Computergesteuerte Drahtschreibung Wirelaid-PCB eröffnet neue Designmöglichkeiten für Leiterplatte und Endgerät

Autor / Redakteur: Jörg Sperling* / Claudia Mallok

Bei der patentierten Drahtschreibetechnik von Jumatech werden Drähte auf die Top- und/oder Bottom-Kupferfolie einer Leiterplatte aufgebracht. Nach dem Verpressen der Folie entstehen Leiterplatten mit innen verlaufenden Drähten die Verbindungsstecker, Dickkupfertechnik und Starr-Flex-Technik ersetzen können. Zudem lassen sich mit der Wirelaid-PCB-Technik dreidimensionale Schaltungsträger für extreme Packungsdichten realisieren. Besonders interessant ist, das diese neuen Designmöglichkeiten keine Änderungen im Prozessablauf beim Leiterplattenhersteller verursachen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die hohe Komplexität moderner Systeme erfordert häufig Multilayer-Boards, deren Umrisse der Form kompakt aufgebauter Gehäuse folgen müssen und gelegentlich sogar dreidimensional angeordnet sind. Besonders schwierig wird es, wenn ein System nicht nur Signal verarbeitende, sondern auch Leistungselektronik enthält. Konventionelle Leiterplattentechnik kann diese Anforderungen nur unter Einschränkungen oder aufwändiger Spezialtechnik erfüllen.

Drahtgeschriebene Leiterplatten – ein technischer Durchbruch

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Das innovative und patentierte Jumatech-Verfahren überwindet viele technische Einschränkungen herkömmlicher Leiterplattentechnik: lackisolierte Rund- und Flachdrähte werden auf eine handelsübliche Kupferfolie aufgebracht, die anschließend laminiert, in herkömmlicher Technik geätzt und weiter bearbeitet werden kann. Die Technik ähnelt dem Wire-Bonding: Mithilfe modernster Mikroschweißtechnologie verbindet man bei der Drahtschreibung lackisolierte Drähte an den Kontaktpunkten elektrisch mit einer Kupferfolie und fixiert sie an den Biegepunkten mit einer Klebung.

Da die Drahtschreibetechnik eine elektrische Verbindung zwischen Draht und Kupferfolie erzeugt, lassen sich Kontaktierungen über geätzte Außenpads realisieren. Besondere Bohrungen oder Vias, wie sie z.B. bei der Multiwire-Technik benötigt werden, sind nicht erforderlich. Für das Layout der drahtgeschriebenen Lagen kann man herkömmliche Design-Werkzeuge nutzen; Spezialwerkzeuge sind nicht erforderlich.

Der Designer führt für sein Leiterplattendesign in Draht-schreibetechnik lediglich eine zusätzliche virtuelle Drahtlage ein. Erforderliche Constraints für diese Technik lassen sich so formulieren, dass sie mit herkömmlicher EDA-Software verarbeitet werden können.

Neue konstruktive Möglichkeiten für das Leiterplatten- und Gerätedesign

Die auf der Folie aufgebrachten Drähte sind äußerst stabil und überstehen einige Biegevorgänge ohne Veränderung ihrer mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Beim Laminieren der Leiterplatte werden sie im Prepreg-Laminatmaterial eingebettet und von diesem komplett umflossen, sodass die Drähte in der fertigen Leiterplatte stabil fixiert sind.

Die neue Technik ermöglicht auch ein Falten der Leiterplatte für Montage und Service. Ordnet man mehrere Drähte rechtwinklig zu einer gewünschten Faltungslinie an und fräst eine Nut entlang dieser Linie, so lässt sich die Leiterplatte an dieser Stelle falten. Die Drahtschreibetechnik erlaubt Biegewinkel bis zu 180° und ermöglicht damit den Aufbau dreidimensionaler Leiterplatten in herkömmlicher Technik.

Die Drahtschreibetechnik öffnet noch weitere Horizonte: Die diskreten Drähte bieten einen wesentlich größeren Querschnitt und bessere Charakteristika als normale Leiterbahnen und solche in Dickkupfertechnik. Sie können wesentlich größere Ströme führen. Dabei beanspruchen sie viel weniger Fläche auf der Leiterplatte als herkömmliche Leiterbahnen. Weil Rund- und Flachdrähte deutlich weniger Leiterplattenfläche belegen als Stromlagen, kann man oft die Zahl der Lagen reduzieren.

