Herstellung funktionaler 3D-MID-Prototypen mittels Stereolithographie sowie ADDIMID- und Aerosol-Jet-Verfahren - Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.

Erfolgreicher Abschluss des AiF-Projektes 16893 N

Im Februar 2013 wurde das Projekt „Herstellung funktionaler 3D-MID-Prototypen mittels Stereolithographie sowie ADDIMID- und Aerosol-Jet-Verfahren“ (Kurztitel: 3A-3D-MID) abgeschlossen. Das IGF-Vorhaben 16893 N der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Bearbeitung des Projekts erfolgte durch den Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Universität Erlangen-Nürnberg und die Bayerisches Laserzentrum GmbH (blz) in Erlangen.

Motivation und Ziele

Räumliche spritzgegossene Schaltungsträger (MID) ermöglichen eine Integration von mechanischen und elektronischen Funktionen in einem Bauteil. Um die Akzeptanz der Technologie weiter zu verbessern, sind 3D-Prototypen-Schaltungsträger für seriennahe Tests während der Konzeptphase von großer Bedeutung. Eine effiziente Realisierung ist derzeit noch nicht möglich, da für den Spritzguss der MID-Bauteile teure, abformende Werkzeuge benötigt werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die bessere Umsetzung der MID-Technologie durch schnelle und flexible Herstellung funktionaler 3D-MID-Prototypen bzw. Kleinserien mittels Stereolithographie (SLA) in Kombination mit ADDIMID- und Aerosol-Jet-Verfahren als Metallisierungsverfahren (siehe Abbildung 1). Dabei können sowohl spezifische Kundenwünsche leicht realisiert, als auch sehr schnell Bauteilveränderungen während der Produktentwicklung berücksichtigt werden.

Untersuchungen

In diesem Projekt konnte erstmals gezeigt werden, dass basierend auf Stereolithografie-Grundsubstraten MID-Prototypen sowohl unter Verwendung der ADDIMID- als auch der Aerosol-Jet-Technologie hergestellt werden können.

Die Herstellung funktionaler Schaltungsträger mittels Stereolithografie in Kombination mit einer laserunterstützten Leiterbahnerzeugung auf Basis der ADDIMID-Technologie ist ein innovativer Ansatz, der eine effiziente und wirtschaftliche Entwicklung von seriennahen MID-Prototypen ohne die Herstellung teurer Spritzgusswerkzeuge ermöglicht. Anhand der durchgeführten Untersuchungen konnte der Nachweis erbracht werden, dass eine Realisierung der in Abbildung 1 skizzierten Prozesskette möglich ist. Die ermittelten Ergebnisse zur ADDIMID-Technologie zeigen, dass bereits ein Füllstoffgehalt von 1 Gew.-% Aluminium in einem kommerziellen Hochleistungsharz ausreicht, um eine laserbasierte Oberflächenaktivierung zu ermöglichen. In Verbindung mit Reinigung und Deaktivierung der Oberfläche vor der Laserstrukturierung werden Leiterbahnen ohne Fremdabscheidungen realisiert, deren Leitfähigkeit die Anforderungen von MID-Applikationen erfüllt. Die Haftung zwischen Substrat und Metallisierung ist als gut bis sehr gut zu bewerten und die Langzeiteigenschaften der funktionalen Prototypen sind ebenfalls gut. Der Leiterbahnwiderstand steigt hierbei nach dem Klima-Schock-Test (-40°C/125°C) leicht von 0,14 Ω auf 0,16 Ω an. Die benötigte Scherkraft, um ein Bauelement vom Substrat zu entfernen, sinkt mit zunehmender Zyklusanzahl von 14,3 N auf 7,1 N.

Der Vorteil des Aerosol-Jet-Verfahrens (siehe Abbildung 3, links) hinsichtlich eines flexiblen Leiterbahnauftrags bei sehr dünnen Leiterbahnen konnte erfolgreich auf Stereolithografiebauteile übertragen werden. Insbesondere die Qualifizierung der Haftfestigkeit, der Geometrie der Leiterbahn sowie der Zuverlässigkeit konnte mit sehr guten Ergebnissen durchgeführt werden. Die geometrischen Eigenschaften der Leiterbahnen werden vor allem durch die Benetzungseigenschaft des Substrates und der Tinte bestimmt. Mit geeigneten Substrat-Tinten-Kombinationen können die im CAD-Layout vorgegebenen Strukturgrößen sehr gut abgebildet werden. Die Haftfestigkeit der gedruckten Strukturen wird stark durch die Oberflächenbeschaffenheit der Substrate beeinflusst. Bei sehr geringer Oberflächenrauheit ist die Haftfestigkeit am geringsten, kann aber durch Plasmabehandlung verbessert werden. Die Zuverlässigkeitsuntersuchungen haben für die gedruckten Strukturen und für die Verbindungstechnik zu guten Ergebnissen geführt. Das Drucken auf dreidimensionalen Bauteilen über Schrägen und Rundungen ist mit der Aerosol-Jet-Technologie möglich (siehe Abbildung 3, rechts).

Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Durch eine konsequente Nutzung der erarbeiteten Erkenntnisse ist eine schnelle Fertigung von 3D-MID-Prototypen und damit eine Verifikation verschiedener Gestaltungsansätze möglich. Durch eine Verkürzung der Entwicklungszyklen kann die Anzahl erfolgreich umgesetzter Produktideen vor allem in der Automobilindustrie, in der Medizintechnik und der Industrieautomatisierung, aber auch in anderen Branchen, deutlich gesteigert werden.

Veröffentlichungen

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

Amend, P.; Frick, T; Schmidt, M.: Herstellung funktionaler MID-Schaltungsträger mittels Additiver Fertigung – eine realisierbare Vision. In: Schmidt, M.; Roth, S.; Amend, P. (Hrsg.): LEF 2012, 15. LEF Seminar „Laser in der Elektronikproduktion und Feinwerktechnik“, Fürth: Meisenbach, Bamberg, 2012, S. 249 – 267

Amend, P.; Goth, C.; Franke, J.; Frick, T.; Schmidt, M.: ADDIMID Technology and Aerosol Jet Printing for Functional MID Prototypes by the use of Stereolithography. In: Proceedings of 10th International MID congress 2012, Fürth (Bayern), 19.-20. September 2012.

Hörber, J.; Goth, C.; Franke, J.: Aerosol-Jet Printing for Functionalization of Prototyping Materials for Electronic Applications. In: Proceedings of IMAPS 2012, San Diego (USA), 9.-13. September 2012.

Amend, P.; Niese, B.; Schmidt, M.: Erzeugung funktionaler Schaltungsträger aus Hochtemperaturharz durch Kombination von Additiver Fertigung und ADDIMID-Technologie. In: Schmidt, M.; Roth, S.; Amend, P. (Hrsg.): LEF 2013, 16. LEF Seminar „Laser in der Elektronikproduktion und Feinwerktechnik“, Fürth: Meisenbach, Bamberg, 2013, S. 253 – 264

Kontaktpersonen:

Dipl.-Ing. Philipp Amend, Bayerisches Laserzentrum GmbH (blz), Konrad-Zuse-Straße 2-4, D-91052 Erlangen, Tel.: +49 (0)9131 97790-28, Fax.: +49 (0)9131 97790-11, E-Mail: p.amend@blz.org, www.blz.org

Dipl.-Ing. Andreas Reinhardt, Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS), Fürther Str. 246b, D-90429 Nürnberg, Tel.: +49(0)911 5302-9095, Fax: +49(0)911 5302-9070, reinhardt@faps.uni-erlangen.de, www.faps.uni-erlangen.de