Innovationen im Netzwerk forcieren. Fachmedium für industrielle Anwender und Entwickler. Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen

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1 Innovationen im Netzwerk forcieren Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID Mit über 80 vernetzten Mitgliedern aus Industrie und Forschung eine ausgezeichnete Plattform für die erfolgreiche Umsetzung der Technologie 3-D MID Oktober ,80 Fachmedium für industrielle Anwender und Entwickler Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 3D-MID-Fertigung bei Harting Mitronics: Alle Prozesse in einem Haus >> Seite 28 MID-Marktstudie: Die Welt braucht MID >> Seite 4

2 Editorial llll Perspektive: Räumliche elektronische Baugruppen Gesteigerte Leistungsfähigkeit durch Funktionsintegration, Miniaturisierung, Gestaltungsfreiheit und Produktkostenreduktion sind die wichtigsten Vorteile beim Einsatz von MID-Techniken. Das ist die Einschätzung der Anwender, wie sie die Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.v. in ihrer MID-Studie 2011 ermittelt hat. Der industrielle Einsatz der MID-Techniken ist aktuell rasant auf dem Vormarsch. So war in der Tat auf dem 9. Internationalen Kongress MID 2010 der 3-D MID e.v. in Fürth unter den 270 Teilnehmern eine regelrechte MID-Euphorie deutlich spürbar. Dazu haben die 2K-MID-Technik und insbesondere die LDS-Technik mit ihren Anwendungen in der Informations- und Kommunikationstechnik sowie der Fahrzeugtechnik beigetragen, wo MID in hohen Stückzahlen eingesetzt werden. Miniaturisierung und Funktionsintegration durch MID-Technik generieren hier große Vorteile für die Hersteller. Die Serienanwendung bei Drucksensoren für ABS- und ESP-Systeme als sicherheitsrelevante Baugruppen für den Einsatz unter sehr rauen Bedingungen im Fahrzeug zeigt darüber hinaus die hohe Zuverlässigkeit der MID-Baugruppen. MID- Techniken spielen bereits jetzt eine wichtige Rolle in der Medizintechnik und bei der Beleuchtungstechnik mit LEDs. Hier werden sie künftig auch zu einer Fülle von neuen Lösungen führen. Die Verfügbarkeit von MID-Baugruppen stellt für die Anwender heute kein Problem mehr dar. Die Hürden für die technische Beherrschung der komplexen Prozesskette von MID-Baugruppen sind deutlich niedriger geworden. Die Zahl der MID-Anbieter wächst kontinuierlich. Die Welten der Kunststoffe und Elektronik sind näher zusammen gerückt. Das Verständnis für Auslegung und Konstruktion bei der Integration von Elektronik, Sensorik, Aktorik und Mechanik bei MID-Bau- gruppen hat sich hervorragend entwickelt. Die industriellen Anwender haben gemeinsam mit Geräte- und Materiallieferanten sowie den Forschungsinstituten konsequent alle wichtigen Prozessmodule wie beispielsweise die Laser- und Metallbeschichtungsprozesse bereitgestellt. Für die bleifreie SMD-Bestückung von MID sowie für die Bestückung mit ungehäusten Chips werden von verschiedenen Herstellern mittlerweile leistungsfähige Maschinen angeboten. Erstmuster bei der Entwicklung von MID-Baugruppen können heute mit verschiedenen neuen Verfahren schnell und effizient hergestellt werden. Dieses Sonderheft der Elektronik ist der MID- Technik gewidmet. Es bietet Ihnen eine hervorragende Möglichkeit, sich über den aktuellen Entwicklungsstand und den erreichten Reifegrad der MID-Technik zu informieren. Lassen Sie sich anregen und überzeugen, wie Sie Ihre neuen Produkte durch MID mit noch mehr Performance ausstatten können und noch profitabler vermarkten können. Wir wünschen Ihnen viel Spaß beim Lesen und viel Erfolg beim Einsatz von MID. Prof. Dr. Heinz Kück Prof. Dr. Jörg Franke Institut für Mikroaufbautechnik der Hahn-Schickard Gesellschaft e.v. (HSG-IMAT) Forschungsbeirat der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.v. Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 1. Vorsitzender der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.v. 2 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

3 Inhalt Titelthema >> 28 3D-MID aus einer Hand Alles aus einer Hand das ist das Motto, unter dem die Harting Mitronics in der Schweiz von Anfang an die 3D-MID-Technik vorangetrieben hat. Die Philosophie der Harting- Gruppe lautet, alle qualitätsrelevanten Prozesse im eigenen Haus durchzuführen. Was bei den Steckverbindern des Unterneh mens gilt, wurde daher auch für den Bereich Mitronics, wie der Geschäfts bereich rund um die 3D-MID-Technik genannt wird, umgesetzt. Laser schreibt dreidimensionale Leiterbahnen Mit dem Laser-Direkt-Strukturieren (LDS) genannten Verfahren wird die Oberfläche eines Thermoplasten durch Laserlicht gezielt verändert, so dass sich an den belichteten Stellen Metall abscheiden lässt. Damit dies möglich ist, enthält das Kunststoffgranulat eine metallorganische Verbindung als Additiv. Die Technik erlaubt das Schreiben von Leiterbahnen auf nahezu beliebig geformten Spritzgusskörpern überall dort, wo der Laser hinleuchten kann. >> 12 Editorial 3 Perspektive: Räumliche elektronische Baugruppen Technik + Trends 4 MID-Marktanalyse: Schwerpunkte und Chancen von MID 6 MID eine Technik der Zukunft: Räumliche elektronische Baugruppen beflügeln die Mechatronik Elektronik-Produktion 9 Leiterplatte und Leiterbahnen im Spritzguss 3D-Schaltungsträger im Zwei- Komponenten-Spritzgussverfahren 12 Laser schreibt dreidimensionale Leiterbahnen Kunststoffoberflächen per Laserstrahl selektiv aktivieren zum Metallisieren 17 Heiße Technik Heißprägen Schneller Fertigungsprozess für MID-Baugruppen 21 6-Achs-Roboter im Bestückautomaten Bestückung elektronischer Bauteile auf dreidimensionalen Schaltungsträgern 24 Von der Deko in die Industrie Metallisierung von MID mit nasschemischen Verfahren 28 3D-MID aus einer Hand Harting Mitronics verfügt über die vollständige MID-Prozesskette im eigenen Haus MID-Anwendungen 31 Anwendungsbeispiele 23 Inserentenverzeichnis 34 Impressum

4 Technik + Trends llll MID-Marktanalyse: Schwerpunkte und Chancen von MID Bei der Entwicklung und Herstellung mechatronischer Produkte sind Unternehmen steigenden Anforderungen hinsichtlich Miniaturisierung, Funk tionsintegration und Zuverlässigkeit ausgesetzt. Die MID-Technik (Molded Interconnect Devices) bietet sich als innovative Technik zur Begegnung dieser Anforderungen an. Durch die Weiterentwicklung der Technik lassen sich immer leistungsfähigere integrierte mechatronische Baugruppen (Mechatronic Integrated Devices) realisieren. In den Studien Chancen und Grenzen für den Einsatz der Technologie MID aus dem Jahr 2003 und MID-Studie 2006 MID-Markt: Deutschland Analyse von MID-Projekten aus dem Jahr 2006, die der Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Friedrich- Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg [1] und das Heinz Nixdorf Institut [2] im Auftrag der Forschungsvereinigung 3-D MID e.v. [3] erstellt haben, erfolgte eine Technik- und Marktanalyse. Die MID-Studie 2006 hat ergeben, dass es viele Argumente für den Einsatz der MID-Technik gibt. Der technology push ist vorhanden. Dennoch existieren zahlreiche technische und psychologische Barrieren, die eine Marktentwicklung, wie in der Studie aus 2003 prognostiziert, verhindert haben. Bis 2010 hat die Anzahl an MID-Serienapplikationen signifikant zugenommen. Hinzu kommen mehrere neue MID-Anlagenhersteller und MID-Fertiger, die mittlerweile hohe Umsätze erzielen. Vor diesem Hintergrund gilt es in der weiterführenden MID-Studie 2011 zu klären, welche Gründe diese Entwicklung des MID- Geschäfts hat und wie dieses weiter zu forcieren ist. Globaler MID-Markt In den USA wurden sehr früh MID- Projekte mit großen Stückzahlen zielstrebig umgesetzt. Nach einer turbulenten Phase mit diversen Übernahmen folgte eine starke Konzentration auf dem Mobilfunkmarkt auf Basis von Zweikomponentenspritzguss und der Laserdirektstrukturierung (LDS). In der Zwischenzeit haben die großen MID-Fertiger Produktionskapazitäten verstärkt nach Asien verlagert (siehe Kasten). Die MID-Entwicklung in Europa ist geprägt von einer wachsenden Anzahl an Unternehmen, die sich an der Gemeinschaftsforschung beteiligen. Nahezu alle MID-Verfahrenstechniken sind verfügbar und das Laser-Direkt- Strukturier-Verfahren hat in den letzten Jahren für eine deutliche Belebung des MID-Marktes in Deutschland und Europa, vor dem Hintergrund einer sehr guten und breit gefächerten wissenschaftlichen Basis, geführt. Die Anzahl der anspruchsvollen MID- Projekte, die in den letzten Jahren in bestückter Ausführung, darunter auch für den Automobil-Bereich, in die Serienproduktion überführt werden konnte, belegt das hohe Niveau der MID-Entwicklung in Europa. Ein Manko in der weiteren Verbreitung der MID-Technik ist in der Tatsache zu sehen, dass es bislang mit der Fa. Harting Mitronics [4] nur einen Komplettanbieter über die gesamte MID- Prozesskette gibt, der sowohl das Zweikomponentenspritzgießen als auch für das LDS-Verfahren inklusive der Aufbau- und Verbindungstechnik anbieten kann. In Japan existieren nur wenige MID- Fertiger, die vorwiegend im Zweikomponentenspritzguss sowie der subtraktiven Laserstrukturierung produzieren. Der Fokus der japanischen MID- Entwicklung liegt vor allem auf der Einsatz von MID nach Regionen In den USA (1) gab es Anfang der 1990er Jahre einen transparenten MID-Markt mit vielen MID-Produkten. Hersteller waren Circuit-Wise, Mitsui-Pathtek und ufe übernahm Circuit-Wise den Mitbewerber Mitsui-Pathtek. Die darauf folgende Skepsis im Markt führte aber 1997 zu einem Umsatzanstieg und schließlich zur Ausgründung des Geschäftszweiges als MID LLC. Im Jahr 2000 wurde MID LLC an Tyco Electronics verkauft und anschließend die Sierenproduktion nach China verlagert. In den USA werden MIDs vor allem in 2K- oder LDS-Technik realisiert. Europa (2) verfügt in der MID-Technik über eine hohe Wissensbasis und eine sehr gute Forschungslandschaft. Alle MID-Techniken sind hier verfügbar und es werden anspruchsvolle MIDs projektiert. Die bevorzugten MID-Techniken sind: LDS, 2K und Heißprägen. Allerdings gibt es in Europa nur wenige Komplettanbieter, die MID aus einer Hand anbieten können Asien mit China, Taiwan und Korea (3) erhält die MID-Technik vor allem durch die Verlagerung der Produktion großer multinationaler Unternehmen aus USA und Europa. Paradebeispiel hierfür ist die Produktion von Antennen für Mobilfunkgeräte. Hier wird vor allem die 2K- und die LDS-Technik angewendet. In Japan (4) werden MIDs von wenigen lokalen Anbietern vor allem mit der Lasersubtraktiv-Technik und mit 2K-Spritzguss gefertigt. Die MID-Technik hat in Japan eine hohe Marktdurchdringung erreicht. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten orientieren sich sehr stark an Produkten und Systemen. (Quelle: 3-D MID e.v.) 4 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

5 llll Technik + Trends Funktionsintegration und Miniaturisierung von Produkten aus einheimischer Entwicklung. Das übrige Asien mit China, Taiwan und Korea profitiert vom Technologietransfer aus USA und Europa sowie der Risikobereitschaft der Unternehmer. Mit dieser Entwicklung geht eine Zunahme des Prozess-Know-Hows auch für komplexere Anwendungen einher. Verlässliche Daten über die tatsächlichen Umsätze und die getätigten Investitionen der MID-Hersteller wurden von den Unternehmen für die MID-Studie 2011 leider nicht zur Verfügung gestellt. Einen guten Einblick in das Investitionsvolumen bietet jedoch die weltweite Verteilung der LDS-Anlagen von der LPKF Laser & Electronics AG [5] dar. Demnach haben innerhalb eines Zeitraums von ca. sechs Jahren weltweit die MID-Produzenten über 60 Millionen Euro allein in die Laseranlagentechnik investiert. Der Hauptteil der Investitionen entfällt mit 134 Laseranlagen zur Strukturierung von MID-Teilen auf Asien. Insbesondere China dominiert mit 61 Lasersystemen des Typs MicroLine 160i und 54 Systemen vom Typ Fusion 3D. Vor allem bei Neueinsteigern in die MID-Technik, speziell im Bereich der LDS-Technik, sind neben den Investitionen rund um das LDS- Verfahren aber weitere Investitionen (Spritzguss, Metallisierung, Bestückung, Qualitätssicherung, etc.) notwendig. Chancen und Heraus forderungen der MID-Technik In der MID-Studie 2011 wurden, vor dem Hintergrund der allgemeinen Nutzenpotentiale und technischen Einschränkungen, in den Experteninterviews relevante Anwendungsfelder für MID analysiert. Dazu sollten die 51 befragten Experten sowohl aktuelle als auch zu erwartende Anwendungen berücksichtigen. Das Bild zeigt die Auswertung der Befragung hinsichtlich der MID-Anwendungspotentiale. Die meistgenannten Potentiale waren die Sensortechnik, Antennen und die 3D-Verdrahtung. Ausgehend vom Aufbau und der Platzierung der jeweiligen Sensorapplikation, werden die Integration weiterer Funktionen und die Miniaturisierung gefordert. Eine Vielzahl an MID-Sensoranwendungen, wie z.b. Stromsensoren, Lichtsensoren oder Drucksensoren, haben sich etabliert und zeigen die Stärken der MID-Technik. In den letzten Jahren haben MID-Antennen insbesondere im Mobilfunksektor einen hohen Marktanteil erreicht. Sie werden in Asien in sehr hohen Stückzahlen gefertigt. Hinzu kommen RFID-Antennen, beispielsweise für Anwendungen in der Luftfahrt sowie allgemein in der Logistik. MID-relevante Branchen Im Rahmen der Interviews für die MID-Studie 2011 wurde der Automobil-Sektor vor der Medizintechnik als wichtigste Branche identifiziert. In der Automobilindustrie steigt die Anzahl elektronischer Systeme aufgrund der Forderung nach erhöhter Sicherheit, moderner Kommunikations- und Informationstechnik sowie Umweltfreundlichkeit kontinuierlich. Vor allem die geforderte Miniaturisierung und die zunehmende Funktionsvielfalt begünstigen die MID-Technik. Der hohe Kostendruck der Automobilindustrie fordert aber auch, dass MID-Teile neben den technischen Vorteilen im Vergleich mit herkömmlichen Techniken eine wirtschaftlich sinnvolle Alternative darstellen. Die hohen Anforderungen der Automobilindustrie an die Zuverlässigkeit können aus Sicht der Experten erfüllt werden. Werkstoffe (Substratmaterialien, Verbindungsmedien) sind auch für Anwendungen bei höheren Umgebungstemperaturen, beispielsweise im Motorraum, Sensortechnik Antenne 3D-Verdrahtung Schaltungsträger Gehäuse Stecker optische Funktion EMV Schaltfunktion Entwärmungskonzepte fluidische Funktion Informationsverarbeitung Sonstige Nennungen vorhanden. Für weitere MID-Anwendungen in der Automobilindustrie, insbesondere wenn hohe Stückzahlen gefertigt werden müssen, sind Entwicklungen hinsichtlich einer vollautomatischen Fertigung erforderlich. Die Medizintechnik erlebt durch die demografische Entwicklung und den Gesundheitsboom eine steigende Nachfrage nach innovativen und günstigen, aber auch leistungsfähigeren medizinischen Geräten. Wichtige ll MID-Hersteller sehen Anwendungspotentiale für MID vor allem in den Bereichen, in denen die Miniaturisierung im Vordergrund steht. (Quelle: 3-D MID e.v.)

