Dreidimensionale Schaltungsträger (MIDs) mit LPKF LDS - von der Idee bis zur Serienfertigung. Thorne Lietz, LPKF Laser & Electronics AG

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1 Dreidimensionale Schaltungsträger (MIDs) mit LPKF LDS - von der Idee bis zur Serienfertigung Thorne Lietz, LPKF Laser & Electronics AG 1

2 Inhalt Vorstellung der LPKF Laser & Electronics AG Begriffserklärung MID Funktionsweise LPKF LDS Materialportfolio LDS-fähiger Kunststoffe Verfahrensschritte LPKF LDS LPKF LDS Lasersysteme Marktsituation von LDS MIDs LDS Anwendungen in der Serie LDS Pulverlack LDS Prototyping 2

3 Wer ist LPKF? Maschinenbauunternehmen mit langjährig profitabler Geschäftsentwicklung Gegründet 1976 / Börsengang 1998 Mitarbeiter: 752 Umsatz 2012: 115 Mio. Umsatz 2013: 130 Mio. ca. 10 Prozent des Umsatzes fließen in F&E Eigenkapitalquote > 56 Prozent Zertifizierung nach ISO 9001 Gelistet im TecDAX seit September

4 Umsatzverteilung auf die Segmente 2013: m EUR Others Other Production Equipment 25% 1% Electronics Production Equipment 2012: m EUR 1% Electronics Development Equipment 16% 58% 33% 49% 17% 8

5 Was ist MID? Molded Interconnected Device kurz MID (spritzgegossener Schaltungsträger) vereinigt mechanische und elektrische Funktionen in einem Bauteil. Heute gebräuchliche Verfahren zur Herstellung von MIDs sind 2- Komponenten Spritzguss und LPKF LaserDirectStructuring (LDS). 2 Teile = 2 Funktionen 1 Teil = 2 Funktionen 9

6 Wann ist MID sinnvoll? Herkömmliche Fertigungsmethode: Entwickler und Konstrukteure erreichen ständig die Grenzen der traditionellen Herstellungsverfahren. Elektrische und mechanische Funktionen werden in getrennten Baugruppen realisiert und aufwändig miteinander verbunden. Zunehmende Miniaturisierung führt zu immer komplexeren Lösungen. 3-dimensionale Schaltungen sind so nur mit aufwendiger Verbindungstechnik möglich. wenn überhaupt!!! Quelle: L. Ederleh, V. Wottschel, LaserMicronics 10

7 Wann ist MID sinnvoll? Lösung: MID-Technologie Der Schritt in die dritte Dimension ermöglicht die Kombination von mechanischen und elektrischen Funktionen in nur einem Bauteil. Elektrische Leiterbahnen werden direkt auf 3-dimensionale Oberflächen aufgebracht : Leiterplatten oder Flex-Schaltungen mit aufwändiger Verbindungstechnik entfallen Miniaturisierte (echte) 3D-Bauteile ermöglichen kompakte und komplexe Bauformen MID Quelle: L. Ederleh, V. Wottschel, LaserMicronics 11

8 Was wird benötigt für LDS MIDs? 1) LDS-fähiger Kunststoff als Granulat, Spritzgussform und -Anlage zur Fertigung Grundkörpers 2) 3D-fähiger Strukturierungslaser zur Laseraktivierung und Werkstückmit Leiterbahndaten im Step-Format (3D) 3) Chemische Metallisierung und Anlagentechnik zum Aufbringen der Leiterbahnen 12

