Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.
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Vorstellung der Projektskizze: Charakterisierung des Laser-Pulverauftragschweißen für die schnelle, flexible und direkte Erzeugung leitfähiger Strukturen auf dreidimensionalen Keramiksubstraten [CeraClad]

Beschreibung

Multifunktionale dreidimensionale Baugruppen, sogenannte Mechatronic Integrated Devices (kurz 3D MID), sind räumliche Formteile mit integrierten Leiterbahnstrukturen, die sowohl mechanische als auch elektrische Funktionen in einem Bauteil vereinen. Folglich bietet die MID-Technologie enorme technische Rationalisierungspotenziale hinsichtlich Materialeinsatz und Prozesskette im Vergleich zu konventionellen Leiterplattentechnologien. Trotz des vorhandenen Technologie-Potenzials und vereinzelten industriell realisierten Applikationen existieren aktuell einige wirtschaftliche und technologische Hürden, die insbesondere den Einstieg kleiner und mittlerer Unternehmen in dieses innovative Technologiefeld erschweren. Hierbei handelt es sich unter anderem um lange Prozesszeiten, hohe Prozesskosten und abhängig vom verwendeten Herstellungsverfahren Limitierungen in der räumlichen Gestaltungsfreiheit der 3-D Schaltungsträger. Ebenso bestehen, trotz des stetig steigenden Bedarfs an Keramikschaltungsträgern im Bereich erneuerbarer Energien und elektrischer Antriebe, hohe Hürden bei der Fertigung dieser leistungselektronischen Komponenten aufgrund komplexer Prozessketten und Anlagentechnik. Als Lösungsansatz der dargestellten Hürden wird im geplanten Forschungsprojekt das Laser-Pulverauftragschweißen (kurz: DED-LB/M; engl. Laser based Direct Energy Deposition of Metals; coll. Laser-Cladding), welches ein industriell-etabliertes Verfahren zur Beschichtung und Reparatur metallischer Investitionsgüter ist, für die direkte Herstellung leitfähiger Strukturen auf 3D Keramiksubstraten erforscht werden. In diesem Zusammenhang besteht die wissenschaftlich-technische Herausforderung darin, Strukturen mit hoher elektrischer Leit- und Stromtragfähigkeit auf Basis metallischer Pulverwerkstoffe durch Laser-Pulverauftragschweißen direkt auf der Keramikoberfläche abzuscheiden ohne aufwendige vor- und nachgelagerte Prozessschritte einzusetzen.

