Beschreibung
Industriell werden mechatronisch integrierte Baugruppen (Mechatronic Integrated Devices – MID) aktuell vornehmlich auf thermoplastischen Substraten hergestellt. Für die etablierten Anwendungen wie Smartphone-Antennen, Sensoren für Industrieanlagen und Automotive-Anwendungen sowie zur Positionierung von Schaltern bietet dieses Vorgehen eine ideale Lösung. Räumliche Schaltungsträger aus Kunststoff können jedoch die erhöhten Anforderungen häufig nicht mehr erfüllen: So fordern neue Mobilfunkstandards für Basisantennen bessere Hochfrequenzeigenschaften und höhere Zuverlässigkeit auch unter harschen Bedingungen, miniaturisierte Fühler im Internet of Things (IoT) insb. für hohe Temperaturen und Drücke können nur über eine räumliche Formgebung umgesetzt werden, Hochleistungs-LED auf 3D-geformten Lampen und RADAR-Sensoren für das autonome Fahren können auf Basis keramischer 3D-Substrate leistungsfähiger, effizienter und kleiner ausgelegt werden.
Keramikbasierte räumliche Schaltungsträger besitzen die notwendigen Eigenschaften diesen Herausforderungen gerecht zu werden. Für die Herstellung dieser Keramik-MID bestehen jedoch noch Einschränkungen, welche eine breite industrielle Umsetzung aus technologischen oder wirtschaftlichen Gründen behindern: Dabei wurden anfänglich schlecht steuerbare und teure Laserquellen mit Wellenlängen von 248 μm oder 308 μm verwendet [1, 2]. Weitere Untersuchungen verwenden spezielle Sinterbedingungen und Pikosekunden gepulste Laser [3]. Dabei wird der Sintervorgang unter Wasserstoffatmosphäre durchgeführt, was einen erheblichen Mehraufwand gegenüber dem Industriestandard bedeutet. Ein anderer Ansatz sieht eine Modifikation des keramischen Ausgangsmaterials vor und versetzt dieses mit Kupferoxid, um die Absorption der Laserstrahlung bei 1.064 nm zu verbessern [4] [5]. Dies bedeutet jedoch, dass die Materialqualifizierung vollständig neu durchgeführt werden muss und die Eigenschaften der Keramik verändert werden.
Ziel des Vorhabens ist daher die Herstellung von dreidimensionalen Keramik-MID durch eine geschickte Anpassung des LDS-Prozesses (Laserdirektstrukturierung bzw. Laser-Strukturierung). Dies wird durch eine Oberflächen-Vorbehandlung der keramischen Substrate ermöglicht, die nach der Laser-Strukturierung restlos entfernt werden kann und damit keinerlei Auswirkungen auf das fertiggestellte Produkt hat. Der Grundkörper wird dazu mit einer Farbe, welche die Laserstrahlung bei 1.064 nm zu über 95 % (gegenüber etwa 3 % bei der unbehandelten Keramik) absorbiert, beschichtet. Der Grundkörper kann dann mit niedrigen Laserleistungen von etwa 9 W strukturiert werden. Die Farbe kann abschließend im ohnehin notwendigen Ultraschallbad vollständig entfernt werden. Voruntersuchungen zeigen hervorragende Ergebnisse, welche in dem Vorhaben nun verifiziert, weiterentwickelt und für den Einsatz in KMU aufbereitet werden sollen. Zudem soll der Prozess mit oben genannten Verfahren verglichen werden und Zuverlässigkeitsuntersuchungen unterzogen werden.
Abbildung 1: Die Laser von LPKF sind bereits komplett für die Strukturierung von 3D MID ausgelegt und vorbereitet; Quelle: LPKF
Forschungsziel
Ziel des Forschungsvorhabens ist es einen industriefähigen 3D-fähigen Prozess zur Vorbehandlung, Strukturierung und Metallisierung von technischen relevanten, kommerziellen Keramiken (z.B. Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zirkoniumoxid) zu etablieren und die Zuverlässigkeit derartig hergestellter Produkte zu validieren. Als Nachweis sollen zum Projektende Beispielanwendungen des projektbegleitenden Ausschusses (PA) umgesetzt werden.
