Additive Fertigung gibt es in der Elektronik, seit vor mehr als 30 Jahren Dickschicht-Hybride mit Abschirmung auf den Markt kamen. Und obwohl diese nie ganz verschwunden sind, haben sie neben den traditionelleren laminierten, subtraktiv geätzten Leiterplatten nie den Stellenwert erlangt, den alle erwartet haben. Heute erleben die additiven Fertigungsverfahren dank einer Vielzahl neuer Materialien, Maschinen und Verfahren einen neuen Aufschwung.
Die Elektronik war in der Vergangenheit in einigen mechanischen Gehäusen in diskrete Strukturen gekapselt. Jetzt geht es darum, die Elektronik nahtlos in den Formfaktor des Endprodukts zu integrieren. Dies erfordert flexible Schaltkreise und/oder solche, die sich den Konturen jeder Produktoberfläche anpassen. Neben der Reduzierung von Größe und Gewicht sind auch die Anpassung an Kundenwünsche durch lokale Fertigung, die Verringerung der Teilezahl, neue 3D-Strukturen und eine neu gestaltete Lieferkette von Bedeutung.
Es gibt eine Reihe von Anwendungen für diese neue Technologie, zum Beispiel Radarsysteme und andere Sensoren, die auf die Oberfläche eines Flugzeugs aufgegossen werden, intelligente Textilien mit integrierten Sensoren zur Messung der menschlichen Leistung und zur Identifizierung sowie medizinische Verbände, die Infektionen erkennen und die Heilung beschleunigen. Autos sind sowohl außen als auch innen mit Sensoren ausgestattet, die sich an das Design des Fahrzeugs anpassen, nicht umgekehrt. Auch die Produktverpackung enthält diverse Sensoren, die die Bedingungen während des Versands überwachen, um die optimale Qualität zu gewährleisten.
Additive Fertigungsdesigns
Aus Sicht des Entwicklers lassen sich diese Technologien in planare und nicht-planare Kategorien unterteilen. Die planare Elektronik wird mit Verfahren entworfen, die denen ähneln, die für herkömmliche und sehr flache, PCB-ähnliche Schichtstrukturen verwendet werden. Die Herstellung kann dabei sehr unterschiedlich sein (zum Beispiel mit einem additiven Drucker), aber die Struktur wird immer noch Schicht für Schicht aufgebaut.
Nach der Produktion können sie gebogen oder in die endgültige Form gebracht werden. Zu den fortschrittlichen Technologien, die dem Modell des planaren Designs entsprechen, gehören heute flexible Hybridelektronik (alles ist flexibel, auch die ICs und Batterien), geformte Verbindungen und 3D-konforme „Wraps“ (zum Beispiel etwa 2D-Designs, die in eine 3D-Struktur umgewandelt und dann gedruckt werden können).
Die im Laufe der Jahre erzielten Fortschritte bei den PCB-Tools zur Unterstützung von Rigid-Flex, lokalisierten Dielektrika, HDI, Drahtbonden und eingebetteten aktiven/passiven Substanzen können bei der Gestaltung planarer Strukturen helfen (das heißt den digitalen Zwilling intelligenter machen, anstatt viele Workarounds zu schaffen, die für die Fertigung erklärt oder umgewandelt werden müssen).
Sicherlich bekommt hier nicht zu Unrecht der fertigungsgerechte Entwurf eine neue Bedeutung, wenn man Dinge wie die Durchgängigkeit von Verbindungen und Impedanzen in der endgültigen flexiblen/konformen Struktur sicherstellen muss. In dieser Designkette werden MCAD-Werkzeuge immer wichtiger, aber es gibt weiterhin die physische Trennung zwischen Elektronik und den zugehörigen mechanischen Gehäusen oder Halterungen.
Bei nicht-planarer Elektronik können Verbindungen und Komponenten in jedem beliebigen Winkel und an jeder Stelle in einem gegebenen Raum angeordnet sein. Es gibt keinen funktionalen Grund, die Elektronik von einem mechanischen Gehäuse zu trennen. Sie sind ein und dasselbe – die ultimativen elektromechanischen Strukturen.
