MID Zukunftstechnologie für mechatronisch integrierte Produkte

Transkript

1 MID Zukunftstechnologie für mechatronisch integrierte Produkte Die innovative Technologie räumlich integrierter elektronischer Schaltungsträger (MID Molded Interconnect Devices) ermöglicht die direkte Verbindung von mechanischen, elektronischen und optischen Funktionen auf spritzgegossenen Teilen oder Folien. Damit verbinden sich vielfältige Vorteile der Miniaturisierung, erhöhter Gestaltungsfreiheit, Materialeinsparung und verkürzter Prozessketten. MID-Lösungen werden heute bereits in nahezu allen Bereichen elektronischer Baugruppen eingesetzt. Vor allem die Automobilindustrie ist mit vielfältigen Serienanwendungen ein wesentlicher Treiber der MID-Entwicklung geworden. Moderne Fahrzeuge werden verstärkt mit intelligenten Funktionen und Sicherheitsmerkmalen ausgestattet der begrenzte Bauraum erhöht dabei den Zwang zur Miniaturisierung mit MID. Diese zukunftsweisende Technologie wird zunehmend auch in der Industrieautomatisierung, in der Telekommunikation sowie in der Medizintechnik erfolgreich eingesetzt. Trotz zahlreicher Vorteile von MID in Design und Produktion sowie vieler erfolgreicher Serienanwendungen ist der Einstieg weiterer Unternehmen in diese Technologie oft noch ein schwieriger Prozess. Die Hemmnisse liegen oft weniger in der verfügbaren Technologie, sondern vielfach in unzureichenden Informationen und fehlenden Projekterfahrungen. Zur nachhaltigen Technologieförderung wurde deshalb bereits 1992 die Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.v. gegründet. Derzeit gehören ihr etwa 70 Industrieunternehmen und Forschungsinstitute an, die sowohl Großunternehmen als auch die Breite des Mittelstands repräsentieren und technologisch die gesamte Prozesskette in MID abdecken. Zur Förderung und Weiterentwicklung der MID-Technologie werden zahlreiche Projekte im Rahmen der Gemeinschaftsforschung durchgeführt. Darüber hinaus wird mit gemeinsamer Informationsarbeit und Marketingmaßnahmen die verstärkte Marktdurchdringung dieser attraktiven Technologie unterstützt. Zum international herausragenden Informationsforum zur MID- Technologie ist inzwischen die zweijährige Konferenz in der Metropolregion Nürnberg geworden, das nächste Treffen ist am 29. und 30. September 2010 in der Stadthalle Fürth. Neben vielen weiteren Messepräsentationen ist die Teilnahme der 3-D MID e.v. mit einem Gemeinschaftstand an der Productronica in München eine besondere Informationsplattform geworden. Als Motivation für Forschung und Innovation zu MID verleiht die Forschungsvereinigung regelmäßig einen Industriepreis für herausragende neue Anwendungen und einen Nachwuchspreis an Hochschulabsolventen. Zur vertiefenden Information über Technologien und Lösungen sowie zur allgemeinen Kontaktaufnahme erwartet Sie die Homepage In den nachfolgenden Beiträgen stellen verschiedene Industriepartner aus der Forschungsvereinigung aktuelle Entwicklungen vor. Nach verschiedenen Analysen und Fallstudien werden in der MID- Technologie zukünftig besondere Wachstumspotentiale erwartet. Dies betrifft sowohl die Anwendungsbreite durch verstärkte Elektronikanwendungen in neuen Marktsegmenten als auch die Stückzahlen durch weiter optimierte Fertigungsanlagen. Unterstützt wird die Innovationskraft in der MID-Technologie auch durch neue problemorientierte Entwurfssysteme, welche die CAD-Funktionen mechanischer Konstruktion mit den spezifischen Anforderungen des Schaltungsentwurfs vernetzen. Mit dem Anschluss an Technologieprozessoren und Simulationswerkzeuge wird der MID-Entwurf optimiert und die Projektentscheidung verbessert. Prof. Dr.-Ing. Klaus Feldmann Vorsitzender Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.v. PLUS 11 /

2 Sonderteil MID Molded Interconnect Devices Kurzgefasst Anwendungsfelder Die Anforderungen an elektronische Baugruppen hinsichtlich Funktionalität, Integrationsdichte, Zuverlässigkeit sowie Kosten sind entsprechend den unterschiedlichen Anwendungsgebieten stark angestiegen, wodurch die Forderung nach mechatronischen Lösungskonzepten forciert wird. Insbesondere Molded Interconnect Devices (MID) ermöglichen durch die enorme Gestaltungsfreiheit die Realisierung hochintegrierter Systeme und durch das hohe Rationalisierungspotenzial die Optimierung des Produktionsprozesses. Technologische Fortschritte im Bereich der Strukturierung, der Metallisierung, der Aufbau- und Verbindungstechnik, aber vor allem der Kunststoffe haben die Entwicklung spritzgegossener Schaltungsträger beschleunigt. Hohes Integrationspotenzial Räumliche Elektronische Baugruppen sind nahezu beliebig geformte Spritzgussteile mit integrierter Leiterbildstruktur. Charakteristisch ist die direkte stoffliche Integration von Mechanik und Elektronik auf einem Bauteil. Die Nutzenpotenziale ergeben sich durch die geometrische Gestaltung und die selektive Strukturierung und Metallisierung. Die 3D- Anordnung ermöglicht definierte Winkel zwischen Bauelementen, das Stapeln und präzise Positionieren von Chips sowie die Erzeugung von Kavitäten. Die Flexibilität des MID-Layouts ermöglicht die direkte Darstellung von Tast- oder Antennenstrukturen, durch ein entsprechendes Design lassen sich Befestigungselemente, Versteifungen und Kühlrippen ins Gehäuse integrieren. Abb. 1: Interdisziplinäre Zusammenarbeit entlang der gesamten Prozesskette bei räumlichen elektronischen Baugruppen MID 2620 PLUS 11 /2009

