Werkstoffe, Werkzeugbau und Spritzguss für 3D-MID

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1 und Thomas Heimann Das grosse Potenzial der Technologie MID zur Realisierung dreidimensionaler Packages eröffnet sich durch die hohe Gestaltungsfreiheit des Spritzgiessprozesses. besitzt umfangreiche Erfahrung im Einkomponenten- und Zweikomponentenspritzgiessen. Die Spritzgiesswerkzeuge werden nach den Designvorgaben des Kunden basierend auf den MID-Gestaltungsrichtlinien entwickelt, konstruiert und gefertigt. Mikro-Präzisionswerkzeuge können ebenfalls in der HARTING Technologiegruppe im eigenen Werkzeugbau hergestellt werden. 1 Werkstoffe In der MID-Technik werden im Gegensatz zu den duroplastischen bzw. keramischen Substratmaterialien in der herkömmlichen Leiterplattentechnik Thermoplaste eingesetzt, wenngleich erste duroplastische LDS-Werkstoffe verfügbar sind. Thermoplaste sind aus linearen, teilweise gering verzweigten Makromolekülen aufgebaut, die nur durch schwache physikalische Bindungen verbunden sind. Bei höheren Temperaturen können diese aneinander vorbeigleiten und sind daher schmelzbar und plastisch verformbar. Im festen Zustand können Thermoplaste als amorphe oder teilkristalline Festkörper vorliegen (Abbildung 1). Standardkunststoffe Hochleistungskunststoffe PEI PPE PEEK LCP PPS PPA Technische Kunststoffe PC PET PBT PA66 PA6 ABS amorph teilkristallin Abbildung 1: Kunststoffpyramide mit amorphen und teilkristallinen MID-Werkstoffen 1

2 und Thomas Heimann Amorphe Kunststoffe werden unterhalb der Glasübergangstemperatur (T g ) eingesetzt. Teilkristalline Werkstoffe können dagegen auch bei Temperaturen oberhalb T g zur Anwendung kommen. Unterhalb T g liegt der amorphe Anteil erstarrt vor, der Kunststoff ist hart und spröde. Die kristallinen Bereiche bleiben bis zur Schmelztemperatur erhalten und bestimmen die mechanischen Eigenschaften oberhalb T g. [2] Grundsätzlich sind für die Laserdirektstrukturierung (LDS) die Werkstoffe LCP, verschiedene PA-Typen, PBT, PC, PC/ABS, PEEK, PET/PBT, PPA und PPE verfügbar, wobei nahezu alle Werkstoffe mit dem LDS-Additiv aufbereitet werden können. [6] Der Zweikomponentenspritzguss kann u. a. mit den Materialkombinationen LCP/LCP, PC/PC-ABS oder PC/ABS realisiert werden. Weitere Informationen zu den spezifischen Anforderungen der LDS- und 2K- Werkstoffe sind im Whitepaper Laserdirektstrukturierung und Zweikomponentenspritzguss für die Serienproduktion von MID aufgeführt. Bei sind aktuell die Werkstoffe LCP (LDS und 2K) sowie PBT (LDS) im Serieneinsatz. Die Werkstoffe PC/ABS für hohe mechanische Ansprüche bei niedrigen Kosten, verschiedene PA-Typen für kostengünstige SMT-Anwendungen und PPSU für Medizinanwendungen (u. a. bei Forderung nach Autoklavierbarkeit) sind derzeit in der Erprobung. Des Weiteren werden neue Hochleistungsthermoplaste (z. B. PEEK), LDS-Duroplaste und LDS-Keramikmaterialien entwickelt. Für den Grossteil der Serienanwendungen (mit Ausnahme der einfachen Antennenapplikationen) wird LCP als Substratwerkstoff eingesetzt. LCP zeichnet sich durch hervorragende thermische Eigenschaften aus und ist für das Konvektions- und Kondensationslöten geeignet. Im Vergleich zu den meisten anderen Thermoplasten besitzt es geringe thermische Längenausdehnungskoeffizienten, die nahezu mit Standardleiterplattenmaterialien vergleichbar sind. LCP ist ein flüssigkristallines Polymer, mit dem extrem lange Fliesswege