Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.
+49 911 5302-9100
+49 911 5302-9102
Computer Man Mitgliederbereich

Neues Forschungsprojekt zur Entwicklung eines keramisch spritzgegossenen 3D-Schaltungsträgers für die Kontaktierung und Integration von Leistungselektronik mittels widerstandsarmen Aktivlots

AiF-IGF-Vorhaben „ActivePower“ wurde bewilligt.

 

Steigende Anforderungen aus der Automobilindustrie oder der Medizintechnik an die thermische und elektrische Belastbarkeit, an die Integrationsdichte sowie an die Dimensionen von Schaltungskomponenten stellen das klassische Baugruppendesign vor signifikante Herausforderungen. Hohes Lösungspotential bietet in diesem Zusammenhang die MID-Technologie, welche Leiterbahnen und elektronische Bauteile in mechanisch belastbare und geometrisch flexible Strukturen integriert. Limitierende Faktoren stellen bei konventionellen MID vor allem Merkmale wie der thermische Widerstand der Bauteile, die Anordnung der Leiterbahnen und deren Stromtragfähigkeit, die Lötbarkeit und die Haftfestigkeit dar. Die durch das Forschungsvorhaben entstehenden mechatronischen Systeme sollen diese Einschränkungen aufgreifen und aufheben.

 

Als Grundkörper wird dabei eine durch Ceramic Injection Molding (CIM) hergestellte Keramikstruktur verwendet. Der dazugehörige Herstellungsprozess wird in Abbildung 1 dargestellt. Der Keramikgrundkörper weist hinsichtlich der mechanischen Festigkeit, der Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit sowie der Wärmeleitfähigkeit deutliche Vorteile gegenüber konventionellen Kunststoffsubstraten auf.

 

Die Applikation der Leiterbahnstrukturen auf der Keramik soll mit Hilfe eines Aktivlotes erfolgen. Es handelt sich dabei um metallische Lote, vorwiegend auf Silberbasis, die in der Lage sind Keramik zu benetzen, ohne dass diese zuvor metallisiert werden müssen. Aktivlote sind durch ein gutes Benetzungsverhalten sowie eine hohe Festigkeit der Lötverbindung gekennzeichnet. Darüber hinaus erlauben sie das Fügen artfremder Werkstoffe mit unterschiedlichen Wärmeausdehungskoeffizienten. Das Vorgehen zur Herstellung eines derartig aufgebauten 3D-Schaltungsträgers erfolgt gemäß Abbildung 2.

Im ersten Schritt wird ein keramischer Grundkörper mit eingebrachten Kavitäten und Kapillaren unterschiedlichen Querschnitts im Spritzgussprozess hergestellt. Zusätzliche Verzapfungen dienen im Falle mehrteiliger Grundkörper als Montagehilfe für das exakt positionierte Fügen von Bauteilhälften, um die Unterbringung und Verkapselung der Leistungselektronik auch innerhalb eines zusammengesetzten Grundkörpers realisieren zu können. Ein möglicher Anwendungsfall wird im nachfolgenden Demonstrator illustriert (siehe Abbildung 3). Nach dem Entbindern und Sintern der Keramik erfolgt die Einbringung der Aktivlotpaste. Aufgrund der dreidimensionalen Grundkör-perstruktur wird ein flexibler Dispensprozess genutzt. Hierbei kommt es darauf an, die rheologischen Eigenschaften des Lotmaterials den Anlagen- und Anwendungsanforderungen anzupassen. Da das Aktivlot im Vergleich zu Weichlot auch im flüssigen Zustand eine deutlich reduzierte Fließfähigkeit aufweist, ist eine präzise Prozessführung unerlässlich. Der nachfolgende Brennprozess führt zum Benetzen der Keramikkapillaren und -kavitäten, so dass das anschließende Leiterbild dargestellt wird. Abschließend erfolgt die Integration der Leistungselektronik. Zur Anbindung der Bauelemente an das aktivlotbasierte Leiterbild wird Weichlot im Dispensverfahren aufgebracht. Auch in möglicherweise vorhandene Verzapfungen wird das vorgesehene Fügemedium (z. B. zinnbasiertes Weichlot) eingebracht. Anschließend werden die Bauelemente bestückt und die Baugruppe, soweit diese wie im darunter gezeigten Demonstrator aus mehreren Elementen besteht, zusammengesetzt. Ein SMD-Lötprozess im Standard-Reflow- bzw. im Dampfphasenlötofen stellt die mechanische und elektrische Anbindung der elektrischen Bauteile an den Grundkörper sowie die mechanische Verbindung der Substratelemente untereinander sicher. Als Demonstrator dient ein Elektronikmodul, welches in einer Hochleistungs-LED-Taschenlampe eingesetzt werden könnte. Es wird besonders Wert daraufgelegt, dass die Herausforderungen beziehungsweise Aufgaben, wie Fügen, Kontaktieren, Anhaften, Füllen von Kapillaren und Ertragen von thermischen sowie mechanischen Lasten, durch den Demonstrator zusammengefasst und eine erfolgreiche Umsetzung demonstriert werden kann.

Ziel ist es, dass durch die Forschungsergebnisse kompakte, mechanisch und thermisch hochbelastbare Bauteile geschaffen werden können, welche sich den Bauraum für die mechanische Funktionserfüllung mit der dazu notwendigen Elektronik und den Verbindungselementen teilen. Dadurch können Produkte und Baugruppen kompakter werden. Geringerer Platzbedarf, geringeres Gewicht und eine dadurch gesteigerte Funktionsdichte können erhebliche Einsparungen bei den kleineren und mittleren Unternehmen bedeuten und neue bisher unbekannte Anwendungsfelder und Marktsegmente wie beispielsweise Getriebemechatroniken oder automobile Lichtapplikationen erschließen. Daran anknüpfend können auch Materialhersteller, Anlagenbauer und Zulieferer profitieren.

 

Die Bearbeitung des Projektes wird durch die Forschungsstellen wbk Institut für Produktionstechnik und IAM-AWP Institut für Angewandte Materialien – Angewandte Werkstoffphysik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) durchgeführt. Seitens der Industrie wird das Vorhaben von den Firmen 2E mechatronic GmbH & Co. KG, ATN Automatisierungstechnik Niemeier GmbH, Balver Zinn Josef Jost GmbH & Co. KG, CeramTec GmbH, HENKEL AG & Co KGaA, Pro-KASRO Mechatronik GmbH, Robert Bosch GmbH, SEHO Systems GmbH, Trainalytics GmbH, Zollner Elektronik AG unterstützt.

 

Das IGF-Vorhaben 19230 N der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e. V. wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Kontakt

 
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
wbk Institut für Produktionstechnik
Dr. Frederik Zanger
Kaiserstraße 12 
D-76131 Karlsruhe
 
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
IAM-AWP Institut für Angewandte Materialien – Angewandte Werkstoffphysik
Dr. Magnus Rohde
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
D-76344 Eggenstein-Leopoldshafen
 
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)
Christopher Kästle
Fürther Str. 246b 
D-90429 Nürnberg
2022 © Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.

|

Impressum

|

Datenschutz