Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.
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Einhausung von MID-Baugruppen im Montagespritzguss für den Einsatz unter extremen Umweltbedingungen

Erfolgreicher Abschluss des AiF-Projektes 16591 N

Am 30.05.3012 wurde das Projekt Einhausung von MID-Baugruppen im Montagespritzguss für den Einsatz unter extremen Umweltbedingungen (Kurztitel: MID-Einhausung) abgeschlossen. Das IGF-Vorhaben 16591 N der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Bearbeitung des Projektes erfolgte an den Instituten FAPS (Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik, Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke) und LKT (Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Prof. Dr.-Ing. Dietmar Drummer) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Das große Interesse der Industrie mit 15 beteiligten Unternehmen zeigt die Bedeutung der Thematik.

 

Motivation und Ziel des Projektes

Die Anforderungen an elektronischen Baugruppen während der Herstellung und im Einsatz haben sich enorm erhöht. Ursache hierfür sind gesetzliche Bestimmungen, neue Einbauorte, steigende Zuverlässigkeitsanforderungen und eine zunehmender Integrationsdichte auf Baugruppen- und Bauelementebene. Dadurch sind auch MID zunehmend einer höheren Beanspruchung ausgesetzt und der Bedarf nach Baugruppen, die auch bei extremen Umweltbedingungen eine sichere Funktion gewährleisten, steigt enorm an. Ein Schutz vor Medieneinflüssen sowie thermischer und mechanischer Beanspruchung ist deshalb in vielen Anwendungsgebieten erforderlich.
Einen sehr innovativen wie auch rationellen Ansatz stellt in diesem Zusammenhang das Umspritzen von elektronischen Schaltungsträgern auf der Basis von Mechatronic Integrated Devices (MID) mit Thermoplasten im Spritzgießprozess zum Schutz vor extremen Umweltbedingungendar. Diese Idee, veranschaulicht in Abbildung 1, wurde im Rahmen des Projektes MID-Einhausung untersucht.

 

Untersuchungen

Hierzu wurde die gesamte Prozesskette von der Herstellung der Substrate im Spritzguss über die Strukturierung und Metallisierung sowie die Aufbau- und Verbindungstechnik bis hin zur Überspritzung betrachtet und optimiert. Als Variablen wurden die Überspritzdicke, die Geometrie der elektronischen Bauelemente, sowie das Schaltungslayout hinsichtlich der Orientierung der Bauelemente im Bezug zur Einspritzrichtung der zweiten Komponente in die Untersuchungen einbezogen. Ebenso kamen unterschiedliche Werkstoffe für die Überspritzung und das Löten wie auch das Leitkleben als Verbindungstechnik zum Einsatz.

Die überspritzten Baugruppen wurden verschiedenen Umweltsimulationstests wie Fall- oder Temperatur-Schock-Tests unterzogen. Dabei wurde jeweils die elektrische Funktion vor und nach der Belastung geprüft und die jeweiligen Ausfallursachen mittels Computertomographie und Mikroskopie ermittelt.

Ein weiterer Kernpunkt der Arbeiten war die Bestimmung der Belastung der Bauelemente im Spritzgießprozess. Hierzu wurde innerhalb des Projektes eine spezielle Messtechnik entwickelt, um diese online im Prozess zu messen. Parallel zu diesen Arbeiten wurden die aktuell kommerziell verfügbaren Methoden zur Prozesssimulation hinsichtlich ihrer Möglichkeiten zur Abbildung der Belastungen auf Bauelemente untersucht. Es erfolgte eine Korrelation zwischen den Messungen, Beobachtungen aus den Experimenten mit bestückten Schaltungsträgern und den rechnerischen Ergebnissen.

Begleitend zu den beschriebenen Tätigkeiten wurden Untersuchungen zur Erweiterung der Werkstoffmatrix für das Überspritzen durchgeführt. Hierzu wurde an einfachen Probekörpern die Verbundfestigkeit ermittelt und mögliche Materialien für die Überspritzung im Hinblick auf das fokussierte Anwendungsgebiet ermittelt.

Ausblick

Aufgrund vielversprechender Ergebnisse zur Steigerung der Einsatzbereiche räumlicher Schaltungsträger ist es geplant, in einem Anschlussprojekt noch tiefergehende Erkenntnisse zu gewinnen. So ist beispielsweise eine Vertiefung des Verständnisses zum Einfluss von Schwindung und thermischer Dehnung auf die Bauteilschädigung beim Umspritzen und im Umweltbelastungstest notwendig, ebenso wie die Ausweitung der Erkenntnisse zum Spritzgießprozess und auf weitere Bauelementtypen. Hinsichtlich der Aufbau- und Verbindungstechnik lässt ein Underfill oder Lötstopplack eine Verbesserung der Performance der überspritzten Baugruppen im Umweltsimulationstest erwarten. Letztere müssen im Hinblick auf die Anwendung ausgedehnt und kombiniert werden. Die weitere Arbeiten werden auch einen Fokus auf die Bestimmung der Mediendichtheit (z. B.: durch eine Druckdifferenzprüfung) vorsehen.

 

Publikationen im Rahmen des Projektes

Ergebnisse aus dem AiF-Forschungsvorhaben können in den folgenden Publikationen nachgelesen werden (weitere Informationen sind im Abschlussbericht zu finden):

 

1.       Goth, C.; Vetter, M.; Franke, J.; Drummer, D.: Mediendichte Umhausung spritzgegossener, räumlicher elektronischer Schaltungsträger im Montagespritzguss. In: Produktion von Leiterplatten und Systemen (PLUS) 14. Jahrgang, Nummer 2 (2012), S. 376-385.

 

2.       Vetter, M.; Drummer, D.: Stress im Prozess – Belastung elektronischer Bauelemente im Montage-Spritzguss. In: Plastverarbeiter 63. Jahrgang, Nummer 4 (2012), S. 62-66.

 

3.       Vetter, M.; Goth, C.; Drummer, D.; Franke, J.: Housing of Mechatronic Integrated Devices (MID) by Assembly Moulding for Applications with High Environmental Impact, InternationalerKongress MID 2012, Fürth, 19.-20. September 2012.

 

4.       Vetter, M.; Goth, C.; Drummer, D.; Franke, J.: Assembly Molding for Resistant Media Tight Mechatronic Integrated Devices. 15th International Conference Polymeric Materials, Martin Luther Universität Halle-Wittenberg, Halle/Saale (Sachsen-Anhalt), 12.-14. September, 2012.

 

5.       Goth, C.; Franke, J.; Reinhardt, A.; Widemann, P.: Reliability of Mechatronic Integrated Devices (MID) Protected by Encapsulation Methods Overmolding, Pot-ting and Coating. 7th IMPACT Conference, Taiwan Printed Circuit Association (TPCA), Taipeh (Taiwan), 24.-26. Oktober 2012.

 

 

Kontaktpersonen:

Christian Goth, Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS), Fürther Str. 246b; D-90429 Nürnberg,
Tel. +49 911 5302-9096, Fax -9070, christian.goth@faps.uni-erlangen.de, www.faps.uni-erlangen.de
 
Martina Vetter, Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Am Weichselgarten 9, 91058 Erlangen-Tennenlohe,
Tel. +49 9131 85297-28, Fax -09, 
vetterm@lkt.uni-erlangen.de, www.lkt.uni-erlangen.de 
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