Fertigung von Leiterplatten für kontinuierliche Temperaturüberwachung für am Körper getragene thermische Sensoren

Eine Leiterplatte zur kontinuierlichen Temperaturüberwachung sollte als Teil eines thermischen Schaltkreises ausgelegt sein. Präzisionssensor, flexible Kupferleiterbahnen, Klebstoff, Verstärkungselemente, Batterie, Funkmodul, Ladegerät und Gehäuse erzeugen Wärmepfade. Werden diese Wärmepfade nicht kontrolliert, kann ein hochpräziser Sensor-IC wiederholt die Eigenerwärmung anstelle der gewünschten Hauttemperatur messen.

Highleap Electronics fertigt kundenspezifische starre, flexible und starr-flexible Baugruppen für tragbare und medizinische Elektronik. Bei Produkten für den Dauereinsatz in der Temperaturtechnik liegt der Fokus der Fertigung auf der Einhaltung der thermischen Isolationsgeometrie, der flexiblen Konstruktion, der Sensorplatzierung, der kritischen Stücklistenidentität und der reproduzierbaren Montage vom Prototyp bis zur Serienproduktion.

Die Leiterplatte ist Teil des thermischen Messpfads

Bei einem kontinuierlichen Hauttemperaturmonitor misst der Sensor nicht die abstrakte Körpertemperatur, sondern seine eigene Chiptemperatur, nachdem die Wärme Haut, Klebstoff, Gehäuse, Kupfer der Leiterplatte, Sensorgehäuse und Umgebungsluft durchlaufen hat. Jeder mit dem Sensor verbundene Wärmepfad kann dieses Gleichgewicht beeinflussen. Daher ist die Geometrie der Leiterplatte Teil der Messkette.

Ein häufiger Fehler besteht darin, einen präzisen digitalen Temperatursensor auf einer kupferreichen Hauptplatine zu platzieren und anzunehmen, dass die Sensorspezifikation von ±0.1 °C die Systemgenauigkeit definiert. Wenn Batterie, Funkmodul oder Regler dieselbe Kupferfläche erwärmen, kann der Sensor fälschlicherweise die Temperatur der Elektronik anstelle der eigentlich vorgesehenen Temperatur an der Oberfläche messen.

Wählen Sie den tragbaren Formfaktor im Bereich der thermischen Grenze.

Patch-, Armband- und Modulmonitore erzeugen unterschiedliche thermische Schnittstellen. Die Leiterplatte und der mechanische Aufbau sollten gemeinsam freigegeben werden, damit der Hersteller weiß, welche Abmessungen und Materialien messkritisch sind.

Die Sensorinsel ist für eine hohe Wärmebeständigkeit gegenüber der Hauptelektronik ausgelegt.

Analog Devices hat ein Beispiel für ein starr-flexibles, kontinuierliches Körpertemperatur-Patch veröffentlicht, bei dem schmale Kupferleiterbahnen und ein flexibler Bereich mit geringer thermischer Masse den Wärmewiderstand zwischen dem Präzisionssensor und der übrigen Elektronik erhöhen. Das ist der richtige Designansatz: Elektrische Verbindungen sollten keine ungewollte Wärmebrücke erzeugen.

• Schmale/lange Spuren: Im Rahmen der Fertigungsmöglichkeiten sollte der Kupferquerschnitt zwischen der Sensorinsel und der wärmeren Elektronik reduziert werden, sofern die elektrische Schnittstelle dies zulässt.
• Bodenbetonarbeiten: Den Sensorbereich nicht automatisch mit Kupfer überfluten. Eine große Fläche kann zwar die elektrische Erdung verbessern, aber die thermische Isolation beeinträchtigen.
• Pfade: Thermische Durchkontaktierungen unter einem Temperatursensor können schädlich sein, wenn sie den Sensor mit einer wärmeren Schicht oder einer Versteifung verbinden.
• Platzierung der Versteifungselemente: FR-4-, Edelstahl- oder Polyimid-Versteifungen verändern sowohl die Biegung als auch den Wärmefluss; ihre Kanten sollten in das thermische Modell einbezogen werden.
• Flex-Stack: Die Dicke des Polyimids, des Klebstoffs und des Kupfergewichts sollten kontrolliert werden, da Produktionsänderungen die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit beeinflussen.

Warum sollte die Fertigungszeichnung thermisch kritische Abmessungen enthalten?

Wenn eine enge Stelle am Hals, eine Sensorinsel oder eine Kupfer-Sperrstelle für die Wärmeisolierung verantwortlich ist, sollte sie als kontrollierte funktionale Geometrie und nicht als rein kosmetische Leitungsführung betrachtet werden. DFM-Änderungen, die Kupferleitungen verbreitern, zusätzliche Trennstellen hinzufügen oder eine Versteifung versetzen, können das thermische Verhalten verändern, selbst wenn die Netzverbindungen unverändert bleiben.