Angesichts der geometrischen Herausforderungen werden aktuelle Prototypen dieser Strukturen oft in MCAD als nicht-elektrisch intelligente Strukturen entworfen. Dabei wird auf einen Großteil der Automatisierungs- und Verifizierungstechnologien verzichtet, die über Jahrzehnte in ECAD aufgebaut wurden. Diese gegebenen Strukturen sind immer noch relativ einfach, sodass der Kompromiss akzeptabel ist. Mit immer steigender Komplexität wird jedoch der Bedarf an elektrischer Intelligenz und Modellleistung zunehmen.
Zunehmende Optimierung der Werkzeugkette
In den letzten mehr als 50 Jahren der Entwicklung und Fertigung von Leiterplatten wurde die Werkzeugkette vom Design bis zur Fertigung ziemlich optimiert (es gibt immer noch Bereiche mit Verbesserungspotenzial). Wie bereits in der Einleitung angemerkt, besteht das Ziel der additiven Fertigung darin, dieselben Optimierungen zu erzielen und einen durchgängigen digitalen Prozess zu gewährleisten, sodass auf dem Weg des Designs durch die verschiedenen Design- und Verifizierungstools bis hin zur Fertigung absolut kein Redesign erforderlich ist.
Ein Teil der heutigen Herausforderung besteht darin, dass es so viele Fertigungstechnologien und -materialien in der Forschung gibt, dass es schwierig ist, sich auf die Optimierung eines beweglichen Ziels zu konzentrieren.
Auf den ersten Blick könnte das Prozessdiagramm leicht traditionelle Arbeitsabläufe auf der Leiterplatte darstellen, doch bei näherer Betrachtung zeigen sich viele neue Herausforderungen:
Die Abgrenzung zwischen ECAD und MCAD verwischt so stark, dass die elektromechanische Konstruktion möglicherweise in einem einzigen Tool erfolgen muss.
Die Konstruktionsvorgaben müssen die Variabilität der verwendeten Materialien berücksichtigen.
Angesichts der Betriebsbedingungen dieser neuen Strukturen ist eine Vielzahl multiphysikalischer Analysen erforderlich, um die Leistung zu gewährleisten (etwa Signal-, Leistungs-, Wärme-, EMI-, Spannungs-, Vibrations-, Dehnungs- oder Feuchtigkeitseigenschaften).
Das Produktmodell, das an die Fertigung übergeben wird, muss die Designabsicht beibehalten, um ein Redesign zu vermeiden. Für planare Elektronik könnten bestehende Leiterplattenmodelle (etwa ODB++, IPC-2581) genutzt werden, aber viele der heutigen Werkzeuge für die additive Fertigung akzeptieren diese nicht. Nicht-planare Elektronik erfordert wahrscheinlich ein völlig neues Modell. In beiden Fällen kann der Weg vom Design über MCAD und nicht über die traditionellen ECAD-Ausgaben führen.
In der Fertigung müssen in der Prozessvorbereitungsphase Algorithmen für das „Slicing“ und „Tool-Pathing“ von mehreren Materialien angewendet werden, um sicherzustellen, dass die Struktur wie entworfen auch in der Praxis gedruckt wird.
In der Fertigung muss eine Vielzahl neuer Maschinen integriert werden wie etwa 6-Achsen-Roboterdrucker. Zudem könnte sich das traditionelle Leiterplatten-Fertigungsverfahren durch die Integration aktiver und passiver Komponenten während des „Substrataufbaus“ massiv ändern.
Das Ergebnis sind derzeit mehrere Werkzeugketten in unterschiedlichen Optimierungszuständen. Um diese Herausforderungen zu meistern, nutzt Siemens sein Multi-Domain-Portfolio an ECAD-, MCAD- und Simulationstechnologien. Zudem arbeitet das Unternehmen mit NextFlex und seinen Mitgliedern zusammen, um die Werkzeugketten zu verfeinern und dann den digitalen Prozess vom Konzept bis zur Fertigung zu optimieren.