9 13 Materialportfolio LDS-fähiger Kunststoffe

10 LDS Material Stand 01/ Verfügbare LDS Materialien von 18 Anbietern 14 BASF AG Ultramid T 4381 LDS sw (PA 6/6T) LANXESS Pocan DP7102 LDS (PBT) Pocan DPT7140 LDS (PET/PBT) TICONA GmbH Vectra E840i LDS (LCP) Vectra E845i LDS (LCP) RTP Co. RTP 299 X H (PA6/6) RTP 399 X B (PC) RTP 699 X B (ABS) RTP 1099 X C (PBT) RTP 2199 X A (PEI) RTP 2199 X E (PEI) RTP 2599 X A (PC/ABS) RTP 2599 X B (PC/ABS white) RTP X A (LCP) RTP 4099 X D (PPA) DSM Engineering Plastics B.V. Stanyl ForTii NC 1107A (PA4T black) Stanyl ForTii NC 1119A (PA4T grey), flame retardant Mitsubishi Engineering-Plastics Corporation Xantar LDS 3710 (PC/ABS) Xantar RC 3711 (PC/ABS dark grey) Xantar LDS 3720 (PC/ABS) Xantar LDS 3722 (PC/ABS grey) Xantar LDS 3724 (PC/ABS white) Xantar LDS 3730 Standard black (PC), flame retardant Xantar LDS 3732 (PC grey), flame retardant Xantar LDS 3734 (PC white), flame retardant lupilon MTB1000R 8920F (PC) Iupilon LAG 2710R2 (reinforced PC/ABS white) Iupilon LAG 2720R2 (reinforced PC/ABS white) lupilon LAG 2730R (reinforced PC/ABS white) Iupilon LAG 2910R2 (reinforced PC/ABS black) Iupilon LAG 2920R2 (reinforced PC/ABS black) lupilon LAG 2930R (reinforced PC/ABS black) Reny 1002PS Black (PA based on MXD6) Reny XHP 1002 Black (PA based on MXD6) Reny XHP 1351L Black (PA based on MXD6) Reny XHP 2091L Black (PA based on MXD6) EVONIK INDUSTRIES Vestodur X9423 (PBT) Vestamid HTplus TGP 3586 (PA6T/X) Vestamid HTplus TGP 3587 (PA10T) WAH HONG Industrial Corp. TPJF231F (PC/ABS) SABIC Innovative Plastics NX07354 (PC/ABS) NX07354P (PC/ABS) NX10302 (PC/ABS) black version UX08325 (PPA) UX08305 (PPA) NX11302 (PC/ABS) white DX11354 (PC) DX11354X (PC) white DX11355 (PC), flame retardant EMS-Chemie AG Grilamid 1SBVX-50H LDS (based on PA 1010, reinforced) Grilamid FE10902 black (based on PA 1010, reinforced) Zeon Corporation ZEONEX RS420-LDS (COP) Lucky Enpla Co., LTD LPC (reinforced PC) LPC1001F 9306 (PC), flame retardant LAY (PC/ABS) Premix Oy PREPERM 260 LDS (PPE - Polyphenylene ether) Ensinger GmbH, Division Ensinger Compounds TECACOMP PEEK LDS (PEEK Polyether ether ketone) PTS Group V-PTS-CREAMID-A3H2G7LDS*M9200 (PA6.6, cross-linkable by beta irradiation) V-PTS-CREAMID-AH2GX5ELDS*M9200 (PA6.6, cross-linkable by beta irradiation, ultra-flow) SINOPLAST NEW MATERIAL CO., LTD POLYKING 7015-LM (PC) POLYKING 7015-LMT (PC white) POLYKING HF420-LM (PC/ABS) POLYKING HT-LM (PPA) POLYKING BT201-LMG6 (PBT) KINGFA SCI. & TECH CO., LTD Vismid 3200 LDS (PC/ABS black) Vismid SOL 3200 LDS (PC/ABS white) Vismid SOL 2100 LDS (PC white) Vismid SOL 2102 LDS (PC white), flame retardant Vismid SOL LDS (PA10T black) Raschig GmbH Epoxidur EP 3913 (Duroplast) Epoxidur EP 3915 (Duroplast)

11 LDS Prozess, Prinzip Laseraktivierung LDS-Spritzgussteil Laser Kupferkeime Laserstrahl Polymer + Katalysator Freigelegtes und durch Laserenergie aktiviertes Additiv Gelaserte Oberfläche Ungelaserte Oberfläche 15

12 16 Wirkungsweise LDS

13 Laseraktivierung & Metallisierung Ein kurzer Film 18

14 Verfahrensschritte LDS Patentiertes Verfahren zur Herstellung von MIDs Kombiniert mechanische und elektronische Funktionen Dreidimensionale Leiterbahnführung Eignung für Großserienproduktion und Prototyping LDS Granulat 1. Spritzguss 2. Strukturierung 3. Metallisierung 19