Durch umfassende Laserparameterstudien mit einem LPKF Fusion IR-Laser (FAPS) und einem Pikosekunden gepulsten grünen Laser von EdgeWave (Hahn-Schickard) werden verschiedene Vorbehandlungen (bspw. Acryl-Spray, Kreidespray, Tauchlack) auf technischem Aluminiumoxid untersucht. Diese werden durch Bestimmung der Metallisierungsschichtdicke, der Oberflächenrauheit und der Haftfestigkeit der Metallisierung beurteilt. Durch diese Ergebnisse werden die Vorbehandlungsmethoden eingegrenzt und Zuverlässigkeitsuntersuchungen (Temperaturschocktests, Feuchte-Wärme-Auslagerung, Hochtemperaturauslagerung) unterzogen sowie die Adaption auf andere keramische Substrate analysiert. Anschließend wird auch eine exakte Kompensation der Maßabweichung zwischen der Strukturierung und der Metallisierung berechnet. Zur Vorbereitung dreidimensionaler Applikationen wird die 3D-Fähigkeit der Beschichtung erarbeitet und durch einen dreidimensionalen Demonstrator verifiziert.
Abbildung 2: LDS-Prozess inkl. Vorbehandlung; Quelle: Hahn-Schickard, Lehrstuhl FAPS (FAU)
Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU
Auf elektronische Baugruppen mit besonderen Anforderungen spezialisierte Anbieter:innen und Anwender:innen (siehe PA) können mittels des geplanten, kostengünstigen Herstellungsverfahrens für 3D-Keramik-MID ihre Geschäftsfelder signifikant stärken und sich im internationalen Elektronikmarkt wettbewerbsfähig positionieren. Hersteller der LDS-Technologie (Laserdirektstrukturierung bzw. Laser-Strukturierung) auf Thermoplasten werden durch die Projektergebnisse befähigt ihre Dienstleistungen auch auf keramischen Substraten anzubieten. Dadurch wird deren Anwendungsgebiete erweitert. Durch die umfassenden Parameterstudien ist es den Unternehmen möglich das Parameterfenster für kommende Applikationen bereits maßgeblich einzugrenzen. Zudem profitieren die Unternehmen von der berechneten Kompensation der Maßtreue, sodass in wenigen Iterationen ein exaktes Layout mit eng definierten Abmaßen möglich ist. Als beispielhafte Anwendungen kommen Basisantennen für Mobilfunk, aber auch Hochtemperatur-Sensorik oder Implantat-Applikationen in Frage.
Forschungsinstitute
Für weitere Kontaktdaten, kontaktieren Sie bitte die Geschäftsstelle. E-Mail an Geschäftsstelle
Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl FAPS
Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
Institut für Mikroaufbautechnik
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
Quellen
[1] SHAFEEV, G.A. Laser activation and metallisation of oxide ceramics [online]. Advanced Materials for Optics and Electronics, 1993, 2(4), S. 183-189. ISSN 1057-9257. Verfügbar unter: doi:10.1002/amo.860020405
[2] DESILVA, M.J., A.J. PEDRAZA und D.H. LOWNDES. Electroless copper films deposited onto laser-activated aluminum nitride and alumina [online]. Journal of Materials Research, 1994, 9(4), S. 1019-1027. ISSN 0884-2914. Verfügbar unter: doi:10.1557/JMR.1994.1019
[3] ERMANTRAUT, E., H. MULLER, W. EBERHARDT, P. NINZ, F. KERN, R. GADOW und A. ZIMMERMANN. New Process for Selective Additive Metallization of Alumina Ceramic Substrates [online]. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2019, 9(1), S. 138-145. ISSN 2156-3950. Verfügbar unter: doi:10.1109/TCPMT.2018.2881410
[4] NINZ, P., F. KERN, S. PETILLON, W. EBERHARDT, A. ZIMMERMANN und R. GADOW. Selective laser induced autocatalytic metallization of NiO and Cr2O3 doped alumina zirconia ceramic substrates [online]. Journal of the European Ceramic Society, 2020, 40(11), S. 3733-3743. ISSN 09552219. Verfügbar unter: doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2020.01.026
[5] BACHY, B., R. SÜß-WOLF, L. WANG, Z. FU, N. TRAVITZKY, P. GREIL und J. FRANKE. Novel Ceramic-Based Material for the Applications of Molded Interconnect Devices (3D-MID) Based on Laser Direct Structuring [online]. Advanced Engineering Materials, 2018, 20(7), S. 1700824. ISSN 14381656. Verfügbar unter: doi:10.1002/adem.201700824
