Halogenfreie, flammgeschützte Materialien für die Elektronik der Zukunft: Entwicklung von thermoplastischen Leiterplatten

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1 Halogenfreie, flammgeschützte Materialien : Entwicklung von thermoplastischen Leiterplatten Endbericht der Vorbereitungsphase Freiburg, August 2004 Carl-Otto Gensch, Öko-Institut e.v. Martin Möller, Öko-Institut e.v. Volker Altstädt, Universität Bayreuth Matthias Behrendt, Reifenhäuser GmbH & Co. KG Stefan Glöde, Lüberg Elektronik GmbH & Co. KG Jan Kostelnik, Würth Elektronik GmbH & Co. KG Hubert Landeck, KEW GmbH Dieter Langenfelder, Universität Bayreuth Heyje Park, Würth Elektronik GmbH & Co. KG Wolfgang Scheel, Fraunhofer IZM Lars Wahlen, Lehmann & Voss & Co. Öko-Institut e.v. Geschäftsstelle Freiburg Postfach 6226 D Freiburg Tel. +49 (0) Fax +49 (0) Hausadresse Binzengrün 34a D Freiburg Tel. +49 (0) Fax +49 (0) Büro Darmstadt Elisabethenstraße D Darmstadt Tel. +49 (0) Fax +49 (0) Büro Berlin Novalisstraße 10 D Berlin Tel. +49 (0) Fax +49 (0)

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3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Zielstellung 1 2 Leiterplattenmarkt Überblick Starre Leiterplatten Flexlayer HDI-Schaltungen (High Density Interconnect) Weitere technologische Trends 10 3 Status quo der Leiterplattentechnologie Herstellung des Basismaterials Herstellung der Harzsysteme Prepreg-Herstellung Kupferfolien-Herstellung Laminierung Metallisierung und Strukturierung Bestückung Bestückung oberflächenmontierter Bauteile (SMT-Bestückung) Axialbestückung Radialbestückung Bestücken von Sonderbauteilen Löten Reflow-Lötung Schwalllötung Verlöten von Sonderbauteilen 15 4 Anforderungen an eine nachhaltige Leiterplattentechnologie Recyclingfähigkeit Schadstoffentfrachtung Umweltentlastung entlang des gesamten Lebenszyklus Realisierung von Kosteneinsparungspotenzialen und Kompatibilität zu bestehenden Fertigungsstrukturen 19 5 Konzept der thermoplastischen Sandwichleiterplatte 20 I

4 5.1 Prinzipieller Aufbau Hochtemperaturthermoplaste als Basismaterial Eigenschaftsprofil von Polyetherimid Gegenwärtige Einsatzbereiche von Polyetherimid Entwicklungsbedarf Schäumung des Basismaterials Überblick über vorhandene Schäumungsmittel und -methoden Gegenwärtige Einsatzbereiche Entwicklungsbedarf Prozessierung mittels Extrusionstechnologie Verfahrensbeschreibung Gegenwärtige Einsatzbereiche Entwicklungsbedarf Prozessierung der Leiterplatte mittels konventioneller Prozesstechnik Metallisierung- und Strukturierungsverfahren Bestückungs- und Lötverfahren Entwicklungsbedarf Dreidimensionale Nachverformung Integration von Flex- und Multilayern Recyclingfähigkeit Zusammenfassung von Zielsetzungen und Anforderungskriterien 33 6 Ergebnisse der Entwicklungsarbeiten Struktur und Kommunikation im Verbundvorhaben Entwicklung der Extrusionstechnologie für Hochtemperaturthermoplaste Vorversuche mit batch -geschäumten Platten Entwicklung der Schäumtechnologie auf dem Laborextruder Metallisieren im Heizpressverfahren Upscaling der Ergebnisse auf Technikumsanlage Morphologische Charakterisierung der Schaumextrudate Mechanische Charakterisierung der Schaumextrudate Coextrusion Entwicklung von Schäumungsmitteln und -methoden Adaption und Modifikation vorhandener Schäumungsmittel Auswahl des Trägermaterials 56 II

5 6.3.3 Herstellung eines Masterbatchs Entwicklung und Fertigung der Extrusionsanlage für Hochtemperaturthermoplaste Verfahrensbeschreibung der HTT-Technikumsanlage Doppelschneckenextruder Kühlextruder Coextruder Coextrusionsblock Dreiwalzen-Glättwerk Konfektionierung Regel- und Steuerungstechnik Technische Daten und Betriebserfahrung Metallisierung, Strukturierung und Durchkontaktierung Vorarbeiten Metallisierungsverfahren Strukturierungsverfahren Durchkontaktierungsverfahren Zusammenfassung Überprüfung der Baugruppen-Fertigungstechnik durch den Aufbau von Musterapplikationen Untersuchung der Bestückungs- und Lötverfahren Musterapplikation Lauflichtmodul Musterapplikation Lichtschaltmodul Musterapplikation Zündelektronik Musterapplikation Fernbediengeber Dreidimensionale Verformbarkeit Thermische Nachverformung 87 Mechanische Nachverformung Integration von Flex- und Multilayern Schaumextrudate als mechanischer Träger Ein- und doppelseitige flexible Schaltungsträger Multilayertechnik auf thermoplastischer Folienbasis Entwicklungsbedarf: Rolle-zu-Rolle-Technologie 109 III

6 7 Ergebnisse der ökologischen, ökonomischen und technischen Begleitforschung Ökologische Beurteilung Zielstellung und grundlegende Modellierungsannahmen der vergleichenden Ökobilanz-Studien Ökobilanzielle Untersuchung des Basismaterials Ökobilanzielle Untersuchung der Musterapplikation Lichtschaltmodul Ökobilanzielle Untersuchung der Musterapplikation Zündelektronik Ökobilanzielle Untersuchung der Musterapplikation Fernbediengeber Abschätzung des Gefahrstoffpotenzials Überprüfung der Recyclingfähigkeit Ökonomische Beurteilung Ökonomische Untersuchung des Basismaterials Ökonomische Untersuchung der Musterapplikation Lichtschaltmodul Ökonomische Untersuchung der Musterapplikation Zündelektronik Ökonomische Untersuchung der Musterapplikation Fernbediengeber Vergleich der Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten von HTT- Platinen und Polysiloxanfolien beim Aufbau elektronischer Baugruppen Elektronische Baugruppen mit hoher Verlustleistung Elektronische Baugruppen mit geringer Verlustleistung Elektronische Baugruppen mit sehr geringer Verlustleistung Technische Beurteilung und Überprüfung der Anforderungskriterien Verfahrens- und prozessbezogene Zielsetzungen und Anforderungskriterien Produktbezogene Zielsetzungen und Anforderungskriterien Fazit Öffentlichkeitsarbeit und Kommunikation Forschungsbedarf und Erfolgsaussichten Forschungsbedarf Erfolgsaussichten 158 Quellenverzeichnis 160 IV