3 Rechnergestützte Produktentwicklung Die Umsetzung innovativer Produktideen erfordert umfangreiches Entwicklungs-Know-how und die entsprechende Rechnerunterstützung. Dabei genügt der Einsatz klassischer Konstruktionssoftware für Mechanik und Schaltungsentwurf nicht den Anforderungen von MID. Neben einer dreidimensionalen Entwicklungsumgebung für die Darstellung des räumlichen Schaltungsträgers ist die Integration von Konstruktionsbefehlen aus verschiedenen domänenspezifischen Softwarepaketen notwendig. Herstellungsverfahren und Materialauswahl Für die Realisierung einer elektronischen Baugruppe auf Basis spritzgegossener Schaltungsträger sind die Materialauswahl und ein anforderungsgerechtes Strukturierungsverfahren entscheidend. Die Materialauswahl muss entsprechend den Anforderungen am Einsatzort und der Herstellung angepasst werden. Bedingt durch gesetzliche Bestimmungen, neue Einbauorte, steigende Zuverlässigkeitsanforderungen und zunehmender Integration, ist ein wachsender Anteil der MID-Produkte immer höherer, vor allem thermischer Beanspruchung ausgesetzt. Für die Strukturierung der thermoplastischen Grundkörper existieren verschiedene Verfahren, die entsprechend der Stückzahl und der Komplexität des Schaltungsbildes auszuwählen sind. Beim Heißprägen, einem produktiven Verfahren ohne chemische Prozesse, wird eine Kupferfolie mit einem beheizten Stempel, der die Leiterbildstruktur erhaben darstellt, direkt auf den Grundkörper geprägt. Die stückzahl- und variantenflexible Fertigung von MID wird durch das Laserdirektstrukturieren (LDS) ermöglicht. Für eine hohe geometrische Freiheit und hohe Stückzahlen eignet sich der Zweikomponentenspritzguss mit anschließender Metallisierung. Aufbau- und Verbindungstechnik Die Auswirkungen des Designs spritzgegossener Schaltungsträger auf die weitere Prozesskette der Aufbau- und Verbindungstechnik hängen maßgeblich von der räumlichen Komplexität der Baugruppe ab. Bei einfachen Baugruppen können die Standardprozesse Dispensen des Verbindungsmediums, Bauelementbestückung und Reflowlöten/Leitkleben eingesetzt werden. Mit zunehmender 3D-Komplexität wird jedoch eine Modifizierung beziehungsweise Anpassung der Prozesse erforderlich. Design for Manufacturing Die Herausforderungen für ein optimales MID-Design sind demzufolge die gleichzeitige Berücksichtigung der technischen Anforderungen, die an die Baugruppe gestellt werden und die fertigungstechnische Realisierbarkeit. Bereits in der frühen Konstruktionsphase müssen die spezifischen Eigenschaften der MID-Technologie während des Fertigungsprozesses berücksichtigt werden. Die Kenntnis aller Anforderungen der gesamten Prozesskette (Werkstoffauswahl, mechanisches und elektrisches Design, Spritzguss, Strukturierung, Metallisierung, Aufbau- und Verbindungstechnik) ab der ersten konzeptionellen Idee ist eine wesentliche Voraussetzung für den Projekterfolg (Abb. 1). Abb. 2: Diskussion aktueller MID-Anwendungsbeispiele Informationsaustausch sichert erfolgreiche Projekte Kontakt Christian Goth, Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen, 3-D MID e.v., Nordostpark 91, D Nürnberg, PLUS 11 /

4 Das Material als Ausgangsbasis für ein funktionsfähiges LDS-MID Dipl.-Ing. Ralf Jantz, Lanxess Deutschland GmbH, Dormagen Konventionelle Leiterplatten sind robust, zuverlässig und haben sich seit Jahrzehnten in der täglichen Praxis bewährt. Herstellungsbedingt sind sie jedoch nur als zweidimensionale Bauteile einsetzbar, wodurch sich in vielen Anwendungsfällen Einschränkungen beim Design der Bauteile ergeben. Daher wird seit vielen Jahren intensiv an der Herstellung von spritzgegossenen Schaltungsträgern geforscht. Neben der Dreidimensionalität vereinen diese auch als MID (Molded Interconnect Device) bezeichneten Systeme mechanische und elektrische Funktionen in einem Teil. 3D-MID Dreidimensionale Schaltungsträger Dreidimensionale spritzgegossene Schaltungsträger gelten als die Technologie, um komplexe elektrische und elektronische Baugruppen zu miniaturisieren und durch die Integration von Funktionen zu verdichten. Leiterbahnen und elektronische Komponenten können direkt auf diese aufgebracht werden. Platinen und Leitungskabel sind überflüssig. Auch anspruchsvolle Mechatroniksysteme, die elektrische und mechanische Funktionen in sich vereinen, sind mit ihnen umsetzbar. Das LPKF-LDS -Verfahren Flexibel bei hoher Gestaltungsfreiheit Zur Herstellung von MIDs etabliert sich mehr und mehr die Laserdirektstrukturierung*, wie LPKF- LDS, die von der LPKF Laser & Electronics AG entwickelt wurde. Sie ist eine Alternative zu den herkömmlichen Produktionsverfahren von MIDs wie zum Beispiel 2K-Spritzgießen, Stanzbiegen oder Heißprägen. Das innovative LDS-Verfahren (schematische Darstellung in Abb. 1) geht von Thermoplasten aus, die mit einem metalloxidhaltigen Katalysator additiviert sind. Zunächst wird das dreidimensionale Formteil spritzgegossen, dann brennt ein Laser auf dessen Oberfläche ein hoch aufgelöstes Schaltungsbild. Dabei verdampft die oberste Polymerschicht, was die Metallisierungskeime des Additivs freilegt und aktiviert. In diesen aktivierten Bereichen bildet sich anschließend in einem stromlosen Metallisierungselektrolyt eine Kupferschicht. Je nach Anwendungsfall können noch weitere metallische Schichten zum Beispiel aus Nickel und Gold aufgebracht werden. Die einzelnen Beschichtungsprozesse werden Nass-in-Nass durchgeführt, wobei nach jedem Prozessschritt auf eine gute Spülung zu achten ist. Mit dem LDS-Verfahren lassen sich nicht nur sehr schmale (<150 µm), sondern auch sehr eng beieinander liegende Leiterbahnen herstellen. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber dem 2K-Spritzguss und * Die Anwendung des Verfahrens der Laserdirektstrukturierung (LDS) kann von Schutzrechten Dritter abhängig sein, wie beispielsweise EP B1, EP und EP B1. Abb- 1: Prozesskette zur Herstellung eines LDS-MIDs 2622 PLUS 11 /2009

5 dem Heißprägen. Auch Durchkontaktierungen sind einfach realisierbar. Die Vorteile des LDS-Verfahrens: große Gestaltungsfreiheit Miniaturisierung der Bauteile Montagevereinfachung keine kostenintensiven Werkzeugwechsel bei Änderungen des Leiterbahnlayouts direkte Übertragung des Schaltungslayouts aus CAD-Programmen auf das Bauteil hohe Flexibilität bei Layoutwechseln Spezielle Materialien für das LDS-Verfahren Die Entwicklung von LDS-fähigen Materialien erfordert viel Know-how und umfangreiche Tests. Das benötigte Additiv muss gleichmäßig im Compound verteilt und in ausreichender Konzentration vorhanden sein. Die Prozessparameter der gesamten Produktionskette Formteil Strukturierung Metallisierung Bestückung (einschließlich Löten) müssen aufeinander abgestimmt sein, um einen sicheren Produktionsablauf zu gewährleisten. Inzwischen gibt es mehrere Materialien, die entsprechend additiviert für das LDS-Verfahren eingesetzt werden können. Der Entwickler muss festlegen, welche der angebotenen Materialklassen am besten das geforderte Eigenschaftsprofil erfüllt. Insbesondere wird die Auswahl stark eingeschränkt, wenn die metallisierten Bauteile auch bestückt und gelötet werden sollen. Pocan für die Laserdirektstrukturierung Eigenschaften nach Maß Pocan ist der Handelsname der Lanxess Deutschland GmbH für die Produktklasse der thermoplastischen Polyester auf Basis von Polybuthylenterephthalat (PBT) und Polyethylenterephthalat (PET). Die vorteilhaften Grundeigenschaften von Pocan sind: hohe Wärmeformbeständigkeit hohe Festigkeit und Härte hohe Abriebfestigkeit gute Chemikalienbeständigkeit gute elektrische Isolations- und dielektrische Eigenschaften hohe Kriechstromfestigkeit geringe Feuchtigkeitsaufnahme Lanxess hat verschiedene Pocan-Varianten für das LDS-Verfahren maßgeschneidert. Sie sind so optimiert, dass der Anwender ein möglichst breites Verarbeitungsfenster von der Materialvorbereitung über das Spritzgießen und Lasern bis hin zum Metallisieren und eventuellen nachträglichen Löten nutzen kann. Wenn MIDs thermisch besonders beansprucht sind, ist der Hochtemperatur-Typ Pocan DP T 7140 LDS das Material der Wahl. Praxisprüfungen bestätigen, dass dieses Material für die gängigen Reflowlötverfahren (Heißluft, Dampfphasenlöten) mit kurzzeitig auftretenden Temperaturspitzen bis zu 280 C geeignet ist. Solche Lötprozesse sind für viele Anwendungen von MIDs erforderlich. Wenn Verzugsarmut und eine hohe Oberflächenqualität im Vordergrund stehen, bietet sich Pocan DP 7102 an. Zusätzlich besitzt dieser Polyester eine gute Fließfähigkeit, was eine hohe Produktivität und Wirtschaftlichkeit bei der Fertigung sicherstellt. Alle genannten Typen weisen ein großes Verarbeitungsfenster während des LDS-Prozesses auf. Konstruktion und Verarbeitung Die Oberflächenbeschaffenheit von Spritzgussbauteilen ist von großer Bedeutung für die Effizienz der Laserdirektstrukturierung und des anschließenden Metallisierungsprozesses. Ebenso soll das Bauteil ein möglichst verzugsfreies Verhalten aufweisen. Dazu müssen bei Konstruktion und Verarbeitung die allgemeinen Richtlinien für technische Kunststoffe beachtet werden, zum Beispiel: Möglichst gleichmäßige Wanddicke im gesamten Bauteil Das Angusssystem soll ein gleichmäßiges Füllen der Spritzgussform gewährleisten Das Werkzeug muss über ein geeignetes Kühl-/ Heizsystem verfügen, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Form zu erreichen Erforderliche Größe der Einspritzdüse beachten (Dosierung 1D bis 3D) Hohe Werkzeugtemperatur wählen, um dem Bauteil Zeit zur Nachkristallisation zu geben PLUS 11 /

