AT&S ermöglicht medizinische Innovationen
BT PCBs für medizinische Geräte
Dank Fortschritten in der Medizintechnik werden die verwendeten Geräte immer kleiner, tragbarer und intelligenter. Die Hardware muss nicht nur absolut zuverlässig sein, sondern zahlreiche zusätzliche Funktionen übernehmen.
Die umfangreichen Anforderungen umfassen zum Beispiel die Nutzung von künstlicher Intelligenz (KI), die Verwendung von aufladbaren Akkus, Konnektivität mit mehreren Geräten und verstärkte Miniaturisierung.
Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, benötigen medizinische Geräte neue Ansätze in der Hardwareentwicklung. BT PCBs, eine neue Generation von Leiterplatten (Printed Circuit Boards – PCBs), sind der Schlüssel zu neuen, innovativen Produkten in der Medizintechnik.
BT PCBs sind High-Density-Interconnect (HDI) Leiterplatten, die auf Basis von Bismaleimid-Triazin-Harz (BT) hergestellt werden. BT-Materialien werden auch in der IC-Substratherstellung häufig als Alternative zu Keramik und anderen Substraten verwendet.
In der Medizintechnik sind BT PCBs die Grundlage für hochentwickelte elektronische Plattformen, die einen bisher unerreichten Grad an Miniaturisierung ermöglichen. Dadurch können Hardwaredesigner stets die neuesten, schnellsten und kleinsten Komponenten einsetzen, neue Funktionen in Medizinprodukten integrieren und gleichzeitig die strengen Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen.
| Parameter | Standard FR4 | Polyimide (PI) |
|---|---|---|
| CTExy | 14-19 ppm/K | 22-25 ppm/K |
| CTEz | 38-47 ppm/K | 22-25 ppm/K |
Tabelle 1: Vergleich der CTE-Werte zwischen FR4 und PI.
Grenzen von Standard-Leiterplatten
Verschiedene Einschränkungen erschweren innovative und hochminiaturisierte Designs mit herkömmlichen FR4- oder Polyimid-Leiterplatten. Einige Limitationen betreffen die Dimensionsstabilität und Miniaturisierung.
In Bezug auf die Dimensionsstabilität ist der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) ein Schlüsselparameter. Betrachtet man den CTE-Wert auf der XY-Achse und der Z-Achse, so liegen die Durchschnittswerte für Standard-FR4-Material zwischen 14 und 19 ppm/K auf der XY-Achse sowie zwischen 38 und 47 ppm/K in Z-Richtung. Polyimid-Materialien (PI), die in der traditionellen flexiblen Leiterplattenproduktion verwendet werden, zeigen CTE-Werte von 22-25 ppm/K auf den XY- und Z-Achsen.
Die relativ hohen CTE-Werte herkömmlicher Materialien führen zu einer Reihe von Einschränkungen, welche miniaturisierte Designs erschweren.
Ein hoher CTE-Wert in XY-Richtung:
- erfordert größere Toleranzen bezüglich der Bauteilpads und Lötstopplacköffnungen im Bestückungsprozess.
- führt zu Limitationen bei den Restringanforderungen sowie bei Foto- und Lötstoppmaskenregistrierungen in der Leiterplattenproduktion.
- kann aufgrund von unterschiedlichen thermischen Materialausdehnungseigenschaften zwischen Leiterplatte und Komponenten unerwünschte Spannungen verursachen.
Ein hoher CTE-Wert in Z-Richtung führt zu einer höheren Gesamtdickentoleranz sowie zu Ausdehnungen und Stress im Bereich der Kontaktierungen in den unterschiedlichen Leiterbahnlagen.
Ein hoher CTE-Wert auf den XY- und Z-Achsen kann zu Schwachstellen bei mehrlagigen Anylayer-Aufbauten führen. Aufgrund der notwendigen Mehrfachverpressung ergibt sich ein zunehmendes Risiko für Kontaktierungsbruchstellen, speziell bei kleinen Bohrdurchmessern.
Die Betrachtung des Dimensionsstabilitätswertes zeigt einige Grenzen von herkömmlichen Materialien auf. Eine weitere Miniaturisierung der Systeme ist nur möglich, wenn neben dem passenden Design auch geeignete Materialien für die Realisierung gewählt werden.