7 Anhang A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 Schaltbilder, Stücklisten und Bestückungspläne der Musterapplikationen Testlayout der Fa. Würth Elektronik Datengrundlagen der Ökobilanzierungen Methodenbeschreibung MEG-Äquivalente Beispiele für Baugruppen mit hoher Verlustleistung V

8 Abbildungsverzeichnis Abb. 2-1: Differenzierung der Leiterplattenproduktion nach Märkten (ZVEI 2004) 5 Abb. 2-2: Differenzierung der Leiterplattenproduktion nach Produktgruppen (ZVEI 2004) 6 Abb. 2-3: Entwicklungstrends bei Leiterbahnbreiten 8 Abb. 2-4: Definition und Einsatzbereiche von HDI-Schaltungen (TechSearch Inc) 9 Abb. 5-1: Thermoplastische Leiterplatte als Sandwichstruktur 20 Abb. 5-2: HTT-Produktfamilie als ein flexibles Konzept für unterschiedliche Anwendungen21 Abb. 5-3: Strukturformel von Polyetherimid 22 Abb. 5-4: Abb. 5-5: Schematische Darstellung eines gleichlaufenden Doppelschneckenextruders (Reifenhäuser 2004) 26 Thermoplastische Leiterplatte als dreidimensional nachverformter Schaltungsträger 30 Abb. 5-6: Thermoplastische Leiterplatte als Multilayer 31 Abb. 6-1: Aktive Projektpartner mit öffentlich geförderten Forschungs- und Entwicklungsbeiträgen 36 Abb. 6-2: Demonstratorschäume nach dem Lötbadtest 38 Abb. 6-3: Entwicklung des Schäumprozesses (Polymermatrix: Polyetherimid) 39 Abb. 6-4: Abb. 6-5: Verarbeitungsdruck und resultierende Dichte der chemisch geschäumten PEI- Extrudate bei verschiedenen Verarbeitungstemperaturen (2 % Luvopor 9623) 40 REM-Aufnahmen chemisch geschäumter PEI-Extrudate (2 % Luvopor 9623) bei verschiedenen Verarbeitungstemperaturen T, Vergrößerung V = Abb. 6-6: Zellgrößenverteilung chemisch geschäumter PEI-Extrudate (2 % Luvopor 9623) bei Verarbeitungstemperaturen von 260 C bis 290 C 42 Abb. 6-7: Abb. 6-8: mittlere Zellgrößen chemisch geschäumter PEI-Extrudate (2 % Luvopor 9623)bei variierter Verarbeitungstemperatur 42 Parameterfenster - Einfluss von Druck, Temperatur und Gehalt an chemischen Treibmittel beim chemischen Verschäumen von Polyetherimid 43 Abb. 6-9: Rheotenskurven bei Zusatz verschiedener Trägerpolymere 44 VI

9 Abb. 6-10: Abb. 6-11: Abb. 6-12: Morphologie der PEI / PE - Blends; 0,5 % PE - Anteil (links) und 3 % PE - Anteil (rechts), REM-Aufnahmen mit V = 1000 und Einfluss des Feinheitsgrades der Treibsubstanz auf die resultierenden Zellgrößen (Luvopor 9623) 46 Maximalspannung der Biegeproben in Abhängigkeit von der Düsentemperatur47 Abb. 6-13: E-Modul in Abhängigkeit von der Düsentemperatur 47 Abb. 6-14: Abb. 6-15: Abb. 6-16: Abb. 6-17: Oberflächentemperaturen der PEI-Extrudate im Reflowlötofen beim Reflowlötprozess bei Luftstromtemperaturen von 230 C und 280 C 48 In einer Heizpresse metallisierte PEI-Folie (links); in einer Heizpresse geschäumte und metallisierte PEI-Folie (rechts) 49 Schälfestigkeit von Kupferfolie auf PEI bei unterschiedlichen Presszeiten in der Heizpresse (Presstemperatur T = 255 C, Druck P = 15 kn) 49 Druckprofil in der Reifenhäuser-Extrusionsanlage bei unterschiedlichen Massetemperaturen 50 Abb. 6-18: REM-Aufnahmen der Zellstruktur (links: chemisches Treibmittel Luvopor 9623, rechts: physikalisches Treibmittel CO 2 ) 51 Abb. 6-19: Zellgrößenverteilungen von extrudierten PEI-Schäumen bei unterschiedlichen Verarbeitungstemperaturen und -drücken 51 Abb. 6-20: Versuchsaufbau und Probekörper für den Zugversuch 52 Abb. 6-21: Abb. 6-22: Abb. 6-23: Abb. 6-24: Elastizitätsmodul physikalisch und chemisch geschäumter PEI-Zugproben in Abhängigkeit der Probenentnahme von der Extrusionsrichtung 53 Maximalspannung physikalisch und chemisch geschäumter PEI-Zugproben in Abhängigkeit der Probenentnahme von der Extrusionsrichtung 53 REM-Aufnahme eines coextrudierten PEI-Sandwichbauteiles mit physikalisch geschäumten Kern (CO 2 ) und kompakten Oberflächen (Die Bruchfläche wurde nicht nachbehandelt) 54 HTT-Pilotanlage mit Doppelschneckenextruder, Kühlextruder, Coextrusionseinheit und Breitschlitzdüse 59 Abb. 6-25: Schematische Darstellung der HTT-Pilotanlage 59 Abb. 6-26: Homogene Durchkontaktierung einer Bohrung im PEI-Schaumextrudat 72 Abb. 6-27: Demonstrator 1, Version 1 78 Abb. 6-28: Demonstrator 1, Version 2 (links: Platine mit geschäumtem Kern und beidseitig auflaminierter kupferbeschichteter Folie; Mitte: Zweiseitig durchkontaktierte Platinen aus PEI-Schaum; rechts: Testmodul mit Polysiloxanfolie) 79 VII