6 Technik + Trends llll Prof. Dr. Jörg Franke leitet den Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen- Nürnberg und ist Vorsitzender des Vorstandes der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen (3-D MID) e.v. franke@faps.uni-erlangen.de Dr.-Ing. Roman Dumitrescu leitet die Abteilung Produktentstehung in der Fraunhofer Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik des Fraunhofer IPT in Paderborn. roman.dumitrescu@hni.uni-paderborn.de MID-Anwendungen sind beispielsweise Hörgeräte. Hierbei kommt es auf die räumliche Ausrichtung der Mikrofone auf kleinstem Raum an. Ein anderes Anwendungsgebiet sind Einwegprodukte, die nach dem Einsatz nicht sterilisiert werden müssen. Ein Beispiel hierfür sind sterile Probenträger für die Bioanalytik. Sie werden im Zweikomponentenspritzgussverfahren hergestellt, das es erlaubt, einen mikrofluidischen Kanal sowie eine elektronische Auswertung zu integrieren. Herausforderungen und Schlüsselfaktoren Den Chancen der MID-Technik stehen einige wenige Herausforderungen gegenüber. Aus entwicklungsspezifischer Sicht ist das die Beherrschung der Komplexität der gesamten MID- Fertigungsprozesskette. Die für MID- Teile typische verteilte Wertschöpfungskette erfordert einen erhöhten Kommunikations- und Koordinationsaufwand bei der Entwicklung und Herstellung. In der Vorgängerstudie wurde die Bestückungstechnik als Flaschenhals bezeichnet. Diese hat stark aufgeholt. Entsprechende Bestückungsmaschinen sind verfügbar, allerdings sind die Investitionskosten insbesondere in die Anlagentechnik noch sehr hoch. Wichtige psychologische Hindernisse sind die zu geringe Risikobereitschaft der Unternehmen und die zu geringe Wahrnehmung, dass MID bereits in vielen Applikationen erfolgreich eingesetzt wird. Mit der Zunahme an Referenzprojekten, die keiner Geheimhaltung unterliegen und veröffentlicht werden, wirkt der 3-D MID e.v. dem aktiv entgegen. Die MID-Studie 2011 kann bei der Geschäftsstelle der Forschungsvereinigung 3-D MID e.v. [3] bezogen werden. hs Literatur [1] [2] [3] [4] [5] Prof. Dr.-Ing. Jürgen Gausemeier leitet die Fachgruppe Produktentstehung am Heinz Nixdorf Institut. juergen.gausemeier@hni.uni-paderborn.de Dipl.-Wirtsch.-Ing. Christian Goth ist als wissenschaft licher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik der Universität Erlangen- Nürnberg tätig. goth@3dmid.de MID eine Technik der Zukunft: Räumliche elektronische Baugruppen beflügeln die Mechatronik Die Integration von Elektronik in mechanische Sys teme bietet viele Vorteile weniger Bauraum, kleinere Masse und einfachere Montage sind nur einige. Damit Elektronik und Mechanik zusammenwachsen können, muss die Elektronik dreidimensional aufgebaut werden können. Als zu Beginn der Neunziger Jahre des letzten Jahrhunderts die Molded Interconnect Device -Technik (MID) in der Industrie und in Hochschulen den Weg von der Idee zur Realisierung genommen hat, waren viele Eigenschaften und Probleme dieser noch jungen Technik unbekannt. Damals hat auch bei BMW die MID-Technik in der Kunststoffvorentwicklung ihren Anfang genommen. Der Pioniergeist hat zunächst zur Ent- wicklung eines heizbaren Motorradgriffes in Dreikomponententechnik mit galvanisch aufgebrachten Leiterbahnen geführt. Bei der Entwicklung und Umsetzung der Prototypenteile wurde die gesamte Liste an Unzulänglichkeiten transparent. In dieser Zeit entstand an der Universität Erlangen am Lehrstuhl (FAPS) von Professor Klaus Feldmann die Forschungsvereinigung 3-D MID e.v. Dies war der Startpunkt, um die Forschung und Erarbeitung der 3-D-MID-Technik gemeinschaftlich und systematisch voranzutreiben. Die Motivation zur Beschäftigung mit der MID-Technik kommt aus dem Streben nach Weiterentwicklung, Effizienz und Innovation. Am Beispiel der Automobilelektronik lässt sich schnell erkennen, welches Potential der Einsatz der MID-Technik bietet. Zugleich wird deutlich, welche betriebswirtschaftliche Bedeutung die 6 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

7 «Wir arbeiten nicht an Problemen, sondern an Lösungen.» 3D-MID maximale Möglichkeiten auf kleinstem Raum. Cicor ist eine in den Bereichen Leiterplatten, 3D-MID, Microelectronics und Electronic Solutions führende, international tätige Hightech- Industriegruppe. Die Gruppengesellschaften bieten komplette Outsourcing-Dienstleistungen und eine breite Palette von Technologien für die Fertigung von hochkomplexen Leiterplatten, 3D-MID Lösungen, Schichtschaltungen und eletronischen Modulen an. Mit rund 1300 Mitarbeitenden in 12 Produktionsstätten und über 20 Vertretungen weltweit liefert die Gruppe qualitativ hochstehende, massgeschneiderte Lösungen für Ihre Kunden. 3D-MID Kompetenzzentrum Cicorel SA Route de l Europe Boudry Schweiz Tel.: Fax info-3dmid@cicor.ch Hauptsitz Cicor Management AG World Trade Center Leutschenbachstrasse Zürich Schweiz Tel.: info@cicor.com

8 Technik + Trends llll % Wertschöpfungsanteil am Gesamtfahrzeug Start der MID- Entwicklungen Wachsendes Potential für den Einsatz der MID-Technik Herstellkosten elektrische Hardware Herstellkosten Software ll Bild hatte die Elektronik im Automobil noch einen Wert- schöpfungsanteil von nur 2 %. Seither steigt ihre Bedeutung, und für das Jahr 2020 wird der Elektronik im Automobil ein Wertschöpfungsanteil von 40 % vorausgesagt. An den Herstellkosten ist die Elektronik (Hardware und Software) sogar mit einem noch höheren Prozentsatz beteiligt. (Quelle: BMW) Elektronik in der Zwischenzeit in allen industriellen Anwendungen erhalten hat (Bild 1). Die Integration von Elektrik und Elektronik in bestehende oder neue mechanische Systeme wurde und wird immer wichtiger. Diese Integration wurde in der Entwicklungsabteilung von BMW schnell als ein entscheidender Faktor für die betriebswirtschaftlichen und funktionalen Stellgrößen erkannt. Die Entwicklung im Automobil zeigt beispielhaft, wie die Elektrik/Elektronik Enabler für kundenwerte Funktionen wurde. Eine Reihe von Innovationen und Verträglichkeitsaspekten wurde nur durch den Einsatz von Elektronik möglich (Bild 2). Die mit der Verbreitung der Elektronik einhergehenden Anforderungen und Herausforderungen beinhalten auch Fragestellungen nach neuen, integrierenden Herstellungsverfahren. Darüber hinaus wächst der Anspruch an die Gestaltung von Produkten, da das Design zu einem der wesentlichen Differenzierungskriterien geworden ist. Bevor neue Techniken im Automobilbau angewendet werden können, müssen sie einer harten Bewährungsprobe unterzogen werden. Die Anforderungen aus dem Einsatz und der Komplexität eines Kraftfahrzeugs heraus führen, in Kombination mit den geforderten, kurzen Entwicklungszeiten, zu erheblichen Anstrengungen, um neue Techniken zu etablieren und freizugeben. Deshalb dauerte es relativ lange Zeit bis zum ersten Einsatz eines MID-Bauteiles im Automobil. Die Prozesskette zur Fertigung von MIDs ist ein weiterer Punkt, der sich lange Zeit als Hindernis für die schnelle Anwendung in der Automobilindustrie herauskristallisiert hat. Für die Fertigungsschritte Kunststoffspritzguss, Strukturierung, Metallisierung, Bestückung und Löten gab es anfangs kaum etablierte Prozesstechnik und dementsprechend vertraute Lieferanten. Erst mit der wachsenden Zahl von Lieferanten und Anbietern konnte die MID-Technik großserientauglich werden. Zwei wichtige Erfolgsfaktoren haben letztendlich der MID-Technik zum Durchbruch verholfen. Zum einen die Verfügbarkeit einer zuverlässigen und starken Lieferantenkette und zum anderen die erfolgreiche Anwendung. Der Motorradschalter, der nahezu in der gesamten BMW-Motorradpalette eingesetzt wird, oder die Multifunktionsschalter im Lenkrad sind Beispiele, die Leuchttürme für weitere, neue Projekte sind (Bild 3). Der betriebswirtschaftliche Erfolg, der Nachweis der Zuverlässigkeit und das gestalterische Potential können an derartigen Projekten eindrucksvoll dargestellt werden. ll Bild 3. Erfolgreiche MID-Projekte dienen als Leuchttür- me für zukünftige Produktentwicklungen, wie dieser Multifunktionslenkrad-Schalter. (Bild: BMW) Die in Bild 2 gezeigten Beispiele zeigen im Nachgang zu einem erfolgreichen Serieneinsatz Sogwirkung und Lerneffekt zugleich. Sie eröffnen neue Möglichkeiten und wecken zugleich in anderen Anwendungsbereichen Interesse und Neugier. Dies war schon in der Anfangszeit der MID-Technik die wichtigste Triebfeder Neugier und der stetige Drang nach Verbesserung. Im Bestreben, Elektronik und Mechanik weiter zu integrieren, das Design freier zu gestalten und kosteneffizienter zu produzieren, bietet die MID-Technik ein faszinierendes Spektrum an herausfordernden Möglichkeiten. hs ll Bild 2. Der Einsatz der Elektronik findet in allen Fahrzeugbereichen statt und bietet somit Poten- tial für die MID-Technik. (Bild: BMW) Dr. Ingo Kriebitzsch ist Vorsitzender des Forschungsbeirats der Forschungsvereinigung 3-D MID e.v. Räumliche spritzgegossene Schaltungsträger und ist bei der BMW AG als Leiter Fahrerlebnisplatz und Elektrik/Elektronik in der Produktlinie UKL (Untere Fahrzeugklasse: alle MINI und BMW 1er) tätig. Ingo.Kriebitzsch@bmw.de 8 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

9 Schaltungsträger llll Elektronik-Produktion (Bild: PKT Präzisions-Kunststoff-Teile GmbH) Leiterplatte und Leiterbahnen im Spritzguss Ziel der MID-Technik ist es, elektromechanische Hybridbauteile herzustellen, bei denen kein separater Schaltungsträger verwendet werden muss. Die Integration von Leiterbahnen in mechanische Funktionselemente die Leiterplatte ist gleichzeitig auch Gehäuse, Schnappverbindung, Sichtteil und/ oder Funktionssteil kann die Fertigungskosten senken und Herstellungszeiten verkürzen, ermöglicht gleichzeitig eine kompaktere Bauweisen und vereinfacht das Recycling. Ein Verfahren, um Leiterzüge auf spritzgegossenen Kunststoffteilen zu erzeugen, nutzt die Zwei-Komponenten-Spritzgusstechnik (2K). Bei der 2K-Technik entfällt, gegenüber den anderen Herstellungsverfahren räumlicher Schaltunsträger, der Prozess des Strukturierens meist per Laser. 3D-Schaltungsträger im Zwei-Komponenten- Spritzgussverfahren Mit nur drei Prozessschritten lassen sich räumliche Schaltungsträger (MID) im Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahren herstellen: je ein Spritzgussvorgang für die Leiterbahnzüge und das isolierende Substrat, daran anschließend die galvanische Metallisierung. Was so einfach klingt, erfordert jedoch eine gute Kooperation der Entwicklungsabteilungen für Mechanik und Elektronik. Von Bernd Schmid Bei der 2K-Technik wird das als Schaltungsträger dienende Kunststoffbauteil aus zwei unterschiedlichen Materialien hergestellt. Zunächst wird ein Vorspritzling gefertigt (Bild). Dieser wird im Spritzgießwerkzeug umgesetzt und im direkt anschließenden Arbeitsschritt mit einem weiteren, zweiten Kunststoff umspritzt. Je nach Geometrie bzw. Anwendung wird zuerst der metallisierbare Kunststoff verarbeitet, die späteren Leiterbahnen, Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen

10 Elektronik-Produktion llll Schaltungsträger ll Um räumliche Schaltungsträger per Zwei-Komponenten-Spritzguss herzustellen, werden drei Fertigungsschritte be- nötigt. Zuerst wird ein Vorspritzling (links) hergestellt in diesem Beispiel aus metallisierbarem LCP. Der Vorspritzling wird in eine zweite Gussform eingesetzt und teilweise mit einem anderen Kunststoff umspritzt (Mitte). Die an den Oberflächen sichtbaren Bereiche vom Vorspritzling werden galvanisch metallisiert (rechts) fertig ist ein spritzgegossener Schaltungsträger (MID). (Bild: PKT Präzisions-Kunststoff-Teile GmbH) und anschließend der nicht zu beschichtende Kunststoff oder umgekehrt. Alle Außenflächen, welche aus dem metallisierbaren Kunststoff bestehen, werden in einem nachfolgenden Galvanikprozess mit Kupfer beschichtet. Da nur die Oberfläche des einen Kunststoffes metallisiert wird, können mit der 2K-Technik voneinander isolierte Leiterbahnen nebeneinander auf einer Fläche realisiert werden. Eine sehr häufige Frage ist, warum nicht gleich ein elektrisch leitender Kunststoff für die Leiterbahnen verwendet wird. Bei elektrisch leitenden Kunststoffen sind allerdings alle Bereiche eines Spritzlings nicht nur mechanisch, sondern auch elektrisch miteinander verbunden. Sollen voneinander isolierte Leiterbahnen mit elektrisch leitenden Kunststoffen realisiert werden, dann ist dies nur durch mehrere Anspritzpunkte und voneinander getrennte Spritzlinge möglich. Die nachträgliche Metallisierung eines 2K-Teiles bietet damit den Vorteil, dass alle Leiterbahnen mit einem Spritzling und in einem Arbeitsgang gefertigt werden können. Darüber hinaus liegt der Leitwert von Kupfer- Leiterbahnen weit über dem von leitfähigem Kunststoff. Außerdem kann bei Kupferleiterbahnen auf bekannte und bewährte Verbindungstechniken für die elektronischen Bauelemente zurückgegriffen werden. 2K-Schaltungsträger bieten alle Vorteile, welche gewöhnliche Kunststoffteile auch schon bieten: Die Teile sind reproduzierbar mit sehr hoher Genauigkeit herstellbar, so dass auch Passmaße realisiert werden können. Durch unterschiedliche Bewegungen im Spritzwerkzeug können im Schaltungsträger mechanische Funktionen wie Hinterschnitte, Gewinde, Bohrungen oder Freiformkonturen integriert werden. Auf diese Weise können beispielsweise Schnapphaken angebracht werden, um den Schaltungsträger mechanisch mit weiteren Bauteilen zu verbinden. Einflussfaktoren: Material und Prozess Pauschale Aussagen über die technisch möglichen Dimensionen der Leiterbahnen lassen sich bei 2K- Schaltungsträgern nur schwer machen. Im Gegensatz zur Laserstrukturierung sind beim 2K-Spritzguss die realisierbaren Leiterbahnbreiten und Leiterbahnabstände von vielen Einflussfaktoren abhängig Materialeigenschaften, Spritzgussprozess, Geometrie des Teiles, Formenbau etc. Denn: Jede Leiterbahn und jeder Zwischenraum muss spritztechnisch herstellbar sein. Kleine Abstände, wie sie z.b. mit dem Laser zu realisieren sind, können mit der 2K-Technik nicht umgesetzt werden. Versuchsträger konnten bisher mit einer minimalen Leiterbahnbreite von 130 μm ausgeführt werden. Auch Leiterbahnzwischenräume konnten bereits mit ähnlich feinen Dimensionen gefertigt werden. Für Serienanwendungen mit sicherem Prozessfenster sollten jedoch Leiterbahnbreiten nicht unter 200 μm angestrebt werden. Die tatsächlich zu realisierenden Abstände hängen jedoch von der gesamten Füllsituation am Spritzgießteil ab. Die Materialauswahl für 2K-MIDs hat sich in den letzten Jahren reduziert. Derzeit gibt es nur ein Material, welches in Serienteilen als galvanisierbarer Kunststoff eingesetzt wird. Es handelt sich hierbei um ein flüssigkristallines Polymer (LCP; Lyquid Crystal Polymer) mit dem Produktnamen Vectra E820i Pd. Es wurde von Ticona speziell für die MID-Anwendung entwickelt und hat sich als idealer Werkstoff für Spritzguss-Schaltungsträger bewährt. Die spritztechnische Verarbeitbarkeit dieses LCP ist sehr gut. Dank der extrem guten Fließfähigkeit lassen sich sehr filigrane MIDs herstellen. Gleichzeitig weist das Material sehr gute mechanische Eigenschaften auf, ist resistent gegen viele Chemikalien und hat eine sehr geringe Wasseraufnahme. Bauteile aus diesem Material können im Reflow-Verfahren gelötet werden und haben einen Temperatur-Längenausdehnungskoeffizient, der sehr dicht bei dem von FR4-Leiterplatten liegt. Das kann in vielen Fällen, bei denen die Temperaturbeanspruchung eine Rolle spielt, ein entscheidender Vorteil sein. Erfolgsfaktor: Mechanik + Elektronik Bei der Entwicklung von 2K-MIDs ist das Gespräch zwischen Kunde und Hersteller extrem wichtig, ebenso eine enge Zusammenarbeit zwischen Elektronik-Konstruktion, Mechanik-Konstruktion und Lieferant. Hierbei müssen die spritztechnische Herstellbarkeit, die elektrische Funktion und die mechanischen Eigenschaften und Anforderungen gemeinsam erarbeitet und definiert werden. Bevor das Design eines MID festgelegt wird, müssen mit viel Aufwand und Sorgfalt die elektrischen/elektronischen sowie die mechanischen Anforderungen an den Schaltungsträger, die erforderliche Beschichtung sowie die Folgeprozesse wie Bonden, Kleben, Löten usw., die 10 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

