Wie Voltera NOVA Innovationen bei tragbaren elektronischen Systemen beschleunigt

Rapid Prototyping von flexibler, dehnbarer Elektronik

Die meisten Erfahrungen mit Platinen (PCB) macht man mit grünen FR4-Substraten. Durch das Entfernen des überschüssigen Kupfers wird dieser kupferkaschierte Industrieklassiker in das gewünschte Layout gebracht. Entwickler arbeiten aber auch an Systemen, Leiterplatten analog dem 3D-Druck Verfahren zu drucken. Dies ermöglicht es, das starre FR4 durch flexible, dehnbare Substrate zu ersetzen.

Elektronik hat sich in fast jeden Aspekt unseres Lebens eingeschlichen. Heutzutage ist es schwierig, etwas zu finden, das nicht in irgendeiner Weise auf Elektronik angewiesen ist. Und während herkömmliche Fertigungsmaterialien und Prozesse für Schaltungen auf ihre Bedürfnisse optimiert sind, finden Forscher sie in der Medizinelektronik oft mangelhaft, insbesondere wenn Systeme für das Tragen am Körper konzipiert werden sollen. Menschliche und tierische Körper sind unterschiedlich, wenn sich zum Beispiel die Haut in Bewegung dehnt. Dies muss dann auch in einer elektronischen Applikation entsprechend berücksichtigt werden. Flexible Leiterplatten gibt es schon seit langem, sie verwenden dafür FR4-Platinen, die über Kupfer-Leiterbahnen auf Polyimid, auch unter dem Handelnamen Kapton bekannt, miteinander verbunden sind. Obwohl dadurch zwar Flexibilität gewährleistet ist, dehnt sich aber das Material nicht.

Echte flexible Elektronik ist möglich – aber sie ist in der Herstellung eine besondere Herausforderung und liegt außerhalb des Angebots der meisten Prototyping-Services. So ist beispielsweise thermoplastisches Polyurethan (TPU) sowohl flexibel als auch dehnbar, und Leiter können mit einem Metallabscheidungsverfahren, dem sogenannten Sputtern, aufgebracht werden. Im Vakuum wird die Oberfläche des Materials mit gasförmigen Ionen beschossen, die durch eine hohe Spannung beschleunigt werden. Beim Auftreffen gehen sie eine enge Verbindung mit dem Zielmaterial ein. Diese Methode wird häufig verwendet, um Aluminium oder Legierungen wie Wolfram-Titan oder Aluminium-Kupfer aufzutragen. Ansonsten gibt es noch den Siebdruck, den Sie wahrscheinlich zuletzt in der Schule ausprobiert haben. Wie beim Drucken von Postern oder T-Shirts werden leitfähige Tinten durch eine Maske, die auf ein vorgespanntes Stahl- oder Nylongewebe aufgebracht wird, auf das Substrat aufgetragen, bevor die Tinte erhitzt wird, um sie auszuhärten.

Additiver Ansatz für die Schaltungsherstellung

Solche Lösungen machen den Prototyping-Prozess langsam und/oder teuer und/oder unsauber. Dies ändert sich jedoch dank der Entwicklung von Platinendruckern, die die Entwicklung bei 3D-Druckern für Kunststoff aufgreifen. Mit Direct Ink Writing (DIW) verwenden diese Maschinen einen additiven und keinen subtraktiven Ansatz, um leitfähiges Material dort aufzutragen, wo es benötigt wird.

Es gibt zwei Arten von Rapid-Prototyping-Platinendruckern auf dem Markt. Der erste verwendet die Funktion der positiven Verdrängung, ähnlich wie bei einer medizinischen Spritze. Die Tinte wird in den Zylinder gegeben und ein Kolbenkopf aus Kunststoff oder Gummi wird dann dagegen gedrückt. Abgesehen von der Komplexität der Strömungsdynamik von leitfähigen Tinten ist diese Methode relativ zuverlässig. Durch eine bestimmte Verschiebung des Kolbens wird konstant die gleiche Menge an Tinte durch die Düse geleitet. Verstopfungen können als Problem auftreten, aber dies ist eine Herausforderung für jeden Dispenser, der mit thixotropen (nichtnewtonschen) Flüssigkeiten, deren Viskosität sich beim Scheren ändert arbeitet. Darüber hinaus kann sich bei eingeschlossener Luft, wie sie in sich selbst füllenden Zylindern oft auftritt, die Durchflussrate verändern. Eine weitere Herausforderungen ist die Lagerung zwischen den Einsätzen. Die Tinte muss möglicherweise gekühlt oder eingefroren werden, obwohl es auch einige Tinten, gibt die bei Raumtemperatur gelagert werden können.