Eigenerwärmung und Funkwärme vom Sensor fernhalten

Kontinuierliche Monitore arbeiten die meiste Zeit im Energiesparmodus, doch periodische drahtlose Übertragungen, Flash-Schreibvorgänge und Ladevorgänge können lokale Wärmespitzen verursachen. Ein neben dem Funk-SoC oder PMIC platzierter Sensor kann eine wiederkehrende Temperaturschwankung anzeigen, die mit der Firmware-Aktivität korreliert.

• Tastverhältnis des MCU: Den lokalen Prozessor zwischen den Messungen im Ruhezustand halten, sofern die Anwendung dies zulässt.
• Pufferdaten: Durch drahtlose Batch-Uploads lässt sich die Funklaufzeit verkürzen, der resultierende Wärmeimpuls sollte jedoch dennoch charakterisiert werden.
• Separate Aufladung: Ist das Produkt wiederaufladbar, ist zu entscheiden, ob die Temperaturmeldung während des Ladevorgangs gültig ist oder absichtlich ausgesetzt wird.
• Leiten Sie den Batteriestrom ab: Hochstrom-Lade-/Entladekupferleitungen sollten nicht durch den Sensorhals verlaufen.
• Thermische Distanz nutzen: Eine physische Trennung bei flexiblen Materialien ist oft effektiver als der Versuch, die Wärmeentwicklung nachträglich zu kalibrieren, nachdem das Gehäuse fertiggestellt ist.

Klebstoff, Verkapselung und Feuchtigkeitsschutz sind als Messmaterialien zu betrachten.

Ein Hautpatch benötigt mechanische Befestigung und Schutz vor Umwelteinflüssen, jedoch verändert jede zusätzliche Schicht den Wärmewiderstand und die Zeitkonstante. Der Elektroniklieferant benötigt die Informationen über den freigelegten Schichtaufbau, wenn dieser die Leiterplatten-/Flexplattenfertigung oder -montage beeinflusst.

Prototyp mit thermischen Experimenten zur Aufdeckung von Leiterplattenfehlern

Ein Temperaturüberwachungs-EVT sollte seine elektrischen Zustände gezielt ändern, während die thermische Eingangsspannung stabil bleibt. Dadurch lässt sich feststellen, ob die Leiterplatte die Messwerte beeinflusst. Nützliche Experimente umfassen: Funk aus vs. Funk an, Ladegerät getrennt vs. Ladevorgang, voll geladener vs. schwacher Akku, flacher vs. auf den Produktradius gebogener Sensor sowie blanke Leiterplatte vs. gelöstes Gehäuse/Klebstoffpaket.

Das Ingenieurteam sollte sowohl die Messwerte des Präzisionssensors als auch die Referenztemperaturen am Hautsimulator, in der Umgebungsluft und an der Hauptelektronik protokollieren. Ein einzelnes Ergebnis zur „Genauigkeit bei Raumtemperatur“ kann einen Temperaturgradienten verschleiern, der bei hohen Umgebungstemperaturen oder während des Ladevorgangs relevant wird.

Die Fertigungsreproduzierbarkeit hängt von mehr als nur dem Sensor-IC ab.

Sobald die Konstruktion thermisch stabil ist, muss in der Produktion der gleiche Wärmepfad über alle Chargen hinweg gewährleistet sein. Hier kommt der Fertigungs- und Montagekontrolle eine wichtige Bedeutung zu.

• Kupfergeometrie: Die Ätzkompensation sollte den schmalen thermischen Hals nicht unbeabsichtigt über die freigegebene Toleranz hinaus verändern.
• Flexible Konstruktion: Kupfergewicht, Polyimid, Deckschicht, Klebstoff und Versteifungsmaterial müssen dem zugelassenen Schichtaufbau entsprechen.
• Sensorlöten: Überschüssiges Lot oder eine Neigung des Gehäuses verändern den mechanischen Kontakt und können die lokale thermische Kopplung beeinflussen.
• Reinigung: Rückstände oder eingeschlossene Feuchtigkeit in der Nähe des Sensorbereichs können die Langzeitzuverlässigkeit und die physikalische Schnittstelle beeinträchtigen.
• Rückverfolgbarkeit von Komponenten: Chargen und Revisionen von Präzisionssensoren müssen nachvollziehbar bleiben, sofern dies im Qualitätsplan des Originalherstellers (OEM) vorgeschrieben ist.

Highleap fertigt flexible Baugruppen , starr-flexible Leiterplatten und kompakte starre Platinen für tragbare Geräte mit DFM und Produktionsprüfung.

