3D-Druck Ist es sinnvoll, Leiterplatten additiv zu fertigen?

Von Simone Käfer

Den Prototyp einer Leiterplatte per 3D-Druck herzustellen, ist inzwischen Standard. Auch für individuelle Formate und Kleinserien greifen Leiterplattenhersteller immer öfter zum Drucker. Aber ist die Additive Fertigung bereit für die Serienproduktion?

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Im Prototyping ist 3D-Druck für Leiterplatten Standard. Aber: Kann man die Fertigung hochskalieren auf eine Serienproduktion?
Im Prototyping ist 3D-Druck für Leiterplatten Standard. Aber: Kann man die Fertigung hochskalieren auf eine Serienproduktion?
(Bild: Maksym Yemelyanov / Adobe Stock)

Schicht für Schicht, Lage für Lage wird klassischerweise eine Leiterplatte aufgebaut. Auf jeder Lage liegen Elemente, die Lagen sind miteinander verbunden. Eine 3D-gedruckte Leiterplatte hat einen anderen Aufbau. Die Form der Leiterplatte kann sich verändern, sie muss nicht mehr rechteckig sein. Elemente können auf beiden Seiten der Lagen oder frei im Raum angelegt werden – theoretisch zumindest. Um Luft- und Kriechstrecken zu erweitern, können Stege aufgedruckt werden; ebenso Kragen, um die spätere Montage zu erleichtern. VIAs gehören der Vergangenheit an und bei Verkabelungen wird mehr möglich sein. Gedruckt wird nur so viel Material wie gebraucht wird. Damit wird ein Design ohne Lage möglich. Ungenutzter Raum reduziert sich. Wir sprechen also auch über Leichtbau, Materialeinsparungen, Umweltschutz und Wirtschaftlichkeit.

Das hört sich doch vielversprechend an. Aber ist das alles überhaupt umsetzbar? Beim EDA-Roundtable des FED haben sich 2021 eCAD-Anbieter ausgetauscht, was ihre Programme schon können, was noch nicht und woran es hapert.

Problem: Designregeln

Die Form der Leiterplatte verändert sich, ungenutzter Raum wird reduziert. Sollte das nicht eine einfache Berechnung für die CAD-Tools und damit bereits Standard sein? Ein Algorithmus kann das zwar berechnen, aber wirklich unterstützt wird es noch nicht. Warum? Andere Baustellen erhalten mehr Aufmerksamkeit. Das Any-layer-Desing beispielsweise.

Da per 3D-Druck unterschiedliche Stärken und Substratausdünnungen möglich sind, und damit auch kein fester Lagenbezug mehr nötig ist, wird ein Any-layer-Desing realisierbar. Also elektrische Verbindungen über mehrere Lagen hinweg. Aber können die Designtools das abbilden? Ja, können sie. Das Problem liegt beim Design Rule Check. Denn die neuen Möglichkeiten sind hier noch nicht abgebildet. Zwar herrschen immer noch dieselben Regeln, aber unter anderen Bedingungen.

Auch im Constraint-Manager müssen die Designregeln angepasst werden. Für eine normal-gefertigte Leiterplatte gibt es rund 2,5 tausend Regeln. Für 3D-gedruckte Leiterplatten müssten schätzungsweise noch mal 2,5 bis 3 tausend neue Regeln dazu kommen. Unter anderem befassen dieses sich dann mit der Bauteilplatzierung oder Durchkontaktierungen. Das ist jedoch gar nicht so einfach, denn die unterschiedlichen 3D-Verfahren und der vor Ort genutzte Drucker sind zu berücksichtigen. An ihre Datensätze müssen die eCAD-Anbieter ran. Aber auch Anwender sollen Regeln schreiben können.

Tatsächlich haben die meisten eCAD-Anbieter ihre Constraint-Manager bereist erweitert. Sinnvoll ist bei 3D-gedruckten Leiterplatten, dass die Regeln nicht per Batch-Routine abgeglichen werden, sondern in Echtzeit. Dann, wenn ein Bauteil platziert wird, wird geprüft. Auch den Crosstalk in die Lagentiefe simulieren bereits einige Tools. Was noch nicht funktioniert, aber Ziel aller ist, ist die Verbindung von Elektrik und Physik. Zwar kann der Crosstalk entdeckt werden, aber das System verlegt beispielsweise noch nicht die Leiterbahnen, um dem Crosstalk entgegen zu wirken.

Für alles, was noch nicht in den Designtools hinterlegt ist, warten die Anbieter auf Ansagen der IPC. Der große Traum ist eine gemeinsame Bibliothek für mCAD, eCAD und Simulation, aus der sich alle Programme die benötigten Daten ziehen.

