Entwick­lung textiler Flächen für die sticktechnische Realisierung von Mikrosystemtechnik­komponenten (IGF-AiF 16519 BR)

Aufgabenstellung

Für die Herstellung von Smart Textiles ist es oft erforderlich, elektronische Bauele­mente auf textilen Flächen zu integrieren. Eine Möglichkeit der Einarbeitung von Leiterbahnstrukturen ist das Aufsticken von elektrisch leitfähigen Fadenmaterialien an einer Stickmaschine auf geeigneten Stickgrundmaterialien. Diese Stickgrund­materialien müssen den speziellen Anfor­derungen zur Kontaktierung der mikroelektronischen Bauelemente genügen. Die Kontaktierung soll mit dem in der Elektro­nikindustrie üblichen Reflowlötverfahren realisiert werden, bei dem die textilen Leiterplatten auf einem Transportband Bereiche mit verschiede­nen Temperaturzonen durchlaufen. Hierbei treten Temperaturen von bis zu 230 °C über einen Zeitraum von mehreren Minuten auf. Deshalb ist ein Stickgrund zu entwickeln, der derartigen Temperatur­belastungen stand­halten muss. Weiterhin muss der Lötprozess entsprechend der aktuellen Gesetzge­bung mit bleifreien Lotpasten realisierbar sein. 

Lösungsweg

Die neuentwickelten webtechnisch erzeugten Stickgründe besitzen eine regelmäßige Oberflächen­struktur mit Fadenverkreuzungen in Köper- oder Leinwandbindung. Die statische und bleibende Deh­nung darf maximal 2 Prozent betragen, um die geforderten Dimensionsgenauigkeiten zu erzielen. Als Fadenmaterial kommen Polyesterfasergarn oder Polyestermultifilamentgarn mit höchstmöglicher Tempe­raturstabilisierung zum Einsatz. Die Fadenrasterfeinheit in Kett- und Schuss­richtung beträgt 18...60 Fäden/cm. Die Flächen­masse der Gewebe sollte so hoch wie möglich sein. Eine mehrmalige Waschbarkeit der Gewebe mit aufgestickten Leiter­bahnstruk­turen ist bei 30 °C bis 40 °C gegeben.
Der verstickbare und löttechnisch kontaktierbare elektrisch leitfähige ELITEX®-Faden PA/Ag 110dtex/f34x2 ist für die Realisierung von Leiterbahnen besonders gut ge­eignet, so dass mit diesem Fadenmaterial die meisten Stickversuche durchgeführt wurden.
Um die Stickgenauigkeiten zu bestimmen, wurde ein spezielles Musterlayout entworfen. Dieses Layout stellt die Anschlüsse eines quadratischen elektronischen Schaltkreises der Bauform PLCC20 mit einem Abstand der Bauelementeanschlüsse von 1,27 mm dar. Die Vermessung der Abstände der aufgestickten Leiterbahnen erfolgte mit einem Digitalmikroskop Keyence VHX-500FD.

PLCC20 Schaltkreis (Testlayout, PLCC20-IC)
Abb. 1: PLCC20 Schaltkreis (Testlayout, PLCC20-IC)

Zur Einhaltung der gestellten Anforderungen sind folgende Maßnahmen zielführend:

  • Thermofixierung der Stickgründe zur Verhinderung späterer unerwünschter Dimensionsänderungen,
  • Stabilisierung der Stickgründe durch permanente oder temporäre Hilfsvliese.

Im Projekt wurde aufgezeigt, dass der komplette Bestückungs- und Kontaktierungs­prozess effektiv erfolgen kann. Dies erfolgte an der im TITV verfügbaren Legemaschine TCWM TRIPPLE-QUATTRO.
Dieser Prozess umfasst folgende Hauptarbeits­schritte:

  • Sticken der Leiterbahnen auf dem Stickgrund
  • Dispensen von Lotpasten direkt an der Stickmaschine
  • Zuführung von elektronischen Bauteilen direkt an der Stickmaschine
  • Löten aller Bauteile in einem Arbeitsgang in einem Reflowlötofen.

Die Versuche zur löttechnischen Kontaktierung elektronischer Bauelemente und zur Ermittlung des Schrumpfverhaltens bzw. der thermischen Stabilität der entwickelten Stickgründe und der leitfähigen Fadenmaterialien wurden in einem kleinen kompakten Batch-Reflowlötofen im TITV Greiz durchgeführt. Dieser Reflowofen ist für solche Untersuchungen gut geeignet.
 

Reflowlötofen MRO250
Abb. 2: Reflowlötofen MRO250
textile adressierbare Temperatursensorik auf entwickeltem Stickgrund
Abb. 3: textile adressierbare Temperatursensorik auf entwickeltem Stickgrund

Noch bessere Lötergebnisse wurden auf größeren industriellen Lötanlagen erzielt, die eine kontinuierliche Fertigung ermöglichen. 

Anwendung/Einsatzmöglichkeiten

Als Demonstrator wurde eine textile adressierbare Temperatursensorik auf dem entwickelten Stickgrund hergestellt. Die Schaltung auf der Basis eines Bussystems ist beispielhaft für eine Vielzahl weiterer Anwendungen. Bussysteme sind ideal für die Integration elektronischer Bauelemente auf textilen Trägermaterialien geeig­net, weil hier nur wenige Leiterbahnen erforderlich sind. Es können sogar verschie­dene Sensoren auf textile Flächen integriert und mit einer gemein­samen Datenlei­tung abgefragt werden.

Weitere Beispiele für adressierbare elektronische Bauelemente, die über gemein­same Bus­systeme angesteuert werden können, sind u.a.:

  • Feuchtigkeitssensoren,
  • Drucksensoren, RGB-Leuchtdioden

Die Hauptanwendungsgebiete textilbasierter elektronischer Schaltungen liegen in den Bereichen Gesundheit, Automobil, Schutzkleidung, Heimtextilien und Kommuni­kation.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Frank Thurner

 
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