Flexible Hybridelektronik: Strategien für kostengünstigere Substrate.
Stellen Sie sich eine flexible Frontend-Leiterplatte (FPCB) vor – Sie haben fast immer eine orange-braune Kunststofffolie vor Augen, wahrscheinlich mit einigen Kupferätzungen und vielleicht ein paar darauf verlöteten Bauteilen. Dieser Kunststoff ist Polyimid (PI/Kapton), und seine weite Verbreitung ist vor allem auf seine Temperaturbeständigkeit und allgemeine Haltbarkeit zurückzuführen. Tatsächlich ist er so robust und temperaturunempfindlich, dass PI häufig in Laboröfen, Kryostaten und (laminiert mit Aluminium) zur Ummantelung von Satelliten verwendet wird.

Nachteile von Polyimid:
Aufgrund seiner Eigenschaften erscheint es als ideales Material für flexible Elektronikanwendungen, doch es gibt einige Nachteile. Erstens kostet es etwa 100-mal so viel wie PET (Polyethylenterephthalat), ein gängiger, transparenter Kunststoff, der für Getränkeflaschen verwendet wird. Dies spielt keine Rolle, wenn die Kunststofffolie in einem Labor oder in der Nähe eines Satelliten eingesetzt wird, aber als Substrat für Schaltungen in intelligenten Einwegverpackungen oder anderen kostengünstigen Anwendungen ist es ein erheblicher Nachteil.

Zweitens, und das liegt auf der Hand, ist es orange. Dadurch ist es für optische Anwendungen wie LED-beschichtete Folien ungeeignet. Drittens ist die Haltbarkeit zwar ein Nachteil, aber es ist nicht dehnbar, was die Verwendung in tragbaren Hautpflastern oder elektronischen Textilien erschwert.

All dies bedeutet, dass der Wechsel zu kostengünstigeren, aber thermisch empfindlicheren transparenten Substraten wie PET, PEN (Polyethylennaphtholat) und dehnbarem TPU (thermoplastischem Polyurethan) ein wichtiger Trend in der flexiblen Elektronikindustrie ist. Dies erfordert jedoch einen grundlegenden technologischen Wandel bei der Befestigung elektronischer Bauteile auf dem Substrat. Diese Befestigung konventioneller Bauteile auf flexiblen Substraten mittels gedruckter (statt geätzter) Verbindungen wird als flexible Hybridelektronik (FHE) bezeichnet.

Der neue IDTechEx-Bericht „Flexible Hybrid Electronics 2020–2030: Anwendungen, Herausforderungen, Innovationen und Prognosen“ analysiert die Technologien und Innovationen, die für die Elektronikfertigung auf kostengünstigen Substraten erforderlich sind. Er basiert auf umfangreicher Primärforschung, darunter Interviews und Unternehmensbesuche weltweit, und wird in diesem Artikel zitiert.

Flexible Hybridelektronik benötigt kostengünstige Substrate.
Flexible Hybridelektronik (FHE) verspricht, die Funktionalität konventioneller, starrer Elektronik mit der Flexibilität gedruckter Elektronik zu kombinieren. Die Abbildung zeigt einen Prototyp einer FHE-Schaltung, in der ein integrierter Schaltkreis mit vielen weiteren Elementen kombiniert ist, darunter beispielsweise gedruckte Sensoren, eine Antenne, eine Dünnschichtbatterie und sogar Dünnschicht-Photovoltaikzellen. Nicht alle Komponenten müssen enthalten oder gar gedruckt sein, damit eine Schaltung als FHE gilt; sie muss jedoch zumindest die gedruckte und platzierte Funktionalität aufweisen.

Bei herkömmlichen starren Leiterplatten (PCBs) oder flexiblen Leiterplatten (FPCBs) erfolgt die Bauteilverbindung durch Löten – eine wichtige und oft als selbstverständlich angesehene Technologie. Löten bietet zahlreiche Vorteile: Die Oberflächenspannung erleichtert die korrekte Ausrichtung der Bauteile und reduziert so die Anforderungen an die präzise Platzierung; Fehler lassen sich manuell korrigieren; und vor allem gewährleistet es hervorragende elektrische und mechanische Verbindungen. Für Hersteller, die kostengünstigere, thermisch empfindliche Alternativsubstrate verwenden möchten, ist es jedoch problematisch, dass das herkömmliche SnAgCu-Löten (SAC) Reflow-Temperaturen von etwa 250 °C erfordert. Dies ist zwar für PI kein Problem, führt aber bei den meisten anderen Kunststoffsubstraten zu Schmelzen und Materialzersetzung.

