Virtual FED-Forum: 3D-Elektronik-Design auf der Höhe der Zeit?

Der FED diskutiert auf dem Forum mit führenden EDA-Herstellern (EDA, Electronic Design Automation) über den aktuellen Stand der CAD-Tools und über folgende Fragen: Wie sieht es mit den Entwurfswerkzeugen und den erforderlichen Datenformaten aus? Was bieten aktuell die Elektronik-CAD-Werkzeuge an echter 3D-Entwurfsunterstützung? Ermöglichen sie es, die großen Vorteile der neuen Technologien voll auszuschöpfen?

Von der Leiterplatte zum Leiterkörper

Dreidimensionale Elektronikkonzepte haben in den letzten zehn Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Leistungssteigerung, Miniaturisierung, funktionale Integration oder ergonomische Gerätekonzepte sowie eine einfachere Produktion lassen sich mit 3D-Elektronik optimal realisieren. Weiteres Potenzial bieten neue Materialien und Fertigungstechnologien wie der 3D-Druck, Embedding oder Kunststoffelektronik, die heute serientauglich sind. In mehreren Branchen haben sich in den letzten Jahren die 3D-Elektronik-Technologien im Serieneinsatz etabliert. Getrieben vom Bedarf an mehr Leistung auf kleinem Bauraum, steigenden Frequenzen, höherer Zuverlässigkeit und ergonomischen Gerätekonzepten wird auch der Einsatz in moderner Industrieelektronik immer wichtiger.

Der Hauptvorteil der 3D-Elektronik besteht darin, dass anstelle der starren Leiterplatten, elektronische Bauteile und Verbindungen auch auf der gewölbten Oberfläche eines Gehäuses montiert oder im Substrat, bzw. Gehäuse eingebettet werden können. Das Ersetzen von einzelnen Leiterplatten mit Kabeln und Drähten durch eine integrierte Funktionalität bietet somit viele Vorteile wie reduzierte Formfaktorbeschränkungen (kleinere Bauform), Verbesserung der elektrischen Performance durch Reduktion parasitärer Verluste oder auch einfachere Montage von Elektronik, Beleuchtung, Sensoren, SMD-Komponenten.

Der Begriff der 3D-Elektronik steht für die unterschiedlichen mehrdimensionalen Aufbau- und Verbindungslösungen, die mit unterschiedlichen Material- und Fertigungsverfahren umgesetzt werden können. Neben den klassischen Flex- und Starrflex-Leiterplatten, wie sie bereits seit 50 Jahren zur mehrdimensionalen Integration verwendet werden, sind in den letzten Jahren eine ganze Reihe von neuen Aufbau- und Verbindungslösungen entstanden wie IME (In Mould Elektronik), MID – Spritzguss mit Leiterstrukturen (Mechatronic Interconnection Device), Embedded PCB (Leiterplatten mit integrierten Bauteilen) oder auch 3D-Hybrid-Druck, Aerosol-Druck und Jet-Printing.

Generative Fertigung

Besonders interessant sind die sogenannten generativen Herstellungsverfahren, weil sie keine Werkzeuge benötigen und die Elektronik praktisch direkt aus dem CAD-System gefertigt werden kann. Mit dem 3D-Drucker lassen sich sehr einfach Änderungen ohne neue Werkzeuge oder Variantenproduktion mit Seriengröße 1 Stück herstellen. Hybride 3D-Drucker bieten die Möglichkeit, die elektrischen Materialien (Kunststoff, Keramik) und leitfähige Materialien in einem Gerät und einem Durchlauf herzustellen. In Kombination mit SMD-Bauteilen oder Silizium Dies lassen sich komplexe Mehrschichtaufbauten realisieren (Embedded Components).

3D-Elektronik benötigt spezielle eCAD-Software

Viele Leiterplatten-CAD-Tools bieten heute Unterstützung für das Leiterplattendesign von Starrflex-Leiterplatten. Einige unterstützen auch bereits das Einbetteten von Bauteilen (Embedding) oder sogenannte 2,5D-Technologien. Für den 3D-Druck oder Mechatronic Interconnection Device (MID) werden jedoch echte, vollumfängliche 3D-Funktionalitäten von Mechanik und Elektronik benötigt. Bauteile müssen in allen Rotationen platziert und die Anschlüsse mit Leiterbahnen verbunden werden können. 

Auch für die Folientechnik IME werden weiterführende Funktionen erforderlich. Obwohl die Schaltungen zunächst zweidimensional sind, verändert der nachfolgende Tiefziehprozess die Abmessungen. Der Designer benötigt verschiedene Simulationsfunktionen und Möglichkeiten zur Regeleingabe von Material- und Fertigungsdaten. Das gilt im noch weiteren Maß für die Generierung der Fertigungsdaten. Die verschiedenen 3D-Technologien werden mit ganz unterschiedlichen Maschinen und Materialien hergestellt. Diese können zumeist nichts mit Gerberdaten anfangen – beispielsweise benötigt der MID-Prozess einen Datensatz für das Gehäuse im STEP-Format und einen Datensatz für die Leiterbahnen im IDF-Format. Kurz gesagt: Zur schnellen, erfolgreichen Entwicklung von komplexer 3D-Elektronik werden künftig regelbasierende, leistungsstarke CAD- und Simulationstools mit erweitertem Funktionsumfang benötigt.

Anmeldung unter: https://www.fed.de/veranstaltungen/termin/eda-virtual-round-table-2021-ist-das-3d-elektronik-design-auf-der-hoehe-der-zeit/  

Weiterführende Links: https://www.fed.de/verband/arbeitskreise/arbeitskreis-3d-elektronik/