messung

IGF AiF 19701 BR

 
Abstract
Wenn elektronische Bauelemente löttechnisch auf dem Textil kontaktiert werden, kann es durch die Wärmeeinwirkung zu Schrumpfungsprozessen oder sogar zum Durchbrennen des leitfähigen Textils kommen. Daher muss der Wärmeeintrag, der zum Aufschmelzen des Lotes notwendig ist, möglichst gering gehalten werden. Zum einen wird dies durch die Verwendung niedrigschmelzender Lotpasten erreicht, zum anderen kann durch den Einsatz spezieller Lötverfahren die thermische Schädigung des umgebenden Textils minimiert werden. Bei dem untersuchten Induktionslötverfahren werden nur die leitfähigen Komponenten (elektrisch leitfähiger Faden und Anschlusspins der elektronischen Bauelemente) durch elektromagnetische Induktion erwärmt. Damit tritt keine direkte Erwärmung am Textil auf. Die Schädigung des Textils wird effektiv verhindert.

In the case of conductive textile applications in which electronic components are contacted on the textile by soldering, the effect of heat can lead to shrinkage processes or even to the textile burning through. Therefore, the heat input that is necessary to melt the solder must be kept as low as possible. On the one hand, this can be done by using low-melting solder pastes. On the other hand, thermal damage to the surrounding textile can be minimized by using special soldering processes. In the induction soldering process examined in the project, only the conductive components (electrically conductive thread and connection pins of the electronic components) are heated by electromagnetic induction, so that there is no direct heating of the textile and thus damage to the textile is effectively prevented.


Aufgabenstellung
Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Technologie zur Kontaktierung elektronischer Bauelemente mittels Löttechnologie auf textilen leitfähigen Leiterbahnen, bei der eine Schädigung des textilen Trägermaterials durch eine Minimierung der thermischen Belastung beim Kontaktierungsprozess weitgehend verhindert wird. Dafür wird die Induktionslöttechnik untersucht, da bei diesem Kontaktierungsverfahren nur elektrisch leitfähige Materialien durch ein elektromagnetisches Induktionsfeld erwärmt werden. Die Kontaktierung von elektronischen Bauteilen mit Kontaktstellen auf der Unterseite sowie die gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Lötstellen in einem Arbeitsschritt sind weitere Vorteile dieses Verfahrens gegenüber Selektivlötverfahren, die bisher für textile Applikationen eingesetzt werden.


Lösungsweg
Kontaktierungen elektronischer Bauelemente auf textilen Leiterbahnen werden überwiegend mittels Löttechnologie durchgeführt. Die bisher angewandten Lötverfahren bei textilen elektronischen Applikationen führen beim Lötprozess durch den notwendigen Wärmeeintrag auf die textile Fläche zu Schädigungen in Form von Schrumpfungsprozessen, Lochbildungen und Verfärbungen. Der Wärmeeintrag ist aber zum Aufschmelzen des Lotes notwendig. Beim Reflowlötverfahren wird hierbei die gesamte textile Fläche erwärmt. Beim selektiven Laserlöten besteht die große Gefahr der punktuellen Zerstörung des textilen Substrates.

Daher gewinnen Lötverfahren, bei denen das Textil thermisch nicht bzw. nur gering belastet wird, an Bedeutung. Ein solches Lötverfahren ist das Induktionslötverfahren. Hierbei werden durch das elektromagnetische Induktionsfeld nur die elektrisch leitfähigen Komponenten, also der elektrisch leitfähige Faden oder Draht und die elektrisch leitfähigen Bauteilpins erwärmt, die ein Aufschmelzen des Lotes an der Lötstelle hervorrufen. Bei optimal eingestellten Lötparametern und optimal geformten Lötschleifen wird die thermische Belastung des Textils minimiert.

Beim Induktionslöten können mehrere Lötstellen gleichzeitig erwärmt werden, so dass bei mehrpoligen Bauelementen alle Bauteilpins gleichzeitig verlötet werden können. Entscheidend ist es, optimale Lötparameter zu finden. Diese Parameter sind neben den Lötzeiten die Lötspulengröße und ‑form sowie der Abstand zwischen Lötspule und Kontaktstelle.

Die Untersuchungen wurden auf der Induktionslötmaschine (Abbildung 1) durchgeführt. Die Lötergebnisse werden mit denen anderer Lötverfahren verglichen. Weiterhin werden Zuverlässigkeitsuntersuchungen durchgeführt und die Eignung dieses Lötverfahrens bei textilen Applikationen anhand eines Demonstrators veranschaulicht.


Ergebnis und Anwendungen
Mittels Induktionslötverfahren lassen sich elektronische Bauelemente mit elektrisch leitfähigen textilen Leiterbahnen kontaktieren (Abbildung 2 und Abbildung 3). Optimal eingestellte Lötparameter führen zu sehr guten Lötergebnissen ohne Schädigung des textilen Grundmaterials. Die Lötparameter sind einmalig für jede Kontaktstelle zu ermitteln und können dann für eine kontinuierliche Fertigung entsprechend programmiert werden. Somit ist ein automatisierter Lötprozess möglich.

Das Induktionslötverfahren zur elektrischen Kontaktierung von elektronischen Bauelementen und Steckverbindern bei Smart Textiles ist ein Kontaktierungsverfahren, welches bisher nicht bei Textilien angewendet wurde. Folgende innovative Ergebnisse sind mit dem Projektabschluss erzielt worden:

  • Verbesserung der Qualität von Smart-Textiles-Produkten mit integrierten elektronischen Bauelementen, die mittels Lötverfahren mit den eingearbeiteten elektrisch leitfähigen Fäden und Drähten kontaktiert werden;
  • Steigerung der Effektivität des Lötprozesses gegenüber anderen Selektivlötverfahren, da beim Induktionslöten mehrere Bauteilpins gleichzeitig erwärmt und verlötet werden können;
  • elektronische Bauelemente mit untenliegenden Anschlüssen, die mit anderen Selektivlötverfahren nicht kontaktierbar sind, können auf textilen Materialien gelötet werden.

Der Einsatz des Induktionslötens ermöglicht, dass Smart Textiles qualitätsgerecht, effizient und kostengünstig gefertigt werden können. Dieses in der Textilindustrie erstmals eingesetzte Lötverfahren garantiert den mittelständigen deutschen Unternehmen einen konkurrenzfähigen Know-how-Gewinn, der einen technischen Vorsprung gegenüber den bisher eingesetzten Kontaktierungsverfahren sichert.

Die Hersteller der Endprodukte kommen aus den Bereichen der Medizintechnik, der Automobilindustrie und der Elektronikindustrie.

Abb. 1: InduktionslötmaschineAbb. 1: Induktionslötmaschine Abb. 2: Induktionslöten von LEDs auf einem textilen Band Abb. 2: Induktionslöten von LEDs auf einem textilen Band Abb. 3: Detailaufnahme einer mittels Induktionslöttechnik kontaktierten LEDAbb. 3: Detailaufnahme einer mittels Induktionslöttechnik kontaktierten LED

Ansprechpartner
Frank Thurner
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Danksagung
Das IGF-Vorhaben 10701 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Schlussbericht ist am TITV Greiz erhältlich.

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