Funktionstests auf Platinenebene sollten das thermische Verhalten prüfen, nicht die klinische Genauigkeit beanspruchen.

Eine Produktionsvorrichtung kann die Elektronik überprüfen und Montageabweichungen erkennen. Sie sollte jedoch nicht als Ersatz für die Temperaturprüfung des fertigen Geräts angesehen werden.

Highleap kann Funktionstests für Leiterplattenbestückungen (PCBAs) mit kundenseitig bereitgestellter Firmware, Prüfvorrichtungen und Akzeptanzgrenzen durchführen. Der OEM bleibt für die Zuordnung der Hauttemperatur zu den angegebenen Kern-/Körpertemperaturwerten sowie für die klinische/regulatorische Validierung verantwortlich.

Kontrolle der thermischen Zeitkonstante sowie der statischen Genauigkeit

Die kontinuierliche Überwachung hängt davon ab, wie schnell der Sensor der vorgesehenen Wärmequelle folgt, nicht nur vom endgültigen stationären Wert. Eine dicke Vergussmasse, eine große Kupferinsel oder eine Versteifung können eine langsame thermische Zeitkonstante verursachen, die reale Temperaturänderungen glättet und Alarme oder Trenderkennung verzögert.

Der OEM sollte das gewünschte dynamische Verhalten definieren und die thermische Masse des Sensorstapels kontrollieren. Während der EVT (Experimentelle Verifizierungsstudie) wird der Hautsimulator oder die Wärmeplatte schrittweise auf bekannte Temperaturen eingestellt und die Reaktionszeit des ungeschützten Sensors, des montierten flexiblen Sensors, des Klebestapels und des fertigen Gehäuses verglichen. Dadurch lässt sich feststellen, welche Schicht die Verzögerung maßgeblich verursacht.

PVT-Lots mit einer thermischen Goldeinheit korrelieren

Bei einer messkritischen Flex-Prüfung ist es sinnvoll, Referenzexemplare aus der qualifizierten DVT/PVT-Fertigung aufzubewahren. Ziel der Produktion ist nicht, jedes Exemplar auf denselben Temperaturwert an der Luft zu bringen, sondern nachzuweisen, dass der freigegebene Fertigungsprozess das genehmigte thermische Verhalten innerhalb definierter Grenzen reproduziert.

Ein praktischer Korrelationsplan ermöglicht den Vergleich des Sensor-Offsets bei einer oder zwei kontrollierten Plattentemperaturen, der Reaktionszeit auf einen kleinen Schritt, der Differenz zwischen Eigenerwärmung im Leerlauf und im Betrieb sowie des Stromverbrauchs. Verändert ein späterer Materialaustausch eine dieser Kennzahlen, verfügt das Entwicklungsteam über den Nachweis, dass sich der Wärmepfad geändert hat, noch bevor eine vollständige Validierung des fertigen Geräts wiederholt wird.

Die Chargenkorrelation ist besonders wertvoll bei flexiblen Produkten, da Kupferätzung, Deckschicht, Klebstoff und Versteifungselemente allesamt physikalische Faktoren in die Messkette einbeziehen. Der OEM sollte festlegen, welche dieser Konstruktionsdetails unveränderlich sind und welche ohne erneute Qualifizierung den normalen Lieferantenprozess durchlaufen können.

RFQ-Daten für die Leiterplattenfertigung zur kontinuierlichen Temperaturüberwachung

Für ein aussagekräftiges Angebot sollten die thermisch kritischen Merkmale explizit genannt werden. Andernfalls kann eine herkömmliche Angebotsanfrage für Leiterplatten die Geometrie, die die Messleistung des Sensors ermöglicht, möglicherweise so optimieren, dass sie wegfällt.

• Thermische Architektur: Sensorposition, vorgesehene Kontaktfläche, Wärmequellenpositionen und thermische Abschirmungen.
• Flex/Starrflex-Stack: Material, Kupfergewicht, Deckschicht, Klebstoff, Versteifungen, Biegeradius und Maßtoleranzen.
• Präzisionsstückliste: Temperatursensor, MCU/Funkmodul, Batterie, Ladegerät und zugelassene Alternativen.
• Versammlungsbeschränkungen: Beschichtung/Abdeckung, Unterfüllung/Verkapselung, Reinigung und Anforderungen an die optische Reinheit/Hautkontakt.
• Programmierung/Test: Firmware, serielles/Kalibrierungsdatenformat, Referenztesttemperatur und Grenzwerte für Bestanden/Nicht bestanden.
• Qualitätsaufzeichnungen: Chargenrückverfolgbarkeit, Stichprobenprüfung, Qualitätsmanagementsysteme im medizinischen Bereich und Erwartungen an das Änderungsmanagement.