11 Schaltungsträger llll Elektronik-Produktion möglichen und notwendigen Prüfverfahren und die Einsatzbedingungen sowie die Machbarkeit und prozesssichere Umsetzbarkeit in ein vernünftiges Werkzeugkonzept analysiert werden. Kritischer Schritt: Galvanische Metallisierung Bei der Entwicklung von MIDs wird häufig die Galvanik vergessen. Auch dieser wichtige Prozessschritt muss bereits zu Beginn einer Entwicklung berücksichtigt werden. Hierbei müssen zum einen die geometrischen Bauteilformen beachtet werden. Zum anderen sollte jedoch auch schon frühzeitig der Schichtaufbau festgelegt werden. Je nach Anforderungen und Einsatzgebiet kann die Schichtfolge stark variieren. Prinzipiell kann jedoch gesagt werden, dass jede Schichtfolge, die auf einer FR4-Leiterplatte realisiert werden kann, auch galvanisch auf MIDs aufgebracht werden kann. Die bei der PKT Präzisions-Kunststoff-Teile GmbH in den letzten zehn Jahren gesammelten Erfahrungen zeigen, dass MID-Projekte nur dann erfolgreich abgeschlossen werden, wenn von Beginn an die Randbedingungen klar sind und eine offene Entwicklungsarbeit möglich ist. Besonders die in vielen Unternehmen getrennte Entwicklung von Elektronik und Mechanik mit unterschiedlichen CAD-Systemen stellt hierbei oft eine große Hürde dar. Das Fehlen von CAD- Schnittstellen und gegenseitigem Verständnis erschweren die Zusammenarbeit. Das Verständnis der einzelnen Entwicklungspartner füreinander ist aber Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Entwicklung eines MID. Zwei-Komponenten 3D-MIDs werden heute in Serie mit großen Stückzahlen hergestellt. Das Schaltungsträger-Design muss schon im Vorfeld mit allen Beteiligten an der Fertigungsprozesskette genauestens analysiert und abgestimmt sein. Jeder einzelne Prozessschritt ist von der Entwicklung bis zum Endprodukt genau zu prüfen. Die PKT Präzisions-Kunststoff- Teile GmbH hat bereits vier verschiedene Kleinserienformen und ein 4+4-fach-Großserienwerkzeug zur Herstellung von 2K-3D-MID-Bauteilen im Einsatz. hs Dipl.-Ing.(FH) Bernd Schmid betreut bei der PKT Präzisions-Kunststoff-Teile GmbH MID-Projekte incl. Kundenberatung und Lieferantenmanagement, Optimierung von MID-Bauteilen bis zur Serienreife und der Konstruktion von MID-Werkzeugen. Laser-Direkt-Strukturierung als Dienstleistung Produktionsdienstleistung und Applikationszentrum Prozessevaluation und -optimierung Layoutentwicklung mit Kunden Ramp-up und Serienproduktion LaserMicronics bietet umfassende Dienstleistungen im Bereich der Lasermikromaterialbearbeitung und der Prozessentwicklung. Finden Sie gemeinsam mit uns die Lösung für Ihre Produktidee: Telefon +49 (0) Productronica: , Halle B2, Stand 105 LaserMicronics GmbH Telefon +49 (0) Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen

12 Elektronik-Produktion llll Schaltungsträger Laser schreibt dreidimensionale Leiterbahnen Kunststoffoberflächen per Laserstrahl selektiv aktivieren zum Metallisieren Mit dem Laser-Direkt-Strukturieren (LDS) genannten Verfahren wird die Oberfläche eines Thermoplasten durch Laserlicht gezielt verändert, so dass sich an den belichteten Stellen Metall abscheiden lässt. Damit dies möglich ist, enthält das Kunststoffgranulat eine metallorganische Verbindung als Additiv. Die Technik erlaubt das Schreiben von Leiterbahnen auf nahezu beliebig geformten Spritzgusskörpern überall dort, wo der Laser Weil immer mehr Funktionen auf immer kleinerem Raum untergebracht werden müssen, sollen mechanische Bauteile zusätzlich elektrische Funktionen übernehmen: Plastikclips, die Bauteile sicher in Position halten, Rahmenelemente oder sogar Gehäuseteile. Dafür galt es Verfahren zu entwickeln, mit denen sich ein eigentlich nichtleiten - der Kunststoff mit Leiterbahnen versehen lässt. Grundlage für die meisten dreidimensionalen Schaltungsträger hinleuchten kann. Von Malte Borges sind Spritzgussteile aus Kunststoff. Von ihnen leitet sich auch der Überbegriff Molded Interconnect Devices (MID, Spritzgegossene Schaltungsträger) ab umfasste der Markt für dreidimensionale Schaltungsträger gerade einmal 19,7 Mio. Euro. Im Jahr 2009 dürfte er die 70-Millionen-Euro-Grenze überschritten haben, mit stark wachsender Tendenz. Unter den verschiedenen Herstellungsverfahren für MIDs nimmt die Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) mit mehr als 50 % Marktanteil eine Spitzenposition ein. Das LDS-Verfahren nutzt einen thermoplastischen Kunststoff, dotiert mit einem laseraktivierbaren Additiv. Dort, wo der infrarote Laserstrahl auf den dotierten Kunststoff trifft, wird das Additiv aktiviert. Es bildet sich eine mikroraue Spur, besetzt mit Metallpartikeln und Mikrokavitäten. Die Metallpartikel sind die Keime für die nachfolgende Metallisierung, die Rauigkeit garantiert eine optimale Haftung der Leiterbahnen (Bild 1). Der Laser benötigt keine Masken und kann daher beliebige Strukturen auf das Bauteil schreiben. In einem stromlosen Metallisierungsbad lassen sich nacheinander Kupfer, Nickel und Gold als Leiterbahnschichten aufbringen. Aufgrund der Lasertechnik arbeitet das LDS-Verfahren besonders präzise. Mit dem Standardlaser der LPKF Laser & Electronics AG [1] (Laserfokus von 65 μm) lassen sich Leiterbahnen von 150 μm Breite und mit 200 μm Abstand zwischen den Leiterbahnen realisieren. Dabei schreibt das bisherige Standardsystem mit einer Geschwindigkeit von 4 m/s. Mit anderen 12 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

13 Schaltungsträger llll Elektronik-Produktion Laserquellen und einer optimierten Fokussierung (Laserfokus bis zu 40 μm) sind noch feinere Strukturen bis in den Feinstleiterbereich möglich. Bei der Bearbeitung kommen die hohe 3D-Gestaltungsfreiheit, Flexibilität, Schnelligkeit, Auflösung und Präzision des Lasers zum Tragen. So müssen für einen geänderten Verlauf der Leiterbahnen nur neue Steuerdaten an die Lasereinheit übermittelt werden. Damit können auf einem mechanischen Basiskörper unterschiedliche elektronische Schaltungen sehr schnell a) b) realisiert werden. Und da sich die Steuerdaten für den Laser auch während der Produktion wechseln lassen, kann ein Unternehmer kosteneffizient kleine und mittlere Serien mit unterschiedlicher elektrischer Funktion herstellen. Das Schaltungslayout lässt sich direkt aus einem CAD-Programm übernehmen und mit dem Laser auf das Bauteil übertragen. Auch Einzelfertigungen oder Kleinstserien stellen kein technisches Problem dar und sind kostengünstig zu realisieren solange der gleiche mechanische Schaltungsträger genutzt wird. Der Weg vom Prototyp zur Serienfertigung ist für die elektrische Funktion entsprechend kurz, der Unternehmer kann so schnell auf Wünsche des Marktes reagieren. Mechanische Änderungen am Schaltungsträger hingegen sind zeit- und kostenintensiver vom Anfertigen von Einsätzen in die Form bis hin zum Bau einer neuen Spritzgussform. Die Laser-Direkt-Strukturierung konnte in den letzten zwei Jahren ihren Marktanteil erheblich steigern: Sie benötigt keine speziellen Werkzeuge für die Leiterbahnen, kann feinere Leiterbahnstrukturen als die anderen Verfahren erzeugen und ist durch spezielle Lasersysteme besonders wirtschaftlich. Das computergestützte Laserverfahren benötigt keine speziellen Masken, sondern kann Layoutänderungen sofort in Form neuer Layoutdaten übernehmen. Damit lassen sich Schaltungsvarianten einfacher und schneller realisieren. Die beiden letzten Vorteile kommen insbesondere bei Smartphones zum tragen. Diese c) d) ll Bild 1. Die Arbeitsschritte beim LDS-Verfahren: Ausgangspunkt ist ein Kunststoff-Spritzgussteil aus einem Thermoplast mit LDS-Additiv (a), auf dem per Laserstrahl die Leiterbahnen geschrieben werden (b). Das Laserlicht aktiviert das Additiv im Thermoplast und raut die Oberfläche auf, so dass an diesen Stellen Metall (z.b. Kupfer) abgeschieden werden kann (c). Aus dem Kunststoffspritzling wird so ein Schaltungsträger (MID), der nun mit elektronischen Bauelementen zu einer räumlichen elektronischen Baugruppe (d) bestückt werden kann. (Bilder: LPKF AG) Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen

14 Elektronik-Produktion llll Schaltungsträger Thermische Stabilität Hochtemperatur- Thermoplaste Technische Thermoplaste Standard- Thermoplast amorph PSU, PES PC ABS LCP HTN, PA6/6T PET, PBT PP Kommunikationsgeräte sind auf der einen Seite sehr kompakt und unterliegen auf der anderen Seite einem schnellen Versionswechsel beides Aspekte, die für die Laser-Direkt-Strukturierung sprechen. Einige Smartphones nutzen mehr als zehn Antennen für die unterschiedlichen Funkstandards, viele davon werden in MID-Technik hergestellt. Die Laser-Direkt-Strukturierung, z.b. mit den Fusion3D-Lasersystemen von LPKF, ermöglicht es, mehrere Antennentypen in Großserie zu produzieren und fast gleichzeitig Prototypen sowie Vorserien für nachfolgende Modelle herzustellen. Der Wechsel auf die nächste Produktgeneration kann somit gleitend und ohne Stillstand erfolgen. Derzeit werden mehr als 180 Mio. Smartphone-Antennen per LDS erzeugt. Breite Material palette für LDS teilkristallin ll Bild 2. Kunststoffpyramide: Fast alle Hersteller bieten ihre Ther- moplaste mit LDS-Additiv ab Werk an. (Quelle: LPKF AG) Die Materialanforderungen an die verwendeten Kunststoffe hängen eng mit dem Einsatzgebiet zusammen. Wichtigste Voraussetzung ist, dass das Additiv im Thermoplast in einer ausreichenden Konzentration vorliegt und gleichmäßig verteilt ist. Mittlerweile haben viele Anbieter von Kunststoffgranulaten für den Spritzguss LDS-Varianten ihrer Thermoplaste im Angebot. Das Spektrum umfasst amorphe und teilkristalline Kunststoffe, deren thermische Stabilität vom Standard- bis zum Hochtemperatur-Thermoplast reicht (Bild 2). Darunter finden sich zahlreiche Materialtypen, die sich für bleifreies Löten eignen. Einige Materialbeispiele: `` Pocan ist ein thermoplastischer Polyester auf Basis von Polybutylenterephthalat (PBT) und Polyethylenterephthalat (PET), entwickelt von Lanxess [2]. Dieser Kunststoff bietet eine hohe Wärmeformbeständigkeit, hohe Festigkeit und Härte. Dazu kommen eine hohe Abriebfestigkeit, gute Chemikalienbeständigkeit, gute elektrische Isolations- und dielektrische Eigenschaften, hohe Kriechstromfestigkeit und geringe Feuchtigkeitsaufnahme. Je nach Temperaturanforderungen gibt es verschiedene Varianten von Pocan. Das Material eignet sich gut für den Lötprozess und auch für das Laserschweißen. `` PA6/6T, ein teilaromatisches Polyamid auf Basis von Ultramid der BASF AG [3]. Das Material zeichnet sich durch hohe Wärmeformbeständigkeit und gute mechanische Eigenschaften aus. `` Ein vernetzbares PBT (Polybutylenterephthalat) auf Basis von Vestodur der Evonik Industries AG [4] mit den guten Eigenschaften eines Standard- PBT, garantiert ebenfalls eine hohe Wärmeformbeständigkeit. ll Bild 3. Blick in den Bearbeitungsraum des Lasersystems MicroLine3D von LPKF mit der räumlichen Zustellung der Bauteile für die Belichtung. (Bild: LPKF AG) ``LCP (Liquid Crystal Polymer) auf Basis von Vectra der Ticona GmbH [5] hat eine niedrige Schmelzviskosität und sehr hohe Wärmeformbeständigkeit. `` PC/ABS (Polycarbonat/Acrylnitril/ Butadien/Styrol) von Mitsubishi Engineering Plastics [6] bietet ebenfalls sehr gute Oberflächen- und mechanische Eigenschaften. Designregeln Um die Vorteile der LDS-Technik richtig zu nutzen, ist ein optimal an das Verfahren angepasstes Schaltungsträgerlayout wichtig. Hierfür reichen einige Regeln aus. Größe des Werkstücks Der Bereich, in dem sich ein Bauteil mit dem Laser bearbeiten lässt, ist durch den Scanbereich des Lasersystems begrenzt. Der Scanbereich des MicroLine3D-Lasersystems von LPKF ist zum Beispiel ein Kegelstumpf mit einem Grundflächendurchmesser von 160 mm, einer Höhe von 24 mm und einem Neigungswinkel von 77 zwischen Mantelfläche und Grundlinie. Innerhalb des Scanbereichs kann ein Werkstück ohne Drehung oder Verschiebung bearbeitet werden. Das Spitzen-Lasersystem Fusion3D von LPKF kann mit bis zu vier Laserköpfen in sieben Positionen rund um das Bauteil ausgestattet werden. Da die z-auflösung der einzelnen Köpfe größer als beim MicroLine3D ausfällt, ergibt sich ein größerer potentieller Bearbeitungsraum des Gesamtsystems. Leiterbahnen und Abstände Leiterbahnbreiten von 150 μm und Leiterbahnabstande von 200 μm haben sich in der Praxis bewährt. Je nach Anwendung lassen sich aber auch schmalere Leiterbahnen und Abstände erzielen. Durchkontaktierungen Um mit dem Laser die Innenwände von Bohrungen für die Metallisierung zu bearbeiten, müssen die Durchkontaktierungen auf einer oder beiden Seiten konisch sein. Bei größeren Wanddicken sind ausreichend große Innendurchmesser der Bohrungen erforderlich, damit der Laserstrahl alle Innenflächen der Bohrung erreicht. 14 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

15 Schaltungsträger llll Elektronik-Produktion Das Aspektverhältnis für eine einseitig konische Bohrung beträgt 1:1; für eine beidseitig konische Bohrung 2:1. Wandungen und Auswurfstifte LDS-Leiterbahnen sollten so konzipiert werden, dass sie Wandungen nicht direkt berühren. Bei Wandungen mit einem Winkel von 45 empfiehlt sich ein Abstand 150 μm, bei steileren Wandungen mit Winkeln bis 70 sind Abstände 250 μm empfehlenswert. Bei der Layoutentwicklung ist auch ein ausreichender Abstand zwischen Leiterbahnen und Auswurfstiften zu berücksichtigen. Halterungen und Verbindungsnähte Dreidimensionale Bauteile müssen während der Laser-Strukturierung passgenau fixiert werden. Die hierfür benötigten Halterungen dürfen weder die vom Laser zu bearbeitenden Flächen abschatten, noch die empfindliche Oberfläche des Kunststoffteiles beschädigen. Bei MIDs, die aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt wurden, sollten Leiterbahnen nicht über die Bindenähte des Kunststoffbauteils geführt werden. Einfallswinkel Die Aktivierung des Additivs erfolgt durch einen Laserstrahl. Für eine sichere Aktivierung ist der Einfallswinkel des Lasers auf die zu strukturierende Fläche zu beachten. Kritischer Wert ist der Energieeintrag pro Flächeneinheit. Die auf die Fläche gestrahlte Energie muss ausreichen, um einerseits den Kunststoff an der Oberfläche zu verdampfen und andererseits das Additiv zu aktivieren. Bei schräger Bestrahlung verteilt sich die zugeführte Laserenergie über eine größere Fläche. Der Einfallswinkel ist der Winkel zwischen der Senkrechten der zu aktivierenden Fläche und dem Laserstrahl. Einfallswinkel, die 65 übersteigen, werden beim MicroLine3D z.b. durch Rotation des Bauteils beim Bearbeitungsvorgang verringert. So lassen sich auch Leiterbahnen auf Flächen erstellen, die durch Winkel von 90 getrennt sind. Beim Lasersystem Fusion3D von LPKF steht dagegen die geschickte Anordnung der Laserquellen im Vordergrund, um das Werkstück von allen Seiten ohne Rotation des Werkstückes zu bearbeiten. Dies verringert die Bearbeitungszeit und erhöht die Wirtschaftlichkeit. Optimale Durchlaufzeiten Je geringer die Durchlaufzeit für die Bearbeitung der Bauteile, desto höher fallen die Kostenvorteile des LDS- Verfahrens aus. Die Durchlaufzeit setzt sich aus Nebenzeiten (Rüst-, Warte- und Transportzeiten) und der Hauptzeit für die Strukturierung zusammen. Die Dauer der Strukturierung ist proportional zur Leiterbahnfläche des Schaltungslayouts. Die Bearbeitungszeit wird hauptsächlich durch die Anzahl der Positionen bestimmt, in die das Bauteil gebracht werden muss. Durch eine Minimierung der Anzahl der Positionen und ll Bild 4. Bis zu vier Laserköpfe in sieben möglichen Positionen können im Laser- system Fusion3D von LPKF gleichzeitig Leiterbahnen auf ein Bauteil schreiben. Damit können Werkstücke von allen Seiten bearbeitet werden, ohne sie zu drehen oder zu kippen. (Bild: LPKF AG) der Layoutfläche lässt sich bereits bei der Konstruktion und dem Layout des Bauteils die Durchlaufzeit in der Produktion verringern. Mit diesen relativ einfachen Grundregeln lassen sich komplexe dreidimensionale Schaltungsträger erstellen. Erfahrungen aus einer Reihe von Projekten zeigen, dass sich bestehende Leiterplatten-Layouts nicht direkt in die LDS-Technik übertragen lassen, wenn das maximal Mögliche an Kosten eingespart werden soll. Eine Überarbeitung des Layouts, insbesondere der Leiterbahnführung, speziell für das LDS-Verfahren kann die Durchlaufzeit der MIDs signifikant reduzieren. Lasersysteme zur Laser- Direkt-Strukturierung Neben dem Spitzensystem von LPKF, dem Fusion3D-Laserstrukturierer für 3D-MID-AOI... das flexible, hochgenaue Inspektionssystem für 3D-MID-Baugruppen. Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen

16 Elektronik-Produktion llll Schaltungsträger die Großserienproduktion, und seinem Vorgängersystem MicroLine3D wird LPKF in naher Zukunft ein Einstiegssystem anbieten, das insbesondere bei Kleinserien und im Prototypenbau seine Stärken hat. Der MicroLine3D (Bild 3) verfügt über eine einzelne Laserquelle. Die Anlage arbeitet mit einer Vorschubgeschwindigkeit bis zu 4 m/s bei einer Laserleistung bis 20 W, einem Spotdurchmesser von 65 µm und Pulsfrequenzen bis 200 khz. Das maximale Scanvolumen der Anlage umfasst in x- und y-richtung je 160 mm, in der z-richtung 24 mm. Innerhalb des Scanvolumens ein Kegelstumpf mit Bild 5. Ein Verbindungsteil für einen Radarsensor. Links die konventionelle Bauform mit ll flexibler Leiterplatte und mechanischem Träger aus Kunststoff; rechts beides in einem MID-Teil integriert, hergestellt mit dem LDS-Verfahren. einem Grundflächendurchmesser von 160 mm, eine Höhe von 24 mm und einen Mantelflächenneigungswinkel zur Grundfläche von 77 lassen sich mehrere Bauteile in einem Zyklus strukturieren. Ausgeliefert wird der MicroLine3D mit einem Rundschalttisch und zwei Nestern. Die Bestückung und Entnahme des einen Nests erfolgt in der Zeit, in der der Laser die Bauteile in der zweiten Bauteilaufnahme strukturiert. Das System eignet sich in dieser Form zur Bearbeitung von kleinen und mittleren Serien. Die Wiederholgenauigkeit der Strukturierung wird durch Kameras und Fiducialerkennung sichergestellt. Das Fusion3D-Lasersystem von LPKF kann ein Werkstück mit bis zu vier Laserquellen gleichzeitig bearbeiten (Bild 4). Die Laserquellen sind auf einer soliden Granitplatte in sieben wählbaren Positionen sternförmig um das Bearbeitungsfeld angeordnet. Bis zu vier Laserköpfe übernehmen gleichzeitig die Strukturierung der Bauteile von allen Seiten, so dass sie nicht mehr gedreht werden müssen. Im Idealfall verkürzen sich gegenüber einem System mit einem Laser die Zykluszeiten auf ein Fünftel. In der Serienausstattung verwendet der Fu sion- 3D einen Laserfokus von 65 μm Durchmesser. Damit lassen sich Leiterbahnen von 150 μm Breite bei Abständen von 200 μm realisieren. Mit anderen Laserquellen und einer optimierten Fokussierung kann die Anlage noch feinere Strukturen erzeugen. Mit integrierten Faserlasern sind Leiterstrukturen bis zu einer minimalen Breite von 80 μm herstellbar. Der Fusion3D verfügt mit mm 3 (x, y, z) über einen Bearbeitungskubus, mit doppelter Höhe in z-richtung gegenüber der Micro- Line3D. Auch mit diesem Lasersystem können mehrere Werkstücke in einem Zyklus strukturiert werden, sofern diese im Bearbeitungsfeld liegen. Zusätzlich kann der Fusion3D aber auch die Flanken des Werkstücks strukturieren. Die mitgelieferte Software verteilt die Strukturierungsdaten an die einzelnen Laserköpfe und optimiert dabei die Zykluszeiten. Zusammen mit den Roboter-Bestückern sorgt dies für Schnelligkeit, Genauigkeit und hohe Reproduzierbarkeit bei gleichzeitigem Minimum an Personalkosten und Nebenzeiten. Deshalb führen zwei Roboter die Rohlinge im erforderlichen Takt zu. Beide Roboter sind mit der Lasersteuerung synchronisiert. Sie bestücken getrennte Werkzeugnester, so dass Nebenzeiten fast vollständig entfallen: Während die Laser das eine Nest strukturieren, legt der Roboter die Rohlinge in das zweite Nest ein. Der Fusion3D kann MIDs in Millionenstückzahlen pro Jahr produzieren. Räumliche elektronische Bau- gruppen für alle Branchen Der Einsatz von LDS-Komponenten als Smartphone-Antennen ist derzeit dominierend. Diese Geräteklasse hat mit hoher Komplexität, beengten Platzverhältnissen und gleichzeitig mit schnellen Produktzyklen zu kämpfen. Das LDS-Verfahren punktet mit Flexibilität, Präzision und Wirtschaftlichkeit drei Eigenschaften, die auch in anderen Bereichen relevant sind. Dicht auf diese Hauptanwendung folgen Antennen für Notebooks und andere mobile Geräte, die immer stärker auf leichte und kompakte Antennen angewiesen sind. Auch in der Automobilindustrie wird das LDS-Verfahren angewendet. Der BMW Z4 ist mit Lenkradbedienelementen in LDS-Technik ausgestattet. Die Gewichtsreduzierung von Reifendrucksensoren durch 3D- Schaltkreise und die Ankontaktierung einer komplexen Radarantenne für eine adaptive Abstandsregelung zeugen von weiterem Potential dreidimensionaler Schaltungsträger (Bild 5). In der Medizintechnik lässt sich das LDS-Verfahren ebenfalls zur Miniaturisierung mechatronischer Bauteile einsetzen. Beispiel ist ein Dentalhandstück, das Luft, Licht und Wasser sowie eine Temperatur- und Mediensteuerung vereint und trotzdem leicht und kompakt gestaltet werden kann. Die Palette potentieller Anwendungen ist breit. Es geht immer um Gewichtsund Platzersparnis, Ankontaktierung unregelmäßig geformter Körper oder Strukturierungsprozesse mit hoher Variabilität. hs Literatur [1] [2] [3] [4] [5] [6] Malte Borges ist Ansprechpartner für die Fachpresse bei der LPKF Laser & Electronics AG. malte.borges@lpkf.com 16 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

17 Schaltungsträger llll Elektronik-Produktion Heiße Technik Beim Heißprägeprozess werden die Leiterbahnen mittels eines strukturierten Stempels aus einer elektrisch leitfähigen Folie mit geeigneten mechanischen Eigenschaften und einem geeigneten Oberflächenfinish (z.b. Cu/Sn-Folie) ausgestanzt und unter Einwirkung von Temperatur und Druck direkt auf den thermoplastischen Schaltungsträger aufgebracht. Nach Entfernung der Restfolie kann das MID (Molded Interconnect Device) unmittelbar mit elektronischen Bauelementen bestückt werden (Bild 1). Das Heißprägen erfolgt mittels einer Heißprägepresse, die im Wesentlichen aus einem beheizten Stempelarm und einer Bauteilaufnahme besteht und von einem Schutzgehäuse umgeben ist. Die Steuerung erfolgt über ein Bedientableau, mit welchem sich die Prägeparameter Temperatur, Prägestempel Spritzgußteil Aufnahme Kraft und Haltezeit auf das jeweilige MID-Bauteil anpassen lassen (Bild 2). Im industriellen Einsatz sind die Prägestationen voll automatisiert und ermöglichen so einen hohen Durchsatz [2]. Mit der Heißprägetechnik kann eine breite Palette von Anwendungen aus dem Bereich mikrosystem- und feinwerktechnischer Baugruppen ohne den Einsatz chemischer oder galvanischer Prozesse direkt beim MID-Anbieter hergestellt werden. Der Unterschied in der Prägefolie Ausstanzen der Leiterbahnen l l Bild 1. Herstellungsprinzip von MID-Bauteilen mit Heißprägetechnik. Die Heißprägetechnik ist bei vielen Thermoplasten anwendbar: Prägbar sind beispielsweise PBT, PPS, POM, Heißprägen Schneller Fertigungsprozess für MID-Baugruppen Molded Interconnect Devices, kurz MID, sind Baugruppen, die u.a. im Automobilbau, in der Industrieautomatisierung oder auch in der Messtechnik eingesetzt werden. Die sogenannte Heißprägetechnik ist ein einfacher und schneller Fertigungsprozess, um die Leiterbahnen auf Spritzgussteile aufzubringen. Von Horst Richter, Sven Lapper, Wolfgang Eberhardt und Heinz Kück ABS, PC, ABS/PC-Blend sowie die unterschiedlichsten Polyamide (PA6, PA66, PA6T/66, PA6T/6I, PA12, PPA). Die Heißprägbarkeit ist auch dann gegeben, wenn die Thermoplaste mit unterschiedlichen Anteilen von Glasfasern und/oder Mineralstoffen gefüllt sind. Prägefolie Restfolienentfernung Heißgeprägte Leiterbahnen (Bilder: HSG-IMAT) Deutlich geringer als bei den Substratmaterialien ist die Auswahl bei den Heißprägefolien. Folien, deren mechanische Eigenschaften so beschaffen sind, dass sie direkt heißgeprägt werden können, werden auf galvanischem Weg erzeugt (ED- Folien, electro deposited) [3]. Diese Folien auf Kupferbasis haben ein Oberflächen finish aus Zinn, Nickel oder Hartgold und eine aufgeraute Rückseite mit Schwarzoxid (Bild 3a), welche die Haftung zum Thermoplast bewerkstelligt. Die Folien sind in Dicken von 12 µm bis 100 µm erhältlich, wobei gängige Foliendicken meist bei 18 µm, 25 µm oder 35 µm liegen. Kupferfolien, wie sie z.b. in der Leiterplattentechnik eingesetzt und durch Walzen hergestellt werden, weisen andere mechanische Eigenschaften auf: Diese Folien sind nicht direkt heißprägbar; das heißt, das Leiterbild wird beim Prägeprozess nicht aus dem Folienverbund herausgetrennt. Sie können jedoch dann für die Heißprägetechnik eingesetzt werden, wenn das zu prägende Leiterbild vorgeschnitten wird. Das kann mit einem Laser in der Weise erfolgen, dass das Leiterbild nur noch über Stege im Folienverbund fixiert ist (s. Bild 7). Walzfolien Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen

18 Elektronik-Produktion llll Schaltungsträger weisen ebenfalls ein Rückseitentreatment auf (Bild 3b) und sind in Dicken ab ca. 10 µm erhältlich [4]. Durch den Laservorschnitt kann mit deutlich geringeren Kräften heißgeprägt werden, welches die Lebensdauer der Stempel erhöht. Außerdem sind Walzfolien in durch HSC-Fräsen (High Speed Cutting) hergestellt (Bild 4a). In der industriellen Fertigung sind die Stempel nach ca. 500 bis Prägungen an der Oberfläche durch Zinnablagerungen bzw. kohlenstoffhaltige Pyrolyseprodukte aus den Thermoplasten so verschmutzt, dass sie vor weiterem Verwenden mechanisch oder chemisch gereinigt werden müssen. Wie jüngere Entwicklungen zeigen [9], lässt sich die Standzeit der Heißprägestempel durch antiadhesive Hartstoffschichten wie DLC (Diamond Like Carbon) signifikant verlängern (Bild 4b). Derart beschichtete Stempel befinden sich derzeit in der industriellen Erprobung. Charakteristika der MID- Heißprägetechnik ll Bild 2. Heißprägepresse mit Bedieneinrichtung (teilautomati- siert). der Herstellung deutlich kostengünstiger als ED-Folien, so dass diese Folien trotz des benötigten Laservorschnitts wirtschaftlich mit ED-Folien konkurrieren können. Lebensdauer von Prägestempel Zur Anfertigung der Heißprägestempel werden Stähle verwendet, die eine hohe Härte aufweisen, mechanisch aber noch gut zu bearbeiten sind. Bewährt haben sich die Stempelstähle 1,2767 und Vanadis 6, die nach Wärmebehandlung Härten von 54 bzw. 60 HRC (Härte nach Rockwell) aufweisen. Das Leiterbild auf dem Stempel wird in Form erhabener Strukturen Für die Qualität eines Heißprägebauteils sind im Wesentlichen drei Kriterien von Bedeutung: ein fehlerfreies Prägebild, die Haftung der geprägten Strukturen und die Wulstbildung. Darüber hinaus ist die leichte und vollständige Entfernbarkeit der Restfolie von Bedeutung. Die Haftung der Leiterbahnen auf dem MID-Substrat wird in Anlehnung an die Leiterplattentechnik im Peeltest gemessen und sollte mindestens 1 N/mm betragen [6] auch nach erfolgten Zuverlässigkeitstests. Dieser Wert stellt im Allgemeinen keine hohe Anforderung dar und wird auf den meisten Thermoplasten ll Bild 3. Rückseiten-Treatment von ED-Folien (a) und Walzfolien (b) im Vergleich. Bild 4. Heißprägestempel mit Teststruktur ll unbeschichtet (a) und DLC-beschichtet (b). auch von Walzfolien mit feinem Treatment erreicht. Bild 5 zeigt schematisch die Durchführung des Peeltests an einer dafür geeigneten Teststruktur. Beim Heißprägevorgang fließt die Thermoplaste unter den Leiterbahnen durch das Einwirken von Hitze und Druck und es kommt zur Wulstbildung an den Leiterbahnrändern. Ein hoher Wulst kann die Entfernung der Restfolie erschweren und bei nachfolgenden Schritten wie einer SMD-Bestückung zu Fehlstellen führen [2]. Die Prägeparameter sind daher so zu optimieren, dass der Wulst möglichst gering ausfällt, in keinem Fall jedoch 120 µm überschreitet [8]. Mit 35 µm dicken ED-Folien lassen sich derzeit 500 µm breite Leiter bei einem Abstand von 600 µm herstellen [7]. Grundsätzlich sind auch deutlich kleinere Strukturbreiten realisierbar, wobei immer das Gesamtleiterbild und die Foliendicke zu berücksichtigen sind. Mit Walzfolien lassen sich prinzipiell feinere Leiterbahnen realisieren, wobei hier die Untergrenze durch die Justagegenauigkeit von Laservorschnitt und Stempelprägestruktur bestimmt wird. 18 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

19 Schaltungsträger llll Elektronik-Produktion Die Restfolie wird beim Verwenden einzelner Heißprägefolienabschnitte z.b. durch das Abziehen mit Klebeband oder das Anlegen eines Vakuums, bei Walzfolien mit Laservorschnitt auch durch Abblasen, entfernt. Bei Rolle-zu-Rolle-Prozessen entfällt die Restfolienentfernung, da die Folie abzüglich des ausgestanzten Teils im Verbund weitertransportiert wird. MID-Bauteile schnell hergestellt Der Einsatz der Heißprägetechnik ist immer dann interessant, wenn MID- Bauteile mit einfachem Leiterbild in mittleren bis hohen Stückzahlen hergestellt werden sollen. Einlagige Leiterbilder sind dabei vorzuziehen, und das Prägen sollte auf einer planen Fläche erfolgen. Zwar können zweilagige Leiterbilder mit Durchkontaktierungen prinzipiell realisiert werden, jedoch verlangt die Durchkontaktierung zusätzliche Prozessschritte die Herstellung des MID wird aufwendiger. Ähnlich stellt sich die Situation bei nicht planen Bauteilen dar: Zwar sind 3D-Elemente wie Schrägen oder Kavitäten mit Einschränkungen prägbar, jedoch lassen sich 3D- ll Bild 6. Beispiel für nicht heißprägegerechtes (a) und heißprägegerechtes Layout (b) [8]. Bild 5. Peeltest zur Ermittlung der Haftfestigkeit auf dem MID-Subll strat. Stempel nur schlecht überarbeiten. Prädestiniert ist die Heißprägetechnik zum Prägen von 2D-Strukturen auf 3D-Spritzgussbauteilen. Für das Heißprägen sollte das zu prägende Leiterbild idealerweise eine kleine Grundfläche von < 100 cm² und eine Geometrie aufweisen, bei der das Länge-zu-Breite-Verhältnis nicht zu extrem ist (< 4 : 1). Die prägbaren Leiterbreiten und -abstände sind abhängig von der Dicke der Heißprägefolie, der Art des Thermoplasten und den Prägebedingungen. Das Verhältnis von Leiterbreiten zu Leiterabständen sollte insbesondere wegen der Wulstbildung weniger als 1 betragen. Mit abnehmender Dicke lassen sich bei ED- Folien kleinere Leiterbahnbreiten und -abstände realisieren, wohingegen bei Walzfolien mit Laservorschnitt nicht die Foliendicke, sondern die präzise Justierung vom Heißprägestempel zum vorgeschnittenen Leiterbild die entscheidende Rolle spielt. Zum Heißprägen mit ED-Folien sollte das Schaltungslayout weich ausgelegt sein, d.h., sämtliche Ecken und rechte Winkel bei Leiterbahnen und Anschlusspads sind zu vermeiden und durch abgerundete Übergänge zu ersetzen (Bild 6). Dies gilt auch dann, wenn Leiter zwischen zwei Anschlusspads durchgeführt und dabei verjüngt werden. Ecken führen zu Spannungen in der geprägten Leiterstruktur und können bei thermomechanischer Beanspruchung als Risseinleitungsstellen fungieren. Um die Restfolie leichter entfernen zu können, sollte man darauf achten, dass das Prägelayout keine Bereiche aufweist, in denen die Restfolie durch Leiterstrukturen zu stark eingeschlossen wird. Weniger streng gestalten sich die Auslegerichtlinien bei Walzfolien [9]: Durch den Folienvorschnitt sind hier wesentlich kleinere Leiterbahnradien sowie feinere Leiterbreiten und -abstände möglich. Zu beachten ist lediglich, dass die Stege, welche die b) c) ll Bild 7. Heißpräge-Testlayout für den Laservorschnitt: Strukturdetails und mögliche Stegpositionen (a), nicht empfehlenswert (b), empfehlenswert (c). Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen

20 Elektronik-Produktion llll Schaltungsträger Bild 8. MID-Baugruppe als Sitzverstellschalter im Automobil bestückt (links) und mit Gehäuse für die Bedienung ll (rechts) [2]. Schnittbilder im Folienverbund fixieren, an möglichst unkritischen Stellen angebracht sind (Bild 7). Die Heißpräge-MID-Technik wird derzeit am stärksten in der Kfz- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Doch auch aus anderen Branchen wie der Biotechnik sind Anwendungen bekannt. Neuere Entwicklungen befassen sich auch mit dem Heißprägen auf Kuststofffolien zum Herstellen kostengünstiger Flexschaltungen [10]. Bild 8 und Bild 9 zeigen einige Beispiele. Schnelles Strukturierungs verfahren für MID einer 35 µm dicken Folie Leiterbreiten und Leiterabstände von 500 µm bzw. 600 µm nicht unterschreiten werden. Neben der klassischen ED-Folie stehen heute auch Walzfolien mit unterschiedlichem Aufbau für verschiedene Anwendungen zur Verfügung, die wesentliche Vorteile gegenüber der ED-Folie bieten: Das sind insbesondere ein Erhöhen des Gestaltungsspielraums bei der Layout-Erstellung durch kleinere Leiterbahnradien, feinere Leiterbreiten und -abstände, leichte Restfolienentfernung, erhöhte Stempelstandzeit durch reduzierte Prägekräfte sowie ein wesentlich günstigerer Folienpreis. ag [2] Pojtinger, A.: Erfahrungen in der Serienfertigung einer komplexen heißgeprägten MID-Baugruppe. Workshop Innovative Anwendungen in der MID-Technik. Stuttgart, [3] [4] [5] Richter, H.: Eine neue MID-Heißprägebaugruppe für die Biotechnik. HSG-IMAT Jahresbericht 2006, S [6] Schältest in Anlehnung an DIN und DIN EN [7] Persönliche Mitteilung Fa. Eaton Industries. [8] Ehrenstein, G.W. (Hrsg.): Handbuch Kunststoff-Verbindungstechnik. Carl Hanser Verlag, München 2004, S [9] Richter, H.; Kappl, H.; Booz, T.; Lapper, S.; Petrikowski, K.; Eberhardt, S.; Fenker, M.; Kück, H.: New Developments in Hot Embossing MID Technology. Proceedings of 6. International 4M Conference, Oyonnax, November [10] IGF-Vorhaben 326 ZN Heißprägen von Kunststofffolien zum Aufbau von Low Cost Flexschaltungen. Dr. Horst Richter arbeitet im Hahn-Schickard-Institut für Mikroaufbautechnik in Stuttgart und ist für die MID-Heißprägetechnik verantwortlich. richter@hsg-imat.de Heißprägen ist ein einfaches und schnelles Strukturierungsverfahren für MID mit kurzer Entwicklungsund Prozesskette und ist prädestiniert für die Herstellung vergleichsweise einfacher 2D-Leiterbilder auf 3D- Bauteilen. Unter Fertigungsbedingungen mit hohem Durchsatz sollten bei Literatur [1] 3D-MID-Technologie Herstellungsverfahren, Gebrauchsanforderungen, Materialkennwerte. Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.v.; München Sven Lapper arbeitet am Hahn-Schickard-Institut für Mikro aufbautechnik in Stuttgart auf dem Gebiet der MID-Heißprägetechnik. lapper@hsg-imat.de Dr. Wolfgang Eberhardt leitet die Abteilung Technologie im Hahn- Schickard-Institut für Mikroaufbautechnik in Stuttgart und beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Metallisierung von MID. eberhardt@hsg-imat.de ll Bild 9. MID-Baugruppe mit LED-Leuchtelement für die Automatisierungstechnik heißgeprägt (links) und bestückt (rechts) [9]. Prof. Dr. Heinz Kück leitet das Institut für Zeitmesstechnik, Feinund Mikrotechnik an der Universität Stuttgart und das Hahn-Schickard-Institut für Mikroaufbautechnik. kueck@hsg-imat.de 20 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

21 SMD-Bestückung llll Elektronik-Produktion (Bildquellen: MID-TRONIC) 6-Achs-Roboter im Bestückautomaten Dreidimensionale Baugruppen (Molded Interconnect Devices, MID) bieten enormes Potential zur Optimierung des Produktionsprozesses und des Gesamtsystems. Jedoch ist die erfolgreiche Umsetzung der MID-Technik in ein Produkt eine Herausforderung, müssen doch herstellungsspezifische und MID-spezifische Anforderungen berücksichtigt werden. Ein sehr wichtiges Entwicklungsfeld in der MID-Welt sind Fertigungsautomaten, insbesondere SMD-Bestückautomaten mit erweiterten Fähigkeiten: Sie müssen elektronische Bauteile schnell und präzise auf dreidimensionalen Schaltungsträgern platzieren können. Aktueller Stand der Be stückungstechnik Automaten zum Bestücken von elektronischen Bauteilen auf zweidimensionalen Substraten (Leiterplatten) Bestückung elektronischer Bauteile auf drei - dimensionalen Schaltungsträgern Bestückautomaten für räumliche elektronische Baugruppen sind als Sonderanfertigungen teurer, langsamer und weniger präzise als die typischen Bestückmaschinen für Flachbaugruppen. Das Konzept, mit einem 6-Achs- Roboter in einer Standard-Bestückmaschine zu arbeiten, der den räumlichen Schaltungsträger in die richtige Position zum Bestückkopf dreht, wird eine wirtschaftliche 3D-Bestückung von SMDs ermöglichen. Von Karl Görmiller und Marcel Freiermuth sind Stand der Technik. Diese Anlagen bestehen zumeist aus einem in x- und y-richtung verfahrbaren Portal, das einen in z-richtung verfahrbaren Bestückkopf trägt, einer Zuführung der elektronischen Bauteile und einem Transportsystem für den Transport der Leiterplatten in der Anlage. Typische Leistungsmerkmale dieser Maschinen sind: ``Bestückleistung bis Bauteile pro Stunde, ``Bestückung von elektronischen Bauteilen in einer Größe von 0,4 mm 0,2 mm (Bauform 01005) bis zu 100 mm 100 mm. Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen

22 Elektronik-Produktion llll SMD-Bestückung ll Bild 1. Ein MID aus wärmeleitfähigem Kunststoff für ein LED-Leuchtmittel. Der Schaltungsträger verbindet nicht nur die LEDs elektrisch, sondern hält sie in der für die Lichtaussendung gewünschten räumlichen Position. Die typischen Bestückmaschinen sind nur dafür ausgelegt, elektronische Bauteile auf planen, zweidimensionalen Leiterplatten aufzubringen. Sie können keine Lotpaste auf der Leiterplatte auftragen. Diese Aufgabe übernehmen in klassischen Elektronik- Produktionslinien vorgeschaltete Schablonendrucker. Die Bestückung von räumlichen Baugruppen (Bild 1) erfordert dagegen Maschinen, die Lotpaste und Bauteile im dreidimensionalen Raum an beliebigen Positionen aufbringen und platzieren können. Stand heute: Weltweit ist kein serienmäßiger Elektronik- Fertigungsautomat verfügbar, das elektronische Bauteile frei im Raum auf MID-Teilen platzieren kann. Für die aktuell produzierten Serien-MID- Teile mussten teure Sondermaschinen gebaut werden. Da die Investitionen in derartige Maschinen nur mit sehr hohen Stückzahlen amortisiert werden können, ist die Produktion von mittleren und kleinen Serien unrentabel. 3D-Bestückautomat ll Bild 2. Das 3D-Bestücken wird zu einer Zusatzfunktion in der Elektronik-Produktion. Ein MID-tauglicher Bestückautomat muss Lotpaste, Leitkleber und Klebstoffe dispensen und elektronische Bauteile platzieren können. Diese Arbeitsgänge müssen präzise und schnell entsprechend dem Stand der Technik in der Elektronikproduktion auf flachen Leiterplatten von einem MID-tauglichen Bestückautomaten auf dreidimensionalen Schaltungsträgern ausgeführt werden können. Die Firmen MID- Tronic Wiesauplast GmbH [1] in Wiesau und die Essemtec AG [2] in Aesch 22 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

23 SMD-Bestückung llll Elektronik-Produktion (Schweiz) entwickeln gemeinsam einen 3D-fähigen Bestückautomaten auf Basis eines Standard-SMD-Bestückautomaten (Bild 2). Entwicklungsziele sind: ``Entwicklung eines 3D-Bestückautomaten auf Basis einer SMD- Standardbestückmaschine. ``Dosieren von Lotpaste und Klebern auf 3D-Körpern. ``Bestückung elektronischer Bauteile auf 3D-Schaltungsträgern (MID). ``Integration eines 6-Achs-Roboters im Maschinenbett der Bestückmaschine. ``Bearbeitung von MID-Teilen in Nutzenträgern. `` Inline-Fähigkeit mit SMEMA-Anbindung (Schnittstelle der Surface Mount Equipment Manufacturers Association). ``Bestückleistung >3000 Bauteile pro Stunde. ``Kaskadierbarkeit der Anlage. ``Universeller Einsatz der 3D-Bestückanlage für die Fertigung von MID-Baugruppen unterschiedlicher Geometrie und von klassischen Flachbaugruppen. Die Entwicklung des 3D-Bestückers begann im Oktober Ende Oktober 2011 soll die Entwicklung abgeschlossen sein und der erste 3D- Bestückautomat bei der MID-Tronic Karl Görmiller ist Geschäftsführer der Firma MID-TRONIC Wiesauplast GmbH. Wiesauplast in Betrieb genommen werden. Die Erfahrungen aus der MID-Serienproduktion fließen in die weitere Optimierung der Anlage. Künftig wird die Essemtec AG den 3D-Bestückautomaten ins Standardprogramm aufnehmen und dem Markt anbieten. hs Masch.-Ing (FH)/ Wirtschaftsingenieur Marcel Freiermuth ist Fachlehrer für Entwicklungsmethodik und Automation. Inserentenverzeichnis 2E mechatronic GmbH & Co. KG Cicor Technologies Cicor Management AG 35 Coronex Electronic GmbH DYCONEX AG Evonik Industries AG FlowCAD EDA-Software Vertriebs GmbH HARTING Mitronics AG HSG-IMAT Institut für Mikroaufbautechnik Kromberg & Schubert GmbH & Co. Limtronik GmbH LPKF Laser & Electronics AG 11, 36 MID-Solutions GmbH pretema GmbH Viscom AG WIESAUPLAST Kunststoff und Formenbau GmbH & Co. KG Limtronik fertigt seit 10 Jahren als EMS-Dienstleister verschiedenste elektronische Komponenten für die unterschiedlichsten Industriebereiche. Unser Unternehmen ist ausgerichtet auf eine hohe Baugruppenvarianz mit kleinem bis mittlerem Volumen. Im Jahr werden über 250 neue Produkte bearbeitet. Entwicklung Projektführung- und begleitung Engineering Prototypen und Musterbau Supply Chain Management Bestückung (SMT, THT) Gerätefertigung Systemmontage Schaltschrankbau Laserbeschriftung Lackierung Kalibrierung Test (AOI, AXI, ICT, Boundary Scan, FKT, Sys-Test) Materialwirtschaft, Logistik Verpackung, Verzollung, Versand Limtronik GmbH electronic manufacturing services Industriestraße D Limburg Telefon info@limtronik.de Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen

24 Elektronik-Produktion llll Metallisierung Von der Deko in die Industrie Metallisierung von MID mit nasschemischen Verfahren Im Gegensatz zu Leiterplatten werden bei MID thermoplastische Kunststoffe verwendet, die durch Spritzgießen zu dreidimensionalen Bauteilen verarbeitet werden können. Um Leiterbahnstrukturen auf thermoplastischen Spritzgießbauteilen zu erzeugen, kommt bei den meisten MID Verfahren dem selektiven nasschemischen Metallisierungsprozess der Thermoplaste eine entscheidende Bedeutung zu. Von Dr. Wolfgang Eberhardt, Sascha Weser, Prof. Dr. Heinz Kück Für dekorative Anwendungen wird die vollflächige Metallisierung von Thermoplasten bereits seit über 50 Jahren im industriellen Maßstab eingesetzt. So können durch die Kunststoffmetallisierung die Vorteile von Kunststoffen und Metallen in einem Formteil verbunden werden, was kostengünstige Massenprodukte für eine Vielzahl von Anwendungen ermöglicht. Ein klassisches Beispiel hierfür ist die dekorative Metallisierung von Brauseköpfen aus ABS. Um jedoch auf den in der MID- Technologie üblichen Thermoplasten Metallschichten in Form von Leiterbahnstrukturen selektiv abscheiden zu können, sind für die jeweiligen Thermoplaste spezifische Metallisierungsprozesse erforderlich. Der Verfahrensablauf eines nasschemischen Metallisierungsprozesses besteht im Wesentlichen aus einer Vorbehandlung Bild 1. Kunststoffoberfläche (LCP Vectra E820i) nach chemischer ll Vorbehandlung. und Aktivierung der Kunststoffoberfläche und anschließender Beschichtung in chemisch-reduktiven bzw. außenstromlosen Metallisierungsbädern. Die in der MID-Technologie eingesetzten Metallschichtsysteme sind grundsätzlich ähnlich wie in der Leiterplattentechnologie, bei den MID-Technologien kommt jedoch dem jeweiligen Vorbehandlungsprozess vor der Metallabscheidung eine entscheidende Bedeutung zu. Dabei ist das Erzeugen einer definierten Oberflächenmikrorauigkeit auf der Kunststoffoberfläche der Schlüsselfaktor zur Erzeugung von haftfesten Metallschichten auf dem Kunststoffbauteil. Schlüsselfaktor Oberflächen- mikrorauigkeit Bei semi-additiven Laser-MID-Verfahren und der 2K-MID-Technologie wird die Oberflächenmikrorauigkeit der Kunststoffoberfläche durch eine nasschemische Vorbehandlung des Kunststoffbauteils erzeugt. Je nach Kunststoff können durch Ätzen der amorphen Anteile oder durch Herauslösen der oberflächennahen Füllstoffe Kavernen unterschiedlicher Geometrie in der Kunststoffoberfläche erzeugt werden, welche eine gute mechanische Verankerung der abzuscheidenden Metallschicht ermöglichen. Dies kann zum Beispiel bei metallisierbaren LCP-Typen (Liquid Crystal Polymer) durch Beizen mit heißer Kalilauge erfolgen (Bild 1). Anschließend werden in einem Neutralisationsschritt anhaftende Reste der Vorbehandlungsmedien und angelöste Kunststoffpartikel entfernt. Die zwischen jedem Nassprozess liegenden Spülschritte haben dabei einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität der nachfolgenden Beschichtung: Je höher die Tauchzeit in der Ätzlösung ist, um so rauer wird die Substratoberfläche; gleichzeitig nimmt auch die Haftfestigkeit der nachfolgenden Beschichtung bis zu einem gewissen Grad zu. Allerdings wirkt sich eine zu große Rauheit nachteilig auf nachfolgende Schritte zum Aufbau von Bauelementen auf dem MID aus, so dass hier durch ein Anpassen des Vorbehandlungsprozesses eine ausreichende Haftfestigkeit bei noch akzeptabler Oberflächenrauigkeit erreicht werden muss. Nach dem Ätzschritt erfolgt in der Regel ein Bekeimungs- bzw. Aktivierungsschritt, bei dem in die erzeugten Kavernen der mikrorauen Kunststoffoberfläche Palladium-Keime eingebracht werden. Diese Palladium-Keime sind nun für den folgenden chemisch-reduktiven Metallisierungsprozess katalytisch aktiv. Bei der 2K-MID-Technologie werden in der Regel kernkatalytische Kunststoffe eingesetzt, d.h., ein Bekeimungs- bzw. Aktivierungsschritt ist nicht erforderlich. Diese Technologie verlangt Materialkombinationen mit unterschiedlichem Verhalten gegenüber dem Vorbehandlungs- und Metallisierungsprozess. Das heißt, in einem außenstromlosen Metallisierungsprozess wird auf einer Kunststoffkomponente Metall haftfest abgeschieden und auf der anderen Komponente nicht. Diese Selektivität kann durch das Eincompoundieren von Katalysatoren in eine der beiden Komponenten, die als kernkatalytische Komponente bezeichnet wird, erzielt wer 24 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

25 Metallisierung llll Elektronik-Produktion ll Bild 2. Selektive Modifikation einer Kunststoffoberfläche (LCP Vectra E840i LDS) durch Laserprozess im LPKF-LDS-Verfahren. den. Durch den Vorbehandlungsprozess wird nur die Oberfläche dieser kernkatalytischen Komponente selektiv aufgeraut und modifiziert. Gleichzeitig werden durch eben diesen Prozess Katalysatorkeime für die außenstromlose Metallabscheidung freigelegt. Als metallisierbare Komponente kommt bei derzeitigen Serien-MID- Teilen typischerweise ein kernkatalytisches LCP zum Einsatz. Als nicht metallisierbare Komponente wird in der Regel ein nicht kernkatalytisches LCP verwendet, alternativ dazu kann aber auch beispielsweise PPS (Polyphenylene Sulfide) verwendet werden. Die Vorbehandlung der 2K-MID erfolgt bei dieser Werkstoffkombination ebenfalls mit heißer Kalilauge und einem anschließendem Neutralisationsschritt. Bei Werkstoffkombinationen mit nicht kernkatalytischen Kunststoffen muss der Metallisierungs- bzw. Vorbehandlungsprozess an die jeweilige Materialkombination angepasst sein, um eine selektive Metallisierung einer Komponente zu erreichen. Ein Beispiel dafür ist die Werkstoffkombination PA6 und PA12. Werkstoffkombinationen mit nicht kernkatalytischen Kunststoffen sind derzeit jedoch bei Serienprodukten von untergeordneter Bedeutung. Bei der Laserdirektstrukturierung nach dem LPKF-LDS-Verfahren wird die Oberflächenmikrorauigkeit durch einen Laserprozess erzeugt (Bild 2). Im Anschluss an den Laserstrukturierungsprozess erfolgt ein Reinigungsschritt zur Entfernung der Rückstände des Laserprozesses (Laserdebris). Dies kann beispielsweise eine ultraschallunterstützte nasschemische Reinigung in einer wässrigen Tensidlösung sein. Alternativ dazu kann bei geeigneter Bauteilgeometrie auch Wasserstrahlreinigung eingesetzt werden. Bei besonderen Anforderungen an die Oberflächen- und Kantenrauheit der Leiterbahnstrukturen bietet eine CO 2 -Schneestrahlreinigung vielseitige Möglichkeiten. Da auch die Aktivierung der für diese Technologie eingesetzten Thermoplaste bereits durch den Laserprozess erfolgt, kann dann unmittelbar nach einem Spülschritt die chemisch-reduktive Metallabscheidung beginnen. Derzeit sind für diese Technologie verschiedene Thermoplaste kommerziell verfügbar, unter anderem LCP, PA6/6T, PBT, ein PET+PBT-Blend sowie diverse ABS+PC-Blends. Redox-Reaktion sorgt für Metallisierung Aufgrund ihrer Eigenschaft als elektrische Nichtleiter können Kunststoffe nicht direkt mit galvanischen Verfahren beschichtet werden. Die zur Metallabscheidung benötigten Elektronen lassen sich daher nicht durch eine äußere Stromquelle bereitstellen. Daher werden hier chemisch-reduktive bzw. außenstromlose Metallisierungsbäder eingesetzt, bei denen die zur Metallabscheidung benötigten Elektronen von einer Komponente des Metallisierungsbades ll Bild 3. Metallschicht auf MID. stammen. Ein chemisch-reduktives Metallisierungsbad besteht in seinen Hauptbestandteilen aus einer wässrigen Metallsalzlösung, einem Reduktionsmittel und verschiedenen Additiven wie Komplexbildnern und Stabilisatoren. Beim Metallabscheidungsprozess überträgt nun das Reduktionsmittel auf der aktivierten Substratoberfläche Elektronen auf das Metall- Ion, welches dann zu einem Metall- Atom reduziert wird, während das Reduktionsmittel selbst oxidiert wird (Redox-Reaktion). Das Reduktionsmittel übernimmt sozusagen die Funktion der Stromquelle. Damit diese Redox-Reaktion nur auf der aktivierten Substratoberfläche und nicht spontan im Metallisierungsbad stattfindet, werden dem Elektrolyten unter anderem Stabilisatoren zugesetzt. Die Redox-Reaktion findet auch an bereits abgeschiedenen Metall-Atomen statt, so dass die entstandenen Metallkeime kontinuierlich in allen Raumrichtungen weiterwachsen und schließlich eine geschlossene Metallschicht bilden. Mit zunehmender Zeit wächst die Metallschicht dann kontinuierlich weiter (Bild 3). Die Vorteile der chemisch-reduktiven Metallabscheidung liegen in einer homogenen Schichtdicke auch auf komplexen Geometrien sowie in der einfachen Möglichkeit, komplizierte Strukturen mit feinsten Leiterbreiten zu metallisieren. Die chemisch-reduktive Kupferabscheidung ist bei allen MID-Technologien der entscheidende Startmetallisierungsprozess, der über die Qualität der Gesamtschicht entscheidet. Die selektive Metallisierung von MID stellt daher hohe Anforderungen an den chemisch-reduktiven Kupferelektrolyten, da die katalytische Aktivität bei kernkatalysierten oder laserdirektstrukturierten Oberflächen in der Regel geringer ist als bei klassisch mit Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen

26 Elektronik-Produktion llll Metallisierung ll Bild 4. Gestell zur Metallisierung von MID. Palladium aktivierten Oberflächen, so dass das eingesetzte Kupferbad eine höhere Aktivität besitzen muss. Erst Kupfer, dann Nickel, dann Gold Aufbauend auf der ersten Schicht aus chemisch Kupfer werden in der Regel als Diffusionsbarriere chemisch Nickel und als Endschicht Tauchgold abgeschieden. Dieses Schichtsystem ist vielseitig einsetzbar, z.b. zum Löten und leitfähigen Kleben von SMD- Bauelementen sowie zur Nacktchip- Montage mittels Flipchip-Techniken und Al-Drahtbonden. Eine multifunktionale Oberfläche ist das Schichtsystem chemisch Kupfer, chemisch Nickel, chemisch Palladium und Tauchgold, was zusätzlich auch für Kontaktanwendungen geeignet ist. Grundsätzlich einsetzbar, aber derzeit in der MID- Technologie kaum verwendet, ist das Schichtsystem chemisch Kupfer mit der Endschicht chemisch Zinn oder chemisch Silber. Chemisch-reduktive Metallisierungsbäder arbeiten mit einer Abscheiderate von wenigen Mikrometern pro Stunde in der Regel relativ langsam und sind nicht für die Abscheidung von dicken Metallschichten geeignet. Sind aufgrund einer geforderten höheren Stromtragfähigkeit oder Wärmeableitung dickere Metallschichten erforderlich, kann grundsätzlich die chemisch-reduktiv abgeschiedene Kupferschicht galvanisch verstärkt werden. Dies setzt jedoch die Möglichkeit der elektrischen Kontaktierung aller Leiterstrukturen voraus, was die Designfreiheit des Leiterbahnbildes und die Strukturbreiten der Leiterbahnen auf dem MID stark einschränkt. Die Leiterstrukturen müssen dann auf dem Kunststoffbauteil zusammengeführt und nach der Metallabscheidung wieder getrennt werden. ll Bild 5. Trommel zur Metallisierung von MID. Eine wichtige Aussage zur Qualität der Beschichtung erfolgt über die Haftfestigkeit der Metallschicht auf dem Substrat. Die Haftfestigkeit kann qualitativ mittels Tape-Test ermittelt werden, wobei ein definiertes Klebeband auf die Schicht aufgedrückt und ruckartig abgezogen wird. Dabei darf sich die Metallschicht nicht ablösen. Quantitativ lässt sich die Haftfestigkeit mittels Stirnabzugstest oder Peel- Test ermitteln. Beim Stirnabzugstest wird auf eine definierte Fläche ein Stempel aufgebracht und senkrecht abgezogen. Ein Richtwert für die erforderliche Mindestkraft beträgt ca. 3 N/mm². Je nach Anwendung kann auch ein höherer Wert gefordert werden. Beim Peel-Test wird eine galvanisch verstärkte Leiterbahn definierter Breite abgezogen, wobei der Abzugswinkel 90 betragen muss. Als Richtwert dient der bei FR4-Leiterplatten zu erreichende Mindestwert von 1,2 N/mm, wobei bei MID-Substraten je nach Anwendung auch ein geringerer Wert ausreichend sein kann. Anlagen für die nasschemische Metallisierung Je nach Größe und Geometrie können die MID-Bauteile entweder im Gestell (Bild 4) oder in einer Trommel (Bild 5) prozessiert werden. Insbesondere bei kleinsten MID für mikromechatronische Systeme oder Mikrosysteme ist das Trommelverfahren ein sehr rationelles Verfahren. Bei bestimmten Bauteilgeometrien oder hohen Anforderungen an die Oberflächenrauheit ist jedoch die Beschichtung im Gestell die Methode der Wahl. Eine komplette Metallisierungsanlage ist in der Regel aus mehreren Prozess- und Spülmodulen aufgebaut. Je nach Prozess werden neben Spülbecken verschiedene Prozessbecken zur ultraschallunterstützten Reinigung, Vorbehandlung, Aktivierung und Beschichtung mit dem jeweiligen Metallschichtsystem benötigt. In den einzelnen Becken sorgt eine kontinuierliche au- 26 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

27 Metallisierung llll Elektronik-Produktion tomatische Warenbewegung für eine gleichmäßige Medienkonzentration an den zu beschichtenden Kunststoffbauteilen. Eine Umlauffiltration sorgt dafür, dass sich in den entsprechenden Elektrolyten und Prozesschemikalien keine der Badstandzeit abträglichen Partikel anreichern. Automatische ll Bild 6. Messsystem e-cu:check zur Überwachung des außen- stromlosen Kupferelektrolyten. (Bilder: HSG-IMAT) Heizelemente sichern in den einzelnen Becken je nach Prozess eine gleich bleibende Medientemperatur. Die Prozessbecken zur außenstromlosen Kupferabscheidung sind mit einer regelbaren automatischen Lufteindüsung ausgestattet, welche für die Stabilität des Kupferelektrolyten sorgen. Um die Aktivität des Kupferelektrolyten während des Abscheidungsprozesses zu überwachen, kann das im BMBF-Vorhaben MELAM 3D erarbeitete Messsystem e-cu:check eingesetzt werden (Bild 6). Die nasschemische Analyse der Metallisierungsbäder erfolgt in der Regel durch Titration, um eine gleichbleibende Abscheidungsqualität zu gewährleisten. Bei Produktionsanlagen erfolgt dies meist vollautomatisch mit automatischer Nachdosierung der verbrauchten Badbestandteile. Anforderungen an das Kunststoffbauteil Bei der Konstruktion von MID sind neben den üblichen kunststofftechni schen Designregeln auch einige galvanotechnische Richtlinien zu berücksichtigen. So ist darauf zu achten, dass Leiterbahnen nicht über scharfkantige Übergänge verlaufen. Sollen die MID getrommelt werden, so ist bei der Konstruktion darauf zu achten, dass sich die Teile nicht ineinander verhaken. Völlig ebene Flächen sind bei Trommelware ebenfalls zu vermeiden, damit die Teile im Elektrolyt nicht aneinander kleben. Abhilfe kann hierbei die Integration von Abstandshaltern wie Dome oder Bumps bieten. Idealerweise sind bei der Trommelprozessierung insbesondere bei laserdirektstrukturierten MID Leiterbahnen im Bauteil so zu integrieren, dass es zu keinem Abrieb während der Prozessierung kommt. Dies wird z.b. dadurch erreicht, dass das Kunststoffbauteil an kritischen Stellen Vertiefungen enthält, in die die Leiterbahnen gelegt werden. Bei der Auslegung des Leiterbilds sollte darauf geachtet werden, dass Leiterbahnen nicht über Bindenähte verlaufen, da sich diese besonders bei mechanischer Belastung oder Temperatureinfluss negativ auswirken können. Anspritzpunkte und Auswerfer sind möglichst fern von Funktionsflächen zu legen. Bei MID, die im Gestell prozessiert werden, sind geeignete Möglichkeiten zur Fixierung vorzusehen. Schöpfende Bauteilgeometrien und auch Sacklöcher sind möglichst zu vermeiden, damit sich in Kavitäten kein Prozessgas sammeln kann und vor allem das Verschleppen von Prozesschemikalien vermieden wird. Da alle Beschichtungsprozesse sehr sensibel auf Oberflächenkontaminationen reagieren, muss das Kunststoffbauteil selbst frei von Trenn- und Verarbeitungshilfsmitteln sein. Ebenso muss im Spritzgießprozess auf ein Schmieren der Auswerfer mit Fetten verzichtet werden. Es sollten die Bauteile während der gesamten Prozesskette nicht mit Handschweiß kontaminiert werden. Die selektive Metallisierung von MID mit nasschemischen Verfahren ist zwar eine anspruchsvolle Technologie, mittlerweile aber bei den etablierten MID-Technologien und -Werkstoffen Stand der Technik. Allerdings sind die Randbedingungen etwas vielseitiger als bei der klassischen vollflächigen Kunststoffmetallisierung oder Leiterplattentechnik. Entscheidend ist bei allen MID-Technologien, dass bereits während der Konstruktion die Anforderungen aller nachfolgenden Prozesse bis zum fertigen MID berücksichtigt werden und die jeweiligen Spezialisten rechtzeitig mit einbezogen werden. ag Literatur [1] 3D-MID Technologie Räumliche elektronische Baugruppen. 3-D MID e.v; Hanser Fachbuchverlag, München [2] Suchentrunk, R.; et al.: Kunststoff-Metallisierung. 3. Aufl., Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau [3] Kanani, N.: Kupferschichten. 1. Aufl., Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau [4] Kanani, N.: Chemische Vernicklung. 1. Aufl., Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau [5] Abschlussbericht BMBF-Vorhaben 16SV1918: MELAM-3D Mess- und Prüftechnik für die laserbasierte Fertigung von multifunktionalen 3D-Packages. Dr. Wolfgang Eberhardt leitet die Abteilung Technologie im Hahn- Schickard-Institut für Mikroaufbautechnik in Stuttgart und beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Metallisierung von MID. Prof. Dr. Heinz Kück leitet das Institut für Zeitmesstechnik, Feinund Mikrotechnik an der Universität Stuttgart und das Hahn-Schickard-Institut für Mikroaufbautechnik. Dipl.-Ing. (FH) Sascha Weser beschäftigt sich am HSG-IMAT in Stuttgart mit der Metallisierung von MID. Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen

28 Elektronik-Produktion llll Auftragsfertigung 3D-MID aus einer Hand Harting Mitronics verfügt über die vollständige MID-Prozesskette im eigenen Haus Alles aus einer Hand das ist das Motto, unter dem die Harting Mitronics in der Schweiz von Anfang an die 3D-MID-Technik vorangetrieben hat. Die Philosophie der Harting-Gruppe lautet, alle qualitätsrelevanten Prozesse im eigenen Haus durchzuführen. Was bei den Steckverbindern des Unternehmens gilt, wurde daher auch für den Bereich Mitronics, wie der Geschäftsbereich rund um die 3D-MID-Technik genannt wird, umgesetzt. Mit umfassender Erfahrung bei der Großserienproduktion von Steckverbindern im Hintergrund hat sich Harting dazu entschieden, die beiden für eine hochvolumige Produktion geeigneten MID- Prozesse im eigenen Haus zu etablieren. Dabei handelt es sich um den Zwei-Komponenten-Spritzguss und die Laserdirektstrukturierung, auch bekannt unter dem Kürzel LDS wurde der MID-Geschäftsbereich, die Harting Mitronics [1], in der Schweiz angesiedelt, im Herzen der Schweizer Mikrotechnik, der Uhrenstadt Biel. Der Begriff 3D-MID steht für die Möglichkeit der dreidimensionalen Ausgestaltung von elektronischen Baugruppen, daher das 3D. Die Abkürzung MID bedeutet Molded Interconnect Device, also eigentlich spritzgegossener Schaltungsträger. Heutzutage wird aber auch häufig der Begriff Mechatronic Interconnect Device benutzt, was den Mechatronik-Charakter, also die Möglichkeit, elektrische und mechanische Funktionen in einem Bauteil zu kombinieren, sehr viel besser zum Ausdruck bringt. Harting bestückt als Komplettanbieter für seine Kunden auf Wunsch auch die MID-Substrate mit elektronischen Komponenten. Der Kunde erhält dadurch voll funktionsfähige Unterbaugruppen, die bereits auf ihre Funktion überprüft wurden und somit direkt in die Montagelinie zur weiteren Verarbeitung gelangen können. Anwendungen der 3D-MID-Technik gibt es mittlerweile in fast allen Von Albert Birkicht vorstellbaren Industrien und Märkten. Überall dort, wo Elektronik eingesetzt wird und es aufgrund von Platz- oder Gewichtsproblemen zu Schwierigkeiten in der Umsetzung kommt, findet diese Technik ihren Einsatz in der Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrttechnik, dem Automobil, Sensorikanwendungen oder sogar in der Konsumgüterindustrie. Leider unterliegen viele der aktuell tatsächlich vorhandenen MID-Anwendungen aufgrund ihres High-Tech-Charakters und der relativ jungen Technik strikten Geheimhaltungsregeln, so dass in der öffentlich zugänglichen Literatur fast immer die gleichen Anwendungsbeispiele auftauchen, eben die wenigen, die allgemein genannt werden dürfen. Ein Anwendungsbereich der MID- Technik, der sich mehr und mehr durchsetzt, sind RFID-Tags. Harting hat zusammen mit der Lufthansa ll Bild 1. Ein bestückter MID-Schaltungsträger für einen RFID- Tag. Der fertige MID-RFID-Tag kann in einem extrem weiten Temperaturbereich eingesetzt werden. (Bild: Harting Mitronics) Technik AG die zweite Generation von UHF-RFID-Tags entwickelt. Harting hat sich von Anfang an bewusst auf die Herstellung von RFID-Tags im UHF-Bereich konzentriert, da diese den großen Vorteil einer Lesereichweite von 3 m und mehr mit sich bringen. Die Stärke der 3D-MID-Technik in diesem Anwendungsbereich ist es zum einen, sehr kompakte Bauweisen zu erlauben, und zum anderen Applikationen in rauen Umgebungen zu erschließen. So ist zum Beispiel der RFID-Tag (Bild 1) für die Lufthansa für Temperaturbereiche von 65 C bis +160 C qualifiziert, was bisher nur mit keramischen Schaltungsträgern erreicht werden konnte. Eine weitere Stärke der 3D-MID- Technik ist die Integration von mechanischer und elektrischer Funktion in einem einzigen Bauteil. Beispiel hierfür ist ein Kameramodul, das Harting zusammen mit der Firma Sick entwickelt hat. Auf dem 3D-MID-Träger sind 12 LEDs in unterschiedlichen Winkeln angeordnet, um eine optimale Ausleuchtung für die Sicherheitskamera zu gewährleisten. Gleichzeitig befinden sich auf dem Bauteil die elektrischen Ankontaktierungen für die LEDs und die Kontakte, die das MID-Substrat mit der Platine verbinden, auf der sich die übrigen Bauteile befinden. Das spart in der Montage enormen Aufwand, da die einzelnen LEDs nach der mechanischen Montage und Ausrichtung nicht mehr separat kontaktiert werden müssen. Alles dies lässt sich mit 3D-MID-Technik in einem 3D-Bestückungsprozess elegant erledigen. Das fertiggestellte Kameramodul wird dann zusammen mit anderen Bauteilen auf eine Platine montiert und in einem zweiten Reflow- Lötprozess kontaktiert (Bild 2). Auch das demonstriert die enorme Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit von MID gegenüber extremen Temperaturanforderungen. 28 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