Abbildung 1: Prozesstechnik: 5-Achs Laserauftragschweißanlage; Quelle: LPT

Hierfür muss der Metallisierungsprozess dahingehend weiterentwickelt werden, dass das keramische Trägersubstrat beim Auftrag der Metallisierung infolge der thermischen Wechselwirkung mit dem einfallenden Laserstrahl und dem aufgeschmolzenen Metallpulver nicht durch Spannungsrisse beschädigt wird. Aus wissenschaftlicher Sicht ist eines der Hauptziele, den Einfluss von Prozessparametern und Werkstoffeigenschaften auf den Prozess und die resultierenden Struktureigenschaften zu untersuchen. Zudem wird die Identifizierung von geeigneten Metall-/Keramik-Materialkombinationen Inhalt wissenschaftlicher Untersuchungen sein. Im Rahmen des Projektes sind zunächst einfache linienförmige Leiterbahnen und im weiteren Verlauf auch komplexere Leiterbahnstrukturen wie z.B. Mäanderstrukturen oder asphärische Leiterbahnzüge aus maßgeblich kupferbasierten Metallisierungswerkstoffen direkt auf keramische Trägersubstrate mittels DED-LB/M Verfahren geplant. Das thermomechanische Spannungsverhalten der Keramik spielt hierbei eine entscheidende Rolle für den Metallisierungsprozess und die resultierenden Struktureigenschaften. In vergangenen Forschungsvorhaben konnten bereits transparente Thermoplaste wie Trogamid aufgrund seines geringes Laser-Absorptionsvermögens erfolgreich im DED-LB/M Verfahren metallisiert werden. Als Erkenntnis der bisherigen Vorarbeiten wurde jedoch die Notwendigkeit keramisches Trägermaterial anstelle von Thermoplasten für hochstromtragfähige Strukturen einzusetzen, welche ggf. auch Betriebswärme aus verlustleistungsintensiven Bauelementen effizient abführen können, identifiziert. In diesem Zusammenhang werden anhand statistischer Versuchsplanung Prozessparameterfenster zur direkten Erzeugung leitfähiger Strukturen auf Keramik abgeleitet werden. Die Haftung der abgeschiedenen Metallschicht zur Keramik beruht auf einer Art mechanischer Verkeilung (formschlüssige Verbindung) zwischen dem im schmelzflüssigen Zustand aufgebrachten Metallisierungswerkstoff und der rauen Keramikoberfläche. Durch etablierte und einfache thermische und atmosphärenmodifizierte Nachbehandlungsprozesse besteht des Weiteren die Möglichkeit, die Haftfestigkeit durch Grenzflächeninteraktion noch erheblich zu erhöhen. Zudem ist von den abgeschiedenen Kupferleiterbahnen mit durchgängig verschmolzenem Leiterbahnkern eine hervorragende Stromtragfähigkeit zu erwarten. Im Rahmen von sowohl aktiven Belastungstests als auch passiver Umweltsimulation werden Versagensmechanismen der aufgetragenen Kupfermetallisierungen bzw. des Werkstoffverbundes untersucht werden, um deren Einfluss auf die Struktureigenschaften und des Werkstoffverbunds zu analysieren.

Forschungsziel

Das Forschungsziel ist die Qualifizierung und Etablierung eines effizienten und flexiblen Verfahrens zur direkten Erzeugung dreidimensionaler Keramikschaltungsträger für leistungselektronische Anwendungen. Zur Erreichung dieses Ziels kommt das Laser-Pulverauftragschweißen zur selektiven Kupferabscheidung auf 3D Keramiken zum Einsatz. Für die geplante Zielanwendung ist das zum Einsatz kommende Verfahren einzigartig, innovativ und in der Literatur noch weitgehend unbekannt. Als Ergebnis ist der Aufbau eines funktions- und leistungsfähigen 3D Demonstrators geplant.

Abbildung 2: Keramik-Metall Demonstrator, Pseudolegierung; Quelle: LPT
Abbildung 3: CLADMID Demonstrator; Quelle: LPT, FAPS

Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU

Aufgrund der flexiblen und effizienten Möglichkeit zur Fertigung leistungselektronischer 3D Keramikschaltungsträger mittels Laser-Pulverauftragschweißens (Laser-Pulverauftragschweißen) ist dieses Verfahren zum Einsatz durch KMU prädestiniert. Zumal sind die erforderlichen konventionellen IR-Laserquellen oftmals bereits bei KMU vorhanden und bedürfen lediglich einer Adaption. Dadurch werden KMU in die Lage versetzt durch die Energiewende und die Elektrifizierung der Mobilität am enorm wachsenden Markt für Inverterkomponenten teilzuhaben und ihre Wettbewerbsfähigkeit zu behalten und auszubauen. Die F&E-Ergebnisse des Projektes werden direkt zur Umsetzung marktfähiger Produkte bei KMU beitragen. Durch ein begrenztes Maß erforderlicher Investitionen werden die Markteintrittsbarrieren für KMU zur Anwendung des Laser-Pulverauftragsschweißens möglichst klein gehalten.

Projekt-begleitende Unternehmen

Die Forschungsvereinigung 3-D MID e.V. sucht weiterhin nach projekt-begleitenden Unternehmen. Bei Interesse, melden Sie sich gerne telefonisch (+49 911 5302-9101) bei der Geschäftsstelle oder via E-Mail (info@3dmid.de). E-Mail an Geschäftsstelle

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