10 Abb. 6-29: Testmodul Demonstrator 1, Version 2 beim Funktionstest 79 Abb. 6-30: Musterapplikation Lichtschaltmodul der Fa. Lear (links: Original-Lear-Modul auf 4-lagiger duroplastischer FR-4-Platine; Mitte: 2-lagige HTT-Platinen- Version; rechts: HTT-Flexlayer-Version) 82 Abb. 6-31: Demonstrator 2 als Flexlayer-Folie, laminiert mit Schaummaterial 84 Abb. 6-32: Abb. 6-33: Musterapplikation Zündelektronik der Fa. Osram (links: Original-Osram-Modul auf einem PPS-umspritzten Bronze-Lead-Frame; Mitte: bestückte HTT- Version; rechts: unbestückte HTT- Version) 85 Musterapplikation Fernbediengeber der Fa. Loewe (links: Original-Loewe- Modul auf einer einlagigen FR-2-Leiterplatte; Mitte: bestückte HTT- Version; rechts: unbestückte HTT- Version) 86 Abb. 6-34: Versuchsaufbau zur thermischen Nachverformung von HTT-Platinen 87 Abb. 6-35: Thermische Nachverformung mit Demonstrator 1, Version 1 88 Abb. 6-36: Abb. 6-37: Thermische Verformung von coextrudiertem PEI-Schaum (links) und von PEI- Monoextrudat (rechts) 88 coextrudierte Platine mit chemisch-galvanischer Kupferbeschichtung, thermisch und mechanisch nachverformt 89 Abb. 6-38: Mechanische Biegestelle als Tasterfunktion 90 Abb. 6-39: Abb. 6-40: mechanisch umgeformte PEI-Platine mit geschäumtem Kern und beidseitig laminierter Folie 91 Thermische (rechts) und mechanische (links) Nachverformung einer coextrudierten Platine 92 Abb. 6-41: PI- und PEEK-Verbund mit dem Schaum 93 Abb. 6-42: Aufbau aus Kupfer, Kleber und Schaum 93 Abb. 6-43: Abb. 6-44: Fertigungsabfolge zur Herstellung einer Folien-Leiterplatte und deren Verstärkung mit einem mechanischen Träger (Teil 1) 94 Fertigungsabfolge zur Herstellung einer Folien-Leiterplatte und deren Verstärkung mit einem mechanischen Träger (Teil 2) 95 Abb. 6-45: Kamerasystem zum Abgleich 97 Abb. 6-46: Visualisierung am Rechner 97 Abb. 6-47: Laminierung von Leiterplatte und Träger 97 Abb. 6-48: Seitenansicht grober und spröder Schaum 98 VIII

11 Abb. 6-49: Abb. 6-50: Vergleich zwischen Schnittkante und optimierter Fräskante für die Endkonturbearbeitung des Schaums 99 Vergleich LCP und PI als 2-Lagen-Flexlayerstruktur, beidseitig auf Schaum laminiert 99 Abb. 6-51: Lichtschaltmodul in LCP-Folientechnik auf Schaum (vgl. Kapitel ) 100 Abb. 6-52: Abhängigkeit der Kupfer-Haftfestigkeit vom Verpressdruck 102 Abb. 6-53: 2-Lagen PEEK-Folie 102 Abb. 6-54: Probleme durch die Oberflächenrauhigkeit von Kupferfolien 103 Abb. 6-55: Durchkontaktierung bei mechanischen Bohrungen 103 Abb. 6-56: Durchkontaktierung bei Laser-Bohrungen 104 Abb. 6-57: gelaserte Bohrung 105 Abb. 6-58: Erste Ergebnisse auf LCP-Basis für die Demonstratorschaltung Lichtschaltmodul 105 Abb. 6-59: Flachspule aus LCP 106 Abb. 6-60: Ablösungseffekte durch zu niedrige Temperatur und Verweildauer 107 Abb. 6-61: Verdrängen der Kupferstrukturierung und Lochbildung durch Spezial- Presspolster mit Keramikfüllungen 108 Abb. 6-62: Ergebnis optimierter Prozessbedingungen beim Verpressen 108 Abb. 6-63: 4-lagiger Multilayer-LCP-Aufbau 108 Abb. 6-64: Prinzip der Rolle-zu-Rolle-Fertigung 109 Abb. 6-65: Rolle-zu-Rolle-Fertigung 109 Abb. 7-1: Abb. 7-2: Abb. 7-3: Abb. 7-4: Abb. 7-5: Bewertung der Umweltauswirkungen für die untersuchten Basismaterialien nach einzelnen Wirkungskategorien (funktionelle Einheit: 1 m²) 116 Aufschlüsselung der Umweltauswirkungen der Basismaterialien nach den einzelnen Komponenten und der Prozessierung 118 Bewertung der Umweltauswirkungen für die verschiedenen Versionen des Lichtschaltmoduls nach einzelnen Wirkungskategorien (funktionelle Einheit: Stück) 119 Aufschlüsselung der Umweltauswirkungen nach den einzelnen Lebenswegabschnitten des Lichtschaltmoduls 121 Bewertung der Umweltauswirkungen für die verschiedenen Versionen der Zündelektronik nach Wirkungskategorien (funktionelle Einheit: Stück) 122 IX

