Die Potenziale der MID-Technik der MIDster

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1 Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik Die Potenziale der MID-Technik der MIDster Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg René Schramm Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg

2 Agenda Was sind MID? Die Potenziale der MID-Technik MID-Herstellungsverfahren Prozesskette des MIDster s

3 Die Technologie MID integriert mechanische und elektrische Funktionalität durch innovative Fertigungsstrategien. 3D-Grundelement 3D-MID 3D-Schaltplan MID sind spritzgegossene Formteile mit integrierter Leiterbildstruktur. Die Technologie kombiniert somit die nahezu beliebige Gestaltungsfreiheit des Spritzguss-Verfahrens und dessen mechanischer Funktionalität mit den Möglichkeiten der Schaltungsträgererzeugung.

4 Potenziale und Herausforderungen räumlicher elektronischer Schaltungsträger. Technische Anforderungen Prozessseitige Möglichkeiten Komplexität der Leiterbildstruktur Chemische Beständigkeit Thermische Anforderungen Elektrische Eigenschaften Herausforderung mechatronischer Systeme 3D-Fähigkeit Leiterbahnbreite Metallisierungshaftung Durchkontaktierung Optimales MID-Design Gewichtsreduzierung Umweltverträglichkeit Funktionsintegration Miniaturisierung Potenziale von Molded Interconnect Devices Verkürzte Prozessketten Kostenreduktion Teilereduzierung Erhöhte Zuverlässigkeit Produktbasierte Vorteile Produktionstechn. Potentiale

5 Eine Vielzahl innovativer MID-Anwendungen erreicht in verschiedenen Produktfeldern die Serienreife. Industrie Automation Kameramodul Automobilindustrie Adaptive Cruise Control Medizinindustrie Werkzeug für Zahnärzte Quelle: HARTING Quelle: Continental Quelle: KaVo. Dental Telekommunikation Antennenstrukturen Logistik RFID Transponder Consumer Kupplungssystem Quelle: LPKF Quelle: LANXESS Quelle: LPKF

6 Herstellungsverfahren für räumliche elektronische Schaltungsträger. Grundkörper herstellen Strukturierung Leiterbahnen erstellen Metallisierung Verbindungstechnik 2K-Spritzguss Chemisch Kleben Bestücken 1K-Spritzguss Laseraktivierung Galvanisch Löten Folienhinterspritzen Heißprägen Drucktechniken/Plasmaverfahren Primertechnik Maskenstrukturierung

7 Bei der Erstellung des dreidimensionalen Schaltungslayouts sind die spezifischen Designrichtlinien der MID-Herstellungsverfahren zu beachten. 1. Auswahl der Bauelemente und Entwicklung der Schaltungsfunktionalitäten. Gesamtkosten der Bauelemente Mehrere Funktionen erforderlich 2. Erstellung des elektrischen Layouts mit 2D Layout- und Routingprogrammen (Eagle, Autodesk). CAD des Grundkörpers abgeschlossen MID-Designrichtlinien beachten Aufbau einer Testschaltung auf FR4 zum Testen der Funktionen 3. Übertrag der 2D-Schaltung auf den 3D-Körper Nutzung verschiedener Softwaretools (ProE, Nextra) MID-Designrichtlinien überprüfen Optimieren des Layouts 2D-Layout auf beidseitig bestückter Leiterplatte Übertrag des Layouts auf den 3D-Grundkörper

8 Die verschiedenen MID-Prozessschritte bei der Herstellung des MIDsters. Die vier Prozessschritte des MIDsters: Quelle: LPKF Quelle: LPKF Quelle: Häcker Automation Einkomponenten- Spritzguss Laser-Direkt- Strukturierung Chemische Metallisierung Aufbau- und Verbindungstechnik

9 Herstellung des MIDsters der Einkomponentenspritzguss. Kunststoffmaterial ist LCP Vectra 840i LDS: Gute Fließeigenschaften Dünne Wandungen herstellbar Geringe Schwindung Hohe mechanische und thermische Belastbarkeit Integrierte Schieber zur Darstellung der komplexen Form Darstellung im Zweifachwerkzeug Gemeinsamer Anguss Zentrale Aufspannung in der Spritzgussmaschine Höhere Ausbeute

10 Herstellung des MIDsters die additive Laser Direkt Strukturierung. Volladditiver Prozess, der die Vorteile der Flexibilität des Lasers mit einer kurzen Prozesskette vereint. Selektive Metallisierung spritzgegossener Bauteile durch Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) in nur 3 Prozessschritten. Strukturierung und Metallisierung unter Beachtung der Designregeln auf allen Flächen möglich. Voraussetzungen: Material: Thermoplastische Kunststoffe, die mit einem laseraktivierbaren Additiv gefüllt sind, das die spätere Metallisierung katalysiert. Laseranlage: Erzeugung einer mikrorauen Oberfläche auf dreidimensionalen Kunststoffbauteilen (Ablation) bei gleichzeitiger Aktivierung des Additivs durch physikalischchemische Reaktionen mit dem Laserstrahl

11 Herstellung des MIDsters die chemische Metallisierung. Chemische Metallisierung im Becherglas Cu/Ni/Au. Reinigung zwischen den einzelnen Metallisierungsschritten mit entionisiertem Wasser. Durchkontaktierungen können ohne Probleme metallisiert werden. Abb.: Becherglas Metallisierung Cu Ni Au

12 Herstellung des MIDsters die Aufbau- und Verbindungstechnik. Dispensen der Lotpaste (SnBi, SnAgCu) mit verschiedenen Systemen Bestückung mit Hilfe eines Werkstückträgers in Standard SMD-Bestückautomaten Einpressen des Magneten zur Befestigung und Kontaktierung der Batterie Programmierung des Mikrocontrollers und abschließender Funktionstest Prozessbegleitende Qualitätssicherung (z.b. Röntgen nach der AVT) Dispensen Bestücken Montage des Magneten und der Batterie

13 Die MID-Technologie bietet zahlreiche Potenziale, um dreidimensionale Schaltungsträger zu funktionalisieren. Bestückung auf mehreren Ebenen Miniaturisierung Integration verschiedener Funktionalitäten Darstellung von Durchkontaktierungen durch Laserbohren

14 Die Verbindung von Designelementen mit Funktionalität ist ein bisher ungenutztes Potenzial in der MID-Technologie. Verbindung von Design und verschiedenen Funktionen Nutzung der kompletten Oberfläche - Elektrische Schaltung - Antennen - Logos Gestaltungsfreiheit - Hinterschneidungen - Winkel und Kanten - Beliebige Freiformflächen

15 MIDAZ unterstützt bei Entwicklung, Prototypen-Fertigung sowie Produktionsplanung für mechatronisch integrierte Produkte. MIDAZ Partner im MID-Entwicklungsprozess Entwurf und Design mechatronischer Baugruppen Herstellung funktionaler Prototypen Zuverlässigkeitsanalysen, Produktqualifizierungen /

16 Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg DANKE Egerlandstraße 7-9 Tel.: D Erlangen Fax: