Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.
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Projektskizze: Schnelle und flexible Herstellung von 3D-MID-Prototypen mittels laserunterstütztem AerosolJet- und SLS-Druck (3D-MID-Aero-Druck)

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Forschungsziel

Forschungsziel ist die Entwicklung einer Prozesskette zur Herstellung hochintegrierter 3D-MID-Bauteile mittels lasergestütztem AerosolJet- und 3D-Druck (SLS). Um die Herstellbarkeit filigraner Leiterbahnstrukturen zu ermöglichen, werden unterschiedliche laserbasierte Oberflächenbehandlungsstrategien untersucht und charakterisiert. Weiterhin wird der Einfluss der Oberflächenbearbeitung auf die Haftfestigkeit und Stromtragfähigkeit der Leiterbahnen untersucht.

Beschreibung

Im Gegensatz zur klassischen Leiterplattentechnologie kann die 3D-MID-Technologie mechanische und elektrische Funktionen in einem Formteil zusammenbringen. Dadurch ergeben sich enorme technische Rationalisierungspotentiale hinsichtlich des Materialeinsatzes und der Prozesskette sowie der Umwelt-verträglichkeit. Allerdings sind etablierte Verfahren, wie die Laserdirektstrukturierung (LDS) von spritz-gegossenen Grundkörpern nur für mittlere bis große Stückzahlen wirtschaftlich, da jede Änderung der Bauteilgeometrie einen Wechsel der kostspieligen Werkzeuge erfordert. Zusätzlich kommt die verfahrensbedingte Metallisierung der Formteile nicht ohne die Verwendung von laseraktivierbaren Additiven aus. Im Zuge des nach wie vor stark ausgeprägten Bestrebens nach zunehmender Funktionsintegration und Variantenflexibilität wäre ein schnelles Verfahren auf Basis additiver Druckprozesse wünschenswert.

 

Mit Drucktechniken wie dem Aerosol-Jet Verfahren können funktionale (elektrisch leitfähige) Strukturen additiv erzeugt werden, die aufgrund einer minimalen Leiterbahnbreite von 20 μm hinsichtlich Miniaturisierung besonders geeignet sind. Durch die Kombination mit dem Selective Laser Sintering (SLS)-Verfahren zur additiven Fertigung der Formteile können die verfahrensbedingt unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften gezielt für eine hochauflösende und flexible Aufbringung von Leiterbahnen mittels Aerosol-Jet-Druck eingestellt werden. Dabei besteht die Herausforderung darin, filigrane Kavitäten und Durchkontaktierungen zu erzeugen, um die Herstellung von Einhausungen bzw. Gehäusen für Elektronikbauteile zu ermöglichen. Die Bearbeitung der Formteile soll mittels geeigneter Laserbestrahlung erfolgen. Die Sinterung der Leiterbahnen erfolgt ebenfalls mittels Laser und gewährleistet hierbei, im Gegenteil zu einem globalen Ofenprozess, keine bzw. eine geringe Temperaturexpositionen zum Schutz der Elektronikbauteile. Zum Nachweis der Funktionsintegration werden die Grundkörper mit funktionalen Bauteilen (bspw. SMDs) bestückt und aufgrund verfahrensbedingter, thermisch induzierter Eigenspannungen anhand mechanischer Belastungstests untersucht.

 

Geplante Arbeitsschritte: Im Rahmen des Vorhabens soll eine iterative Prozesskette entwickelt werden, welche aus der Herstellung des Formteils mittels SLS, der laserbasierten Durchkontaktierung der mit Leiterbahnen zu bedruckenden Bereiche, des Leiterbahndrucks mittels Aerosol-Jet inklusiver laserbasierter Sinterung und der Bestückung von Bauelementen und deren Kontaktierung mittels Laserlöten besteht. Im Fokus steht hierbei die Untersuchung geeigneter, laserbasierter Methoden zur Herstellung von Kavitäten, welche den hohen Anforderungen des Aerosol-Jet-Verfahrens genügen. Im Hinblick auf eine flexible Prozessgestaltung (bspw. in einer gemeinsamen Anlage) wird die Bearbeitung der unterschiedlichen laserbasierten Prozessschritte mittels identischer Strahlquelle geprüft und untersucht. Zur Erzeugung der Leiterbahnen sollen insbesondere nanopartikelhaltige Tinten aus Silber und Kupfer verwendet werden, um den Anforderungen hinsichtlich Miniaturisierung nachzukommen. Im Hinblick auf die mögliche Anwendung der erzeugten MID-Bauteile in anspruchsvollen Umgebungen (z. B. im Automobilbau oder in der Medizintechnik) werden für die Untersuchungen Substratmaterialien mit hoher Steifigkeit, Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit (z. B. PA gefüllt/ungefüllt, PEEK) eingesetzt.

Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU

  • Schnelle und flexible Herstellung filigraner Leiterbahnen auch auf additiv hergestellten Bauteilen ohne abformende Werkzeuge erweitert das Anwendungsgebiet von MIDs im Bereich der Prototypen- und Kleinserienfertigung.
  • Hersteller und Zulieferer von MIDs können Anwendungsgebiet auf additiv hergestellte, chemikalienbeständige (bspw. PA6) Bauteile ausweiten mit Hinblick auf eine günstigere und kürzere time-to-market Produktion ohne zeitintensive Ofensinterung.
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