Der zweite Ansatz ist der thermische Tintenstrahldruck, bei dem mit Hilfe von Patronen leitfähige Tinte auf das Zielsubstrat gedruckt wird. Die Technologie kann bei entsprechender Abstimmung fein gedruckte Muster erzielen und sowohl auf starren als auch auf flexiblen Substraten verwendet werden. Geeignete Tinten haben jedoch relativ niedrige Viskositäten, so dass weniger Varianten zur Verfügung stehen. Es gibt dabei auch andere Herausforderungen. Niedrige Tintenviskositäten können dazu führen, dass einige Substrate abperlen oder verlaufen, was zu einer schlechten Haftung führt, es sei denn, es werden spezielle Beschichtungen aufgetragen. Und da ein Großteil der Tinte aus Lösungsmitteln besteht, hinterlassen ausgehärtete Elemente im Druck oft nur wenig leitfähiges Material. Probleme mit der Lötbarkeit und einem höheren Leiterbahnwiderstand als gewünscht können die Folge sein. Ein mehrflutiger Druck könnte dies zwar verhindern, kann sich aber aufgrund von Einstellungsparametern auf die minimale Mustergröße auswirken. Auch das Verstopfen der Düse ist möglich. Tinten destabilisieren sich bei falscher Lagerung und verursachen Verstopfungen durch die Bildung von Agglomeraten. Und selbst, wenn die Lagerungsempfehlungen befolgt werden, härtet die Hitze des thermischen Tintenstrahlverfahrens einen Teil der Tinte in den Düsen aus.

NOVA — eine modulare Dosierplattform

Voltera, das kanadische Scale-up, das vor rund sieben Jahren den V-One auf den Markt gebracht hat, stellt sich den Herausforderungen des Rapid Prototyping von flexiblen Schaltungen. Dieser Drucker zielte in erster Linie auf starre Substrate ab, obwohl die Benutzer damit auch flexible Schaltungen erstellten. Mit dem neuesten Drucker NOVA , der Ende letzten Jahres auf den Markt kam, hat sich das Unternehmen voll und ganz auf die Unterstützung flexibler und dehnbarer Elektronik konzentriert (Bild 1).

Dank ihres Wissens über den Verdrängungsdruck haben sie die spritzenartigen Dispenser beibehalten. Die Hardware wurde jedoch deutlich aufgerüstet, so beispielsweise die Integration der Druck-Rückkopplungsschleife in den Druckkopf. Außerdem gibt es eine 12-Watt-Heizung, die die Temperatur der Tinte auf einem konstanten Wert hält und so ein gleichmäßigeres Dosierergebnis während des Auftragens gewährleistet. Es ist unglaublich, dass sogar Schwankungen der Klimaanlagen zwischen den Räumen zu unterschiedlichen Dosierungen der Tinten führen können. Auf dem Markt gibt es eine große Vielfalt an Substraten und Tinten. Man versucht dem Benutzer beim Testen von Materialien mit Viskositäten ab 1.000 cps bis 1.000.000 cps (Centipoise) zu unterstützen. Tinten auf Silberbasis wie die Conductor 3 sind leicht erhältlich und sind sowohl für starre als auch für flexible Anwendungen geeignet. Sie können aber auch selber einen Zylinder mit den leitfähigen Tinten füllen, die sie für Siebdruckelektronik verwenden, um Ihren eigenen Anforderungen gerecht zu werden.

Der Drucker NOVA wiegt 35 Kilogramm, was bedeutet, dass er einen festen und stabilen Standort benötigt. Mit einer Größe von 675 × 605 × 345 mm dürfte er den en Großteil ihres Labortisches belagern. An der Vorderseite bietet eine Schublade Platz zum Verstauen von Materialien und Werkzeugen. Im Inneren sorgt eine Schaumstoffeinlage dafür, dass der Druckkopf und die Oberflächensonde zusammen mit den anderen Werkzeugen, die Sie während des Betriebs zur Hand haben müssen, sicher aufbewahrt werden.