6 Pocan DP 7102 und DP T 7140 LDS können in allen gängigen Spritzgussmaschinen verarbeitet werden. Wichtig ist, dass die Empfehlungen hinsichtlich Trocknung, Schmelze- und Werkzeugtemperaturen eingehalten werden. Beim LDS-Verfahren müssen zusätzliche Regeln und Hinweise beachtet werden, um beim Strukturieren und Metallisieren optimale Ergebnisse zu erreichen. Entsprechende Richtlinien wie beispielsweise Hinweise zur Leiterbahnbreite Einfallswinkel des Laserstrahls Lage von Bindenähten und Auswerferstifte Gestaltung von Durchkontaktierungen konstruktive Details (z. B. keine Auswerfer an Stellen platzieren, die strukturiert werden sollen) Verwendung optimaler Laserparameter (z. B. abhängig von Material, Oberflächenglanz) Festlegung des Metallisierungsverfahrens (z. B. Trommeln oder Haltevorrichtungen vorsehen) wurden erarbeitet und können bei den Rohstoffherstellern oder auch LPKF erfragt werden. Breit gefächertes Anwendungspotenzial Das Einsatzpotenzial des LDS-Verfahrens mit Pocan ist sehr groß. Es reicht von der IT- und Haushaltsgeräteindustrie über die Medizintechnik bis hin zum Maschinenbau und der Unterhaltungselektronik. Abbildung 2 zeigt beispielhaft einen RFID-Transponder. Ein Chip ist mit der in LDS-Technologie hergestellten Antennenstruktur verbunden und kann per Funk gelesen und beschrieben werden. Abb. 2: RFID-Transponder aus Pocan DP T 7140 LDS (Fa. Harting AG, Biel) Im Prinzip bietet sich das Verfahren überall dort an, wo dreidimensionale elektrische und elektronische Baugruppen möglichst kompakt und mit einer Vielzahl von Funktionen ausgestattet sein müssen. Bisher nutzt vor allem die Elektro-/Elektronikindustrie die Vorzüge der LDS-Technik. Zum Beispiel können mit ihrer Hilfe Stecker, Steckerplatinen und Steckverbinder, ISDN-Anschlusssockel und -steckdosen, Sensoren und Antennen gefertigt werden. Große Anwendungschancen bestehen aber auch im Automobilbau so etwa bei der Produktion von Drehgebern, Sensorgehäusen, Aktuatoren, Steuerungskästen, Lenkradmodulen und elektronischen Komponenten von Schließsystemen. Qualitätssicherung Durch den zunehmenden Einsatz der Laserdirektstrukturierung in der Industrie bekommt die Qualitätssicherung einen immer größer werdenden Stellenwert. Insbesondere bei der LDS-Technologie ist es sehr wahrscheinlich, dass die einzelnen Prozessschritte (Spritzguss, Lasern, Metallisieren, Bestücken) in verschiedenen Abteilungen, wenn nicht sogar in verschiedenen Unternehmen durchgeführt werden. Dabei ist die Übergabe eines qualitativ hochwertigen Produktes an jeder Schnittstelle unabdingbar. Die bereits zahlreich durchgeführten LDS-Projekte haben gezeigt, dass es von großem Vorteil ist, wenn sich alle Prozessbeteiligten bereits zu einem frühen Zeitpunkt des Projektes abstimmen und alle LDSrelevanten Fragestellungen erörtern. Hierzu gehört insbesondere die Beachtung und Diskussion der oben genannten Konstruktions- und Verarbeitungsrichtlinien. Zusammenfassung Polyester (PBT, PET und Blends) sind eine ausgezeichnete Wahl für den LDS-Prozess. Sie eröffnen ein weites Einsatzfeld für dreidimensionale MID- Bauteile. Für bleifreie Lötprozesse empfiehlt sich das hochtemperaturbeständige Pocan DP T 7140 LDS ( Der Anwender wird vom Rohstoffhersteller mit dem nötigen Know-how im Bezug auf Konstruktion und Verarbeitung von spritzgegossenen LDS-Bauteilen unterstützt. Hinweis: LPKF-LDS ist eine eingetragene Marke der LPKF Laser & Electronics AG 2624 PLUS 11 /2009