29 Auftragsfertigung llll Elektronik-Produktion ll Bild 2. Wie ein SMT-Bauteil lässt sich das MID-Kameramodul auf einer Leiterplatte bestücken und per Reflow-Lötprozess kontaktieren. (Bild: Harting Mitronics) Weiterentwicklung erschließt neue Anwendungsfelder Aktuell werden bei Harting alle Prozesse im Bereich der 3D-MID-Technik intensiv weiterentwickelt, um neue Anwendungsfelder erschließen zu können. Dies beginnt beim Basismaterial, also den unterschiedlichen Kunststoffen, deren Eigenschaften und Ausgestaltungen, geht weiter bei der Implementierung neuer Lasertechnik, neuen Verfahren und Schichtfolgen beim Metallisierungsprozess bis hin zur Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT), also zum Beispiel dem Bestücken von 3D-MID-Substraten (Bild 3). Bei den Basismaterialien gibt es besonders viel Potential, um weitere Märkte zu erschließen, und damit auch entsprechend viele Forschungsrichtungen. Momentan stehen nicht ausreichend vielfältige Materialien zur Verfügung. Die meisten Kunden würden gerne ihren Standard-Kunststoff, mit dem sie vertraut sind, benutzen und diesen lediglich LDS-fähig machen. Zumindest würde es in vielen Fällen den Einstieg in eine Anwendung erleichtern, wenn ein Material aus der gleichen Materialfamilie benutzt werden könnte. Harting betreibt daher seit längerer Zeit Anstrengungen, weitere Materialien zu qualifizieren und auf den Markt zu bringen, wie zum Beispiel eine Ultramid-Variante von BASF. Darüber hinaus wird untersucht, wie die Dielektrizitätskonstante über einen weiten Bereich variabel gestaltet werden kann, um sie bedarfsgerecht für den Bau von HF-Antennen anpassen zu können. In Zusammenarbeit mit einem weltweit führenden Medizintechnikhersteller geht Harting derzeit auch das Thema Biokompatibilität von 3D- MID-Substraten an. Aufgrund einer großen Vielzahl von unterschiedlichen Normen und Tests wird hier allerdings nicht mit einem generell gültigen Ergebnis zu rechnen sein, sondern es muss im Einzelfall die Anwendung bewertet werden. Es gibt eben gravierende Unterschiede, ob ein Material biokompatibel bei Hautkontakt sein muss oder im Kontakt mit Körperflüssigkeiten, wie z.b. Blut. Dennoch wird sich für die MID- Technik ein sehr großer Markt erschließen, wenn, wie erwartet, biokompatible Materialien identifiziert werden können. Ein weiterer Fokus der Entwicklung liegt auf der Bereitstellung von farbigen Substratmaterialien. Es gibt zahlreiche Anwendungsfälle, bei denen die Innenseite eines Gehäuses direkt als Schaltungsträger verwendet werden soll. Um das zu ermöglichen, muss das Material aber auch ästhetische Anforderungen erfüllen können. Eine der wichtigsten ist hierbei die Farbe, denn bisher galt in der 3D- MID-Technik eine abgewandelte Version des berühmten Spruches, der Henry Ford nachgesagt wird: Sie können jede Farbe bekommen, solange sie grau ist. Das ist in vielen Applikationen für die Kunden nicht akzeptabel und genauso wie heute Ford-Automobile in unterschiedlichen Farben zur Verfügung stehen, wird es in Zukunft auch MID-Materialien in verschiedenen Farben geben. Eine weitere Alternative für die Veredlung der Oberfläche, die hauptsächlich auch dem Schutz dient, ist das Lackieren mit Lacken auf der Basis modifizierter Acrylatharze. Harting industrialisiert gerade diesen Prozess, um die üblicherweise freiliegenden Leiterbahnen zusätzlich vor harschen Umgebungen zu schützen z.b. damit große, feuchte Schmutzpartikel keine Kurzschlüsse mehr verursachen. Galvanische und chemische Metallisierung Ein MID-Prozessschritt, der in den letzten Jahren bei Harting besondere Aufmerksamkeit erhalten hat, ist die Metallisierung. So wurden in den letzten zwei Jahren fast 3 Mio. Euro in das Werk in Biel investiert, um eine der größten und modernsten Metallisierungsanlagen für die 3D-MID-Technik zu erstellen und in Betrieb zu nehmen. In dieser Anlage (Bild 4) können Leiterbahnen nicht nur als Standard- Schichtfolge Kupfer-Nickel-Gold (Cu- Ni-Au) produziert werden, sondern sie bietet alle Erweiterungsmöglichkeiten für neue Schichtsysteme, die derzeit noch entwickelt werden. Für spezielle Anwendungen, bei denen die standardmäßige Cu-Ni-Au-Beschichtung nicht in Frage kommt, kann mit dieser Anlage auch Zinn als Endoberfläche abgeschieden werden. Für die chemische Aufbringung von Zinn als Alternative zum Ni-Au-Verfahren spricht z.b. die hohe Planarität der Zinnoberfläche. Bedingt durch den absolut ebenen Metallaufbau eignet sich Chemisch-Zinn ideal für die Lötpastenapplikation und SMT-Bestückung besonders bei Schaltungen mit feinen Strukturen. Die Zinnschicht ermöglicht außerdem eine Lagerzeit der MID-Schaltungsträger von mindestens 6 Monaten und anschließendes zweimaliges Reflowlöten. Die Labor- und Pilotversuche für diese chemische Zinnbeschichtung wurden in Biel mit Hilfe von Sudzinn- Bädern verschiedener Lieferanten durchgeführt. Als Prüflinge dienten verkupferte MID-Schaltungsträger aus Pocan 7102, Vectra E820i Pd/E130 sowie aus Vectra 840i. Der Prozess ist in Bild 5 schematisch dargestellt. Jedem Aktivbad sind selbstverständlich Spülbäder nachgeschaltet, da die anhaftenden Elektrolytreste vor der nächsten Verfahrensstufe gründlich entfernt werden müssen. Die geringe Dicke der Zinnschicht (von 0,6 μm bis max. 2 μm) bringt aber auch Nachteile mit sich: Bei Anlieferung ist die intermetallische Kupfer- ll Bild 3. Zusam- mengefasst auf einem Nutzenträger können viele MID-Teile in diesem Fall Sensorträger gemeinsam die Fertigungslinie durch laufen. (Bild: Harting Mitronics) Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen

30 Elektronik-Produktion llll Auftragsfertigung ll Bild 4. Die Metallisierungsanlage für MID hat Harting Mitronics mit Weitblick gebaut, so dass sie sich leicht an kommende Oberflächenbeschichtungen anpassen lässt. (Bild: Harting Mitronics) Reinigen Mikroätzen Vorverzinnen Verzinnen Trocknen ll Bild 5. Das chemische Verzinnen von verkupferten Oberflächen erfolgt in zwei Stufen. (Quelle: Harting Mitronics) Zinn-Phase bereits ca. 0,25 μm dick. Während der Lagerung setzt sich die Diffusion des Kupfers in die Zinnoberfläche fort, so dass die Dicke der reinen Kupfer- bzw. Zinnschichten abnimmt. Erreicht das Mischmetall die Oberfläche, so überzieht sie sich mit einer nicht entfernbaren Oxidschicht und das Löten ist nicht mehr möglich. Es muss also sichergestellt werden, dass Lötprozesse, ob nun kundenseitig oder im eigenen Haus, in einem adäquaten Zeitfenster erfolgen, damit die Qualität gewährleistet werden kann. Während die Entwicklung einer Zinnoberfläche im Wesentlichen getrieben war vom Wunsch, Kosten zu senken durch den Verzicht auf das teure Gold, ist eine andere Entwicklung darauf ausgerichtet, die Oberflächeneigenschaften zu beeinflussen. Die Ni-Au-Oberfläche eignet sich besonders gut zum Löten und zum Drahtbonden mit Aluminiumdraht. Soll eine Leiterbahnoberfläche aber mehr Möglichkeiten hinsichtlich der Aufbauund Verbindungstechnik (AVT) bieten, dann muss ein anderer Schichtaufbau gewählt werden, z.b. die bei Leiterplatten bereits übliche Nickel-Palladium-Gold-Oberfläche (Ni-Pd-Au). Sie eignet sich nicht nur für das Löten und Aludrahtbonden, sondern auch besonders gut für das Golddrahtbonden und für Verbindungen mit leitenden Klebstoffen. Im Vergleich zur Ni- Au-Oberfläche lassen sich mit Ni-Pd- Au die Kosten senken, da die Goldschicht auf eine Dicke von 30 nm bis 50 nm reduziert werden kann. Allerdings wird zusätzlich Palladium benötigt, so dass der Kosteneinsparungseffekt nicht ganz so groß ist. Außerdem muss eine Schicht mehr abgeschieden werden, was natürlich den Fertigungsprozess verlängert und damit auch etwas verteuert. Aufgrund der vielen technischen Vorteile der Ni-Pd-Au- Oberfläche hat sich Harting entschlossen, die Metallisierungsanlage gleich dafür auszulegen, und ist damit in der Lage, diese Oberflächenbeschichtung für Kundenanwendungen zu qualifizieren. Eine weitere Verbesserung der Oberfläche ermöglicht die Kombination von chemisch und galvanisch aufgebrachten Metallschichten. Im Unterschied zum chemischen Verfahren, das stromlos arbeitet, wird beim galvanischen Verfahren Metall gezielt mit Hilfe von elektrischen Strömen abgeschieden. Nach einer chemisch aufgebrachten Kupferschicht, die die für den elektrischen Strom notwendige Leitfähigkeit erzeugt, können dann im galvanischen Verfahren weitere Schichten abgeschieden werden. Diese Schichten bieten für einige Anwendungen Vorteile. Galvanisch aufgebrachte Schichten sind in der Regel glatter und härter. Überall, wo diese Eigenschaften gefordert sind, z.b. bei Kontaktstellen, ist es also angebracht, über galvanische Schichten nachzudenken. Außerdem sind höhere Schichtdicken galvanisch sehr viel wirtschaftlicher aufzubringen als chemisch, so dass die Galvanik auch zur Anwendung kommt, sobald Leiterbahnen für höhere Stromstärken gefordert werden. Die Galvanik hat allerdings auch einen Nachteil. Für die galvanische Metallisierung müssen Ströme fließen können. Die zu beschichtenden Leiterbahnen müssen also ankontaktiert werden können. Dies bedeutet unter Umständen erhebliche Einschränkungen beim Layout und erfordert oft sogenannte Opferstrukturen, die nur vorhanden sind, um die eigentlichen funktionellen Leiterbahnen ankontaktieren zu können und die hinterher entfernt und recycelt werden müssen. Als einer der wenigen echten MID- Komplettanbieter befasst sich Harting natürlich auch mit der Weiterentwicklung von AVT-Prozessen. Derzeit ist nur ein MID-Basismaterial verfügbar, das sich für konventionelle Lötprozesse eignet. Da dieses Material teuer ist und Alternativen dazu erst in der Entwicklung sind, hat Harting einen Niedertemperatur-Lötprozess entwickelt, um so die Palette geeigneter MID-Materialien zu vergrößern. In diesem Niedertemperatur-Lötprozess wird ein BiSnAg-Lot mit einem Schmelzpunkt von 138 C eingesetzt. Dank der niedrigen Löttemperatur lassen sich mehr Kunststoffmaterialien für laser-direktstrukturierte, dreidimensionale Schaltungsträger verwenden. Konnten vorher nur Kunststoffe mit einem sehr hohen Erweichungspunkt im Standard-Elektroniklötprozess gelötet werden, ermöglicht der neue Niedertemperatur-Lötprozess den Einsatz niedrig-schmelzender Kunststoffe wie z.b. PBT (Poly-Butylen-Terephthalat). Diese Ausweitung der für MID einsetzbaren Materialien bietet eine noch bessere Ausnutzung des Potentials von 3D-MID in Bezug auf Raumnutzung, Integration und Miniaturisierung. Aufgrund der größeren Materialauswahl lassen sich 3D-MID-Baugruppen noch präziser an die individuellen Kundenbedürfnisse anpassen. Insbesondere eröffnen sich für Anwendungen, die eigentlich keine hochtemperaturfesten und damit teuren Kunststoffe benötigen, wirtschaftlichere Möglichkeiten für den Einsatz der 3D- MID-Technik. hs Literatur: [1] Albert Birkicht leitet als Geschäftsführer der Harting AG in Biel den Geschäftsbereich Mitronics sowie die Aktivitäten der Harting-Gruppe rund um die 3D-MID-Technik. Er ist Vorstandsmitglied des 3D-MID e.v. albert.birkicht@harting.com 30 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

31 llll MID-Anwendungen Produktbezeichnung Kombischalter Motorrad Serienstart (09/2008) Produzierte Stückzahl pro Jahr Dimensionen/Masse k.a. Hersteller Kromberg & Schubert GmbH & Co KG Entwickler Kromberg & Schubert GmbH & Co KG Technik LDS Materialien Substrat PA Ultramid T 4381 LDS (BASF) Leiterbahnen Kupfer, Nickel Leiterbahnoberfläche Gold Einsatzbereich Automobil, Motorrad Funktion Schaltungsträger, Bedieneinheit Anzahl bestückter Bauelemente Bis zu 26 Anzahl der für Leiterzüge genutzte > 10 Teilflächen Anzahl der zur Bestückung genutzten 9 Teilflächen Dicke der Metallisierung k.a. min. Leiterbahnbreite k.a. min. Leiterbahnabstand 0,25 mm Verbindungstechnik Löten Besonderheiten Erstes echtes 3D-MID mit 3D-Dispensen und 3D-Bestückung, vollautomatisch gefertigt, automatisierte Prüfung, automobiler Einsatz inkl. sicherheitsrelevanter Funktionen, wird in über 50 Varianten hergestellt Produktbezeichnung Hyperbraille Modul D2 Serienstart Juli 2011 Produzierte Stückzahl < pro Jahr Dimensionen/Masse 12,5mm x 5 mm x 52 mm, 4,5 g Hersteller Metec-AG Entwickler Metec-AG Technik LPKF-LDS -Technik Materialien Substrat LCP Vectra E840i LDS Leiterbahnen Kupfer Leiterbahnoberfläche Gold Einsatzbereich Rehabereich, Blindenhilfsmittel Funktion Taktiles Element mit 10 Punkten Anzahl bestückter Bauelemente 11 Anzahl der für Leiterzüge genutzte Teilflächen 4 Anzahl der zur Bestückung genutzten Teilflächen 2 Dicke der Metallisierung Cu: ca. 5 bis 8 µm, Ni: ca. 5 µm, Au: ca. 0,1 µm min. Leiterbahnbreite ca. 150 µm min. Leiterbahnabstand ca. 200 µm Verbindungstechnik Kleben, Löten Besonderheiten Sensorstrukturen in Verbindung mit Hochvolttechnik Produktbezeichnung Brailledis Modul D1 Serienstart nur Prototypen Produzierte Stückzahl ca Dimensionen/Masse 12,5 x 5 mm x 85 mm, 6,5 g Hersteller Metec-AG Entwickler Metec-AG Technik Semi-additive Lasertechnik (LSA) Materialien Substrat LCP Vectra E820i Leiterbahnen Kupfer Leiterbahnoberfläche Gold Einsatzbereich Rehabereich, Blindenhilfsmittel Funktion Taktiles Element mit 10 Punkten Anzahl bestückter Bauelemente 25 Anzahl der für Leiterzüge genutzte Teilflächen 4 Anzahl der zur Bestückung genutzten Teilflächen 2 Dicke der Metallisierung Cu: ca. 5 µm, Ni: ca. 5 µm, Au: ca. 0,1 µm min. Leiterbahnbreite ca. 90 µm min. Leiterbahnabstand / min. Isolationsbreite ca. 50 µm Verbindungstechnik Drahtbonden, Kleben,FFC-Buchse, Löten Besonderheiten Drahtbonden der Hochvolt- und Niedervoltchips, MID Leiterbahnen mit kleiner Strukturbreite für kapazitiven Touch-Sensor Produktbezeichnung Bewegungsmelder Serienstart 2000 Produzierte Stückzahl ca. 6 Mio. pro Monat Dimensionen/Masse 6 mm x 6 mm x 1,5 mm, 0,2 g Hersteller Panasonic Entwickler Panasonic Technik Panasonic MIPTEC (LDS) Materialien Substrat PPA Leiterbahnen Kupfer Leiterbahnoberfläche Nickel/Gold Einsatzbereich Steuerungs- u. Überwachungsanwendungen Funktion Schaltungsträger für Sensorchip Anzahl bestückter Bauelemente 10 Anzahl der für Leiterzüge genutzte Teilflächen 8 Anzahl der zur Bestückung genutzten Teilflächen 3 Dicke der Metallisierung ca. 17 µm min. Leiterbahnbreite 50 µm min. Leiterbahnabstand 50 µm Verbindungstechnik Drahtbonden, Löten Besonderheiten Umspritzen des Sensorchips Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen

