Medizinelektronik

Ultradünn und hochflexibel

Foto (a) und lichtmikroskopische Aufnahme (b) einer ultra-dünnen flexiblen Parylene-basierten Leiterplatte mit zwei Umverdrahtungsebenen aus Gold.
Foto (a) und lichtmikroskopische Aufnahme (b) einer ultra-dünnen flexiblen Parylene-basierten Leiterplatte mit zwei Umverdrahtungsebenen aus Gold.
© Fraunhofer ENAS

Fraunhofer ENAS: Leiterplatten mit mehreren Umverdrahtungsebenen

Forschende am Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS in Chemnitz entwickelten und fertigten erfolgreich flexible Leiterplatten von einer Gesamtdicke mit weniger als 20 Mikrometern und mehreren Umverdrahtungsebenen auf Basis des Polymers Parylene. Das Institut zeigte die neue Generation flexibler Leiterplatten diesen Herbst unter anderem auf der Compamed (15. - 18. November 2021, Düsseldorf).

Flexible Leiterplatten bevorzugt

Die Umsetzung von Anwendungen, wie medizinische Wearables, intelligente Klebebänder oder die strukturelle Überwachung von Leichtbaustrukturen durch integrierte Sensoren, wird durch flexible Elektronik und insbesondere flexible Leiterplatten (PCB) ermöglicht. Dabei gilt für die genannten Anwendungen, dass eine möglichst dünne flexible Leiterplatte gegenüber dickeren Ausführungen zu bevorzugen ist, da geringere Gesamtdicken beispielsweise bei medizinischen Wearables zum Überwachen von Vitalparametern oder smarten Pflastern mit einem erhöhten Tragekomfort einhergehen.

Ebenso lassen sich flexible Sensoranordnungen zur Strukturüberwachung in Leichtbauteilen besser integrieren als dickere. Bei bestehenden Technologien für flexible Leiterplatten kumulieren sich die Gesamtdicken, insbesondere bei der Ausführung mit mehreren Metallisierungsebenen leicht auf mehrere 100 µm, was ihre Flexibilität und Integrierbarkeit begrenzt. Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen am Fraunhofer ENAS ist es jetzt gelungen eine ultra-dünne und flexible Leiterplatte mit mehreren Umverdrahtungsebenen herzustellen.

Entscheidend dafür war der Einsatz des Polymers Parylene, welches bei Raumtemperatur und damit ohne innere mechanische Spannungen abgeschieden wird. Es bietet eine gute mechanische Stabilität, auch bei geringen Schichtdicken. Gleichzeitig zeichnet es sich durch einen niedrigen Elastizitätsmodul aus, womit eine hohe Biegsamkeit einhergeht, die insbesondere auch bei niedrigen Temperaturen bestehen bleibt. Außerdem bietet Parylene eine vergleichsweise gute thermische Stabilität. Unter diesen Voraussetzungen konnte die Gesamtdicke der Parylene-basierten Leiterplatte extrem reduziert und gleichzeitig eine hohe Flexibilität realisiert werden.

Auf dem Weg zur vollständig biokompatiblen Leiterplatte

Darüber hinaus bietet das Polymer weitere vorteilhafte Eigenschaften, die für den späteren Einsatz in ganz unterschiedlichen Anwendungen entscheidend sind. Dazu gehören ISO 10993 zertifizierte Biokompatibilität und Biostabilität, chemische Inertheit und damit Kompatibilität mit etablierten Mikrotechnologien, optische Transparenz, elektrische Isolierung und geringe Permeabilität.

Bei der Verwendung von Parylene zur Realisierung flexibler Leiterplatten vereint das Polymer drei verschiedene Funktionalitäten: Es fungiert als flexibles Substrat, als Dielektrikum zwischen den metallischen Umverdrahtungsebenen sowie als Verkapselungsschicht. Die Parylene-basierte, flexible Leiterplatte wird dabei mithilfe bekannter Mikrotechnologien hergestellt, sodass eine Vielzahl von Metallisierungstechnologien wie Sputtern oder additive Technologien sowie unterschiedliche Metalle für die Herstellung der Metallisierungsebenen verwendet werden können, wobei kleinste Dimensionen von bis zu 10 µm erreicht werden.

Für die Realisierung von vertikalen Durchkontakten zwischen den metallischen Umverdrahtungsebenen wird das dazwischenliegende, nur wenige Mikrometer dicke Parylene-Dielektrikum strukturiert, wobei die entstehenden Vias wiederum mit verschiedenen Technologien gefüllt werden können. Die so hergestellten Parylene-basierten, flexiblen Leiterplatten können mit Gesamtdicken von unter 20 µm hergestellt werden – selbst, wenn mehrere Umverdrahtungsebenen enthalten sind.

Durch ihre einzigartigen Eigenschaften bietet diese neuen Generation ultradünner und hochflexibler Leiterplatte auf Basis von Parylene daher eine innovative Packagingplattform für neue smarte Anwendungen im Bereich der flexiblen Elektronik. Aufgrund der Biokompatibilität von Parylene selbst ist insbesondere die Herstellung einer vollständig biokompatiblen Leiterplatte möglich, wenn zusätzlich biokompatible Metalle wie Gold oder Titan gewählt werden. (me)


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Fraunhofer ENAS (Institut für Elektronische Nanosysteme)