7 Wir freuen uns auf Ihren Besuch! Halle B3, Stand 275

8 LPKF-LDS -Verfahren auf der Überholspur Dr. Wolfgang John, LPKF Laser & Electronics AG Unter den verbreitetsten MID-Verfahrenstechniken 2K-Spritzguß, Heißprägen und Laserdirektstrukturierung hat zweifelsfrei die LPKF-LDS -Technologie in den letzten Jahren den größten Anteil am Wachstum der MID-Technologie, insbesondere aus weltweiter Sicht. Erst kürzlich hat Molex als Global Player unter den Herstellern von Elektronikkomponenten über die Auslieferung der zwanzigmillionsten Antenne für Mobiltelefone in LDS-Technik informiert. Dr. Ellen Maaßen (seit kurzem McMillan), Direktorin der Antenna Business Unit von Molex Inc. in Shanghai, einigen Lesern noch als aktive Mitgestalterin der deutschen MID-Szene in der zweiten Hälfte der 90er Jahren bekannt, sagt: Wir haben die Entwicklung dreidimensionaler Schaltungsträger seit zehn Jahren begleitet und zur Durchsetzung dieser innovativen Technologie beigetragen und fügt hinzu, sie erwarte, dass sich das LDS-Verfahren von LPKF zum Standardprozess im Bereich der Fertigung von Mobilfunkantennen durchsetzen wird. Dies ist nicht verwunderlich, denn das Verfahren verfügt über eine hohe Designflexibilität und erlaubt somit bis unmittelbar vor dem Serienanlauf eines neuen Mobiltelefons das Feintuning des Antennendesigns und somit der HF-Performance. Das wäre beispielsweise im 2K-Spritzguß nicht machbar oder wegen des hohen Änderungsaufwandes des Spritzgusswerkzeuges teuer. Ein weiterer Aspekt kommt hinzu bei immer mehr Funktionalität auf engstem Raum, ist der Trend, weg vom separaten Bauteil Antenne (Abb. 1) und hin zur Integration der Antennen auf die Oberfläche von internen Frames, Kunststoffträgern also, die sowohl elektromechanische als auch elektronische Bauelemente aufnehmen, bei Mobiltelefonen erkennbar. Das zwingt zur Dünnwandtechnik im Spritzguss, was die Integration der Antennenstrukturen in 2K-Technik immer schwieriger umsetzbar werden lässt. Das Anlagenkonzept der bisher weltweit sehr erfolgreich vermarkteten MicroLine 3D-Laseranlagen für die Strukturierung von MIDs nach dem LPKF-LDS - Verfahren basiert auf nur einer Laserquelle, was bei komplexen dreidimensionalen Geometrien ein Drehen des Bauteils notwendig macht und mithin den Laserprozess sequenziell ablaufen lässt. Seit Anfang diesen Jahres steht dem Markt eine von LPKF neuentwickelte Anlagentechnik mit dem Namen Fusion 3D zur Verfügung (Abb. 2), mit der MIDs mit bis zu vier Production Units (der Kombination aus Laserquelle, optischer Z-Achse, Visionsystem) in fixen, entsprechend dem konkreten Kundenprojekt wählbaren Positionen rund um einen Teilkreis von 360 gleichzeitig prozessiert werden können. Zusätzlich mögliche Drehungen des Bauteils im Laser- Abb. 1: Handyantenne als Einzelbauteil in unterschiedlichen Ansichten Abb. 2: Gesamtansicht der Fusion 3D Laseranlage zur Strukturierung von MIDs 2626 PLUS 11 /2009

9 Abb. 3: Blick in den Strukturierungsraum der FUSION 3D Laseranlage mit automatischem Teilehandling raum eröffnen damit wirtschaftlich die nahezu uneingeschränkte Dreidimensionalität des MID-Bauteils. Ergänzt um ein entsprechendes automatisches Handlingsystem (Abb. 3) führt dieses Konzept projektabhängig zu einer Verkürzung der Zykluszeiten um 70 bis 80 %. Entsprechend groß ist die Resonanz auf diese Entwicklung für hochvolumige Produkte, wie Antennen für Mobiltelefone, deren Fertigung nahezu komplett in Asien stattfindet. Von den gut 90 Anlagen zur Strukturierung von MIDs mit dem LPKF-LDS -Verfahren, die weltweit verkauft beziehungsweise die geordert wurden, stehen etwa 80 % in Asien, wo inzwischen bei Global Playern ein hohes Prozess-Know-how für die Massenproduktion erarbeitet worden ist. Aber auch in Europa ist ein erfreulich wachsendes Interesse an dem Verfahren zu verzeichnen. Die Ausgangslage für MID-Anwender ist heute deutlich günstiger, als dies noch in der ersten Hälfte dieses Jahrzehnts, als das Verfahren seinen Markteintritt hatte, der Fall war. Neben der Harting Mitronics AG in der Schweiz als Komplettanbieter der gesamten MID-Prozesskette für das LPKF-LDS -Verfahren sowie für die 2K-Technologie, beginnend vom Design bis hin zur Aufbau und Verbindungstechnik, haben sich Herstellerkonsortien, wie zum Beispiel um Kromberg & Schubert mit ihrem innovativen BMW-Motorradgriffschalter oder um TRW mit ihrem in diesem Jahr in Serie gegangenen Lenkradbedienschaltern für den neuen BMW Z4 gebildet und haben inzwischen ein großes Know-how über die gesamte Prozesskette bis hin zum Managen von Schnittstellenproblematiken erworben. Mit reichlichen Erfahrungen in der MID-Technik ist auch 2E mechatronics auf dem besten Wege, ein erfolgreiches Herstellerkonsortium für das Verfahren aufzubauen. Kontakt Dr. Wolfgang John, LPKF Laser & Electronics AG, Osteriede 7, D Garbsen, Dampfphasenlöten Von Wolfgang Leider. Erste Auflage Seiten mit 130 Abbildungen und 17 Tabellen. ISBN Preis 58, inkl. MwSt., zuzüglich Porto Das Thema Dampfphasenlöten wurde in der Literatur bisher sehr spärlich behandelt. Das Buch soll grundlegend und umfassend über den Prozess informieren, der insbesondere im Hinblick auf die steigende Komplexität elektronischer Flachbaugruppen und ihre geforderte Bleifreiheit als Verbindungsverfahren in der Elektronik immer interessanter wird. Die Ausarbeitung beschäftigt sich in den ersten Kapiteln mit Grundlagen, die zum Verständnis des Verfahrens beitragen, und mit der aktuellen Situation in der SMT-Produktion. Ab Kapitel 12 werden Erfahrungen dargestellt, die der Autor während der Evaluierung des Verfahrens bei der Siemens AG gesammelt hat. Das macht das Buch für alle diejenigen besonders interessant, die erwägen, Dampfphasenlöten in den Fertigungsprozess einzuführen. Eugen G. Leuze Verlag KG Karlstraße 4 D Bad Saulgau Tel / Fax 07581/ brigitte.brotzer@leuze-verlag.de PLUS 11 /

10 Harting erweitert sein 3D-MID-Technologie-Portfolio Michael Grätz, Harting AG Harting ist seit über 5 Jahren als Lieferant von 3D- MID-Teilen am Markt etabliert. Bereits im Jahr 2003 wurde die erste Anlage für Laserdirektstrukturierung (LDS) in Betrieb genommen. Aufbauend auf den gemeinsam mit der LPKF durchgeführten Vorentwicklungen konnte im darauffolgenden Jahr nach kurzer Entwicklungszeit die Serienfertigung des ersten Produkts aufgenommen werden das Mikrofonmodul für die Siemens Audiologische Technik. Als Entwicklungs- und Produktionsstandort wurde die Harting AG in Biel ausgewählt, die 1983 im Zentrum der Schweizer Mikrosystemtechnik und Präzisionstechnologie gegründet wurde. Das Unternehmen verfolgte von Beginn an eine One-Stop-Shop- Strategie. Alle im Verlauf eines Projekts benötigten Leistungen werden im eigenen Haus angeboten. Das betrifft folgende Hauptprozesse: Projektkonzipierung und -bearbeitung Konstruktion / Entwicklung Werkzeugerstellung Spritzguss Laserstrukturierung Metallisierung Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) Endprüfung und Tests Der Vorteil für den Kunden liegt auf der Hand er kann alle Aktivitäten mit einem einzigen Partner abstimmen und bekommt eine komplette Lösung, ohne sich um Zwischenstufen des Produkts und die damit entstehenden Interfaces kümmern zu müssen. Diese Vorgehensweise hat aber auch einen maßgeblichen technischen Vorteil. Bereits in der Konzipierungsphase ist es wichtig, die spezifischen Besonderheiten der MID-Herstellung in das Produktkonzept einfließen zu lassen. Je früher und umfassender das erfolgen kann, umso effektiver kommen die Vorteile der MID-Technologie zum Tragen. Inzwischen wurden Gestaltungsrichtlinien für 3D-MID erarbeitet, mit deren Hilfe der Kunde von Beginn an seine Anforderungen an das Produkt mit der 3D-MID-Technologie abgleichen kann. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Wechselwirkung der Prozesse. Es ist durchaus typisch, dass Probleme aus dem Spritzgussprozess erst nach der Metallisierung zum Vorschein kommen. Gleiches gilt beispielsweise für AVT-Prozesse, die stark von der Güte der Metallisierung abhängig sind. In all diesen Fragen können Korrekturschleifen im eigenen Unternehmen wesentlich effektiver und schneller durchgeführt werden als bei einer Regelung über Firmengrenzen hinweg, bei der jeder Beteiligte bedacht ist, die eigenen Interessen zu wahren. Ein weiterer wichtiger Grundsatz ist die konsequente Qualifizierung von Material und Technologie. Alle derzeit für die 3D-MID-Technologie eingesetzten Materialien wurden einem Standardprogramm für Umwelttests unterzogen (Tab. 1). Dafür werden außer den Kundenprodukten auch Demonstratoren genutzt, die speziell für die Anforderungen der Qualifikationstests entwickelt werden. Mit dem Demonstrator Typ 1 (Abb. 1) wurden die Materialien Vectra E820i LDS (Hersteller: Ticona) und Pocan DP 7102 (Hersteller: Lanxess) erfolgreich getestet. Tab. 1: Harting Umwelttest (Standard) Hochtemperaturtest Temperaturwechseltest +125 C / 1000 h -40 C/+125 C, 1000 Zyklen entsprechend: IEC EN entsprechend: IEC EN Na Hochtemperatur/Feuchte-Beständigkeit Gasgemisch 85 C / 85 % rel. hum., 1000 h Industrieatmosphäre, 21 Tage entsprechend: IEC EN entsprechend: IEC EN PLUS 11 /2009