Vorteile von BT PCBs
BT PCBs sind Leiterplatten, die aus BT-Materialien hergestellt werden. BT-Materialien bestehen aus BT-Harz und Glasfasern. Das Harz verleiht dem Basismaterial einige Vorteile, wie zum Beispiel hohe Wärme- und Dimensionsstabilität und exzellente elektrische Eigenschaften.
| Parameter | Standard FR4 | Polyimide (PI) | BT Material |
|---|---|---|---|
| CTExy | 14-19 ppm/K | 22-25 ppm/K | 6-8 ppm/K |
| CTEz | 38-47 ppm/K | 22-25 ppm/K | 22-26 ppm/K |
Tabelle 2: Vergleich der CTE-Werte zwischen FR4, PI und BT-Materialien.
Wenn es um Dimensionsstabilitäts- und Miniaturisierungsmöglichkeiten geht, werden die Vorteile der BT-PCBs gegenüber herkömmlichen FR4- oder flexiblen Polyimid-Leiterplatten deutlich. Die CTE-Werte für das BT-Material liegen zwischen 6 und 8 ppm/K in XY-Richtung und 22 und 26 ppm/K in Z-Richtung. Im Vergleich zu herkömmlichen FR4-PCBs haben BT-Leiterplatten in XY- und Z-Richtung nur halb so hohe CTE-Werte. Gegenüber flexiblen Leiterplatten sind die CTE-Werte in XY-Richtung sogar dreimal niedriger.
Ein geringer CTE-Wert in XY-Richtung:
- ermöglicht geringere Toleranzen bei Bauteilpads und Lötstopplacköffnungen. Die Komponenten können näher beieinander platziert werden, was die Verwendung einer größeren Zahl von Komponenten bei gleichem Platzbedarf ermöglicht.
- unterstützt die Reduzierung von Restringen um den Faktor 1,25 und verbessert die Foto- und Lötstoppmaskenregistrierung um den Faktor 1,5. Das erlaubt engere Designvorgaben für die Leiterplattenfertigung.
- reduziert den Unterschied der CTE-Wert zwischen Leiterplatte und Bauteilen. Die Belastungen einzelner Komponenten wird reduziert, was in weiterer Folge Lötausfälle verringert.
Ein geringer CTE-Wert in Z-Richtung ermöglicht eine bessere Kontrolle der Leiterplattengesamtdicke und im Vergleich zu FR4-Laminaten eine um die Hälfte geringere Materialausdehnung.
Ein weiterer Vorteil der niedrigeren CTE-Werte des BT-Materials ist die höhere Zuverlässigkeit der Verbindungen bei Stacked Anylayer Aufbauten.
Anwendungsmöglichkeiten
BT PCBs können in unterschiedlichsten medizintechnischen Produkten eingesetzt werden. Einige Beispiele:
Hörgeräte
Durch eine Verwendung als hochintegrierte Modul-Plattformen ermöglichen BT PCBs eine noch stärkere Miniaturisierung von Hörgeräten. Das macht moderne Geräte beinahe unsichtbar und angenehm zu tragen.
Medizinische Implantate
BT PCBs werden in Implantaten eingesetzt, um Patientenkomfort und Zuverlässigkeit zu verbessern. Mit BT PCBs werden Herzschrittmacher, Neurostimulatoren und andere Implantate kleiner, leistungsfähiger und zuverlässiger, was die Belastung für die Patienten deutlich reduzieren kann.
Medizinische Wearables
Als robuste und formstabile Plattform erleichtern BT PCBs die Integration von neuen Funktionen bei reduzierter Baugröße, zum Beispiel in Form von smarten Fingerringen oder Armbändern, die kritische Vitalfunktionen von Patienten dauerhaft aufzeichnen können und so eine frühe Erkennung möglicher Probleme erlauben.
BT-Leiterplatten machen medizinische Geräte kleiner, vielseitiger und zuverlässiger. Wo herkömmliche PCB-Materialien an ihre Grenzen stoßen, weisen BT PCBs als innovative Lösung für widerstandsfähige und hochminiaturisierte Geräte den Weg in die Zukunft der Medizintechnik.
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