Anisotrope leitfähige Klebstoffe.
Bislang wurde dieses Problem mit anisotropen leitfähigen Klebstoffen (ACAs) gelöst, die bei geeigneten Temperaturen thermisch aushärten können. IDTechEx ist jedoch der Ansicht, dass sie für viele Anwendungen, insbesondere solche mit hohen Anforderungen an die Haltbarkeit, nur eine Übergangslösung darstellen: Sie sind etwa 3- bis 10-mal so teuer wie Löten und bieten zudem keine Vorteile. Daher wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Niedertemperaturlöten oder photonisches Sintern zu entwickeln, wodurch das Lot refließen kann, ohne das Substrat zu beschädigen. Welcher dieser Ansätze sich durchsetzen wird, bleibt abzuwarten. Die Entwicklung von PET-kompatiblen Befestigungsmethoden für Bauteile ist jedoch zweifellos ein entscheidender Schritt für die Verbreitung kostengünstiger, flexibler Hybridelektronik.

Diese Komponentenbefestigungsmaterialien werden zusammen mit Fallstudien zu innovativen Ansätzen, darunter nanopartikelhaltiges unterkühltes Lot und feldjustiertes ACA, im neuen IDTechEx-Bericht detailliert bewertet.

Roadmap für die Substratwahl:
Angesichts der Anforderungen an die technologische Entwicklung und die Herstellungsverfahren für kostengünstige Substrate geht IDTechEx davon aus, dass diese vor allem in Anwendungen mit hohem Volumen und hohen Kosten zum Einsatz kommen werden. IDTechEx prognostiziert, dass Papiersubstrate für RFID-Tags und intelligente Verpackungen zunehmend dominieren werden. Gleichzeitig wird es eine Verlagerung von IP hin zu günstigeren, thermisch empfindlicheren Substraten wie PET geben, bedingt durch Anwendungen mit geringeren Anforderungen an die Haltbarkeit. Die anwendungsspezifische Roadmap von IDTechEx für die Substratwahl ist unten schematisch dargestellt.

Eine schematische Roadmap zeigt die Entwicklung der Substratwahl für verschiedene FHE-Anwendungen. Kostensensible Anwendungen wie intelligente Verpackungen werden voraussichtlich den größten Wechsel von PI zu PET erfahren. Papier ist ebenfalls eine Option für Substrate intelligenter Verpackungen, sofern sich die Elektronikfertigungsanlagen in bestehende Verpackungslinien integrieren lassen.

Umfassender Überblick über FHE:
Der neue IDTechEx-Bericht „Flexible Hybrid Electronics 2020–2030: Anwendungen, Herausforderungen, Innovationen und Prognosen“ bietet eine umfassende Analyse dieses aufstrebenden Technologiefelds. IDTechEx evaluiert und verfolgt seit über einem Jahrzehnt Technologien und Märkte für gedruckte Elektronik. Dieser Bericht basiert auf neuer Primärforschung, darunter Interviews und Unternehmensbesuche bei allen wichtigen Akteuren weltweit. Er identifiziert und untersucht alle wichtigen Innovationstrends bei Materialien und Produktionssystemen, von Haftmaterialien über Substrate und Metallisierung bis hin zu Produktionstechniken wie Hochdurchsatz-Pick-and-Place und verschiedenen S2S- und R2R-Druckverfahren. Der Bericht erstellt eine Anwendungs-Roadmap, die zeigt, wie FHE von den heutigen einfachen RFID-Tags zur komplexen flexiblen Hybridelektronik der Zukunft an Komplexität gewinnen wird und Anwendungen in intelligenten Verpackungen, industrieller Überwachung, Wearables und vielem mehr ermöglicht. Er bietet eine detaillierte Analyse des Anwendungszeitplans, der Herausforderungen und der Innovationschancen. Darüber hinaus prognostiziert es das Wachstum dieser Schlüsseltechnologie und zeigt auf, dass der Markt bis zum Jahr den Wert X erreichen kann, wobei der Wendepunkt, an dem eine rasche Akzeptanz erfolgt, voraussichtlich im Jahr 2025 erreicht sein wird.

Marktumsatzprognosen für die Einführung von FHE in verschiedenen Anwendungsbereichen. Diese Prognosen basieren auf einer detaillierten Analyse von über 20 Unterkategorien, den Vorteilen von FHE in jeder Kategorie sowie Preisprognosen für anwendungsspezifische Komponenten und Montageverfahren.