AiF fördert das Vorhaben „CIMAMET“
Das Forschungsvorhaben fokussiert die Fertigung hochtemperaturbeständiger dreidimensionaler keramischer Schaltungsträger im Spritzgieß- und dessen Sonderverfahren, als auch deren Metallisierung zur Herstellung dreidimensionaler leitfähiger Strukturen mittels eines innovativen Beschichtungsverfahrens.
Dreidimensionale Schaltungsträger (Mechatronic Integrated Devices – MID) ermöglichen den Zusammenschluss von Elektronik und Mechanik zu komplexen und hochintegrierten mechatronischen Bauteilen. Die im Spritzgießverfahren hergestellten Formteile besitzen durch ihre hohe Geometrie- und Gestaltungsfreiheit ein enormes Rationalisierungspotenzial zur Optimierung von Produktionsprozessen.
Durch gesetzliche Richtlinien, neue Einsatzgebiete und Einbauorte, steigende Zuverlässigkeitsanforderung und zunehmende Integration sind MID immer höheren Beanspruchungen ausgesetzt. Um den steigenden Anforderungen gerecht zu werden und den MID-Einsatz in neuen Anwendungsbereichen weiterzuentwickeln, ist je nach Einsatzbereich beispielsweise ein Zusammenspiel aus hoher Stromübertragung, hoher thermischer Belastbarkeit und hoher Kühlleistung unabwendbar. Hierfür ist eine Kombination aus einem elektrisch isolierenden, hoch wärmeleitfähigen und wärmebeständigen Substratmaterial, welches wirtschaftlich in äußerst komplexer Geometrie urzuformen ist, und einem additiven Metallisierungsverfahren, welches eine zeiteffiziente und dreidimensionale Strukturierung und Metallisierung des Substrats mit Leiterbahnen ermöglicht, prädestiniert.
Bezüglich dieser Materialanforderungen bieten keramische Werkstoffe gegenüber thermoplastischen Substratmaterialien entscheidende Vorteile. Thermoplasten werden auf Grund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit mit wärmeleitfähigen Additiven gefüllt, wodurch eine Wärmeleitfähigkeit bei hohen Füllgraden von bis zu 20 W/mK erreicht werden kann. Keramische Trägermaterialien besitzen je nach eingesetzter Keramik eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 36 und 480 W/mK. Die Wärme kann effektiv zur integrierten Wärmesenke abgeleitet, eine thermische Schädigung elektronischer Bauteile vermieden und somit eine Verlängerung der MID-Lebensdauer, z. B. im Bereich der Hochleistungs-LED-Arrays, erzielt werden. Darüber hinaus bieten keramische Werkstoffe gegenüber gefüllten Thermoplasten Eigenschaften wie eine hohe Wärmebeständigkeit, einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizient und eine gute Beständigkeit gegenüber chemischen Substanzen.
Die wirtschaftliche Fertigung geometrisch komplexer keramischer Bauteile kann durch den Keramikspritzguss realisiert werden. Die Prozesskette des Keramikspritzgusses beginnt mit der Vermischung, der sog. Compoundierung, von Keramikpulver mit einem thermoplastischen Binder und dem anschließenden Urformen des Grünlings im Spritzguss. Nach der Entbinderung, bei der der Kunststoff aus dem Formteil entfernt wird, erfolgt die Versinterung des Keramikpulvers zu einem reinen, kompakten Keramikbauteil (s. Bild 1).
Um eine dauerhafte Haftfestigkeit der Leiterbahnen zu generieren, muss die Beständigkeit der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Substrat und Metallschicht jedoch gewährleistet sein. Hierfür müssen die Einflüsse auf die Qualität der Metallisierung der mittels des Plasmadust®-Verfahrens hergestellten Strukturen berücksichtigt und die optimale Kombination dieser gefunden werden.