32 MID-Anwendungen llll Produktbezeichnung Antennen-Funktionsblock für Mobiltelefon Serienstart 2K-MID seit 2005 Produzierte Stückzahl > pro Jahr Dimensionen/Masse 20 mm x 10 mm x 5 mm, 4 g Hersteller Molex Shanghai Entwickler Molex Shanghai (Design Center in Kopenhagen) Technik 2K-MID Materialien Substrat PC/ABS auch in LCP möglich Leiterbahnen Kupfer Leiterbahnoberfläche Gold auf Nickel Einsatzbereich Mobiltelefone, vernetzte medizinische Geräte Funktion Multibandantenne (GSM/Wi-Fi) und mechanische Zusatzfunktionen Anzahl bestückter Bauelemente 0 Anzahl der für Leiterzüge genutzte N/A Teilflächen Anzahl der zur Bestückung genutzten N/A Teilflächen Dicke der Metallisierung 0,2 µm Gold über 2 µm Nickel über 12 µm Kupfer min. Leiterbahnbreite 0,3 mm min. Leiterbahnabstand 0,5 mm Verbindungstechnik Pogo-Kontaktierung Besonderheiten Chemisch galvanisiert Produktbezeichnung Antennen-Funktionsblock für Mobiltelefon/Notebook Serienstart LDS in Großserie seit 2008 Produzierte Stückzahl >50 Mio. pro Jahr Dimensionen/Masse 3 mm x 3 mm x 4 mm bis 200 mm x 10 mm x 5 mm, 2 20 g Hersteller Molex Shanghai Entwickler Molex Shanghai (Design Center in Kopenhagen) Technik LDS Materialien Substrat PC/ABS auch in LCP, PA, PC, PBT möglich Leiterbahnen Kupfer Leiterbahnoberfläche Gold über Nickel oder nur Nickel Einsatzbereich Mobiltelefone, Notebooks Funktion Multibandantenne (GSM/WiFi) und mechanische Zusatzfunktionen Anzahl bestückter Bauelemente 0 Anzahl der für Leiterzüge genutzte N/A Teilflächen Anzahl der zur Bestückung genutzten N/A Teilflächen Dicke der Metallisierung 0,2 µm Gold über 2 µm Nickel über 12 µm Kupfer min. Leiterbahnbreite 0,3 mm min. Leiterbahnabstand 0,5 mm Verbindungstechnik Pogo-Kontaktierung Besonderheiten Im Mehrfachnutzen (9/12) LDS beschriebene Elemente für Grosserienfertigung chemisch galvanisiert Produktbezeichnung Kameramodul Serienstart 2002 Produzierte Stückzahl ca. 3,5 Mio. pro Monat Dimensionen/Masse 7 mm x 8 mm x 5 mm, 0,16 g Hersteller Panasonic Entwickler Panasonic Technik Panasonic MIPTEC (LDS) Materialien Substrat PPA Leiterbahnen Kupfer Leiterbahnoberfläche Nickel/Gold Einsatzbereich Mobile Telekommunikation Funktion Schaltungs- u. Linsenträger Anzahl bestückter Bauelemente 0 Anzahl der für Leiterzüge genutzte Teilflächen 7 Anzahl der zur Bestückung genutzten Teilflächen 1 Dicke der Metallisierung ca. 17 µm min. Leiterbahnbreite 50 µm min. Leiterbahnabstand 50 µm Verbindungstechnik Löten Besonderheiten - Produktbezeichnung Serienstart 2010 Produzierte Stückzahl Dimensionen/Masse Hersteller Entwickler Technik Drucksensor DS8, Robert Bosch GmbH > 1 Mio. Stück Länge ca. 20 mm, Durchm. ca. 8 mm, 0,7 g PKT GmbH, Tiefenbronn Robert Bosch GmbH 2K-3D-MID- Spritzgießen Materialien Substrat LCP Vectra E 130 i Leiterbahnen LCP Vectra E 820 i PD Leiterbahnoberfläche Cu, Ni, Au Einsatzbereich Automobil Funktion Schaltungsträger für Drucksensor Anzahl bestückter Bauelemente 6 Anzahl der für Leiterzüge genutzte Teilflächen 5 Flächen Anzahl der zur Bestückung genutzten Teilflächen 3 Flächen Dicke der Metallisierung Cu 10 µm; Ni 10 µm; Au 0,1 µm min. Leiterbahnbreite 0,8 mm min. Leiterbahnabstand 0,8 mm Verbindungstechnik Leitkleben Besonderheiten Kompakte Baugruppe mit dreidimensional angelegten Leiterbahnen, 2K-4+4-fach-Werkzeug, Spritzgießen auf vollelektrischer 2K-Maschine 32 Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011

33 Anzeigen llll business portraits MID Solutions GmbH HSG-IMAT Firmenprofil ` Gründungsjahr: 2009 ` Mitarbeiter: 9 Zielmärkte ` Automobilindustrie ` Telekommunikation ` Medizinelektronik ` Büroelektronik/Datentechnik Qualitätsmanagement ISO 9001:2008 Dienstleistungen ` MID-Entwicklung im Netzwerk ` Shielding ` Dispensen ` Metallisierung von Kunststoffen pretema GmbH Firmenprofil ` Gründungsjahr: 1948 ` Mitarbeiter: 560 Zielmärkte ` Automobilmarkt ` Industrie- / Endverbrauchermarkt ` Computer- / Unterhaltungselektronik Firmenausrichtung Die pretema GmbH ist die Führungsgesellschaft der Possehl Electronics Gruppe, welche mit Mitarbeitern und einem Umsatz von 300 Mio. Euro weltweit ver - treten ist. In Niefern entwickeln und produzieren wir seit Jahrzehnten hochkomplexe elektromechanische Präzisionskomponenten sowie laminierte Leadframes für Smart Cards. Wir bauen in allen unseren Produktionsbereichen, Stanz-, Galvano-, Kunststoff-, Laminierund Montagetechnik, auf voll integrierte Prozesse, wirtschaftliche Verfahren und eine intelligente Automatisierung. ISO / TS 16949:2002 ISO Bahnhofstraße 3b D Gittelde Tel. +49 (0) info@mid-solutions.de Firmenausrichtung MID Solutions GmbH bietet als Metallisierungsbetrieb für MID, wie auch für konventionelle Leiterplatten, beginnend mit der chem. Verkupferung, Galvanisierung bis zur Veredelung (Goldoberflächen etc.) die kompletten Technologien an. Vorteile der MID-Technologie liegen sowohl in der verbesserten Gestaltungsfreiheit und Umweltverträglichkeit als auch in Rationalisierungspotenzialen. Gern helfen wir Ihnen bei der Entwicklung und begleiten Sie auf dem Weg vom Prototypen zur Serienfertigung. Enztalstr. 6 D Niefern Tel /69-0 info@pretema.com Produkte/Linecard Komplexe Mechatronikgehäuse Pre-Moldgehäuse für Sensorik Smart Cards Qualitätsmanagement Firmenprofil ` Gründungsjahr: 1955 ` Mitarbeiter: 41 Allmandring 9b D Stuttgart Tel Fax info@hsg-imat.de Firmenausrichtung HSG-IMAT zählt zu den führenden Forschungs- und Entwicklungspartnern der Industrie im Bereich der Aufbau-, Gehäuse- und Verbindungstechnik für Mikrosysteme und miniaturisierte Systeme mit Kunststoffbauteilen, insbesondere seit über 12 Jahren mit MID-Baugruppen. Kunden- und Marktorientierung sind für uns im HSG-IMAT keine Fremdwörter. Als Erfolgsrezept haben wir alle wesentlichen Prozesse der aktuell wichtigsten Technologien Heißprägen, LPKF-LDS -Technik, 2K-Technik im HSG-IMAT unter einem Dach aufgebaut und langjährige Erfahrungen gesammelt. Das betrifft neben den Kernprozessen Spritzguss, Laserbearbeitung und Metallbeschichtung insbesondere auch die komplette Bestückung der 3D-Baugruppen im Reinraum u. a. mit SMD-Bauelementen, ungehäusten Chips, mikrotechnischen Bauelementen wie Mikrolinsen. Seit 4 Jahren integrieren wir zusätzliche Funktionen auf MID-Baugruppen mit modernen Aerosol-Jet - und Inkjet-Druckverfahren. Wir haben eine hervorragende Ausstattung, u. a. Werkzeugbau, drei Spritzgießmaschinen, drei LPKF-Laser, Chemische Metallbeschichtung mit 30 L Badvolumen und hochgenaue Montageautomaten. Die Prozesse unterstützen wir im Hause selbstverständlich mit einschlägigen, modernsten Analyse- und Prüfverfahren, insbesondere Prozess-, Funktions- und Zuverlässigkeitsprüfungen. Falls erforderlich, können wir geeignete Simulationsrechnungen und Modellbetrachtungen durchführen, z. B. Spritzguss, Thermomechanik und Lebensdauer. So können wir Sie heute beim Einsatz von MID-Techniken für Ihre neuen Produkte kompetent entlang der gesamten komplexen Prozesskette von der ersten Konzeptidee bis zu geprüften Prototypen unterstützen. Das konnten wir bereits an zahlreichen erfolgreichen Entwicklungen zeigen. Wenn sich die Frage der Serienfertigung nach erfolgreicher Entwicklung für Sie stellt, wenn Sie selbst keine oder noch keine Fertigungsressourcen im eigenen Hause haben und wenn Ihre Stückzahlen zu gering sind, um für industrielle Fertigungspartner interessant zu sein, dann unterstützen wir Sie auch bei der Erst- und Kleinserienfertigung. Um diese bisherige Lücke zwischen Forschung, Entwicklung und Industrialisierung zu schließen, haben wir unsere Kompetenzen, Erfahrungen und Ressourcen in unserer Transfer-Fab gebündelt und organisiert, damit wir für Sie im HSG-IMAT qualitätsgerecht und effizient fertigen können. Darüber hinaus nutzen wir unser Know-How auch, um neuartige Sensoren und Aktoren zu entwickeln. Das sind Neigungswinkelsensoren, Drucksensoren, optische Winkelencoder, Touch-Sensoren, Pump- und Dosiersysteme sowie Miniaturventile. Hier können wir ebenfalls auf etliche erfolgreiche Entwicklungen verweisen. Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen

34 Anzeigen llll business portraits Evonik Industries AG Firmenprofil ` Mitarbeiter: Zielmärkte ` Automobil ` Elektro / Elektronik Firmenausrichtung Evonik ist eines der weltweit führenden Unternehmen der Spezialchemie. Unsere Aktivitäten sind auf die Megatrends Gesundheit & Ernährung, Ressourceneffizienz sowie Globalisierung konzentriert. Im Jahr 2010 haben wir rund 80 Prozent unseres Chemie-Umsatzes aus führenden Marktpositionen erwirtschaftet. MID-TRONIC Wiesauplast GmbH Firmenprofil ` Gründungsjahr: 2010 ` Mitarbeiter: 10 Zielmärkte ` Automobilindustrie ` Industrieanwendungen ` Medizintechnik Firmenausrichtung MID-TRONIC ist ein Tochterunternehmen der Wiesauplast. Unser Leitspruch ist: Plastic meets Electronic MID-TRONIC widmet sich dem Zusammenführen elektronischer Funktionen auf dreidimensionalen mechatronischen Systemen. Qualitätsmanagement Einführung der ISO EN 9001 bis März 2012 Paul-Baumann-Str. 1 D Marl Tel evonik-hp@evonik.com Standorte/Lager Produktions- und Vertriebsstandorte in 25 Ländern, aktiv in über 100 Ländern. Produkte/Linecard VESTAMID HTplus ist das LDS-fähige PPA für 3-D MID der neuesten Generation und genau auf die Anforderungen des Verfahrens ausgerichtet. Zur Auswahl stehen PA10T/X (breites Prozessfenster, sehr geringe Wasseraufnahme, zu 50 % biobasiert) und sowie PA6T/X. Max-Planck-Weg 7 D Wiesau Tel info@mid-tronic.de Produkte/Linecard MID-TRONIC bietet für komplexe elektronische und mechatronische Anforderungen zukunftsfähige und innovative Lösungen im Bereich der MID und Elektronikindustrie an. Dienstleistungen Entwicklung, Vorrichtungs- und Werkzeugbau, 1K-/2K-Spritzguss, LDS-Verfahren samt Labormetallisierung, Serienmetallisierung, 3D-Elektronikfertigung, Integrierte AOI- und ICT-Prüfungen, Baugruppenmontage, durchgängige Traceability-Lösung Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011 Anschrift: Redaktion Elektronik Richard-Reitzner-Allee 2, Haar Assistenz: Andrea Seidel, Silvia Langford Telefon: ; Telefax: Internet: redaktion@weka-fachmedien.de Chefredaktion: Dipl.-Ing. Gerhard Stelzer Stellvertretender Chefredakteur: Dipl.-Ing. Joachim Kroll (jk/ -1335) Chef vom Dienst: Dipl.-Ing. Achim Grolman (-1333) Redaktion: Dipl.-Ing. (FH) Andrea Gillhuber (ag/ -1609): Automatisieren, Bildverarbeitung, Leistungselektronik, Mikrosystemtechnik, Sensorik; Dipl.-Ing. (FH) Alfred Goldbacher (go/ -1366): C-Techniken, Elektromechanik, Passive Bauelemente; Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Hascher (ha/ -1368): Messen & Testen, Kommunikation; Dipl.-Ing. (FH) Stephan Janouch (sj/ -1369): Kfz-Elektronik; Dipl.-Ing. Joachim Kroll (jk/ -1335): Computertechnik, Datennetze, Software- Entwicklung, Embedded Design; Dipl.-Phys. Helmuth Lemme (le/ -1332): HF-Technik, Optoelektronik, Sensorik; Dipl.-Ing. Frank Riemenschneider (fr/ -1714): Mikroelektronik, Chipkarten & ICs; Dipl.-Ing. Harry Schubert (hs/ -1367): Ecodesign, Elektronik-Produktion, Erneuerbare Energien, Konsumelektronik/Multimedia, Stromversorgung; Dr. Jens Würtenberg (jw/ -1338): Beruf + Karriere, Distribution, Forschung + Entwicklung, Medizinelektronik, Optoelektronik Korrespondent: W. Schulz, Berlin Anschrift: WEKA FACHMEDIEN GmbH Richard-Reitzner-Allee 2, Haar Telefon: Telefax-Anzeigen: Gesamtanzeigenleitung: Peter Eberhard (-1385), verantw. peberhard@weka-fachmedien.de Mediaberatung: media@weka-fachmedien.de Nicole Müller (-1384), nmueller@weka-fachmedien.de Konrad Nadler (-1382), knadler@weka-fachmedien.de Sonja Winkler (-1383), swinkler@weka-fachmedien.de International Account Manager: Sonja Winkler (-1383) swinkler@weka-fachmedien.de Anzeigen Karriere-Markt: , stellenanzeigen@weka-fachmedien.de Disposition: Hildegund Roeßler (-1473), hroessler@weka-fachmedien.de Anzeigenpreise nach Preisliste 46, gültig ab Publisher ITK: Matthäus Hose (-1302) Anzeigenvertretung Ausland: Great Britain: Huson International Media, Gerald Rhoades-Brown, Cambridge House, 8 Gogmore Lane, Chertsey, Surrey, KT16 9AP, Tel (0) , Fax 0044 (0) , gerry.rhoadesbrown@husonmedia.com Benelux, Skandinavien, Frankreich: Huson International Media, Breitnerhof 3, 1628 XL Hoorn, The Netherlands, Tel , Fax , rodric.leerling@husonmedia.com Taiwan: ACTEAM Int. Marketing Corp., Anita Chen, 11 F-6, No. 170, Sec. 4, Nanjing E. Rd., Taipei, Taiwan 105, R.O.C., Tel , Fax Redaktion Verlag Layout, Grafik: Hermann Schmitzberger, Anja Schumann, Norma Alfes-Bodinger Titel: Norbert Preiß Sonderdrucke: Alle in dieser Ausgabe erschienenen Beiträge können für Werbezwecke in Form von Sonderdrucken hergestellt werden. Anfragen an Dominik Popp, Tel.: , dpopp@weka-fachmedien.de Technik: JournalMedia GmbH, Richard-Reitzner-Allee 2, Haar Druck: L. N. Schaffrath, Marktweg 42 50, Geldern Urheberrechte: Die in der Zeitschrift veröffentlichten Beiträge sind urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form durch Fotokopie, Mikrofilm oder andere Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsanlagen, verwendbare Sprache übertragen werden. 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35 Anzeigen llll business portraits Kromberg & Schubert GmbH & Co. KG Cicor Raitestr. 8 D Renningen Tel. +49(7159) ForschungEntwicklung@kroschu.com Cicor Management AG Leutschenbachstrasse 95 WTC 8050 Zürich Schweiz Tel Info@cicor.ch Info-3mid@cicor.ch Firmenprofil Zielmärkte Firmenausrichtung Dienstleistungen Gründungsjahr: 1902 Mitarbeiter: Automobiltechnik (Tier 1/2 und OEM) Medizintechnik Beleuchtungstechnik (LED-Träger) Kromberg & Schubert gehört zu den führenden Systemlieferanten und Entwicklungspartnern der Automobilindustrie. Als global aufgestelltes Traditionsunternehmen verbinden wir mit unseren Produkten Tradition und Innovation. Mehr als hoch motivierte Mitarbeiter entwickeln und produzieren international Hightech für Bordnetze, Kabelsysteme, Kunststofftechnik und Mechatronik. Im Bereich 3D-MID konnten wir 2007 die erste vollautomatische Fertigungslinie in unserem Standort in Renningen in Betrieb nehmen. Hierauf werden aktuell sechs Produkte in über 50 Varianten großserientechnisch für Automobilkunden gefertigt. 3D-MID aus einer Hand Entwicklung, Strukturierung (LDS) Vollautomatische 3D-Bestückung (Großserie) Bordnetze Kunststofftechnik Kabeltechnik Firmenprofil ` Mitarbeiter: 1300 Zielmärkte ` Medizinaltechnik ` Automotive ` Sensorik ` Industrie ` Telekommunikation Firmenausrichtung Cicor ist eine in den Bereichen Leiterplatten, 3D-MID, Microelectronics und Electronic Solutions führende, international tätige Hightech-Industriegruppe. Die Gruppengesellschaften bieten komplette Outsourcing-Dienstleistungen und eine breite Palette von Technologien für die Fertigung von hochkomplexen Leiterplatten, 3D-MID-Lösungen, Schichtschaltungen und elektronischen Modulen an. Mit rund 1300 Mitarbeitenden in 12 Produktionsstätten und über 20 Vertretungen weltweit liefert die Gruppe qualitativ hochstehende, maßgeschneiderte Lösungen für ihre Kunden. Standorte/Lager 12 Produktionsstandorte in Europa und in Asien Qualitätsmanagement ISO 9001, ISO 14001, OHSAS 18001, ISO 16949, ISO 13485, AQAP2110, EN 9100 Dienstleistungen Entwicklung, Werkzeugbau, Materialbeschaffung, Montage, Packaging Produkte/Linecard ` 3D-MID: LDS-, 2K-Spritzguss-Verfahren ` PCB: rigid, rigid-flex, flex Leiterplatten ` Microelectronics: Substrate: Dünnfilm-, Dickfilmtechnologie, Mikroelektronikmontage ` Electronic Solutions: Leiterplattenbestückung, Kabelkonfektion, Boxbuilding, Spritzguss Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen

36 Mit Innovationen die Kurve kriegen LDS-Komponenten inder Serienproduktion Schaltungen in der dritten Dimension Neue Möglichkeiten mit dem LDS-Verfahren. Die kompakten Systeme der LPKF Fusion3D 1000-Plattform eignen sich besonders für das LDS-Prototyping, Klein- und Mittelserien. Aber sie wachsen mit den Anforderungen: Unterschiedliche Handlings, ein Multi-Head-Controller und bis zu drei Bearbeitungsköpfe werten das Einstiegssystem zum High-Perfomance-Modell auf. Productronica: , Halle B2, Stand 105 LPKF Laser & Electronics AG Tel. +49 (0)