12 Abb. 7-6: Abb. 7-7: Abb. 7-8: Abb. 7-9: Aufschlüsselung der Umweltauswirkungen nach den einzelnen Lebenswegabschnitten der Zündelektronik 124 Bewertung der Umweltauswirkungen für die verschiedenen Versionen des Fernbediengebers nach einzelnen Wirkungskategorien (funktionelle Einheit: Stück) 125 Aufschlüsselung der Umweltauswirkungen nach den einzelnen Lebenswegabschnitten der Zündelektronik 127 Vorkette zur Herstellung von Polyetherimid mit den berücksichtigten Stoffen zur Abschätzung des Gefahrstoffpotenzials 128 Abb. 7-10: Leistungstreiber 139 Abb. 7-11: Bestückte Polysiloxanfolie 140 Abb. 7-12: Treibermodul offen 141 Abb. 7-13: 6 X 64-Segment-Laufschrift 141 Abb. 7-14: Konstruktiver Aufbau der Polysiloxan-Version 142 Abb. 7-15: Demonstrator 2 Lichtschaltmodul in verschiedenen Technologien (oben: HTT- Platine; unten links: HTT-Folie auf HTT-Schaum laminiert; unten rechts: Polysiloxan-Version) 144 Abb. 7-16: Konstruktiver Aufbau des Lichtschaltmoduls auf Polysiloxanfolie 144 X

13 Tabellenverzeichnis Tab. 2-1: Status quo des weltweiten Leiterplattenmarktes für das Jahr 2002 (Meier 2003)4 Tab. 2-2: Tab. 2-3: Tab. 6-1: Tab. 6-2: Prognose für die Entwicklung des weltweiten Leiterplattenmarktes bis zum Jahr 2007 (Meier 2003) 5 Ausgewählte Basismaterialarten für starre einlagige Leiterplatten (in Anlehnung an Achternbosch / Brune) 7 Aufgaben der aktiven Projektpartner mit öffentlich geförderten Forschungs- und Entwicklungsbeiträgen 36 Überblick über die Badparameter bei Standard-Einstellung und bei Tecsen UV- Grade 254/350/thermal 63 Tab. 6-3: Gesamtverfahrenskette zur volladditiven Herstellung von HTT-Leiterplatten 64 Tab. 6-4: Überblick über die Prozessbedingungen bei der Herstellung von kupferkaschiertem Material 65 Tab. 6-5: Gesamtverfahrenskette zur semi-additiven Herstellung von HTT-Leiterplatten 67 Tab. 6-6: Gesamtverfahrenskette zur subtraktiven Herstellung von HTT-Leiterplatten 69 Tab. 6-7: Layout-Parameter des Lichtschaltmoduls im Vergleich 84 Tab. 6-8: Haftfestigkeiten des Verbundes PEEK-Kupfer 101 Tab. 6-9: Untersuchung der Haftfestigkeiten bei der Firma LPKF 101 Tab. 7-1: Grundlegende Annahmen bei der Modellierung des Basismaterials 111 Tab. 7-2 Tab. 7-3 Tab. 7-4 Tab. 7-5: Tab. 7-6: Grundlegende Annahmen bei der Modellierung der Referenz-Version und der HTT-Version des Lichtschaltmoduls. 113 Grundlegende Annahmen bei der Modellierung der Referenz-Version und der HTT-Version der Zündelektronik. 114 Grundlegende Annahmen bei der Modellierung der Referenz-Version und der HTT-Version des Fernbediengebers 115 Bewertung der Umweltauswirkungen für die untersuchten Basismaterialien nach einzelnen Wirkungskategorien (funktionelle Einheit: 1 m²) 116 Relative Bewertung der Umweltauswirkungen für die untersuchten Basismaterialien (funktionelle Einheit:1.000 Stück) 117 XI

14 Tab. 7-7: Tab. 7-8: Tab. 7-9: Tab. 7-10: Tab. 7-11: Tab. 7-12: Bewertung der Umweltauswirkungen für die verschiedenen Versionen des Lichtschaltmoduls (funktionelle Einheit Stück) 119 Relative Bewertung der Umweltauswirkungen für die Referenz- und die HTT- Versionen des Lichtschaltmoduls abzüglich der jeweiligen Gutschriften 120 Bewertung der Umweltauswirkungen für die verschiedenen Versionen der Zündelektronik (funktionelle Einheit Stück) 122 Relative Bewertung der Umweltauswirkungen für die Referenz- und die HTT- Versionen der Zündelektronik abzüglich der jeweiligen Gutschriften 123 Bewertung der Umweltauswirkungen für die verschiedenen Versionen des Fernbediengebers (funktionelle Einheit Stück) 125 Relative Bewertung der Umweltauswirkungen für die Referenz- und die HTT- Versionen der Zündelektronik abzüglich der jeweiligen Gutschriften 126 Tab. 7-13: Gefahrstoffpotenzial der HTT-Kunststoffe im Vergleich zu FR-4-Harzen 129 Tab. 7-14: Tab. 7-15: Tab. 7-16: Tab. 7-17: Tab. 7-18: Tab. 7-19: Tab. 7-20: Gefahrstoffpotenzial der Verbrennungsprodukte von HTT-Kunststoffen im Vergleich zu FR-4-Harzen 129 Kostenkalkulation für PEI-Platinen (funktionelle Einheit: 1 m², 1,6 mm Dicke, beidseitig kupferkaschiert) abhängig vom Einkaufspreis für das Polyetherimid- Granulat 132 Vergleich der Preise für Leiterplattenbasismaterial (1,6 mm Dicke, doppelseitig kupferkaschiert) (unter Verwendung von Scheel 2004) 133 Kostenkalkulation für die Referenz- und HTT-Version der Musterapplikation Lichtschaltmodul (funktionelle Einheit: 1 Stück) 135 Kostenkalkulation für die Referenz- und HTT-Version der Musterapplikation Zündelektronik (funktionelle Einheit: 1 Stück) 136 Kostenkalkulation für die Referenz- und HTT-Version der Musterapplikation Fernbediengeber (funktionelle Einheit: 1 Stück) 137 Orientierender Überblick zu verschiedenen Konzepten für die Musterapplikation LED- Laufschrift 143 Tab. 7-21: Überprüfung der Eigenschaften zum Meilenstein M0 148 Tab. 7-22: Überprüfung der Eigenschaften zum Meilenstein M3 149 Tab. 7-23: Überprüfung der Eigenschaften von coextrudierten Substraten 152 XII

