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3D-Druck: Vereinfachte Integration von Funktionskomponenten in die PCB

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Um wertvollen Platz auf der Leiterplatte zu sparen, werden Widerstände, LEDs und Co. immer häufiger in die Leiterplatte integriert. Die Verwendung von 3D-Multimaterialdruck vereinfacht diesen Prozess erheblich. Das Ergebnis sind robuste, zuverlässige Bauteile.

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Kleiner, leistungsfähiger, zuverlässiger: Die LEDs wurden während des 3D-Druckprozesses in das Bauteil integriert und mithilfe von leitfähigen Tinten kontaktiert.
Kleiner, leistungsfähiger, zuverlässiger: Die LEDs wurden während des 3D-Druckprozesses in das Bauteil integriert und mithilfe von leitfähigen Tinten kontaktiert.
(Bild: Nano Dimension)

Um der Forderung nach Produktminiaturisierung und erhöhter Funktionalität gerecht zu werden, werden aktive und passive Komponenten, wie Widerstände, Kondensatoren, Sensoren oder LEDs, in die Leiterplatte integriert und nicht mit der Surface-Mount-Bestückungstechnologie auf der Oberfläche der Leiterplatte montiert.

Eine Möglichkeit besteht darin, zwei Hälften einer Schaltung zu erstellen und sie dann zusammenzufügen, sobald eine eingebettete Komponente im Inneren platziert wurde. Dies führt zwar zu einer deutlichen Reduzierung der Größe, die präzise Platzierung ist jedoch herausfordernd und die Wahrscheinlichkeit von Fehlern – wie defekte Lötstellen, mangelnde Wärmeleitfähigkeit und Risse im Substrat – ist hoch.

Eine schnellere und praktischere Alternative ist der 3D-Druck einer mehrschichtigen Leiterplatte mit dem DragonFly 2020 Pro 3D-Drucker von Nano Dimension. Hierzu wird die Basis aus einem FR4-ähnlichem Material 3D-gedruckt. Dabei werden Hohlräume ausgespart, die groß genug für die LEDs sind. Anschließend werden die LEDs manuell in den Hohlräumen platziert. Um die noch offenen Lücken zu füllen, werden 1000 Schichten Dielektrium überdruckt.

Zur Kontaktierung der Bauelemente, werden auch die elektrischen Leiterbahnen mit den DragonFly Pro gedruckt – der Lötprozess kann also entfallen. Abschließend wird eine weitere dielektrische Schicht gedruckt, welche sowohl als Lötstoppmaske als auch als eine Art konforme Beschichtung für die eingebetteten Bauteile dient.

Der Druckprozess für das im Bild gezeigte Bauteil mit einer Größe von 47 mm x 20 mm x 1.4 mm dauert einen halben Tag. Da die eingebetteten Komponenten im Rahmen des Druckprozesses in die Innenlagen der Leiterplatte eingesetzt werden, sind sie vor Schäden durch Temperatur, Korrosion und mechanische Beanspruchung geschützt. So können Designer und Ingenieure den komplexere Schaltungen mit verbesserter Zuverlässigkeit und Leistung herstellen – und das bei verringertem Platzbedarf.

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