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Neues Forschungsprojekt zur Herstellung hochtemperaturbeständiger dreidimensionaler Schaltungsträger

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).

 

Für die Herstellung dreidimensionaler leitfähiger Strukturen wird in diesem Projekt das Plasmadust®-Verfahren eingesetzt (s. Bild 2). Dieses innovative generative Direktbeschichtungsverfahren ermöglicht die lösemittel- und kontaktfreie Schichtabscheidung von Leiterbahnstrukturen aus pulverförmigen Materialien, z. B. Metalle oder Polymere, auf Trägermaterialien wie Kunststoffen, Keramiken und Halbleiter. Das bei diesem Verfahren eingesetzte kalt-aktive Plasma ermöglicht eine materialschonende Aufbringung von Leiterbahnen. Weitere Vorteile liegen in der hohen Auftragsgeschwindigkeit elektrischer Strukturen, der Herstellung variabler Schichtdicken zur Stromübertragung und die Inline-Fähigkeit des Systems.

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.

 

Ziel dieses Forschungsprojektes ist die spritzgießtechnische Herstellung geometrisch komplexer und damit integrationsfähiger keramischer Schaltungsträger mit inneren Strukturen, wodurch eine aktive Medienkühlung und somit die Erhöhung der Kühlleistung zur effektiven Entwärmung elektronischer Bauteile ermöglicht wird, sowie die additive Metallisierung der hergestellten dreidimensionalen Keramikbauteile mittels des Plasmadust®-Verfahrens. Darüber hinausgehend steht die Evaluierung der Sonderverfahren Keramikspritzguss mit verlorenem Kern, Schweißen von Grünlingen und Fügen während des Sinterprozesses in Bezug auf technische Realisierbarkeit und Anwendungseigenschaften im Fokus. Durch die Kombination des in Serienproduktion hochwirtschaftlichen Keramikspritzgusses und des gut automatisierbaren Plasmadust®-Verfahrens wird letztendlich das Ziel sowohl einer hervorragenden Kosteneffizienz, als auch eines enorm hohen Integrationspotentials verfolgt.

 

Die Bearbeitung des Projektes wird durch die Forschungsstellen LKT (Lehrstuhl für Kunststofftechnik) und FAPS (Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt. Seitens der Industrie wird das Vorhaben von den Firmen RFplast GmbH, BellandTechnology AG, 2E mechatronic GmbH & Co. KG, 3N Dienstleistungen GmbH, Almatis GmbH, Robert Bosch GmbH, HARTING AG Mitronics, LINOTECH GmbH & Co. KG, LPKF Laser & Electronics AG und SEHO Systems GmbH unterstützt.

 

Das IGF-Vorhaben 18551 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:
 
Lehrstuhl für Kunststofftechnik
Am Weichselgarten 9
D-91058 Erlangen
Telefon: +49 9131 85297-00
Fax: +49 9131 85297-09
 
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik
Egerlandstraße 7-9
D-91058 Erlangen
Telefon: +49 9131 85-27971
Fax: +49 9131 302528
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