15 Zuordnung der Verantwortlichkeiten Die folgende Tabelle zeigt die Verantwortlichkeiten für die einzelnen Kapitel: Kap.-Nr. Titel inhaltliche Verantwortung redaktionelle Überarbeitung 0 Zusammenfassung Öko-Institut Öko-Institut 1 Einleitung und Zielstellung Öko-Institut Öko-Institut 2 Leiterplattenmarkt Öko-Institut Öko-Institut 3 Status quo der Leiterplattentechnologie 3.1 Herstellung des Basismaterials Öko-Institut Öko-Institut 3.2 Metallisierung und Strukturierung Öko-Institut Öko-Institut 3.3 Bestückung KEW Öko-Institut 3.4 Löten KEW Öko-Institut 4 Anforderung an eine nachhaltige Leiterplattentechnologie Öko-Institut Öko-Institut 5 Konzept der thermoplastischen Leiterplatte 5.1 Prinzipieller Aufbau Öko-Institut Öko-Institut 5.2 Hochtemperaturthermoplaste als Basismaterial Uni Bayreuth Öko-Institut 5.3 Schäumung des Basismaterials Lehmann & Voss Öko-Institut 5.4 Prozessierung mittels Extrusionstechnologie Reifenhäuser Öko-Institut 5.5 Prozessierung der Leiterplatte mittels konventioneller Prozesstechnik Lüberg Elektronik Öko-Institut 5.6 Dreidimensionale Nachverformung KEW Öko-Institut 5.7 Integration von Flex- und Multilayern Würth Elektronik Öko-Institut 5.8 Recyclingfähigkeit Öko-Institut Öko-Institut 5.9 Zusammenfassung von Zielsetzungen und Anforderungskriterien Öko-Institut Öko-Institut 6 Ergebnisse der Entwicklungsarbeiten 6.1 Struktur und Kommunikation im Verbundvorhaben Öko-Institut Öko-Institut 6.2 Entwicklung der Extrusionstechnologie für Hochtemperaturthermoplaste Uni Bayreuth Öko-Institut 6.3 Entwicklung von Schäumungsmitteln und -methoden Lehmann & Voss Öko-Institut 6.4 Entwicklung und Fertigung der Extrusionsanlage für Hochtemperaturthermoplaste Reifenhäuser Öko-Institut 6.5 Metallisierung, Strukturierung und Durchkontaktierung Lüberg Elektronik Öko-Institut 6.6 Überprüfung der Baugruppen-Fertigungstechnik durch den Aufbau von Musterapplikationen KEW Öko-Institut 6.7 Dreidimensionale Verformbarkeit KEW Öko-Institut 6.8 Integration von Flex- und Multilayern Würth Elektronik Öko-Institut 7 Ergebnisse der Begleitforschung 7.1 Ökologische Beurteilung Öko-Institut Öko-Institut 7.2 Ökonomische Beurteilung Öko-Institut Öko-Institut 7.3 Vergleich der Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten von HTT-Platinen und Polysiloxanfolien beim Aufbau KEW Öko-Institut elektronischer Baugruppen 7.4 Technische Beurteilung und Überprüfung der Öko-Institut / Anforderungskriterien FhG IZM Öko-Institut 8 Öffentlichkeitsarbeit und Kommunikation Öko-Institut Öko-Institut 9 Forschungsbedarf und Erfolgsaussichten Öko-Institut Öko-Institut XIII

16 Zusammenfassung Die Elektro- und Elektronikindustrie steht derzeit vor Herausforderungen auf verschiedenen Ebenen: Mit Inkrafttreten der WEEE (EU-Elektronik-Altgeräterichtlinie) müssen bis Mitte 2005 Rücknahmesysteme für Elektronikaltgeräte aufgebaut und kurze Zeit später Recyclingquoten von bis zu 75% erzielt werden. Durch die RoHS (EU-Stoffverbotsrichtlinie) wird ab 2006 u.a. die Verwendung von polybromierten Biphenylen als Flammschutzmittel nicht mehr zulässig sein. Der Leiterplattenmarkt wird seit langem von Basismaterialien aus duroplastischen Kunststoffen dominiert; diese sind aufgrund ihrer Polymerstruktur werkstofflich nicht recyclingfähig und benötigen zudem Flammschutzsysteme, meist bestehend aus bromierten Verbindungen wie Tetrabrombisphenol A (TBBA) und Antimontrioxid. Derartige Flammschutzsysteme sind aus Arbeitsschutz und Umweltgesichtspunkten kritisch einzustufen. Durch die eingangs erwähnten gesetzlichen Neuregelungen werden herkömmliche duroplastische Leiterplatten nicht "verboten". Durch die jetzt anstehenden Bemühungen der Hersteller, ihre Produkte vor dem Hintergrund der neuen Anforderungen zu optimieren, stehen aber auch Leiterplatten als zentrale Komponente von Elektronikprodukten in der Diskussion. Hinzu kommt, dass die duroplastischen Basismaterialien (z.b. FR-4, FR-2) üblicherweise in einem relativ aufwendigen batch-verfahren hergestellt werden und auch in anderen Bereichen (z.b. HF-Eigenschaften) zunehmend an ihre Grenzen stoßen. Zusammenfassend besteht somit auf dem Leiterplattenmarkt ein erheblicher Innovationsbedarf, und zwar sowohl aus ökologischer als auch technologischer Sicht. Vor diesem Hintergrund bestand die grundlegende Idee des Projekts darin, Leiterplatten in einem kontinuierlichen Prozess aus hochtemperaturbeständigen Thermoplasten (HTT) zu erzeugen, die über einen intrinsischen Flammschutz und die Möglichkeit zu einem werkstofflichen Recycling verfügen. Um diese Ansprüche zu verwirklichen, wurden im Vorhaben drei übergeordnete technische Entwicklungsziele verfolgt: Das erste Ziel war es, die Leiterplatten auf der Basis von geschäumten Hochtemperatur- Thermoplasten (HTT) zu entwickeln, die in Form eines sogenannten Integralschaum mit einer geschlossenen Oberfläche und einem geschäumten Kern in einem Produktionsvorgang hergestellt werden. Das zweite Ziel bestand in der Herstellung dieser geschäumten Schaltungsträger in einem kontinuierlichen Folienextrusionsverfahren, was einen bedeutenden Innovationsschritt darstellt und wesentlich zur Kostenreduktion beitragen kann. Thermoplastische Leiterplatten können nur dann breiten Eingang in der Industrie finden, wenn die neue Technik in die bestehenden Fertigungsstrukturen möglichst übergangslos einfließen kann. Vor diesem Hintergrund bestand das dritte Entwicklungsziel darin, kostengünstige Metallisierungsverfahren in Form großtechnisch realisierbarer Verbund- und Laminiertechniken zu entwickeln. Alternativ wurden (Semi-)-Additiv-Verfahren zur Metallisierung, Strukturierung und Durchkontaktierung erprobt. Durch den Aufbau von XIV