15 LPKF LDS Lasersysteme LDS Systeme für jede Anwendung und jede Stückzahl Prototyping Vorserie, kleine Stückzahl Massenproduktion 20

16 LDS Anwendungen in der Serie 21

17 Anwendungen - Automotive Multifunktionelles Lenkrad BMW Z4 Reduzierung von Bauteilen und Montageaufwand Quelle: TRW 22

18 Anwendungen - Automotive Rückleuchte Audi Reduzierung von Bauteilen und Montageaufwand Sichere Positionierung und genaue Ausrichtung der LEDs MID Quelle: LaserMicronics 23

19 Anwendungen - Automotive Motorradgriff BMW K46 Superbike Miniaturisierung, Reduzierung von Montageaufwand Quelle: Kromberg & Schubert Funktionen in einer LDS Baugruppe

20 Anwendungen - Automotive Adaptive Cruise Controll (ACC) Reduzierung von Bauteilen und Montageaufwand Quelle: LaserMicronics, Continental Sehr genaue Positionierung der Leiterbahnen auf dem Bauteil für Hall-Sensorik 25

21 Anwendungen - Automotive Sensor für ESP System Miniaturisierung, genauere Positionierung des Sensors MID Sensor in alter Bauweise Durchmesser 10mm Quelle: Robert Bosch GmbH Prototyp neuer Sensor Durchmesser 5mm ASIC FlipChip: Montage mit leitfähigem Klebstoff (ICA) auf LPKF-LDS MID 26

22 Anwendungen Kommunikationstechnik Antennen für Mobilgeräte Reduzierung von Bauteilen und Montageaufwand Quelle: LPKF Quelle: LPKF 27

23 Anwendungen- Beleuchtungstechnik LED Leuchtmittel Direkter Austausch der herkömmlichen Glühlampe, begrenzter Bauraum! MID Vorgängervariante: Halogenlampe Quelle: LaserMicronics, 2e mechatronic Der Kunststoffkörper entspricht hinsichtlich der Bauform dem Glaskörper der Halogenlampe und enthält bereits notwendige Bauteile (Widerstand, LED) 28

24 Anwendungen - Beleuchtungstechnik LED Leuchtmittel Serienbauteil Präzise Positionierung, Bauteilreduzierung, Miniaturisierung Quelle: Molex, LPKF Quelle: Molex, LPKF 29

25 und vieles mehr Automatisches Kupplungssystem H0 Modelleisenbahn Quelle: LaserMicronics, T4T Reflexionslichtschranke Quelle: océ Pipettenring Quelle: LaserMicronics, Eppendorf, HASEC Taktilsensor Quelle: LaserMicronics, LPKF, Citec RFID-Tag mit Luftfahrtzulassung Quelle: Lufthansa Technik Logistik, Harting Mitronics AG Positionier-Sensor Quelle: Festo 30

26 Marktsituation von LPKF-LDS Weltweiter Markt von LPKF-LDS (Stand 2012) 1. Communication (83%) 2. Automotive (8%) 3. Medical (4%) 4. Micro Packaging (3%) 5. Security (2%) 8% 4% 3% 2% 83% Communication Automotive Medical Micro Packaging Security 31

27 LDS Pulverlack Welche Möglichkeiten bringt der neue LDS Pulverlack? 32

28 LPKF LDS Pulverlack: LED Applikationen LDS-Pulverlack, wozu? 1. Bis jetzt ist das LDS-Verfahren nur mit Thermo- und Duroplasten möglich 2. Metall kann indirekt als LDS Substrat verwendet werden, z.b. für - LED Anwendungen: leitfähiger Kern - Elektronikkomponenten auf Metall 33 Source: Panasonic

29 LPKF LDS Pulverlack Weißer LDS Pulverlack LDS Additiv bereits im Pulver verarbeitet Elektrostatische Beschichtung Geeignet für unterschiedliche leitfähige Kunststoffe und Metalle Nach dem Lackieren erfolgt der Standard LDS Prozess Isolierende, nichtleitfähige Schichtstärke (60-80µm) LDS Pulverbeschichtung (60 80µm) LED Leiterbahn Geeignet für den Reflow-Lötprozess bis zu 260 C Substrat 34