bei dünnen Wandstärken realisiert werden können. Zweikomponentenspritzgussteile können ohne Gratbildung und Überspritzung hergestellt werden. Da die Haftungsneigung von LCP zu LCP gering ist, muss die Verbindung der beiden Komponenten durch konstruktive Massnahmen gelöst werden. [8] 2 Werkzeugbau Die HARTING Technologiegruppe verfügt über einen eigenen Werkzeugbau für Mikro-Präzisionswerkzeuge mit umfangreicher und abgesicherter Erfahrung sowie vollautomatischen CNC-gesteuerten Bearbeitungsmaschinen. Die Werkzeugkonstruktion erfolgt in enger Abstimmung mit dem Kunden und nach dessen Vorgaben. 2.1 Grundlagen Werkzeugbau für MID Zur Herstellung von Bauteilen mit hoher Qualität für die Folgeprozesse müssen beim Werkzeugbau die MIDspezifischen Gestaltungsrichtlinien beachtet werden. hat für die Technologien Laserdirektstrukturierung und Zweikomponentenspritzgiessen eigene Design-Rules entwickelt. Des Weiteren stehen die LDS-MID Designregeln der Fa. LPKF Laser & Electronics AG zur Verfügung. Die konstruktiven Randbedingungen für den Werkzeugbau werden ausführlich im Paper Entwicklung und Konstruktion von 3D-MID erläutert. [4] [5] [7] Bei der Konstruktion des Werkzeugs ist darauf zu achten, dass ein Anspritzen in Bereichen, die später mit Leiterbahnen versehen werden, vermieden wird. Ebenso sollten in diesen kritischen Bereichen keine Auswerferpunkte sein. Als Angusssystem ist nach Möglichkeit ein Heisskanalsystem zu wählen, bei dem Düse und Werkzeug ständig in Verbindung sind. Durch ein angussloses Spritzen kann der Abfall minimiert werden. Auf Stangen- oder Bandangüsse sollte wenn möglich verzichtet werden, da bei der späteren Metallisierung im 2

3 und Thomas Heimann Bereich der Abbrech- oder Scherkanten die Gefahr der Fremdabscheidung aufgrund einer mechanischen Aktivierung des Kunststoffbauteils besteht. Allerdings darf die Verweilzeit der Thermoplaste in der Schnecke und im Heisskanal nicht zu lang sein, da es ansonsten zu Abbauerscheinungen des Materials kommen kann. Vor allem bei kleinen Teilen wird daher auch bewusst ein Anguss erzeugt, um den Materialdurchsatz zu erhöhen. Der Durchsatz kann aber auch durch ein Werkzeug mit mehreren Kavitäten, vor allem bei grossen Stückzahlen, erhöht werden. Bei der Herstellung kleiner Formteile in Mehrfachwerkzeugen (bis zu 16-fach) wird bei häufig ein Tunnelanguss verwendet. Ein Tunnelanguss ist ein selbstabtrennendes Angusssystem. Der Durchmesser des Angusssystems sollte so klein wie möglich gewählt werden, so dass ein sauberes Abreissen möglich ist. Allerdings muss das Material zur Werkzeugfüllung hindurch und zu kleine Öffnungen können zu einer thermischen Schädigung des Materials aufgrund zu hoher Scherraten führen. Bei Mehrfachwerkzeugen ist auf darauf zu achten, dass der Schmelzezustand in allen Formnestern identisch ist und ggf. ein temperierter Verteilerkanal erforderlich ist. Vor der Erarbeitung von Werkzeugkonzepten und dem Bau eines Prototypen- oder Serienwerkzeugs erfolgt bei basierend auf der Kundenanfrage eine Prüfung der Machbarkeit und eine Abschätzung der Kosten für das Prototypenwerkzeug und das Serienwerkzeug. Die Auslegung des Werkzeugs kann durch entsprechende FEM-Berechnungen, Mold-Flow-Analysen, 3D-CAD-Berechnungen und Thermoanalysen für das Werkzeug abgesichert werden. In diesem Zusammenhang wird ggf. auch eine Optimierung des Bauteils, beispielsweise hinsichtlich Entformungsschrägen oder Gratbildung, durchgeführt. 2.2 Prototypen- und Serienwerkzeuge In den meisten Fällen ist es zur endgültigen Festlegung der Formteilabmessungen erforderlich Prototypen anzufertigen. bietet dem Kunden verschiedene Musterstufen (Anschauungsmuster, A-, B-, C-, D-Muster) mit unterschiedlichen Herstellungstechnologien an. Nähere Informationen sind hierzu im Whitepaper Prototyping für 3D-MID verfügbar. Bei den werkzeuggebundenen Prototypen ist in der HARTING Technologiegruppe ein 3-Stufen-Modell definiert, wobei sich die einzelnen Stufen hinsichtlich Ausbringungsmenge, Durchlaufzeit, Kosten, Seriennähe und Bauteilqualität unterscheiden (Abbildung 2). 3

4 und Thomas Heimann Baukastenform Formeinsatz aus Aluminium Form für Rapid Prototyping Ausbringungsmenge Durchlaufzeit Kosten Seriennähe Bauteilqualität Abbildung 2: Werkzeugkonzepte für Prototypen in der HARTING Technologiegruppe Für die Baukastenform, die in der HARTING Technologiegruppe standortübergreifend verfügbar ist, werden nur die düsen- und auswerferseitigen Einsatzgarnituren benötigt. Das System mit integrierter Temperierung eignet sich für hohe Ausbringungsmengen mit Losgrössen höher1 000 Stück. Es lassen sich hierbei seriengleiche Werkstoffe und Oberflächengüten für die Formeinsätze verwenden. Bei den verarbeitbaren Kunststoffen gibt es keine Einschränkungen. Ein Formeinsatz aus Aluminium ist ebenfalls in die Baukastenform integrierbar und kann wahlweise mit oder ohne Temperierung ausgeführt sein. Durch die Beschränkung auf die Frästechnik bei der Kavitätenherstellung ergibt sich eine deutliche Kosteneinsparung, allerdings sind die Werkzeuge nur für Losgrössen bis ca Teile geeignet und in den Abbildungsgenauigkeiten kleiner Geometrien eingeschränkt. Die Form für das Rapid Prototyping wird auch spanend mittels Fräsen hergestellt. Hierbei handelt es sich um eine Plattform für Losgrössen kleiner 100 Teile mit einer Durchlaufzeit (abhängig von der Komplexität der Bauteilgeometrie) von einer Woche, gerechnet vom Dateneingang bis zu den ersten Teilen. Das Werkzeug verzichtet auf eine Temperierung und sieht keine Auswerfer vor, erfordert also eine manuelle Teileentnahme. Die Bauteile weisen im Allgemeinen eine höhere Gratbildung auf und eine geringere geometrische Präzision. Die Eignung für das MID-Prototyping wird bei derzeit geprüft. 4

5 und Thomas Heimann Serienwerkzeuge werden nicht aus Aluminium hergestellt, um eine durch das Werkzeug bedingte Fremdabscheidung bei der Metallisierung zu vermeiden. Für die Serienfertigung wird ein System mit gehärtetem Werkzeugstahl eingesetzt (Abbildung 3). Dabei ist eine Standardoberflächengüte (R z < 5 μm) ausreichend, ein Polieren der Oberfläche ist normalerweise nicht erforderlich. [7] Abbildung 3: Einkomponentenspritzgiesswerkzeug mit vier Kavitäten für ein 3D-MID Beim Zweikomponentenspritzgiessen wird meist auf ein Drehwerkzeug zurückgegriffen. Die Vorspritzlinge werden nach dem Öffnen des Werkzeugs in eine zweite Kavität durch das Drehen einer Werkzeughälfte oder mittels drehbarer Indexplatte befördert. Alternativ kann auch ein Werkzeug mit variabler Kavität zum Einsatz kommen, wo zunächst der Vorspritzling hergestellt wird und mit einem Schieber bzw. zurückziehenden Kern ein zusätzliches Volumen in der Kavität für die zweite Komponente geöffnet wird (Core-Back-Werkzeug). Allerdings ist hier die Gestaltungsfreiheit eingeschränkt. Transfertechniken, wo der Vorspritzling komplett entnommen wird und anschliessend in einem anderen Werkzeug umspritzt wird, sind in der Regel aufgrund der aufwändigen Handhabung unwirtschaftlich. 