17 Musterapplikationen wurde ferner eine Erprobung der Verwendbarkeit dieser neuen Leiterplatten in herkömmlichen Leiterplattenfertigungen im Hinblick auf die Strukturierung, Durchkontaktierung und Bestückung sowie für das Löten und Leitkleben durchgeführt. Von seiner Struktur her wurde das Projekt als Verbundkonzept angelegt, das alle Akteure der gesamten Fertigungskette von elektronischen Baukomponenten einbezieht. Das technische Know-how wurde im wesentlichen durch spezialisierte mittelständische Unternehmen in Zusammenarbeit mit Hochschulen und Forschungseinrichtungen erarbeitet. Zudem wurden im Vorfeld einer industriellen Umsetzung die potenziellen Basismaterialhersteller bzw. deren Zulieferer und potenzielle Anwender ins Projekt eingebunden, um somit frühzeitig sowohl die technischen Vorgaben als auch die wirtschaftlichen Perspektiven mit diesen Akteuren zu diskutieren. In der nachstehenden Übersicht sind die aktiven Projektpartner mit ihren jeweiligen Aufgaben kurz beschrieben. Partner Universität Bayreuth (Bayreuth / Deutschland) Lehmann&Voss & Co. Aufgabe im Verbundvorhaben Entwicklung eines kontinuierlichen Coextrusionsprozesses für geschäumte Folien Entwicklung von Schäumungsmittel und -methoden (Hamburg / Deutschland) Reifenhäuser GmbH & Co. Maschinenfabrik Entwicklung und Aufbau einer Pilotanlage (Troisdorf / Deutschland) Lüberg Elektronik GmbH & Rothfischer KG Entwicklung von Metallisierungsverfahren (Weiden / Deutschland) Würth Elektronik GmbH Integration von Flexlayern und Multilayern (Niedernhall / Deutschland) KEW Konzeptentwicklung GmbH (Kronach / Deutschland) Öko-Institut e.v. Prüfung Fertigungstechnologie; Aufbau von Demonstratoren und Musterapplikationen Projektkoordination; Kommunikation; Begleitforschung (in Zusammenarbeit mit Fraunhofer IZM) Vom zeitlichen Ablauf gesehen unterteilt sich das Projekt in einer sogenannte Vorbereitungsphase (Mai 2001 bis Juni 2004) und in eine anschließende Qualifizierungsphase. In der inzwischen abgeschlossenen Vorbereitungsphase sollten im wesentlichen die für das Konzept erforderlichen Grundlagen entwickelt und die prinzipielle Machbarkeit nachgewiesen werden. Diese Phase ist auch Gegenstand dieses Berichts. Konkret wurden folgende Ergebnisse erzielt: In einer rund zweijährigen Entwicklungsarbeit über mehrere Stufen konnte von der Universität Bayreuth ein stabiler und reproduzierbarer Schäumprozess realisiert werden. Als physikalische Treibmittel kamen verschiedene halogenfreie Gase bzw. chemische Treibmittel XV

18 zum Einsatz, die zusammen mit der Fa. Lehmann & Voss entwickelt und optimiert wurden. Die Extrudate wurden thermisch, mechanisch und morphologisch charakterisiert. Dabei konnte eine Dichtereduktion von 50 % und mittlere Zellgrößen von ca. 50 µm nachgewiesen werden. Es handelt sich um geschlossenzellige Schäume mit einer homogenen Zellgrößenverteilung. Die Fa. Reifenhäuser konnte eine Pilotanlage zur Schäumung von HTT-Kunststoffen entwickeln und fertigen. Die Anlage liefert physikalisch wie chemisch geschäumte HTT- Extrudate von reproduzierbarer Qualität und verfügt über folgende technische Daten: maximaler Durchsatz 40 kg/h, Anlagengeschwindigkeit 0,5-5 m/min, Düsenbreite 450 mm (Nettobreite > 305 mm), Schaumfoliendicke von 0,15 mm bis z.zt. 1 mm geglättet. Die Entwicklungsarbeiten der Fa. Lüberg zur Metallisierung und Strukturierung konzentrierten sich auf die Subtraktiv- und Semi-Additiv-Technik. Für den Aufbau der Musterapplikationen wurde auf die konventionelle Semi-Additiv-Technik zurückgegriffen, wobei weitgehend Standardprozesse verwendet werden konnten. Gleiches gilt für die Durchkontaktierung, wobei die erzielten Ergebnisse sowohl optisch als auch bei Prüfung der Funktionen sehr zufrieden stellend waren. Bei der Fa. KEW wurden die ersten HTT-Boards handbestückt und mit bleifreiem Lot gelötet. Sowohl die Bestückung als auch die Lötverfahren (Handlötung, Reflowlötung) waren unter der Verwendung von Standardprozessen problemlos möglich: Es konnten funktionsfähige Baugruppen hergestellt werden. Der Aufbau von Multi- und Flexlayern hat angesichts der allgemein feststellbaren Entwicklung in Richtung immer höherintegrierter Schaltungen innerhalb des Verbundprojekts eine ganz wesentliche Bedeutung. Dabei sieht das Konzept der Fa. Würth Elektronik sieht es vor, für die Herstellung von Multilayerstrukturen ungeschäumte HTT-Folien einzusetzen und diese unter der Verwendung von HTT-Schäumen mechanisch zu verstärken. Mittels entsprechender Muster konnte bereits die prinzipielle Machbarkeit der Multilayertechnologie auf HTT-Basis nachgewiesen werden. Das Konzept des Öko-Instituts zielte auf eine vergleichende ökologische und ökonomische Analyse der HTT-Technologie relativ zur bestehenden Referenztechnologie und erstreckte sich auf die Ebenen des Basismaterials und der bestückten Baukomponenten. Die vergleichende Untersuchung der Herstellung von HTT- und FR-4-Leiterplattenbasismaterial kam zu dem Ergebnis, dass die Umweltbelastungen des HTT-Basismaterials insgesamt, d.h. inklusive aller relevanter Vorkettenprozesse, nur etwa halb so hoch sind wie bei FR-4. Die Ursachen dafür sind v.a. bei der mittels Schäumung erreichten Materialeinsparung, der effizienten kontinuierlichen Prozessierung und der Recyclingfähigkeit zu suchen. Auch bei den untersuchten Baugruppen ergaben sich ökologische Entlastungspotenziale. XVI

