Generative Fertigungsverfahren in der Elektronik

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1 Generative Fertigungsverfahren in der Elektronik Technologieforum 13./14. März 2013 Fraunhofer Institut Zuverlässigkeit und Mikrointegration Standort Oberpfaffenhofen Argelsrieder Feld 6, D Oberpfaffenhofen

2 , Frank Ansorge, Christian Baar, Klaus Dieter Lang Generative Fertigungstechnologien für eine Direktintegration von mikroelektronischen Komponenten und Kontaktstrukturen 2

3 Inhalt Generative Fertigungsverfahren Motivation / Hintergrund Gegenstand und Problematik Neuheit / Innovation Prozessablauf Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 3

4 Generative Fertigungsverfahren Unterteilung von Fertigungsverfahren Fertigungsverfahren Subtraktive Verfahren Formative Verfahren Additive Verfahren Abtragen Formen Aneinanderfügen Drehen oder Fräsen Schmieden oder Tiefziehen Schichtbauverfahren 4

5 Generative Fertigungsverfahren Additive Fertigungsverfahren: erstellen der gewünschten Geometrie durch Aneinanderfügen von Volumenelementen Schichtbauprinzip beruht darauf, dass alle Körper grundsätzlich in Scheiben geschnitten und aus diesen wieder aufgebaut werden können Generative Fertigungsverfahren automatisieren dieses Schema erzeugen die Einzelschichten und fügen diese Schicht für Schicht in der richtigen Reihenfolge aneinander 5

6 Generative Fertigungsverfahren werden alle Fertigungsverfahren bezeichnet, die Bauteile durch Aufoder Aneinanderfügen von Volumenelementen (Voxel'n), vorzugsweise schichtweise, herstellen rechnerinterne Schnittdarstellung 1) (Slicen) Umsetzung der Einzelquerschnitte in reale Schichten 3) reales Modell 3D-(CAD)Modell Quelle: Prof. Dr.-Ing. Carsten Tille Hochschule München Fakultät 03 2) Zusammenführung der realen Einzelschichten 4) 6

7 Motivation Hintergrund individuelle angepasste Mikrosysteme Medizintechnik o angepasste Hörgeräte o Endoprothesen o Prothesen Automatisierungstechnik Bild-Quelle: GEERS Hörakustik AG & Co. KG Bild-Quelle: o nachträglich angepasste Sensorik neue Möglichkeiten der multifunktionalen 3D Leiterplatte Bild-Quelle: 7

8 Gegenstand und Problematik Erprobung und Herstellung von funktionalen Mikrosystemen durch generative Fertigungstechnologien Stereolithografie Einbetten von elektrischen Bauelementen passive (Widerstand, Kondensator, Induktive) aktive (optoelektronische, IC`s ) Kontaktierung/Verdrahtung der elektrischen Bauelemente Dispensieren 8

9 Generative Fertigungsverfahren Bildquelle: lkt.mb.uni magdeburg.de 9

10 Generative Fertigungsverfahren Prozess Beschreibung Pro Contra 3D Printing (MJM) Druckkopf druckt Baumaterial (Photopolymer bzw. Wachs sowie Supportwachs) UV-Lampe härtet aktuelle Bauschicht schnell dünnste Schichten Hohe Auflösungen bewegliche Teile möglich Geringe Temperaturbeständigkeit wenige Materialien Fused Deposition Modelling (FDM) Aufschmelzen eines thermoplastischen Drahts durch eine beheizte Düse schnell günstig Einbetten möglich geringe Auflösung Laminated Object Manufacturing (LOM) Aufeinander kleben einzelner Folien und anschließendes Ausschneiden der Konturzüge mittels eines Lasers Viele Materialien Polymer, Papier, Metalle Geringe Auflösung Keine komplexen Geometrien Stereolithografie (SLA) Photopolymerisation durch Laser (scannend) oder DLP (Flächenprojektion) Hohe Strukturauflösung Einbetten ist möglich Stützenstruktur nötig Selective Laser Sintering/Melting (SLS, SLM) Lokales, schichtweises Aufschmelzen und verbinden eines Pulverförmigen Werkstoffes mi IR-Laser Breite Materialvielfalt mittlere Auflösung Hohe Rauigkeit 10

11 Prinzip Stereolithografie (SLA) Schichtweiser Aufbau von Mechanischen Strukturen: Material UV härtende Polymere Bild-Quelle: 11

