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Abschlussveröffentlichung des Projekts AMPEC

Kurzfassung des Abschlussberichts des Forschungsprojekts: IGF Projekt 20144 N – AMPEC

„Additive Fertigung leistungselektronischer Schaltungsträger“

Die Forschungsergebnisse des Projekts AMPEC „Additive Fertigung leistungselektronischer Schaltungsträger“ ermöglichen KMU einen tiefen und detaillierten Einblick in eine neue Technologie der additiven Schaltungsträgerherstellung basierend auf dem Selektiven Laserschmelzen. KMU erschließen sich damit innovative Fertigungsverfahren für die Leistungselektronik, welche als Schlüsseltechnologie für eine Vielzahl von Branchen, wie der regenerativen Energietechnik, der Automobilindustrie und der Beleuchtungsindustrie, dient.

 

Das Forschungsvorhaben erarbeitet eine neue Technologie und Alternative zur Fertigung von DCB- und AMB-hergestellten Schaltungsträgern. Für die Herstellung leistungselektronischer Schaltungsträger sind lange Prozessketten mit vielen einhergehenden Fertigungsschritten, wie beispielsweise Ätz-, Wasch-, Druck und Metallisierungsvorgänge, nötig. Demnach ist ein großer, kostenintensiver Anlagenpark Voraussetzung für eine Herstellung herkömmlicher Schaltungsträger. In der Regel sind nur Großunternehmen in der Lage, derartige Kosten und Investitionen für eine Großserienfertigung zu stemmen. KMU sind daher abhängig von Zulieferern und bei Ihrer Flexibilität der Produktauswahl eingeschränkt. Grundsätzlich ist die Technologie des SLM mit dem aktuellen Grad der Automatisierung und prozessbedingten Durchlaufzeiten für Kleinserien, Prototyping und individuelle, kundenspezifische Anforderungen geeignet. Weitere Einsparmöglichkeiten sind im Bereich der Energie- und Materialverbräuche realisierbar. Dargestellte Fertigungsschritte beim DCB- oder AMB-Prozess beinhalten zumal hohe Energiekosten (hauptsächlich verursacht durch Brennvorgänge) mit einhergehenden, zum Vergleichsprozess, höheren Materialkosten und –aufwendungen durch deren subtraktiven Herstellungscharakter.

 

Zusätzlich ist die Umweltverträglichkeit der nötigen Ätz- und Waschbäder grundsätzlich diskussionswürdig. [1] Aufwändige Entsorgungsmaßnahmen werden erforderlich, welche wiederum Kosten verursachen. Anhand des additiven Metallisierungsvorganges beim Selektiven Laserschmelzen können flexibel dreidimensionale Strukturen entsprechend dem CAD Modell auf das keramische Substrat aufgebracht werden. Überschüssiges, nicht durch den Laser bearbeitetes, Metallpulver kann recycelt und im Folgeprozess wiederverwendet werden. Durch das selektive Bearbeiten der zu metallisierenden Fläche durch den Laser werden außerdem die derzeit verwendeten Schablonen für Ätz- und Druckprozesse überflüssig.

Abbildung 1: Versuchsanlage Mlab cusing R von Concept Laser – a) 500 W-Faserlaser des Herstellers IPG Photonics; b) SLM-Anlage; c) Kühlwasserkreislauf; Quelle: Lehrstuhl FAPS und WW3 der FAU

Zusammenfassend sind folgende Ziele des Forschungsvorhabens zu verzeichnen:

 

  • Reduzierung der für die Herstellung von Schaltungsträgern nötigen Anlagen
  • Reduzierung der Fertigungsschritte
  • Deutliche Erhöhung der Flexibilität
  • Verkürzte time-to-product Zeiten
  • Möglichkeit der dreidimensionalen Metallisierung (Brücken, Lastanschlüsse, etc.)
  • 2,5 D Fähigkeit der Substrate
  • Geringere Umweltbelastung
  • Ermittlung des Haftmechanismus von Metall-Keramik-Verbindungen, hergestellt mittels SLM
  • Erreichen der maximal möglichen physikalischen Eigenschaften des Materialverbunds

Weitere Informationen zum Projekt finden Sie hier.

Abbildung 2: SLM-gefertigter Demonstrator: Cu-Metallisierung auf Al2O3 mit einer Metallisierungsdicke von ca. 600 μm; Quelle: Lehrstuhl FAPS und WW3 der FAU
[1] SCHULZ-HARDER, J.: DCB (Direct Copper Bonding) Substrattechnologie, in Handbuch der Leiterplattentechnik, W. Jillek and G. Keller, Eds. 1st ed, Saulgau/Württ: Leuze, 2003, pp. 733–760.
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