19 Die ökonomische Analyse auf der Ebene des Basismaterials kam zu dem Ergebnis, dass HTT-Basismaterial hinsichtlich der Kosten pro Flächeneinheit mit FR-4-Material in etwa gleichziehen kann. Bei diesem Vergleich ist jedoch zu beachten, dass aufgrund der technologischen Vorteile der HTT-Schaumextrudate (z.b. thermische Nachverformung, Hochtemperaturbeständigkeit, HF-Eigenschaften) nicht allein die Quadratmeterpreise, sondern die Funktionen innerhalb der jeweiligen Anwendung betrachtet werden müssen. So können z.b. durch Umformung der Leiterplatte u.u. eine kostenintensive Durchkontaktierung vermieden sowie diskrete Bauteile (Schalter, Steckverbindungen u.a.) substituiert werden. Die erwarteten Kosteneinsparungspotenziale durch die technologischen Vorzüge konnten im Rahmen der ökonomischen Beurteilung auf der Ebene der Musterapplikationen (z.b. Lichtschaltmodul, Zündelektronik) verifiziert werden. Aus technologischer Sicht hat sich v.a. die Möglichkeit zur thermischen und mechanischen Verformbarkeit der Platinen vor, während und nach dem Fertigungsprozess als ein wesentlicher Vorteil der thermoplastischen Platine ergeben. Diese Eigenschaft kann für verschiedene Optimierungsansätze genutzt werden, z.b.: Substitution von diskreten Steckverbindungen durch Ausbildung der Biegestellen als Schnittstellen für die Kontaktierung, Integration von Schaltern und Tastfunktionen in die Platine, Bildung von mechanischen Halterungen für elektronische und mechanische Komponenten aus Platinenmaterial sowie Verstärkung der mechanischen Eigenschaften durch gezielten Einsatz von Biegekanten oder durch die Integration von metallischen Platinen, die gleichzeitig die Funktion des Kühlbleches und der elektromagnetischen Abschirmung übernehmen können. Aufgrund ihrer innovativen Eigenschaften ist die thermoplastischen Leiterplatte in der Lage, für unterschiedliche Anforderungsprofile maßgeschneiderte Lösungen bereitzustellen. Wünscht der Anwender beispielsweise eine hohe Gewichtsreduktion, so kann dies durch die Erhöhung des Schäumungsgrades der Sandwich-Kernschicht erreicht werden. Erfordert das Anwendungsprofil der Leiterplatte hingegen eine hohe Dauergebrauchstemperatur, kann die HTT-Blendmischung zugunsten von Polymeren mit höherer Glasübergangstemperatur (z.b. PEEK) variiert werden. Eine hohe Biegesteifigkeit lässt sich durch entsprechende Reduktion des Schäumungsgrades, thermische Nachverformung oder die Verwendung von materialverträglichen Verstärkungsfasern realisieren. Steht die Kostenoptimierung des Schaltungsträgers im Vordergrund, kann dies wiederum durch Reduktion des Schäumungsgrades erzielt werden. Wird vom Anwender eine hohe Integrationsdichte gefordert, so lässt sich dies innerhalb des Konzepts durch Flex- oder Multilayer auf HTT- Basis verwirklichen. Anhand der aufgeführten Beispiele wird deutlich, dass mit der Verwendung von Hochtemperatur-Thermoplasten als Leiterplattenbasismaterial und der Variation der Prozessparameter perspektivisch eine HTT-Produktfamilie entsteht, die ein flexibles Konzept für unterschiedliche Anwendungen bereitstellt. XVII

