Fallstudie: Erfolgreiche Implementierung von FPC mit Silikon-Umspritzung in Wearables

Im sich rasant entwickelnden Markt für Wearables ist die Nachfrage nach kompakten, robusten und hochzuverlässigen elektronischen Bauteilen so hoch wie nie zuvor. Branchenführer suchen nach innovativen Lösungen zur Verbesserung der Geräteleistung und des Tragekomforts. Die Integration flexibler Leiterplatten (FPC) mit Silikonumspritzung hat sich dabei als bahnbrechender Ansatz etabliert. Diese umfassende Fallstudie untersucht die Design-, Entwicklungs-, Fertigungs- und Validierungsprozesse, die zu einem erfolgreichen Einsatz dieser Technologie in realen Wearables geführt und neue Maßstäbe für Leistung, Langlebigkeit und Benutzerfreundlichkeit gesetzt haben.

Flexible Leiterplatten (FPC) sind dünne, leichte und hochgradig anpassungsfähige Platinen, die elektrische Verbindungen auf engstem Raum ermöglichen. Ihre inhärente Flexibilität macht sie ideal für Wearables, bei denen Formfaktor und Tragekomfort von größter Bedeutung sind. Allerdings sind FPCs anfällig für mechanische Belastungen, Umwelteinflüsse und Verschleiß, was erhebliche Herausforderungen für die Langzeitstabilität mit sich bringt.

Silikon-Umspritzung löst diese Probleme, indem sie die flexible Leiterplatte (FPC) mit einem robusten, elastischen und biokompatiblen Material umschließt. Dieses Verfahren schützt die empfindlichen Schaltkreise vor Feuchtigkeit, Staub, mechanischen Einwirkungen und Chemikalien und erhält gleichzeitig Flexibilität und Tragekomfort. FPC und Silikon-Umspritzung bilden zusammen eine stabile Einheit, die die Lebensdauer und Leistung des Geräts verbessert.

1. Miniaturisierung von Komponenten

2. Gewährleistung von Flexibilität ohne Einbußen bei der elektrischen Integrität

3. Erreichen langfristiger Umweltbeständigkeit

4. Aufrechterhaltung des Tragekomforts bei längerem Tragen

5. Ermöglichung einer skalierbaren Fertigung

Dünne, flexible Schaltkreise, die sich den Körperkonturen anpassen

Verkapselung zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen und dem Eindringen von Umwelteinflüssen

Elastomereigenschaften, die Stöße und mechanische Belastungen absorbieren

Kompatibilität mit Massenproduktionstechniken für Skalierbarkeit

Durch diese Synergie entstehen tragbare Geräte, die zuverlässiger, langlebiger und komfortabler für die Nutzer sind.

Kern des Designs ist die Auswahl von Hochleistungssubstraten wie Polyimid oder PET, die eine ausgezeichnete thermische Stabilität, mechanische Flexibilität und elektrische Isolation bieten. Leiterbahnen bestehen typischerweise aus Kupfer mit Schutzbeschichtungen wie Goldplattierung, um Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten.

Beim Umspritzverfahren werden medizinische Silikonelastomere wie RTV-Silikone oder Flüssigsilikonkautschuk (LSR) verwendet. Diese Materialien werden aufgrund ihrer Biokompatibilität, Elastizität, UV- und Chemikalienbeständigkeit sowie ihrer Fähigkeit, wiederholtem Biegen ohne Rissbildung oder Delamination standzuhalten, ausgewählt.

Haftung:

Oberflächenbehandlungen wie Plasmareinigung und Haftvermittler gewährleisten eine starke Verbindung zwischen dem Silikon und der FPC-Oberfläche.

Dickenoptimierung:

Die Silikonschichten sind so optimiert, dass sie ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Schutz und Flexibilität bieten.

Wärmemanagement:

Die Materialien werden so ausgewählt, dass sie die Wärme ableiten und so Schäden während des Betriebs verhindern.