11 Abb. 1: Demonstrator Typ 1 (LDS-Technologie) Der Demonstrator Typ 2 (Abb. 2) wurde speziell für die Technologie 2-Komponenten-Spritzguss (2K- Technologie) konstruiert. Mit diesem Demonstrator wurden für die Werkstoffkombination Vectra E130 / Vectra E820i Pd alle Prüfungen bestanden. Der Demonstrator Typ 3 (Abb. 3) ist der vorerst letzte in der Reihe der Harting-Demonstratoren. Anhand dieses Demonstrators konnte das Material Vectra E840i LDS qualifiziert und in die Fertigung eingeführt werden. Weitere Qualifizierungsprüfungen galten den AVT- Prozessen. Auch für diese Prozesse wurden analoge Testprogramme gestartet und positiv bestanden. Dafür konnten teilweise die genannten Demonstratoren genutzt werden, auf denen entsprechende Strukturen bereits in der Konstruktionsphase vorgesehen wurden. Als wichtigste Prüfungen in dieser Hinsicht seien hier genannt FlipChip (NCA) auf Vectra E840i LDS SMT auf Vectra E840i LDS (Kleben ICA, Löten bleifrei) Abb. 3: Demonstrator Typ 3 (LDS-Technologie) Drahtbonden (Wedge-Wedge, Al-Draht) auf Vectra E840i LDS, auf Pocan DP-T7140 und auf E820i Pd (2K-Verfahren) Der Grundgedanke, der hinter all diesen Prüfungen steht, ist der, dass bei einer bestandenen Qualifizierungsprüfung diese automatisch für alle Produkte gilt, die aus dem gleichen Material gefertigt werden und keine zusätzlichen Anforderungen stellen. So beschränken sich die allenfalls notwendigen zusätzlichen Prüfungen auf die Fälle, in denen produktspezifisch zusätzliche beziehungsweise erhöhte Anforderungen an die Einsatzbedingungen des Produktes bestehen. Unterstützung in all diesen Fragen erhält die Harting AG durch das firmeneigene akkreditierte Labor Harting Corporate Technology Services, in dem alle Qualifizierungsprüfungen nach Standardprogramm durchgeführt wurden. Hinzu kommen Sonderunter- Abb. 2: Demonstrator Typ 2 (2K-Technologie) PLUS 11 /

12 suchungen, die auf diese Weise kurzfristig im eigenen Haus erfolgen können, wie beispielsweise REM-Untersuchungen (einschließlich EDX) Hochauflösende Querschliff-Untersuchungen Pull- und Schertests Lötbarkeitstests Die Abbildungen 4 und 5 demonstrieren eindrücklich die Untersuchungsmöglichkeiten bei Harting Corporate Technology Services. Abb. 4: REM-Darstellung eines Leitbahndefektes im MID Die momentan in der Harting AG gefertigte Produktpalette zeigt die Lösung verschiedenster technologischer Anforderungen. Als Beispiele seien hier nur einige genannt, in denen typische Problemlösungen umgesetzt wurden: Mikrofonmodul (Durchkontaktierungen in LDS, mehrfach lötbare Oberfläche) 3D-Kompass-Sensormodul (LDS, FlipChip-Bestückung in drei definierten Achsen) CGSS (2K-Technologie, bondbare Oberfläche für Al-Drahtbonden) 3D-MID-Assembly für Radarsensor (LDS, SMD- Bestückung mit hoher Bestück-Genauigkeit (Abb. 6)) Kameramodul (LDS, mehrfache SMD-Bestückung in vier geometrisch definierten Positionen (Abb. 7)) Hülse für Ankontaktierung (LDS, Handlöten, Anwendung in der Medizintechnik) Diese Produktpalette veranschaulicht die umfassende Prozessbeherrschung im Hause Harting. Neueste Arbeiten auf dem Gebiet der Technologieentwicklung sind insbesondere darauf ausgerichtet, die Materialpalette zu erweitern. Weitere Themen sind Abb. 5: EDX-Spektrum 2630 PLUS 11 /2009

13 Abb. 6: 3D-MID-Assembly für Radarsensor (Continental AG) ersten Musterteile und Versuchsserien liegen vor und werden gegenwärtig vermessen und ausgewertet. Mit diesem Material erweitert die Harting AG das Materialportfolio um einen temperaturfesten Polyamidwerkstoff, der für die Anwendung bleifreier SMT-Prozesse optimiert ist. Die Weiterentwicklung auf dem Gebiet der FlipChip- Technologie soll den Einsatz unter erschwerten Umweltbedingungen ermöglichen, wie sie beispielsweise bei Automotivanwendungen gefordert sind. Damit können Chips platzsparend und kostengünstig auf dem MID-Substrat bestückt werden, was dem Trend der weiteren Miniaturisierung von Bauteilen Rechnung trägt. Die Abbildung 8 zeigt einen Querschliff durch einen NCA-FlipChip-Aufbau. In der Frage der Ankontaktierung von MID existieren bereits verschiedene Lösungen, die aber oftmals den Einsatz standardisierter Steckverbinder nicht zulassen. Die von der Harting AG favorisierte Variante basiert auf Steckkontakten im 3D-MID-Material, die zusätzlich mit den Anschlussbahnen verlötet werden. Abb. 7: Kameramodul (SICK AG) Abb. 8: Querschliff durch FlipChip-Struktur die Weiterentwicklung von AVT-Prozessen und die Ankontaktierung der 3D-MID-Teile. Zur Erweiterung der Materialpalette laufen gegenwärtig Entwicklungsarbeiten mit dem Material Ultramid T4381 der BASF. Ziel dieser Arbeiten ist die Qualifizierung und anschließend die Produktionseinführung des Materials. Für dieses Vorhaben wurde in Zusammenarbeit mit dem HSG-IMAT ein Spritzgusswerkzeug modifiziert, um ein geeignetes Spritzgussteil für die Untersuchungen bereitzustellen. Die Abb. 9: Einpressstifte in MID, verlötet PLUS 11 /