Obwohl das Gerät über einen Ethernet-Anschluss verfügt, empfiehlt die Bedienungsanleitung, den mitgelieferten WLAN-Dongle anzuschließen, um damit auf den Drucker zuzugreifen. Anstatt Software zur Installation auf Ihrem PC bereitzustellen, ist dieses Gerät browserbasiert. Das bedeutet, dass Sie unabhängig vom gewählten Betriebssystem und Computerhersteller keine Probleme bei der Bedienung des Druckers haben werden. Darüber hinaus kann in einer Laborumgebung jeder bei Bedarf auf das Gerät zugreifen. Wenn WLAN jedoch nicht Ihr Ding ist, gibt es auch kabelgebundenes Ethernet.

Flexible Substrate an Ort und Stelle halten

Das flexible Substrat wird durch das poröse Titan-Druckbett mit integrierter Vakuumpumpe an Ort und Stelle gehalten. Das Bett ist groß genug, um Substrate bis zur A4-Größe zu verarbeiten. Diese Befestigungslösung ist besser als Einspannen, da sich das Material während des Drucks nicht wellen kann. Die Aufnahme ist an einem X-Y-Z-Portal befestigt, das zwei Werkzeuge gleichzeitig einspannt. Diese bestehen aus dem Smart-Dispenser und der Smart-Probe (Bild 2). Letzteres verfügt über eine rubinbestückte Sonde, die die Oberfläche des Substrats präzise erfasst. Das Anbringen und Abnehmen der Werkzeuge erfolgt über der mechanischen Kupplungs- und Verriegelungshebel. Integrierte LEDs zeigen dem Anwender den Status des Werkzeugs an.

Der Smart-Dispenser verfügt über einen Drucksensor, der durch Rückmeldung im geschlossenen Regelkreis für einen gleichmäßigen Tintenfluss sorgt. Bei den Spritzenzylindern handelt es sich um Standard-Typen mit einem Inhgalt von 5 cm³, die mit 2,5 ml Tinte befüllt werden können. Ersatz gibt es von der Firma Voltera und ihren Partnern. Es können Leiterbahnen bis zu einer Breite von 0,1 mm gedruckt werden. Durch eine richtige Kombination von Düse und Tinte werden Pads für oberflächenmontierbare Bauteile mit einem Rastermaß von 0,4 mm unterstützt. Eine Auswahl an Düsen mit den Maßen von 100 μm, 150 μm und 225 μm ist verfügbar. Dank der Luer-Lock-Spritzenzylinder kann zudem auch jede Standarddüse verwendet werden. Dies stellt sicher, dass eine optimale Kombination für ihre ausgewählte Tinte gefunden werden kann, um die von Ihnen gewünschten Spurabmessungen zu erreichen.

Der bei weitem größte Vorteil des Druckers NOVA ist seine Flexibilität beim Testen von Tinten mit Substraten. Je nach Zusammensetzung kann es sein, dass die Tinte nur für starre Substrate geeignet ist; eine andere kann nur auf flexiblen, aber nicht dehnbaren Materialien verwendet werden. Flexibles Polyimid und dehnbares TPU sind beliebte Materialien, aber Sie müssen auch dafür sorgen, dass die Tinte richtig auf der Oberfläche aufgetragen wird. Es gibt Versuche, die mit porösem Papier experimentieren, wenn allerdings die Tinte in die Poren dringt, besteht die Gefahr, dass sich keine Leiterbahnen bilden. In solchen Fällen können beschichtete Papiere Abhilfe schaffen.

Kameragestützte Kalibrierung

Bevor der Druck beginnt, wird ein KI-fähiger Kalibrierungsprozess ausgeführt (Bild 3). Die Muster werden auf eine spezielle, abnehmbare Kalibrierplatte gedruckt und nicht auf das Zielsubstrat, das bereits in das Gerät eingelegt ist. Dadurch wird vermieden, dass das Zielsubstrat als alternatives Kalibrierungsziel vor dem Drucken gereinigt werden muss. In dem Drucker NOVA ist auch eine 8-Megapixel-Kamera eingebaut, die Fotos vom Kalibrierungsdruck aufnimmt. Nach jedem Versuch wird das Bild in der Benutzeroberfläche angezeigt, so dass Sie viel einfacher feststellen können, ob die Dosierung richtig abgestimmt wurde.