Problem: Simulation

Während die einen fordern, dass die Simulationsprogramme enger zusammenwachsen müssen, um die unterschiedlichen Vorgänge und deren Auswirkungen besser abzubilden, fragen die anderen: Wann simuliert man zu viel? Lohnt sich das Kosten-Zeit-Verhältnis? Selbst mit unterstützender KI (künstlicher Intelligenz) braucht man am Ende immer Experten, die die Modelle verstehen.

Doch Leiterplatten-Design wird immer komplexer. Auch durch den 3D-Druck kommen neue Methoden hinzu und neue Komponenten. Elektronik und Optik rücken enger zusammen und müssen in der Modulation und Simulation abgebildet werden. Materialien und ihre Eigenschaften werden wichtiger und die Fertigung der Leiterplatte bekommt einen neuen Stellenwert bei der Konstruktion. Denn unterschiedliche additive und klassische Verfahren verändern die Fertigungssituation und damit auch die Ansprüche an die Konstruktion.

Vieles kann und einiges sollte simuliert werden. Aber dafür braucht es die Parameter, die Eigenschaften der verwendeten Materialien, den Digitalen Zwilling der kompletten Leiterplatte inklusive Gehäuse. Impedanzen simulieren und darstellen beispielsweise, können die eCAD-Tools. Sagen die CAD-Unternehmen. Sofern die Materialeigenschaften, die Geometrie und die Genauigkeit bekannt sind; denn daraus wird das elektrische Verhalten errechnet. Das Problem sei die Fertigungsgenauigkeit der Drucker.

Problem: Maschinen & Verfahren

Bereits im Druckprozess fällt es den Maschinen schwer, die Toleranzen einzuhalten. Unter anderem auch, weil sich die Materialien und damit die Oberflächen beim Druck leicht verändern können, was zu einer leichten Verschiebung der Maße führt. Oft nur im kleinsten Maßstab, aber bei kleinen Elementen haben sie große Auswirkungen.

Außerdem ist ein 3D-Drucker keine eierlegende Wollmilchsau. Je nach additivem Verfahren, technischer Ausstattung und verarbeitbarem Material, kann der eine Twisted-pair-Kabel (verdrillte Kabel) drucken, der andere nicht. Bei einem klappt es besser mit der Bauraumoptimierung, für den anderen sind die minimalen Steckbreiten bekannt und der dritte ist besonders gut in Maßhaltigkeit.

Kommt die Leiterplatte aus dem Drucker, ist sie noch nicht fertig. In den nötigen Postprocessing-Schritten, wie etwa einer Wärmebehandlung, können sich Maße und Materialeigenschaften verändern. Außerdem muss sie noch bestückt werden – und gelötet. An die Lötstellen müssen die Kollegen gut rankommen und auch für das Bestücken gibt es Designregeln.

Problem: Datenformate

Eines der größten Probleme ist, dass es keine einheitlichen Datenformate gibt. Weder zwischen den Konstruktionsprogrammen noch zwischen den 3D-Druckern. Damit sind die Leiterplatten-Hersteller nicht allein, der Unmut darüber erstreckt sich von der Automobilindustrie bis in die Maker-Szene.

Problem: Normen & Sicherheit

Im Bereich der Verkabelung können eCAD-Tools schon einiges abbilden. Twisted-Pair etwa, koaxiale Schirmungen oder ein Kabelbaum (harness design) sind möglich. Aber will ich das als Anwender auch umsetzen? Um alle notwendigen Spezifikationen und Normen kümmert sich normalerweise der Kabellieferant. Wer die Kabel selbst druckt, ist für die Einhaltung der Normen verantwortlich, muss auf die Materialspezifika und die Toleranzen achten, darauf, dass alles richtig ausgelegt ist und dass es richtig funktioniert. Zuverlässig funktioniert, über Jahrzehnte hinweg.

Auch hier braucht es mehr Design-Regeln in den Programmen, die automatisch greifen. Die Grundlage ist jedoch, dass die Software Informationen hat über den Drucker mit dem gearbeitet wird und über die Materialien, die verwendet werden.

Noch keine Serie

Einige Tools zum Designen von 3D-gedruckten Leiterplatten sind schon in der ein und anderen eCAD-Software vorhanden. Aber es bleiben noch viele offene Fragen und ungelöste Situationen. Einige liegen bei den Drucker- und Materialherstellern, etwa dass die Maschinen eine gleichmäßige Qualität liefern und eine Maßhaltigkeit gewährleistet wird, wodurch eine Serienfertigung von Leiterplatten erst möglich wird – an jedem beliebigen Ort, auf jedem geeigneten 3D-Drucker.

Es braucht einheitliche Normen und Datenformate. Auch eine Übertragung vom Prototyping in die Massenfertigung ist noch nicht umsetzbar. An allem wird gearbeitet, in Kooperationen und Forschungsprojekten. Aber es kann noch Jahre dauern, bis man sich beispielsweise auf ein einheitliches Datenformat geeinigt hat. 3D-Druck ist also für Prototoypen und Einzelstücke sinnvoll. Aber für Serien nicht – noch nicht.

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