14 Eine bereits vorliegende Untersuchung, deren Ergebnisse demnächst auf dem diesjährigen MID-Workshop des HSG-IMAT vorgestellt werden, bestätigte die Machbarkeit einer solchen Lösung. In Abbildung 9 Abb. 10: Roboterzelle mit Microline 3D 160i ist eine Mikroskopaufnahme von verlöteten Einpresskontakten zu sehen. Zum Schluss soll noch kurz auf die Frage der Automatisierung der Fertigungsprozesse eingegangen werden. Die kostengünstige Fertigung von 3D-MID- Produkten bedingt zwingend eine zunehmende Automatisierung und Verkettung der Prozesse, wie das auch in vielen anderen Fertigungszweigen der Fall ist. Mit einer automatischen Roboterzelle, welche die Prozesse Vorreinigung Laserstrukturierung Nachreinigung in sich vereinigt, hat die Harting AG eine Lösungen für die industrielle 3D-MID-Fertigung im Einsatz (Abb. 10). Die 3D-MID-Technologie hat ein großes Wachstumspotential. Die Harting AG wird auch in den kommenden Jahren mit weiteren Produkten und Projekten führend zu diesem Wachstum beitragen. Harting AG, Industriestrasse 26, CH-8604 Volketswil, - Neuerscheinung - Einpresstechnik Entwicklung, Anwendung, Qualifizierung Von Tilman Heinisch. Erste Auflage Seiten. ISBN Preis 58, inkl. 7 % MwSt., zuzüglich Porto Die Einpresstechnik hat in den letzten Jahren einen regelrechten Boom erlebt. Nachdem sich diese Anschlusstechnologie seit den 1970er-Jahren in der Telekommunikationsindustrie bewährt hat, entdecken seit einiger Zeit auch die Entwickler für automotive und industrielle Anwendungen die Vorzüge der Einpresstechnik: hohe Zuverlässigkeit, einfache Verarbeitung und reduzierte Bestückungskosten sind nur drei der Punkte, die Entwickler und Anwender von elektronischen Baugruppen zu schätzen wissen. Die neuen Anwendungen bringen gleichzeitig neue Anforderungen mit sich. Höhere Einsatztemperaturen, stärkere mechanische Belastungen und größere elektrische Leistungen erfordern neue Strategien bei der Entwicklung, der Fertigung und der Qualifizierung von Einpresskontakten. Das neue Fachbuch Einpresstechnik trägt diesen aktuellen Anforderungen Rechnung und präsentiert das Fachwissen zahlreicher Autoren aus den unterschiedlichsten Industriebereichen. Eugen G. Leuze Verlag KG Karlstraße 4 D Bad Saulgau Tel / Fax 07581/ brigitte.brotzer@leuze-verlag.de PLUS 11 /2009

15 Anforderungen an MID-Baugruppen in der automobilen Umgebung Dr. Ingo Kriebitzsch, BMW Group, München In der langen Erfolgsgeschichte der MID-Technologie ist die Herausforderung der Kfz-Industrie immer ein Gradmesser für die Zuverlässigkeit und das Vertrauensniveau gewesen. Hervorgerufen ist die hohe Hürde eines Technologieeinsatzes im Automobil durch ein mannigfaltiges Anforderungsspektrum, das in Kombination mit der Reproduktionsanforderung, sehr hohe Ansprüche stellt. Das Automobil ist die Summe von etwa Einzelkomponenten jedes einzelne Bauteil muss den Anforderungen an Lebensdauer, Qualität und Qualitätseindruck erfüllen. Bedingt durch das Einsatzspektrum des Automobils sind die Anforderungen an alle Komponenten entsprechend hoch. Die Ableitung aus anderen Industriezweigen stellt sich in der Regel als nicht zielführend dar. Die Übersetzung der vielfältigen technischen und betriebswirtschaftlichen Anforderungen in eine Spezifikation einer Komponente beinhaltet daher eine Reihe unterschiedlichster Aspekte. Die MID-Technologie im Speziellen vereint die mechanischen und elektrisch/elektronischen Funktionen eines Systems. In Folge werden MID-Komponenten/System auch mit den Anforderungen aus beiden Welten konfrontiert ein Spannungsfeld, dessen Auflösung im Rahmen der sonstigen Anforderungen in der Automobilentwicklung keine einfache Aufgabe ist. Der große Kanon an Anforderungen bedingt eine entsprechend geplante und strukturierte Vorgehensweise in der Erschließung der Technologie und in Folge in den ausgeleiteten Produktprojekten. Einhergehend damit ist die kurz Time-to-Market-Anforderung in der Automobilindustrie ein nicht zu vernachlässigender Faktor bei der Etablierung neuer Fertigungstechnologien. In Addition erfordert die Forderung einer Abb. 1: Anforderungen an eine Automobilentwicklung PLUS 11 /

16 Abb. 2: Die MID-Technologie vereint Mechanik und Elektrik/Elektronik auch in Bezug auf die Anforderungen Abb. 3: Die Anforderungen an ein MID-Bauteil sind insbesondere im Bereich der Elektrik in ihrer Kombinatorik eine hohe Hürde Abb. 4: Die Anforderungen aus der Mechanik an ein MID-Bauteil bedingen eine durchdachte und abgeschlossen Konstruktion 2634 PLUS 11 /2009

17 Abb. 5: Die Wechselwirkungen der unterschiedlich gearteten Disziplinen sind die Herausforderungen in der Entwicklung von MID-Systemen in der Kfz-Elektronik und wesentlicher Schlüssel zum Erfolg Abb. 6: Beispiele: Lenkradschalter an der BMW K1300 (links) und das Multifunktionslenkrad des BMW Z4 (rechts) Teileverfügbarkeit und -lieferbarkeit über zehn Jahre hinaus entsprechende Vorkehrungen und eine Vertrauensbasis. Der Einsatz der MID-Technologie in der Automobilelektronik hat mit ersten Großserienprodukten einen weiteren entscheidenden Schritt vollzogen. In den vergangenen Jahren ist durch einige Weiterentwicklungen auf der technischen Seite und zunehmendes Vertrauen in die Beherrschbarkeit der Technologie im Zusammenspiel mit zwischenzeitlich etablierten Lieferantenstrukturen ein Niveau erreicht, dass den Einsatz der MID-Technologie im Automobil auf größerer Breite ermöglicht. PLUS 11 /

