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5. März 2018

3D-Schaltungsträger für effektive Miniaturisierung

Seit 1998 ist 2E mechatronic Mitglied im
3D-MID e.V., Nürnberg und beschäftigt sich mit der MID-Technologie (MID steht
für Mechatronic Integrated Devices). Ziel ist die
Miniaturisierung von mikrosystemtechnischen Bauteilen und Systemen sowie die
Funktionsintegration bei gleichzeitiger Reduzierung der Teilevielfalt. Aktuell
gibt es drei am Markt gängige Verfahren zur Herstellung von MIDs. Auf zwei Verfahren
soll hier nur kurz eingegangen werden, da mittlerweile ein Verfahren den
weitaus größten Teil der Serienapplikationen abdeckt. Beim 2K-Verfahren (2-Komponenten Spritzguss) kommen ein metallisierbarer
und ein nicht metallisierbarer Kunststoff zum Einsatz. Im Anschluss an die
Spritzvorgänge durchläuft der so entstandene Kunststoffverbund verschiedene
außenstromlose Metallisierungsbäder mit dem Ziel, dass sich am Ende dieses
Prozesses auf dem metallisierbaren Kunststoff geschlossene Leiterbahnstrukturen
gebildet haben. Im Anschluss erfolgt in der Regel die Bestückung mit
elektrischen Bauteilen. Das Verfahren eignet sich vor allem bei sehr hohen
Stückzahlen, da zwei Spritzgießwerkzeuge benötigt werden und Änderungen im
Leiterbild meist zu der Notwendigkeit führen, dass in neue Werkzeuge investiert
werden muss. Die minimale Leiterbahnbreite beträgt bei diesem Verfahren ca.
250µm.

pkt

Beispiel: 2K-Demonstrator der Firma PKT (Rot=nicht metallisierbarer Kunststoff, Gold= metallisierbarer Kunststoff nach der Metallisierung)

Eine weitere Möglichkeit, MID herzustellen,
ist das sogenannte Heißprägeverfahren.
Hier können verschiedene Thermoplaste eingesetzt werden, die auch nicht
metallisierbar, d.h., mit Metallkeimen dotiert sein müssen. Dadurch sinken die
Materialkosten für den Schaltungsträger. Allerdings können in diesem Verfahren
lediglich zweidimensionale Bauteile hergestellt werden, da die Leiterbahnen
hier durch das Einprägen einer Kupferfolie (mit verschiedenen Oberflächen) in
den Kunststoffkörper mittels eines Prägestempels entstehen. Die spezielle Folie
ist in verschiedenen Stärken von standardmäßig ca. 18µm-70µm erhältlich. Der
Metallisierungsprozess entfällt hier, jedoch müssen für den Prägeprozess sog.
Heißprägestempel angefertigt werden, die das Leiterbahnlayout bestimmen. Beim
Prägevorgang wird das Leiterbahnlayout aufgrund der im oberen Prägestempel
erhaben dargestellten Struktur mittels Druck und Temperatur in den Kunststoff
eingeprägt und die Folie an den Leiterbahnrändern gleichzeitig abgeschert. Die
Restfolie wird anschließend entfernt und der Schaltungsträger (wenn
gewünscht) mit elektrischen Bauteilen
oder Kontakten etc. bestückt. Die Haftfestigkeit der Leiterbahnen entspricht
hierbei übrigens in etwa der bei FR4 Leiterplatten. Die minimale
Leiterbahnbreite beträgt ca. 300µm.

Delphi

Beispiel: Automotive-Sitzverstellschalter

Das aktuell am häufigsten eingesetzte MID
Verfahren ist das sog. LDS (Laser
Direkt Strukturieren). Das LDS-Verfahren setzt ebenso wie das
2K-Verfahren auf Kunststoffe mit einer speziellen Dotierung von Metallkeimen.
Im Gegensatz zum 2K-Spritzguss ist es beim LDS Verfahren jedoch nicht
notwendig, zwei unterschiedliche Kunststoffe einzusetzen. Der
3D-Schaltungsträger wird in einem Spritzgussvorgang aus dem metallisierbaren
Kunststoff gespritzt. Im Anschluss wird die Oberfläche mit einem speziellen
Laser der Firma LPKF beschrieben, die auch das Patent auf dieses Verfahren hat.
Der Laser raut hierbei die Oberfläche an und legt damit die
Kristallisationskeime frei, so dass im folgenden außenstromlosen
Metallisierungsprozess hier die Kupferatome andocken können und eine
geschlossene Leiterbahnstruktur gebildet werden kann. Der typische
Schichtaufbau ist hierbei: 4-8µm Kupfer, 2-4µm Nickel und abschließend 0,1µm
Gold. Die minimale Leiterbahnbreite beträgt beim LDS-Verfahren ca. 150µm, wobei
durch den Einsatz eines Feinfokus-Laser auch geringere Breiten realisierbar
sind. Im Anschluss an die Metallisierung erfolgt dann auch hier das Aufbringen
der elektrischen oder sonstigen Bauteile
sowie deren Kontaktierung durch alle bekannten AVT Prozesse wie zum Beispiel
Dampfphasenlöten oder Bonden. Als Invest wird im Wesentlichen lediglich ein
Spritzgusswerkzeug benötigt. Sollte sich das Leiterbahnlayout ändern, so zieht
dies nur eine Anpassung der Software für den Laser nach sich. Da das Verfahren insgesamt also die meisten
Vorteile bietet, wird es mittlerweile bei der Herstellung der meisten
Serienteilen eingesetzt. Die populärste LDS-MID-Anwendung ist die
Smartphone-Antenne. Auch in der Automobilbranche kommen mittlerweile viele LDS-MID
zum Einsatz. Andere spannende Applikationen finden sich bei der Neuentwicklung
bzw. beim Redesign von medizintechnischen oder industriellen Produkten.
Beispiele hierfür sind von 2E entwickelte und hergestellte LED-Leuchtelemente
oder ein miniaturisierter thermischer Strömungssensor (Fotos am Ende des
Beitrags). Im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsprojektes MELAM 3D
wurde ein Demo-Modul entwickelt, das die Möglichkeiten der LDS-MID-Technik
aufzeigt. Dieses Modul kann bei 2E kostenlos bezogen werden.

Getreu dem Motto: Ein Bild sagt mehr als 1000
Worte, ein Muster sagt mehr als 1000 Bilder, bietet 2E auch die schnelle
Herstellung von Funktionsmustern aus original Werkstoffen unter Einsatz seriennaher
Prozesse an. Korrekturen im Layout lassen sich bei Bedarf problemlos durch
Änderungen in der Software bewerkstelligen.

Unbenannt Bild 1

Beispiele für Serien-MID, hergestellt im LDS-Verfahren: OLED, Strömungssensor und LED-Leuchtelemente.

 

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