30 LPKF LDS Pulverlack LPKF LDS PowderCoating PU 100 LPKF LDS PowderCoating PES 200 Basis Polyurethan Polyesterharz Farbe Weiß, glänzend Weiß, seidenmatt Max. Löttemperatur Reflow 270 C (5s) 240 C (5s) Druchschlagsfestigkeit¹ 79,5kV/mm 71,8kV/mm UL 94 V-0 (internal test)² V-1/2(internal test)² Gitterschnitt³ Gt 0 C (nach DIN EN ISO 2409) Gt 0 C (nach DIN EN ISO 409) Quelle: LPKF 35 ¹ nach DIN EN IEC : ² Erledigung in Q2/ von UL ³ nach DIN EN ISO 2409

31 42 LDS Prototyping

32 Was wird benötigt für Prototypen? 1) LDS-fähiger Kunststoff als Granulat, Spritzgussform und -Anlage zur Fertigung Grundkörpers Ersetzen oder vereinfachen? 2) 3D-fähiger Strukturierungslaser zur Laseraktivierung und Werkstückmit Leiterbahndaten im Step-Format (3D) Ersetzen oder vereinfachen? 3) Chemische Metallisierung und Anlagentechnik zum Aufbringen der Leiterbahnen Ersetzen oder vereinfachen? 43

33 LDS Prototyping Auswahl Basismaterials & Verfahren Temperaturbeständigkeit Chemikalien- und Lösemittelbeständigkeit Mechanische Belastbarkeit Oberflächengüte (Rauheit, Porosität) 44

34 LDS Prototyping 3D-Körper: Herstellungsverfahren Rapid Prototyping Vorteile Nachteile Stereolithographie (SLA) Sehr gute Oberflächen, Hohe Auflösung Epoxydharze und Acrylate mit z.t. geringeren Eigenschaftsprofilen Selektives Lasersintern (SLS) Objet / Polyjet 3D-Printing Fused Deposition Modeling (FDM) Verarbeitung von teilkristallinen Thermoplasten (Polyamide, Polystyrol) seriennahe Eigenschaftsprofile Hohe Auflösung, Relativ hohe Prozessgeschwindigkeit Hohe Prozessgeschwindigkeit, z.t. seriennahe Kunststoffe einsetzbar (PC, ABS) Geringere Auflösung als SLA. Raue, z.t. poröse Oberflächen (behandelbar) Spezielle Materialien (Acrylate) nötig, nur bedingt funktionsfähig Raue Oberflächen, z.t. geringer Detaillierungsgrad Alternativ Vorteile Nachteile Spritzguss Fräsen thermoplastischer Halbzeuge Alle Kunststoffe, seriennahe Herstellung, Hohe Oberflächengüte Alle Kunststoffe, seriennahe Herstellung Hohe Prozesskosten, für RP nur bedingt geeignet I.d.R. auf kleine Bauteile beschränkt, Lunkerbildung, Bauteilverzug 45

35 LPKF ProtoPaint LDS LDS-fähiger Lack in der Sprühdose (Ready-To-Use) Anwendbar auf einer Vielzahl von Substraten (Kunststoff, Keramik, Metall u.a.) Beschichtung von über 20 Bauteilen (600 cm²) in einem Lackierschritt Starter-Kit enthält 6 Sprühdosen 47 Aktivierung der Sprühdose in ca. 6 Min

36 LPKF ProtoPaint LDS Materialien für den Grundkörper Beispiele erprobter Standard Materialien: Polyamide (PA) Polycarbonate (PC) Polycarbonate/acrylonitrile butadiene styrene (PC/ABS) Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) Polybutylene terephthalate (PBT) Erprobte Rapid Prototyping Materialien: Accura Bluestone (SLA) Accura 48HTR (SLA) Fine polyamide PA2200 (SLS) Vero FullCure 8x0 (Objet) ABS M-30 (FDM smoothed) 49