18 Abb. 7: Die Bedeutung der Elektrik und Elektronik im Automobil steigt stetig Die Bedeutung der Erschließung des MID-Potentials wird deutlich, wenn man die Gesamtentwicklung der Kfz-Elektronik betrachtet. Der Wertschöpfungsanteil ist in den letzten Jahren, getrieben durch Umwelttechnologien, Sicherheitsanforderungen, Komfortsteigerungen und den Wunsch der Kunden nach Individualisierung, in allen Fahrzeugsegmenten signifikant angestiegen (Abb. 7). Vor diesem Hintergrund ist die Ausweitung der Gestaltungsmöglichkeiten in Bezug auf Fertigung- und Oberflächentechnolgien von herausragender Bedeutung. Die Erschließung von neuen, betriebswirtschaftlich hoch attraktiven Technologien ist und wird wesentlicher Faktor sein, wenn es darum geht im Wettbewerb zu bestehen. Gerade die MID-Technologie beweist die technologische Schlagkraft und das Innovationspotential des Wirtschaftsstandorts Deutschland. In der konsequenten Erforschung und Anwendung von Technologien liegt ein wesentlicher Beitrag zur Sicherung des Technologievorsprungs. Erfassung von Lötprofilen Methodik, Fehlerquellen, Messtoleranzen Von Prof. Dr. Armin Rahn. Erste Auflage Seiten. ISBN Preis 58, inkl. 7 % MwSt., zuzüglich Porto Der Übergang von der bleihaltigen zur bleifreien Löttechnik in der Elektronik hat eine Reihe von Fragen aufgeworfen, mit denen sich alle in die Prozesskette involvierten Stellen auseinandersetzen müssen. Das beginnt beim Bauteilhersteller und dem Leiterplattendesigner, betrifft den Produzenten von Lot, Paste und Flussmittel, beeinflusst Design und Qualität der Lötanlage, erfordert angepasste Temperaturmessmethoden zur Prozesssicherung und Optimierung des Temperaturprofils der Lötanlage und hat Auswirkungen auf die Reparaturbzw. Nachlötplätze. Diesen komplexen Themenkreis behandelt Prof. Dr. Armin Rahn in seinem neuen Buch. Eugen G. Leuze Verlag KG Karlstraße 4 D Bad Saulgau Tel / Fax 07581/ brigitte.brotzer@leuze-verlag.de PLUS 11 /2009

19 3D-Montage mit Standard-SMT-Bestückautomaten Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke, Dipl.-Ing. Daniel Craiovan, Dipl.-Ing. Michael Pfeffer Mit nachfolgendem Abstract wird ein Ausblick auf das interessante Thema des dreidimensionalen Bestückens im Standardbestückautomaten gegeben. Der Artikel wird in der nächsten PLUS-Ausgabe 12/09 im Abschnitt Baugruppentechnik/Packaging mit dem Schwerpunktthema 3D-Bestückung publiziert. Molded Interconnect Devices (MID) zeigen großes Potential hinsichtlich der Gestaltungsfreiheit, Miniaturisierung und Rationalisierung. Sie bieten die Möglichkeit, elektrische und mechanische Funktionen zu integrieren und so Bauräume optimal auszunutzen. Diese Vorteile kommen insbesondere beim Einsatz komplexer Geometrien mit geneigten Prozessflächen zum Tragen. Trotz der beständigen Zunahme von MID-Anwendungen gibt es bisher keine standardisierten, auf dem Markt verfügbaren Produktionsanlagen, welche geometrisch komplexe Baugruppen mit geneigten Prozessflächen in den SMT-Prozessschritten Pastenauftrag, Bestücken und Löten verarbeiten. Die geometrische Gestaltung dreidimensionaler Schaltungsträger stellt vor allem im Hinblick auf eine automatisierte Prozessführung erhöhte Anforderungen an den Montageprozess. Bei der Bestückung von elektronischen Bauelementen muss die Prozessfläche orthogonal zur Fügerichtung ausgerichtet sein. Dies erfordert bei der Montage von dreidimensionalen Schaltungsträgern weitere Freiheitsgrade, um die Schaltungsträger normal zur Fügerichtung auszurichten. Die bisherigen Ansätze, ein erweiterter Bestückautomat und ein angepasster 6-Achs-Roboter, stellen spezifische Sonderlösungen dar. Somit sind die Fertiger von MID gezwungen, produktspezifische Anlagen mit hohen Investitionen aufzubauen. Dies stellt eine ernorme Barriere für die Einführung neuer und optimierter Produkte basierend auf der MID-Technologie dar. Ein innovatives Konzept erlaubt die Bestückung konvex gestalteter MID mit Standard-Bestückautomaten und ermöglicht somit die derzeitige Lücke, das 3D-Bestücken, im Fertigungsprozess zu schließen. Das Lösungskonzept stellt einen aktiven Nutzenträger dar, welcher in den Bestückautomaten über den Leiterplattentransport in den Arbeitsbereich eingefahren wird und alle aufgenommenen Baugruppen gleichzeitig in drei Freiheitsgraden bewegen kann, wodurch die Prozessflächen normal zur Bestückrichtung ausrichtet werden. Der Artikel beschäftigt sich zunächst mit den Anforderungen an das dreidimensionale Bestücken von MID und diskutiert im Anschluss das Potential und die Grenzen des neuartigen Konzeptes für die 3D- Montage im Standardbestückautomaten. Die Prozessund Anlagenmodifikationen für den Pastenauftrag, das Bestücken und Löten werden vertiefend erläutert, wobei insbesondere auf die notwendige Fixierung der Bauelemente während des Bestückprozesses eingegangen wird. Mit der neuen gestalterischen Freiheit auf Grund der Möglichkeit zur wirtschaftlichen automatisierten Fertigung wird eine Reduzierung der Hemmschwelle für den Einsatz von MID erwartet, so dass neue, innovative Produkte ermöglicht werden. Prinzipieller Aufbau eines automatischen Mehrfachnutzenträgers PLUS 11 /

20 Sonderteil MID 3D-Montage mit Standard-SMT-Bestückautomaten Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke, Dipl.-Ing. Daniel Craiovan, Dipl.-Ing. Michael Pfeffer Ein innovatives Konzept erlaubt die Bestückung von dreidimensionalen spritzgegossenen Schaltungsträgern (MID) in einem SMT-Bestückautomaten und ermöglicht somit die derzeitige Lücke, das 3D-Bestücken, im Fertigungsprozess zu schließen. Das Lösungskonzept stellt einen aktiven Nutzenträger dar, welcher über den Leiterplattentransport in den Arbeitsbereich des Bestückautomatens eingefahren wird und alle aufgenommenen Baugruppen gleichzeitig in drei Freiheitsgraden bewegen kann, so dass die Prozessflächen normal zur Bestückrichtung ausrichtet werden. Bei der Bestückung von geneigten Flächen spielt die Fixierung der elektronischen Bauelemente direkt nach dem Platzieren eine wesentliche Rolle und wird im folgenden Artikel diskutiert. With an innovative concept the placement of electronic components onto Moulded Interconnect Devices (MID) becomes possible. The novel solution represents an active truss that is placed in the workspace of the assembly machine by the PCB transport. It can move all units simultaneously in three degrees of freedom, so that the process faces are aligned normal to the movement direction of the nozzle axis. The assembly of 3D-MID demands technologies for securing the position of the components after their placement. Einleitung Molded Interconnect Devices (MID) zeigen großes Potential hinsichtlich der Gestaltungsfreiheit, Miniaturisierung und Rationalisierung [1]. Sie bieten die Möglichkeit elektrische und mechanische Funktionen zu integrieren und so Bauräume optimal auszunutzen [2]. Diese Vorteile kommen insbesondere beim Einsatz komplexer Geometrien mit geneigten Prozessflächen zum Tragen. Derzeit existieren zahlreiche innovative MID-Serienanwendungen in verschiedenen Produktionsfeldern, wie beispielsweise ein Kameramodul aus der Automatisierungstechnik und ein Sonnenlichtsensor für die Automobilindustrie (Abb. 1) [5]. Trotz der beständigen Zunahme von MID-Anwendungen gibt es bisher keine standardisierten, auf dem Markt verfügbaren Produktionsanlagen, welche geometrisch komplexe Baugruppen mit geneigten Pro- Abb. 1: MID-Anwendungen mit geneigten Prozessflächen 2864 PLUS 12 /2009

