungen einsetzbar. So kann er mit mehreren Sensoren bestückt werden, die z. B. für eine Messung in drei Achsen (X, Y, Z) in drei Richtungen ausgerichtet werden. Die Bauteile können gleichzeitig auf zwei parallele Flächen auf der Vorder- und der Rückseite, sowie auf der Stirnfläche aufgebracht werden. Für den Bauteil-Träger hat HARTING ein Patent angemeldet.

Der Bauteil-Träger spart zwei Drittel der Kosten ein
Elektronische Bauteile, wie LEDs, ICs, Fotodioden und Sensoren werden von HARTING direkt auf den Bauteil-Träger automatisch bestückt. Die Gesamtkosten für den Bauteil-Träger sind im Vergleich zu Flex-Leiterplatten-Lösungen um zwei Drittel geringer. Der Kostenvorteil ergibt sich durch den Wegfall des oft komplexen Handlings flexibler Leiterplatten wie bestücken, kleben und montieren. Das Verfahren ist selbst bei kleinen Stückzahlen im Vorteil, da der Bauteil-Träger unverändert für unterschiedliche Anwendungen genutzt werden kann und keine Kosten für ein neues Spritzgusswerkzeug entstehen. Im Vergleich zu Flex-Leiterplatten werden auch eine präzisere Positionierung der Bauteile und eine größere Wiederholgenauigkeit erreicht.

HARTING nennt als weiteren Vorteil des Bauteil-Trägers die geringe Projektlaufzeit bis zur Auslieferung fertiger Komponenten. Da der Kunststoffträger unverändert bleibt, reichen Vorgaben zur Platzierung der Elektronikbauteile. Die Experten für 3D-MID erstellen daraus einen fertigungsoptimierten Layoutvorschlag. Für die Anpassung der elektrischen Leiterbahnen an die jeweilige Anwendung reicht eine Anpassung des Laserprogramms aus. Die Auslieferung der ersten Muster aus der Fertigung ist nach Freigabe durch den Kunden und der Anlieferung der Komponenten innerhalb von zwei bis drei Wochen möglich – falls nötig auch schneller.

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