Wenn Sie ein Elektrogerät öffnen, ähnelt die Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) dem Grundriss einer Stadt auf einer Landkarte. Doch im Gegensatz zu den meisten Städten ist das Stadtbild hier ziemlich flach. Die meisten SOIC-, SOT-23-, LQFP- und QFN-Gehäuse schmiegen sich an die Leiterplatte, nur ein paar Kondensatoren und Induktivitäten ragen etwas höher hinaus. In den meisten Fällen ist das kein Problem. Beim Design von Routern, DVD-Playern oder sogar Standard-PC-Motherboards finden Sie auf der Leiterplatte genügend Platz, um alle Komponenten unterzubringen. Dennoch ist der Trend zur Miniaturisierung ungebrochen, und Entwicklerteams müssen unweigerlich mit weniger Platz bei der optimalen Anordnung von Sensoren und anderen integrierten Schaltkreisen auskommen.

Eine Lösung dafür ist die dritte Dimension. Im einfachsten Fall kann ein Design auf zwei Leiterplatten verteilt werden, die über ein Flachbandkabel oder eine ähnliche leitende Lösung miteinander verbunden werden. Dadurch wird das Design etwas komplexer, und ohne hohe Stückzahlen bedeutet dies auch einen gewissen manuellen Aufwand bei der Herstellung. Eine Alternative ist ein starr-flexibles Leiterplatten-Design. Bei diesem Ansatz wird die Verbindung zwischen den beiden Leiterplatten bereits bei der Herstellung in die Leiterplatte integriert. Der flexible Teil besteht aus einem Polyimidkern mit einer Kupferbeschichtung auf beiden Seiten. Die Kupferbeschichtung verläuft in beide Leiterplatten hinein. Zum Schutz der Kupferbahnen und zur Vermeidung von Kurzschlüssen wird eine Schutzschicht auf die Kupferbahnen aufgetragen.

Diese Lösung bietet einige Vorteile. So entsteht eine einzige Baugruppe, die starrflexible Verbindung ist robuster und zuverlässiger als ein Steckverbinder, und die Herstellungskosten sind insgesamt niedriger. Starrflexible Leiterplatten sind jedoch teurer. Je nachdem, wen Sie fragen, sind die Kosten für eine sogenannte Starrflex-Leiterplatte etwa siebenmal höher als für eine Standardleiterplatte der gleichen Größe. Wenn Ihr Designproblem nur mit der Anordnung einiger weniger Komponenten zusammenhängt, ist die Umstellung auf eine Starrflex-Leiterplatte so, als würden Sie mit einem Vorschlaghammer eine Nuss knacken wollen.

Räumliches Design

Ein neuer Ansatz basiert auf 3D Mechatronic Integrated Devices, kurz 3D-MID. Diese Technologie gibt es schon seit einiger Zeit und sie wird insbesondere von Unternehmen genutzt, die kundenspezifische Lösungen entwickeln möchten. Dabei wird zunächst ein 3D-Kunststoffspritzgussteil definiert, das für die jeweilige Anwendung geeignet ist. Anschließend werden mithilfe eines Metallisierungsverfahrens Leiterbahnen auf die Oberfläche angebracht. Die Komponenten werden dann an das fertige Teil gelötet – oder die Leiterbahnen dienen einfach als Antennen.

Um diese Technologie breiter verfügbar zu machen, hat Harting eine Reihe von Standard-3D-MID-Komponententrägern entwickelt, mit denen Designingenieure problemlos Komponenten im 90°-Winkel auf der Leiterplatte anbringen können. Es sind vier Standardträger erhältlich (Abbildung 1), die SOT23-6 oder SOT23-3 (Grundfläche 4,0 × 3,0 × 4,9 mm) oder SOIC-8 oder SOT23-3 mit drei 0603-Komponenten (Grundfläche 7,0 × 4,2 × 8,0 mm) unterstützen.

Abbildung1: 3D-MID-Träger für SOT23-3 mit 0603-Komponenten, SOT23-6, SOT-23-3 und SOIC-8 (von links nach rechts).

Die Träger werden im Spritzgussverfahren aus Flüssigkristallpolymer (LCP) hergestellt und können in einem Temperaturbereich von -40 bis +125 °C verwendet und gelagert werden. Die Leiterbahnen bestehen aus Kupfer mit einer Nickel- und einer Goldbeschichtung (Abbildung 2). Um eine einfache Herstellung zu gewährleisten, werden die Träger als Band und Spule geliefert. Aufgrund ihrer flachen Oberseite lassen sich die Träger leicht greifen und positionieren.

Abbildung 2: Pads und Leiterbahnen mit Goldbeschichtung werden auf einen Träger aus LCP aufgebracht. Durch die flache Oberseite lässt sich der Träger leicht positionieren.

In der Automobilindustrie, der Medizintechnik und der Industrie wird 3D-MID bereits als innovative Technologie für die Platzierung von Bauelementen und HF-Designs eingesetzt. Empfindliche Bauelemente wie Hall- und Temperatursensoren lassen sich damit optimal platzieren, ermöglichen dadurch präzisere Messungen und können von Störquellen auf der Leiterplatte ferngehalten werden. Das spart zusätzliche mechanische Befestigungselemente und teure Handhabungs- oder manuelle Montagearbeiten während der Produktion. Das 3D-MID-Design von Harting lässt sich so anpassen, dass es bei Bedarf auch andere Bauelemente unterstützt (Abbildung 3), beispielsweise LEDs auf der Bestückungsfläche.

Abbildung 3: Aufbau eines 3D-MID-Trägers, hier am Beispiel des SOIC-8 dargestellt.

Evolution des Leiterplatten-Designs

Angesichts des Trends zu immer kleineren Lösungen kann es für Entwickler problematisch sein, alle Bauelemente an der gewünschten Position auf der Leiterplatte unterzubringen. In der Vergangenheit bestand die einzige Möglichkeit darin, eine kleine zusätzliche Leiterplatte an der gewünschten Stelle anzubringen oder ein teureres Starrflex-Leiterplattendesign zu verwenden. Mit 3D-MID steht nun eine neue Option zur Verfügung, die die typischen IC-Gehäuse von Sensoren und anderen Bauelementen unterstützt. Der Vorteil besteht darin, dass sie nicht auf der Oberfläche der Leiterplatte platziert werden müssen, sondern näher an den zu messenden Systemen angebracht werden können und somit auch Störungen oder andere unerwünschte physikalische Beeinträchtigungen durch Bauelemente auf der Leiterplatte vermieden werden.