21 zessflächen in den SMT-Prozessschritten Pastenauftrag, Bestücken und Löten verarbeiten [3]. Der nachfolgende Artikel beschreibt die wesentlichen Herausforderungen für das 3D-Bestückung und zeigt bisherige Lösungsansätze auf. Im Anschluss wird ein innovatives Konzept eines aktiven Nutzenträgers vorgestellt, welcher die Montage von elektronischen Bauelementen auf Substrate mit geneigten Prozessflächen mit einem Standardbestückautomaten ermöglicht. Dabei werden Potenziale und Grenzen des Konzeptes diskutiert. Anschließend werden die Anforderungen an die Haftung von Bauelementen auf geneigten Prozessflächen erläutert und Maßnahmen zur Fixierung vor dem Lötprozess beziehungsweise direkt nach dem Platzieren vorgestellt. Abb. 2: Orthogonale Ausrichtung der Prozessfläche zur Fügenormalen Anforderungen an das 3D-Betsücken Bei der automatisierten Bestückung elektronischer Baugruppen in Oberflächentechnologie (SMD) werden die Bauelemente mit Hilfe einer Vakuumpipette aus der Zuführung aufgenommen, an den Fügeort transportiert und auf die mit Lotpaste oder Leitkleber versehenen Kontaktflächen des Schaltungsträgers gesetzt. Dabei stellt die geometrische Gestaltung dreidimensionaler Schaltungsträger vor allem im Hinblick auf eine automatisierte Prozessführung erhöhte Anforderungen an den Montageprozess. Bei der Bestückung von elektronischen Bauelementen müssen die beiden Fügepartner Schaltungsträger und Bauelement so ausgerichtet sein, dass die Fügerichtung der Bauelemente normal zur Prozessfläche beziehungsweise Bestückebene ausgerichtet ist (Abb. 2) [4]. Bei der Bestückung von Schaltungsträgern mit einer planaren Prozessfläche in der konventionellen Flachbaugruppentechnik ist die Fügerichtung stets normal zur Prozessfläche ausgerichtet und die Bestückaufgabe sieht eine vierachsige Fügebewegung aus drei linearen und einem rotatorischen Freiheitsgrad vor. Räumliche Schaltungsträger weisen hingegen mehrere Prozessflächen mit unterschiedlichen Orientierungen auf, so dass eine sechsachsige Fügebewegung aus drei linearen und drei rotatorischen Achsen erforderlich ist. Somit werden für die räumliche Bestückung von MID im Vergleich zur SMT-Prozesskette zusätzliche Freiheitsgrade für die Ausrichtung beider Fügepartner zueinander benötigt. Ist die Fügerichtung des Bauelements nicht senkrecht auf die Prozessfläche ausgerichtet, kann das Bauelement beim Aufsetzen verkippen und fehlerhaft bestückt werden. Des Weiteren kann durch die schräge Fügerichtung Lotpaste auf den Kontaktflächen verdrängt werden, was zu einer schlechten Lötstelle führen kann. Eine weitere Anforderung, die an Systeme zur räumlichen Bestückung von MID gestellt wird, ist eine ausreichende Bestückgenauigkeit der Bauelemente auf die Prozessflächen des Schaltungsträgers. Dabei sind die Maßhaltigkeit des Schaltungsträgers und die Genauigkeit der Ausrichtung der Prozessebenen von besonderer Bedeutung. Mit Hilfe geeigneter Maßnahmen, zum Beispiel Passmarken auf den Prozessflächen, kann die Bestückgenauigkeit gesteigert werden. Die bisherigen Ansätze, ein erweiterter Bestückautomat und ein angepasster 6-Achs-Roboter stellen Lösungen für die Bestückaufgabe dar. Das roboterbasierte System ermöglicht die automatisierte Bestückung hochkomplexer räumlicher Schaltungsträger, bietet aber nicht den hohen Durchsatz gegenwärtiger Bestücksysteme. Ein modifizierter Bestückautomat mit integrierter Aktorik zur Ausrichtung der dreidimensionalen Schaltungsträger bietet zwar das Potenzial für einen hohen Durchsatz, erfordert jedoch einen Umbau des Maschinenbettes, so dass die Bestückung von planaren Schaltungsträgern auf dieser Produktionsmaschine nicht mehr gewährleistet ist. Aktiver Mehrfachnutzenträger Mit einem innovativen Konzept wird der Fokus auf die Entwicklung eines automatischen Mehrfachnutzenträgers gelegt, welcher die Bestückung von dreidimensionalen MID-Substraten mit einem Standardbestückautomaten ermöglicht. Dieser wird PLUS 12 /

22 über den Leiterplattentransport in den Arbeitsbereich eingefahren und bewegt alle aufgenommenen Baugruppen gleichzeitig in drei Freiheitsgraden. Hierbei ist die Aktorik nicht an den Bestückautomaten gekoppelt, sondern in den Nutzenträger integriert, so dass keine Modifikation am bestehenden Bestückautomaten erforderlich ist. Für die Synchronisation zwischen Bestückautomat und Nutzenträger ist eine Kommunikation nach dem Handshake-Prinzip erforderlich, wobei nach Ausrichtung einer neuen Bestückebene ein entsprechendes Bestückprogramm abgearbeitet werden muss. Im folgenden Abschnitt wird das Lösungskonzept beschrieben und das Konzept hinsichtlich seiner Potenziale diskutiert. Abbildung 3 zeigt das Grundkonzept des automatischen Mehrfachnutzenträgers. Die starre Trägerplatte dient als Basisträger und wird im Leiterplattentransport geklemmt. Über Führungen wird eine translatorische Bewegung der z-achse der Aktorikeinheit realisiert und erlaubt somit eine Ausrichtung der Höhe der zu bestückenden Prozessfläche. Die Aktorikeinheit enthält einzelne Module zur Ausrichtung der Baugruppen in zwei weiteren Freiheitsgraden. Z Abb. 4: Verfügbarer Bauraum für den Nutzenträger passen und andererseits ist ihre Eignung hinsichtlich Kollision mit dem Greifer zu überprüfen. Abbildung 4 zeigt schematisch den verfügbaren Bauraum innerhalb eines Standardbestückers. Da beim Bestücken zur Erhöhung des Durchsatzes kürzeste Verfahrwege des Greifers genutzt werden, kann dies zur Kollision zwischen dem Greifer und mit in den Bewegungsraum ragenden Schaltungsträgerteilen führen. Insbesondere besteht diese Gefahr bei konkav geformten Schaltungsträgern, wie in Abbildung 5 dargestellt. Beim Platzieren der Bauteile ist zudem ein ausreichender Randabstand einzuhalten, da es sonst zur Kollision zwischen dem Greifer und dem Werkstück bei der Vertikalbewegung kommt. [4] Abb. 3: Grundkonzept des Nutzenträgers Bestückautomaten zur Montage von elektronischen Bauelementen sind hinsichtlich Durchsatz und minimierten Bauraum optimiert. Mit der Vorgabe, keine Maschinenmodifikation vorzunehmen, sind dadurch an den aktiven Mehrfachnutzenträger und an die zu verarbeitenden Schaltungsträger wesentliche Restriktionen hinsichtlich Geometrie, Kinematik und auftretende Kräfte gesetzt. Die Schaltungsträger müssen einerseits in den zur Verfügung stehenden Bauraum Abb. 5: Konkave Schaltungsträger (Kollisionsgefahr) 2866 PLUS 12 /2009