12 Stereolithografie (SLA) Technische Daten Festkörperläser Nd:YVO 4 (λ=354,7mm) Teilebausystem mit zwei Auflösungsarten (Strahldurchmesser (bei 1/e )) Standardauflösung 0,250 +/- 0,025 mm High Resolution Modus 0,075 +/- 0,015 mm Herstellung von kleinsten Teilen ab einer Größe von nur 0,18 mm Max. Teilegröße bei Standardauflösung 250 x 250 x 250 mm XYZ im High Resolution Modus 125 x 125 x 250 mm XYZ Positionsreproduzierbarkeit 0,0076 mm Viper si2 SLA von 3D-Systems 12

13 Neuheit / Innovation 3-Dimensionale formlose Herstellung der Schaltungsträger mit eingebetteten Bauteilen nahezu beliebige Form des Schaltungsträgers 3-Dimensionale Maskenfreie Verdrahtung der Leiterbahnen Direkt schreibendes additives Verfahren (ressourcenschonend), für einfache Mikrosysteme Designfreiheit bei der Konstruktion von Mikrosystemen Verkürzung vom virtuellen zum realen funktionsfähigen Mikrosystem 13

14 Prozessablauf CAD Modellierung 14

15 CAD Modellierung Konstruktion mit Hilfe von CAD-Software Einbringen von Kavitäten el. Komponenten SMD-Bauform möglich o IC, Transitoren, LED, Widerstand Kanäle für spätere Kontaktierung der Bauelemente fertige Konstruktion Umwandlung in STL-Format 15

16 Prozessablauf CAD Modellierung Aufbauprozess 16

17 Aufbauprozess Vorbereitung des zu fertigenden Objektes mit Software Position auf der Bauplattform Ausrichtung Skalierung manuelle Anpassung des Supports damit einlegen von Bauteilen möglich wird Unterbrechung des Bauprozess (richtige z-position) einsetzen der Bauteile in die Kavität Fortsetzung des Prozesses bis nächsten Schritt bzw. Fertigstellung 17

18 Prozessablauf CAD Modellierung Aufbauprozess Reinigung des Bauteils Nachvernetzung 18

19 Reinigen des Bauteils/Nachvernetzen Vorsichtiges Entfernen des Schaltungsträgers von der Plattform Reinigung erfolgt mit Aceton oder Isopropanol mehrfach Wiederholung bis alle Harzreste entfernt sind Nachvernetzung im UV-Schrank um gewünschte Materialeigenschaften zu erlangen 19

20 Prozessablauf CAD Modellierung Aushärtung des Leitfähigen Materials Aufbauprozess Dispensieren Reinigung des Bauteils Nachvernetzung 20

21 Dispensieren/Aushärten des Klebers Dispensen des Leitklebers (Polytec PT, 2-Komponenten) mittels Druckluft Verwendung unterschiedlicher Dosiernadeln (Durchmesser, Länge, Form, etc.) für optimale elektrische und mechanische Eigenschaften des Leitklebers bestimmte Dauer spezifische Temperatur (Material Abhängig) Dosiernadel Kontrollöffnung Kanalöffnung max. IC Füllstand zu verfüllende Kanäle 21

22 Ergebnisse 22

23 Ergebnisse Kapazitiver Sensor Raumschiffmodell 23

24 Zusammenfassung und Ausblick Einführung in die Thematik: was sind Generative Fertigungsverfahren Überblick über verschiedene Generative Verfahren Nähere Betrachtung Stereolithografie Prozessablauf Aufbau- und Verbindungstechnik Ergebnisse (Aufbau verschiedenster Demonstratoren) 24

25 Zusammenfassung und Ausblick Software Interface zwischen 3D CAD und Schaltungslayout System welches die einzelnen Verfahren, in sich vereint Schichtweisen Aufbau des Schaltungsträgers elektrische Kontaktierung während des Aufbaus des Schaltungsträgers automatische platzieren der Bauelemente während des Aufbaus des Schaltungsträgers el. Entwurf + CAD Multifunktionssystem Funktionsfähiges System Bild Quelle: 25

26 Zusammenfassung und Ausblick Bild Quellle: content/uploads/2012/09/star_trek_replicator 300x229.jpg 26

27 Kontakt: Mikro-Mechatronische Systeme Fraunhofer IZM Argelsrieder Feld Oberpfaffenhofen Phone: +49 (0) 8153 / Fax: +49 (0) 8153 / Vielen Dank für Ihr Interesse! Danksagung: Herrn John Vdi-Vde-it und dem BMBF Mitarbeiter des Standortes Oberpfaffenhofen des IZM

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