Die ersten Prototypen umfassen das Laminieren von Schaltungsschichten, die Bauteilplatzierung und Testläufe des Silikon-Umspritzens. Moderne CAD/CAM-Software gewährleistet präzise Ausrichtung und Werkzeugkonstruktion.

Der Fertigungsablauf umfasst:

FPC-Fertigung mittels Fotoätzen oder Laserschneiden

Komponentenmontage mit Bestückungsautomaten

Silikon-Umspritzen erfolgt durch Formspritzen oder Gießen und gewährleistet so eine gleichmäßige Abdeckung und konsistente Dicke.

Aushärtung unter kontrollierten Bedingungen zur Erzielung der gewünschten mechanischen Eigenschaften

Qualitätskontrolle durch Sichtprüfung, elektrische Prüfung und Umweltstresstests

Durchgangs- und Isolationswiderstandsprüfungen

Thermische Zyklen zur Simulation realer Temperaturschwankungen

Vibrations- und Biegeprüfung zur Beurteilung der Schaltungsintegrität

Schutz vor Wassereintritt gemäß IP-Prüfstandards

Chemische Beständigkeitsprüfung gegenüber üblicherweise beim Tragen vorkommenden Substanzen

UV-Bestrahlungsprüfung zur Bewertung der Materialdegradation

Wiederholte Biegetests, die die Bewegungen des täglichen Gebrauchs simulieren

Alterungstests zur Vorhersage der Langzeitleistung

Biokompatibilitätsbewertungen zur Hautkontaktsicherheit

Eine weltweit führende Marke für Wearables hat sich mit SiliconePlus zusammengetan, um ein speziell angefertigtes, mit FPC-Silikon umspritztes Armband für ihr Gesundheitsüberwachungsgerät der nächsten Generation zu entwickeln. Ziel war es, ein optimales Verhältnis zwischen kompakter Elektronikintegration, Langlebigkeit und ganztägigem Tragekomfort zu erreichen.

SiliconePlus entwickelte ein präzisionsgeformtes Silikonarmband mit einer ultradünnen, flexiblen Leiterplatte (FPC) mit integrierten Sensoren und Bluetooth-Kommunikationsmodulen.

Das Flüssigsilikonkautschuk-Umspritzverfahren (LSR) ermöglichte eine vollständige Verkapselung – wodurch Wasserdichtigkeit, Stoßdämpfung und eine hautfreundliche Kontaktoberfläche gewährleistet wurden, die sich ideal für den Langzeitgebrauch eignet.

Überragender Tragekomfort: Die Oberfläche aus medizinischem Silikon bot eine weiche, atmungsaktive und flexible Passform und verbesserte so das gesamte Trageerlebnis.

Skalierbarkeit: Das von SiliconePlus entwickelte LSR-Spritzgießverfahren ermöglichte die Fertigung großer Stückzahlen mit enger Maßgenauigkeit und gleichbleibender elektrischer Zuverlässigkeit.

Nach umfangreichen Leistungs- und Benutzertests erreichte die SiliconePlus-Lösung im 12-monatigen Dauereinsatz null Geräteausfälle.

Kundenfeedback bestätigte einen höheren Tragekomfort, eine verbesserte Zuverlässigkeit und eine gesteigerte ästhetische Qualität und bestätigte damit die Integration von FPC mit Silikon-Umspritzung als einen führenden Ansatz in der Wearable-Technology-Branche.

Die Entwicklungsrichtung tragbarer Geräte deutet auf Folgendes hin:

Fortschrittliche Materialinnovationen:

Entwicklung von selbstheilenden Silikonen und leitfähigen Elastomeren für selbstreparierende Schaltkreise

Integration von Sensoren in Silikonkapselung für kompaktere Designs

Intelligente Verkapselungstechnologien, die den Gerätezustand überwachen und Ausfälle vorhersagen

Nachhaltige Herstellungsverfahren unter Einbeziehung biologisch abbaubarer Materialien und recycelbarer Komponenten

Die fortlaufende Weiterentwicklung verspricht robustere, komfortablere und intelligentere Wearables, wobei FPC und Silikon-Umspritzung an vorderster Front dieser Transformation stehen.