Mithilfe der Drähte lassen sich oft getrennte Power-Lagen in einer einzigen Drahtschreibe-Lage realisieren. Dies und auch die Möglichkeit, in einer Lage Strom- und Signalbahnen durch verschieden dicke Drähte zu realisieren, hat in der Praxis für den Kunden z.B. das Ergebnis, dass sich eine frühere 6-Lagen-Leiterplatte in vier oder sogar in zwei Lagen realisieren lässt. Die lackisolierten Runddrähte sind zudem kreuzbar, was dem Entwickler weitere neue Designmöglichkeiten bietet.

Dank der Biegekanten kann man mehrere Leiterplatten zusammenfassen, die bisher über Stecker und Kabel miteinander verbunden werden mussten. Damit erübrigen sich die Steckverbinder. Oft liegt der Grund für getrennte Signal- und Leistungsleiterplatten auch aus-schließlich in den unterschiedlichen Fertigungstechnologien. In Drahtschreibetechnologie hingegen kann man Signalplatten mit feinsten Strukturbreiten realisieren, bei denen hohe Ströme im Inneren der Platte über die Drähte geführt werden. Der Bedarf für getrennte Leiterplatten besteht nicht mehr. Durch die geringere Anzahl zu fertigender Typen vereinfacht sich die Produktionslogistik, was oft bedeutende Kosteneinsparungen ermöglicht.

Alternative zu Starr-Flex- und Dickkupfertechnik

Die Drahtschreibetechnik bietet sich als kostengünstiger Ersatz für komplexe Leiterplatten in Starr-Flex-Struktur an. Die faltbare Leiterplatte wird komplett im herkömmlicher Fertigungsprozess produziert, was erhebliche Einsparungen bei den Materialkosten ermöglicht. Dank konventioneller Leiterplattentechnik muss der Entwickler weniger technische Einschränkungen beachten und er kann eine größere Auswahl an Leiterplattenmaterialien und -herstellern nutzen. Da die aufgebrachten Drähte aufgrund ihres großen Querschnitts höhere Ströme als herkömmliche Leiterbahnen führen können, lassen sich getrennte Leiterplatten für Signalverarbeitung und Leistungselektronik zusammenführen und Dickkupferlayer vermeiden. Zudem belegen Hochstromleitungen in Drahttechnik wesentlich weniger Fläche.

Einige Leiterplattenhersteller bieten das Verfahren bereits im Serieneinsatz an.

Etabliertes Verfahren und innovativer Fertigungsschritt

Hauptinnovation der drahtgeschriebenen Leiterplatte ist, das seit langem etablierte Verfahren der Leiterplattenherstellung durch einen neuen, besonders innovativen Fertigungsschritt zu verbessern. Mit der von Jumatech patentierten Drahtschreibetechnologie werden Drähte auf die zu verpressenden Kupferfolien von Multilayern aufgebracht. Nach dem Verpressen befinden sich diese Drähte im Inneren der Leiterplatte und können im traditionellen Ätz-Prozess von außen über die geätzten Pads kontaktiert werden.

Als Drähte kommen extrem strombelastbare isolierte Rund- und Flachdrähte zum Einsatz, die auch als Heizdrähte zur Beheizung der Baugruppe oder zur Realisierung von Thermoelementen in die Leiterplatte eingebracht werden können. Durch das Einbringen der Drähte in die Platte ergeben sich völlig neue Designmöglichkeiten sowie Kosteneinsparungen. So können z.B. Starr- und Starr-Flex-Applikationen deutlich preisgünstiger und effektiver realisiert werden. Leistungs- und Schaltungselektronik lassen sich einfach und unkompliziert kombinieren.

Weitere technologische Vorteile sind die Hochstromfähigkeit der Leiterplatte (bis zu 30 A pro Draht) wie auch in der nun möglichen Minimierung des Platzbedarfs. Gleichzeitig bietet die Kombination herkömmlicher Leiterplattentechnik mit der Drahttechnologie neue Design- und Anwendungsmöglichkeiten, wie etwa dreidimensionale Leiterplatten, optoelektronische Leiterplatten, komplett geschirmte oder heizbare Leiterplatten.

*Jörg Sperling ist VP Marketing & BD bei Jumatech in Eckental bei Nürnberg.

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