Aushärten und Löten

Der nach dem Druck nächste Schritt ist das Aushärten, wofür ein separater Ofen benötigt wird. So wurde beispielsweise die Tinte Conductor 3 für flexible Schaltungen nach folgendem Prinzip verarbeitet: Das Aushärtungsprofil sieht eine fünf Minuten lange Aushärtung bei 90 °C, gefolgt von 120 °C für 20 Minuten vor. Dies ist nur etwas mehr als die Hälfte der Zeit, die für die vorherige Tintengeneration benötigt wurde. Es ist wichtig zu verstehen, dass der Aushärtungsprozess dazu da ist, die Lösungsmittel der Tinte zu verdampfen, so dass die verbleibenden Bindemittelpolymere die leitfähigen Füllstoffpartikel an Ort und Stelle halten. Aus diesem Grund kann sich die Dicke der Leiterbahnen während dieses Vorgangs verringern.

Bei einigen Anwendungen müssen nur die Leiterbahnen auf ein flexibles oder dehnbares Substrat aufgebracht werden, bei anderen müssen jedoch möglicherweise einige Bauteile hinzugefügt werden. Je nach verwendeter Tinte kann es sein, dass Sie die Lötpads vor dem Löten polieren müssen. Darüber hinaus müssen die Löttemperaturen oft niedrig gehalten werden, um sowohl die elektrischen Leiterbahnen als auch das Substrat zu schützen. Zum Beispiel muss die Tinte Conductor 3 nicht poliert werden. Es wird jedoch ein Zinn-Wismut-Silber-Lot (SnBiAg) oder eine Lotpaste benötigt, das mit einer Temperatur der Lötkolbenspitze oder des Reflow-Lötprofils von nur 180 °C klar kommt.

Andere Methoden zum Befestigen von flexiblen oder dehnbaren Materialien an Ihrer elektronischen Schaltung sind Kompressionsvorrichtungen, leitfähige Klebstoffe oder die Erstellung eines Kabelschwanzes für einen Steckverbinder ohne Kraftaufnahme, der möglicherweise zusätzlich eine Versteifung erfordert.

Erste Versuche mit dehnbaren Leiterplatten

Das Voltera-Team hat hart daran gearbeitet, die optimalen Kombinationen von Substraten und Tinten zu erforschen, indem es tragbare Anwendungen ausprobiert hat. Eines davon war ein Sohlendrucksensor als Einlage für Schuhe, um die Gewichtsverteilung zu messen und Haltungs- und Gangprobleme zu überwachen (Bild 4). Für das Prototyp-Design werden die TPU-Folie Intexar und die dehnbare leitfähige Silbertinte Intexar PE874 des Herstellers Celanese verwendet. Der gedruckte Sensor und eine Kohlenstofffolienschicht wurden mit einem Arduino MEGA verbunden, so dass Druckergebnisse grafisch dargestellt werden konnten.

In einem anderen Projekt wurden die gleichen Materialien verwendet, um eine Heizung für die Integration in Kleidung herzustellen (Bild 5). Die Heizung wird mit einer T-Shirt-Presse, die üblicherweise zum Aufbringen von Bildern verwendet wird, auf das Tuch laminiert, während ein mechanisches Kompressionsgelenk die Krafteinwirkung auslöste. Dehnbare Substrate können auch mit leitfähiger Tinte bedruckt werden, um Dehnungsmessstreifen zu erstellen. Dieses Konzept wurde in einem Kontrollhandschuh für eine Roboterhand genutzt und zeigte gute Ergebnisse (Bild 6). Dickere Leiterbahnen erwiesen sich als noch verlässlicher, während der leitfähige Klebstoff 9400 von MG Chemicals den Anschluss von Drähten an die Sensoren ermöglichte.

Die additive Platinendruck-Technologie ermöglicht es Forschern und Ingenieuren, die Entwicklungszeiten zu verkürzen und ihre Ideen viel schneller zu verbessern. Leitfähige Tinten können sogar verwendet werden, um Fehler in einem PCB-Design zu beheben, indem einfach fehlende oder zusätzliche Leiterbahnen gedruckt und dann ausgehärtet werden. Tragbare Elektronik ist seit langem herausfordernd, denn die wirklich dehnbare Elektronik für den hautnahen Einsatz war nur mit teuren Metallzerstäubungstechniken oder aufwendigen Siebdruckverfahren herstellbar. Mit dem Platinendrucker NOVA von Voltera können Forscher jetzt Innovationen entwickeln und Prototypen in großen und dadurch aussagekräftigen Stückzahlen zu einem Bruchteil der Kosten herstellen.