3 Spritzguss Beim Spritzgiessen wird das Kunststoffgranulat plastifiziert (aufgeschmolzen) und als flüssige Masse mit Druck in eine beheizte Werkzeugkavität eingespritzt. Nach dem Erstarren muss das Spritzgussteil entformt und entnommen werden. Generell unterscheidet sich der Prozessablauf in der MID-Technik nicht von der herkömmlichen Kunststoffverarbeitung, jedoch sind im Hinblick auf die weitere Verarbeitung einige Besonderheiten zu beachten. Abbildung 4 zeigt eine für die Herstellung von MID-Substraten eingesetzte Spritzgiessmaschine. Für eine hohe Qualität bei den nachfolgenden Prozessschritten und für eine langzeitzuverlässige Baugruppe dürfen 5

6 und Thomas Heimann die Spritzgussteile keine Risse, Grate, Blasen, Brandstellen, Glanzstellen, Schlieren oder Einfallstellen zeigen [4] [5]. Dafür sind eine entsprechende Aufbereitung der Werkstoffe, die Beachtung fertigungsbedingter Einflüsse sowie eine angepasste Weiterverarbeitung nach dem Spritzgussprozess erforderlich. Eine Sonderform ist das Zweikomponentenspritzgiessen. Hierbei wird im ersten Schritt ein Vorspritzling gefertigt, der direkt anschliessend umspritzt wird. Abhängig von der Geometrie des Teils wird jeweils die Komponente zuerst gespritzt, die mechanisch stabiler ist (das kann sowohl die metallisierbare als auch die nicht metallisierbare Komponente sein). Das Schaltungslayout basiert bei der 2K-Technologie auf der Geometrie des Spritzgusswerkzeugs. Daher bestehen nur eingeschränkte Möglichkeiten zur weiteren Miniaturisierung, insbesondere da die Fliesswege der zweiten Komponente bei nur geringen Wanddicken zu gross sind. Die geringsten Leiterbahnbreiten sind mit niederviskosen Formmassen wie LCP möglich. Abbildung 4: Arburg Spritzgiessmaschine (links) und automatisiertes Teilehandling mit Ablage im Kunststoffblister (rechts) 3.1 Aufbereitung der Werkstoffe Das Kunstoffgranulat wird meist in 25 kg Behältern von den Kunststoffherstellern angeliefert. Vor der Verarbeitung der Werkstoffe ist eine Trocknung des Granulats erforderlich, da viele Thermoplaste Feuchtigkeit aufnehmen. Folglich kann es bei einer Verarbeitung im nicht getrockneten Zustand zu Fertigungsfehlern wie Schlieren, Eintrübungen oder Blasen im Bauteil kommen, die dann bei den nachfolgenden Prozessen, insbesondere der Strukturierung, der Metallisierung und im Lötprozess, zu Problemen führen. Bei HARTING Mitronics wird ein Fülltrichter mit Vorwärme- und Trockeneinrichtung direkt an der Spritzgussmaschine eingesetzt, wodurch die Restwärme des getrockneten Kunststoffgranulats bei der Verarbeitung genutzt werden kann und ein händischer Umfüllvorgang entfällt. Vor der Verarbeitung erfolgt eine Restfeuchtemessung. 6

7 und Thomas Heimann 3.2 Fertigungsbedingte Einflüsse Bei der Herstellung der MID-Formteile sind durch die Fertigung bedingte Einflüsse wie Bindenähte, Gratbildung, verstärkte Anisotropien oder eine Änderung der Abmessungen durch Schwindung nach Möglichkeit zu vermeiden bzw. ist darauf zu achten, dass diese nicht in kritischen Bereichen auftreten. Zur Reduzierung der Umwelteinflüsse auf den Fertigungsprozess wird das Spritzgiessen der MID-Substrate bei in einem klimatisierten Raum durchgeführt. Vor Beginn und während des Spritzgiessprozesses erfolgt eine sorgfältige Werkzeugreinigung, um