37 LDS Prototyping Anwendung Nahezu freiwählbares Substrat Laseraktivierbare Oberfläche ProtoPaint LDS Schichtdicke (25-40µm) Trocknungszeit (z.b. 3h bei 70 C) materialabhängig ggf. Anpassung nötig Fließen des Lacks vermeiden 50

38 LPKF ProtoLaser 3D 51 Technische Daten: Strukturierbereich (X Y Z): 100 mm x 100 mm x 40 mm Max. Materialgröße (X Y Z): 300 mm x 300 mm x 130 mm Grundplattengröße (X Y): 500 mm x 500 mm Z-Verfahrbereich Grundplatte: 200 mm Genauigkeit*: ± 25 μm Laserwellenlänge: IR-Bereich Laserpulsfrequenz: khz 3D-Strukturiergeschwindigkeit: 1000 mm/s Durchmesser fokussierter Laserstrahl: 50 μm ± 5 μm Software LPKF CircuitPro 3D Importformate Software: IGES, STEP Ausstattung: Visionsystem auf Laserstrahlachse mit LED- Beleuchtung, Absaugkontrolle automatisch, Filterkontrolle Abmaße (B x H x T): 880 mm x mm x 720 mm (Höhe bei geöffneter Haube) Gewicht: 300 kg (ohne Absaugung)

39 LPKF ProtoLaser 3D Innenansicht Laseroptik mit Scannkopf Werkstück mit Aufnahme 52

40 LPKF ProtoPlate verkupfern im eigenen Labor Keine Chemiekenntnisse erforderlich Schichtstärken bis 15 µm Gebrauchsfertige Metallisierungslösung Min. 2 h nutzbar nach Aktivierung Einfache Entsorgung Geringer Platzbedarf 53

41 Chemie ProtoPlate CU Analysefreies Instant -Kupferbad (Ready-To-Use) auf Basis Enplate LDS 400 Serien-Kupferbad von Enthone Lebensdauer: ca. 2 Stunden ProtoPlate LDS Metallisierbox 54

42 LPKF ProtoPlate LDS Anwendung strukturiertes LDS- Bauteil metallisiertes Funktionsmuster Metallisierung 1,5 Std. ProtoPlate LDS 55

43 Prozessschritte LDS Prototyping 3D Druck Rohling unbehandelt LDS Lack LPKF ProtoPaint Aktiviert durch Laserstrukturierung Verkupferung LPKF ProtoPlate 57

44 LDS Prototyping Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) Standard-Reflow-Lötprozesse aufgrund der geringen Temperaturstabilität von Lack und RP-Substraten nicht möglich! AVT über Low-Temperature-Lote (Sn/Bi, 138 C) oder Leitkleber 58

45 Was wird benötigt für Prototypen? 1) LDS-fähiger Kunststoff als Granulat, Spritzgussform und -Anlage zur Fertigung Grundkörpers 3D Prototyping und LPKF ProtoPaint zur Schaffung einer LDS-fähigen Oberfläche 2) 3D-fähiger Strukturierungslaser zur Laseraktivierung und Werkstückmit Leiterbahndaten im Step-Format (3D) Kompakter Strukturierungslaser LPKF ProtoLaser 3D 3) Chemische Metallisierung und Anlagentechnik zum Aufbringen der Leiterbahnen Metallisierungslösung im Becherglass mit LPKF ProtoPlate 59

46 Zusammenfassung Anforderungen an elektronische Baugruppen: Kleine Bauform Wenig Gewicht Niedriger Preis Hoher Funktionsumfang Beste Betriebssicherheit Schnelle Marktreife bei kurzen Entwicklungszeiten Diese Anforderungen erfüllen MIDs mit LPKF LDS: LDS MIDs sparen Größe, Gewicht, und reduzieren den Preis durch weniger Produktionsschritte. Mit weniger Teilen lässt sich mehr Funktion realisieren. Weniger Teile erhöhen gleichzeitig die Betriebssicherheit. Entwicklungszeiten reduzieren sich durch LDS Prototyping. 60

47 Mehr Information erhalten Sie an unserem Stand hier in der Fachausstellung. Wir freuen uns auf Ihren Besuch! 61

48 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! LPKF Laser & Electronics AG Osteriede Garbsen Thorne Lietz, Tel , thorne.lietz@lpkf.com 62