Future of Printed Electronics Trends, Chancen und Herausforderungen

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1 Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik Future of Printed Electronics Trends, Chancen und Herausforderungen Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg VIERLING EED 2017 Ebermannstadt

2 Am Lehrstuhl FAPS werden innovative Produktionstechnologien für zukünftige mikromechatronische Systeme in vielfältigen Applikationsfeldern erforscht. Bildquelle: DuPont Bildquelle: Osram Quelle: Neotech Elektronikproduktion 2x R 2x C 2

3 Die Technologien der additiven Fertigung ebnen den Weg hin zur flexiblen Fertigung mechatronischer Produkte. Leistungsfähigkeit? Geometrische Objekte Mechanische Objekte Elektrische Funktion Mechatronische Objekte Form des Objekts entscheidend Elektronikproduktion: Gehäuseelemente Erfüllen hoher mechanischer Anforderungen Elektronikproduktion: Kühlkörper Realisierung elektrischer Funktionen Elektronikproduktion: Leiterbahnen, Sensoren, Halbleiter Bildquellen: 3space, Neotech Zeit Integration mechatronischer Funktionen Elektronikproduktion: gedruckte Hochleistungsbaugruppe 3

4 Additive Druckverfahren realisieren elektrische Funktion für vielfältige Applikationen auf Basis unterschiedlicher Materialien und Technologien. Tinten Pulver Silbertinten Polymertinten Selektives Laserschmelzen Plasmadust & PlasmaCoat Quelle: Neotech Quelle: Quelle: Reinhausen LPKF Funktion: Drucktechnologien (z.b. Aerosol-Jet Druck oder Ink-Jet Druck zum Aufbringen funktionaler Tinten auf miniaturisierte ebenso wie großflächige 3D-Baugruppen. Einsatz: Elektrische und optische Signalströme auf 3D-Oberflächen, Drucken von Funktionselementen wie Leiterbahnen, Widerstände, Isolationsschichten und Kondensatoren Funktion Erstellung metallbasierter Strukturen auf Basis selektiver Laserschmelzprozesse und Metallisierung von Oberflächen durch kaltaktives Atmosphärendruck-Plasma. Einsatz: Übertragung höherer Ströme, vollflächige Metallisierung und Generierung mechanischer, elektrischer und fluidischer Funktionselemente 4

5 Das AiF-Projekt AVerdi analysiert Potentiale und Herausforderungen alternativer Verdichtungsverfahren im Hinblick auf die wirtschaftliche Einsetzbarkeit für gedruckte Leiterbahnen. Nanopartikel Tinte: Silber-Metallpartikel Verarbeitung: 1. Drucken 2. Trocknen 3. Verdichten organisches Coating Lösemittel und Additive y Untersuchung alternativer Verdichtungsverfahren zur Reduzierung der Prozessdauer und Prozesstemperatur Wirtschaftliche Etablierung digitaler Druckprozesse: Drucken, Trocknen und Verdichten innerhalb weniger Sekunden Selektive Laserbestrahlung, photonisches Sintern, UV- und IR-Bestrahlung Aerosol-Jet und Ink-Jet-Druckverfahren 5

6 Im LuFo-Projekt FeVediS werden digitale Drucktechnologien zur Funktionserweiterung von Verkleidungselementen in Flugzeugkabinen eingesetzt. Zielsetzung: Additive Herstellung einer integrierten Strom- und Datenversorgung in die vorhandenen Kabinenwerkstoffsysteme Die Substitution von Kabelsystemen führt zu Gewichts-, Bauraum- und Materialeinsparungen, senkt die Produktionskosten und verkürzt die Montageprozesskette Partielle Substitution von Kabelsystemen und erste Integration neuer Funktionselemente (u.a. Heizsysteme) Leiterbahn Kontaktierung Heizstruktur Erfolgreiche Applikation von gedruckten Leiterstrukturen mittels Aerosol-Jet und Ink- Jet Funktionserweiterung um diverse Module, wie unter anderem integrierte Heizstrukturen Komplette Substitution aller Kabelsystemen mit neuentwickelten Funktionselemente (u.a. fensterlose Kabine) 6

7 Die im DFG-Projekt Optaver erforschte Prozesskombination aus Flexo- und Aerosol-Jet Druck ermöglicht die maßgeschneiderte Fertigung polymerer Lichtwellenleiter zur High-Speed Datenübertragung. Der OPTAVER-Prozess zur Herstellung polymerer optischer Wellenleiter (POW): Die hergestellten POWs revolutionieren die optische Signalkopplung durch die Möglichkeit direkter Core-Core Kopplung: Gebogenes Wellenleiter Teilstück wird auf gerades Teilstück gepresst Durch die Parameter Biegeradius und Anpresskraft kann die Koppelrate definiert eingestellt werden 7

8 Demonstratoren Prozesskette Das durch den ECPE geförderte Projekt PowerAMP adressiert die Potenziale der additiven Fertigung für die flexible Herstellung funktionsintegrierter Substrate für die Leistungselektronik. Aufrauen der Keramik Cu-Al 2 O 3 / Cu-Cu-Verbindung Oberflächenanpassung Großer Gestaltungsfreiraum mit hoher 3D-Flexibilität für Packaging-Anwendungen Großes Spektrum an Materialien für leitende Strukturen und Substrate Anpassbar für jedes Entwurfsmuster mit variierenden Dimensionen Sehr gutes thermisches Management und Gewichtsreduzierung durch anwendungsspezifische Rippenstrukturen 8

9 Die Entwicklung eines keramisch spritzgegossenen 3D-Schaltungsträgers für die Integration von Leistungselektronik mittels widerstandsarmen Aktivlots wird im AiF-Projekt ActivePower untersucht. Schwerpunkte des Forschungsvorhabens Qualifizierung von Aktivloten mit geringem elektrischen Widerstand und guten Anbindungseigenschaften an die Keramik Qualifizierung von unterschiedlichen technischen Keramiken hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung und Kompatibilität mit Aktivloten Aktivlotapplikation mit druckgesteuertem Dispensprozess sowie das Löten im Hochtemperaturofen Leistungselektronische Aufbau und Verbindungstechnik sowie Zuverlässigkeitsuntersuchungen Prozessschritte Elektronik und Aktivlot-Leiterbahnen CIM Grundkörper LEDs (I) Keramikgrundkörper mit Vertiefungen für Leiterbahnen (II) Dreidimensionales Ablegen von Lotpaste und Brennen (III) Bestücken und Löten von elektrischen Bauteilen 9

10 Die Kombination von flexibel gedruckten Strukturen und miniaturisierten Bauelementen birgt das Potenzial zur signifikanten Erhöhung der Gestaltungsfreiheit elektrischer Baugruppen. Rapid Manufacturing & Gedruckte Elektronik Gedruckte Elektronik & Diskrete Elektronik Additive Technologien, z.b. Stereolithografie: Umlenkspiegel Digitale Druckverfahren, z. B. Aerosol-Jet: Diskrete Elektronik z. B. Bare Dies z-hub laserhärtbarer Kunststoff Funktionalisiertes Pulverbett-Bauteil Lichtstrahl gesinterte Silberleiterbahnen Leiterbahnen auf Stereolithographiebauteil SMT-Bauteile kontaktiert mit Leitklebstoff Printed Stack-Die-Kontaktierung 10

11 Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg DANKE 11