eine Kontamination zu vermeiden. Die Reinigungsintervalle des Werkzeugs werden artikelspezifisch festgelegt. Auf den Einsatz silikonbasierter Trennmittel und Schmierstoffe für Auswerferstifte wird wenn möglich verzichtet. Eine Bindenaht entsteht beim Zusammentreffen von Fliessfronten, beispielsweise nach dem Umströmen von Löchern oder durch Wanddickenunterschiede. Im Unterschied zu Bindenähten, die durch frontales Aufeinandertreffen von Schmelzeströmen entstehen, sind Fliessnähte die Folge parallel verlaufender Strömungen. Fliessnähte können beispielsweise durch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten entstehen oder durch Umströmen eines Kernes. Durch Bindenähte und Fliessnähte kommt es zu einer mechanischen Beeinträchtigung des Formteils aufgrund unzureichender Verschweissung, Einfall-Kerben in der Oberfläche oder starke Orientierungen bei parallel zusammenfliessenden Schmelzfronten. Die Entstehung von Bindenähten ist insbesondere bei LCP kritisch. Generell sollte darauf geachtet werden, dass keine Leiterbahnen im Bereich von Bindenähten verlaufen, sofern diese nicht zu vermeiden sind (Abbildung 5). Bei mechanischer oder thermischer Belastung kann es sonst zu Rissen in der Leiterbahn kommen. [2] [7] Position des Auswerferstiftes Bindenaht Abbildung 5: Leiterbahnen sollten nicht im Bereich von Bindenähten und Auswerferstiften verlaufen [3] Bei der Trennung der beiden Werkzeughälften kann unter Umständen ein Grat durch Überspritzung entstehen, der vor allem bei einem zur Leiterbahn senkrechtem Verlauf einen frühzeitigen Ausfall verursachen kann. Eine möglichst geringe Gratbildung kann durch einen reduzierten Spritz- und Nachdruck, eine höhere Schliesskraft und optimal abgestimmte Werkzeugtrennebenen erreicht werden. Die bei faserverstärkten Thermoplasten ohnehin ausgeprägte Anisotropie kann durch eine konzentrierte Molekülorientierung verstärkt werden. Dehnströmungen in der Schmelze führen dabei zu stärkeren Orientierungen als Scherströmungen [1]. Daher sind die Geometrie des Formteils und die Verarbeitungsbedingungen entsprechend anzupassen. Ein weiterhin zu vermeidender Faktor ist die Freistrahlbildung. Ein Freistrahl entsteht, wenn die Schmelze mit zu hoher Geschwindigkeit ungehindert in die Form schiesst. Dies kann aber durch die Lage des Anspritzpunktes verhindert werden. Die Schmelze sollte kurz nach Eintritt in die Kavität auf eine Wand oder einen Kern treffen. 7

8 und Thomas Heimann Die Masshaltigkeit von Formteilen aus Kunststoffen wird durch die Schwindung während der Verarbeitung und im Gebrauch beeinflusst. Dabei wird zwischen der Verarbeitungsschwindung und der Nachschwindung differenziert. Die Verarbeitungsschwindung beschreibt den Unterschied zwischen Mass des Werkzeugs und dem des Formteils. Die Nachschwindung führt zu einer weiteren Veränderung der Abmessungen des Bauteils mit einer ggf. negative Auswirkung auf das Leiterbild. Die Schwindung kann u. a. durch die Schmelztemperatur, die Werkzeugwandtemperatur, den Nachdruck und die Wanddicke beeinflusst werden. [1] 3.3 Weiterverarbeitung nach dem Spritzgussprozess Bei der Teileentnahme und beim Transport der Bauteile sollten entsprechende Vorkehrungen getroffen werden, damit die Bauteile und deren Oberfläche nicht negativ beeinträchtigt wird. Die MID-Teile werden bei HARTING Mitronics für die Weiterverarbeitung in Folgeprozessen in tiefgezogenen Kunststoffblistern abgelegt, um eine schabende Wirkung der Bauteile zu vermeiden (Abbildung 4). Bei bestimmten Artikeln wird nach der Entnahme des Spritzgussteils aus dem Werkzeug mit einer zusätzlich in den Fertigungsprozess integrierten Zwischenkühlung vor dem Ablegen der Bauteile einer thermischen Schädigung der Transportbehälter vorgebeugt. Die am Fertigungsprozess beteiligten Personen tragen Handschuhe, damit die Bauteiloberfläche nicht verunreinigt wird. [4] [7] Autoren Dr.-Ing. Christian Goth ist für als Strategic Technology Manager tätig. Er hat an der Universität Erlangen-Nürnberg zu dem Thema Analyse und Optimierung der Entwicklung und Zuverlässigkeit räumlicher elektronischer Schaltungsträger (3D-MID) unter der Leitung von Prof. Franke am Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik promoviert. Von 2007 bis 2011 war er Geschäftsführer der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.v. Thomas Heimann ist Leiter des Bereichs Technologieentwicklung bei der HARTING Applied Technologies GmbH. Er hat an der Hochschule Osnabrück allgemeinen Maschinenbau studiert. Nach dem Studium war er zunächst sieben Jahre bei der HARTING Automotive GmbH als Entwicklungsingenieur tätig und mit der Entwicklung von Steckverbindern und Kunststoffgehäusen für die Automobilindustrie betraut. Anschliessend wechselte er zur HARTING Applied Technologies GmbH. Dort ist er u.a. verantwortlich für die werkzeug- und kunststofftechnische Umsetzung für MID-Projekte. Literaturverzeichnis [1] EHERENSTEIN, G. W. (Hrsg.): Mit Kunststoffen konstruieren Eine Einführung. 3. überarbeitete Auflage. München Wien: Carl Hanser Verlag, [2] EHERENSTEIN, G. W. (Hrsg.): Polymer-Werkstoffe Struktur, Eigenschaft, Anwendung. 2. völlig überarbeitete Auflage. München Wien: Carl Hanser Verlag, [3] JOHN, W.: Fertigungsgerechte Konstruktion dreidimensionaler Schaltungsträger. In: Produktion von Leiterplatten und Systemen (PLUS) 10. Jahrgang, Nummer 6 (2008), S [4] HARTING AG MITRONICS (HRSG.): Gestaltungsrichtlinie MID-LDS., Ausgabe 1.2, Stand [5] HARTING AG MITRONICS (HRSG.): Gestaltungsrichtlinien MID-2K. Ausgabe 1.2, Stand

9 und Thomas Heimann [6] LPKF LASER & ELECTRONICS AG (HRSG.): Approved plastics for the operation of LPKF LDS Laser Systems. Datei: Stand: Dezember 2012, Zugriff am [7] LPKF LASER & ELECTRONICS AG (HRSG.): LDS-MID Designregeln Technische Information. Version 2.0, Stand , Garbsen, [8] SCHMID, B.: Leiterplatte und Leiterbahnen im Spritzguss. In: Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011, S Glossar Fachbegriffe Abkürzung Begriff Erklärung MID T g Gemittelte Rautiefe Kontamination Molded Interconnect Devices Glasübergangstemperatur R z Verunreinigung oder Verschmutzung mit chemischem, biologischem oder radioaktivem Material. Spritzgegossenes Formteil mit integrierter Leiterstruktur und Bauelementen (optional). Übergang vom spröden energieelastischen Bereich (=Glasbereich) in den weichen entropieelastischen Bereich (=gummielastischer Bereich). Das arithmetische Mittel aus den Einzelrautiefen fünf äquidistanter aneinandergrenzender Einzelmessstrecken. Abkürzungsverzeichnis 2K Zweikomponenten 3D Dreidimensional ABS Acrylnitril-Butadien-Styrol CNC Computerized Numerical Control FEM Finite Elemente Methode LDS Laserdirektstrukturierung PA PBT PC PEEK PET PPA PPE Polyamid Polybutylenterephthalat Polycarbonat Polyetherether ketone Polyethylenterephthalat Polyphthalamid Polyphenylenether 9