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21 1 Einleitung und Zielstellung Im Februar 2003 sind nach jahrelangen Verhandlungen zwei für die Informations- und Kommunikationsbranche wichtige EU-Richtlinien in Kraft getreten. Mit der Richtlinie über Elektround Elektronik-Altgeräten ( WEEE") müssen die Mitgliedsstaaten der EU sicherstellen, dass die Hersteller bis Mitte 2004 Systeme für die Behandlung und die Verwertung der Altgeräte einrichten. Zudem müssen die Hersteller bei der Verwertung festgelegte Quoten erfüllen und die Kosten für die Verwertung und umweltgerechte Beseitigung übernehmen. In einer weiteren Richtlinie ( RoHS") sind Verwendungsverbote für bestimmte gefährliche Stoffe in Elektround Elektronikgeräten festgelegt. So dürfen neue Elektro- und Elektronik-Altgeräte ab dem 1. Juli 2006 die Schwermetalle Blei, Quecksilber, Cadmium und Chrom-VI sowie bromierte Flammschutzmittel nicht mehr enthalten. Mit diesen beiden Richtlinien werden die Hersteller wesentlich stärker in die Verantwortung für ihre Produkte gezogen. Davon können wichtige Impulse zur Ökologisierung des Produktdesigns von Elektro- und Elektronikgeräten ausgehen. Einen wichtigen Bestandteil von Elektro- und Elektronikgeräten stellen Leiterplatten dar. Auf den Leiterplatten werden die elektronischen Bauelemente wie Chips und viele andere mehr mechanisch fixiert und durch aufgebrachte Leiterbahnen aus Kupfer elektrisch miteinander verbunden. Bislang dominieren in der Elektronik Leiterplatten aus duroplastischen Polymeren (v.a. Phenol- oder Epoxidharz-Systeme), die aus Brandschutzgründen zum Teil mit umwelt- und gesundheitsgefährdenden Flammhemmern (z.b. Tetrabrombisphenol A) ausgerüstet werden müssen. Wegen der duroplastischen Werkstoffe sind diese Leiterplatten zudem werkstofflich nicht verwertbar. Hier setzt das vom Öko-Institut e.v. initiierte und koordinierte Verbundvorhaben unter dem Titel "Thermoplastische Leiterplatten als Beitrag zur Kreislaufwirtschaft an. In diesem Vorhaben sollen neue kostengünstige Leiterplattenmaterialien auf der Basis von geschäumten Hochtemperatur-Thermoplasten entwickelt werden. Die grundlegende Idee des Projekts besteht darin, Leiterplatten in einem kontinuierlichen Prozess aus hochtemperaturbeständigen Thermoplasten (HTT) zu erzeugen, die über einen intrinsischen Flammschutz und die Möglichkeit zu einem werkstofflichen Recycling verfügen. Das erste zentrale Projektziel ist es, thermoplastischen Leiterplatten auf der Basis von geschäumten Hochtemperatur-Thermoplasten (HTT) zu entwickeln, die in Form eines sogenannten Integralschaum mit einer geschlossenen Oberfläche und einem geschäumten Kern in einem Produktionsvorgang hergestellt werden. Das zweite zentrale Entwicklungsziel ist die Herstellung dieser geschäumten Schaltungsträger in kontinuierlichen Folienextrusionsverfahren. Duroplastische Leiterplatten können derzeit nur diskontinuierlich hergestellt werden. Mittels einer kontinuierlichen Extrusionstechnologie wäre damit erstmals eine kontinuierliche Herstellung von Schaltungsträgern möglich. Dies würde einen bedeutenden Innovationsschritt darstellen und wesentlich zur Kostenreduktion beitragen. 1

22 Thermoplastische Leiterplatten können nur dann breiten Eingang in die Industrie finden, wenn die neue Technik keine Mehrkosten gegenüber der herkömmlichen Leiterplatte aufweist und sie außerdem in die bestehenden Fertigungsstrukturen möglichst übergangslos einfließen kann. Die thermoplastischen Leiterplatten sollen daher ein universell verarbeitbares Produkt darstellen im Gegensatz etwa zu spritzgegossenen Modulen, die durch die Auslegung des Spritzgusswerkzeuges bestimmt sind. Im Projekt werden deshalb ebenfalls kostengünstige Metallisierungsverfahren in Form großtechnisch realisierbarer Verbund- und Laminiertechniken entwickelt. Alternativ werden (Semi-)-Additiv-Verfahren zur Metallisierung, Strukturierung und Durchkontaktierung erprobt. Durch den Aufbau von Musterapplikationen wird eine Erprobung der Verwendbarkeit dieser neuen Leiterplatten in herkömmlichen Leiterplattenfertigungen im Hinblick auf die Strukturierung, Durchkontaktierung und Bestückung sowie für das Löten und Leitkleben erfolgen. Für einfache elektronische Anwendungen soll zunächst einseitig oder zweiseitig kupferkaschiertes Plattenmaterial entwickelt werden. Um auch komplexe, hochintegrierte Schaltungen auf der Basis von Thermoplasten aufbauen und die HTT-Technologie auch in breiten Anwendungsbereichen wie Automobilelektronik und I&K-Elektronik einsetzen zu können, sollen auch Flex- und Multilayer auf der Basis von thermoplastischen Kunststoffen hergestellt werden. Projektbegleitend wird im Rahmen der Begleitforschung die ökonomische, ökologische und technologische Relevanz der HTT-Technologie erfasst. Ein besonderer Aspekt ist die Prüfung der werkstofflichen Wiederverwertung der eingesetzten Materialien. Ziel ist es hier, zu prüfen, ob die Verwertbarkeit der Altgeräte stark verbessert werden kann. Die technischen Entwicklungsziele für die thermoplastischen Leiterplatten lassen sich wie folgt akzentuiert zusammenfassen: Erschließung einer breiten Anwendungspalette in der Elektrotechnik: von einfach bestückten Leiterplatten (z.b. für Konsumelektronik) bis hin zu Multilayern mit Feinstleitern (z.b. für die Kommunikationstechnik); Orientierung an den Standardanforderungen von eingeführten duroplastischen Leitermaterialien FR-2 / FR-4; Erzielen von Gewichtsersparnissen bis zu 60 % gegenüber Standardleiterplatten, was eine erhebliche Bedeutung beim Einsatz in mobilen Anwendungen (z.b. Kfz, Laptop, Mobiltelefon, etc.) hat; Verarbeitbarkeit in konventionellen Fertigungsstrukturen der Elektronik, d.h. Print & Etch, Bestückung und Lötanlagen, wie sie derzeit für FR-2 / FR-4 eingesetzt werden. Somit sollen für die Bearbeitung der neuen Leiterplattenmaterialien keine zusätzlichen Investitionskosten bei Leiterplatten- bzw. Geräteherstellern anfallen; Möglichkeit der Erzeugung dreidimensionaler Schaltungsträger bei zweidimensionaler Prozessführung, was große wirtschaftliche Potenziale bei der Herstellung dreidimensionaler Schaltungsträger erbringen würde. 2

23 Möglichkeit zur Integration von Leiterplatten, mechanischen und elektromechanischen Komponenten und damit Verringerung des Fertigungsaufwandes durch weitgehende Reduktion der Materialvielfalt und der Anzahl der diskreten Teile; Verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Recyclingfähigkeit und Schadstoffgehalt im Vergleich zu duroplastischen Leiterplattenmaterialien. In der Vorbereitungsphase des Projekts, die Gegenstand dieses Berichts ist, sollte die prinzipielle Machbarkeit der HTT-Technologie nachgewiesen werden. Dazu werden Anwendungen der thermoplastischen Leiterplatten modellhaft an unterschiedlichen Applikationsbeispielen geprüft, um die Übertragbarkeit auf einen breiten Anwendungsbereich der Elektro- und Elektronikindustrie zu belegen. Die weitergehende Qualifizierung der Technologie und ihrer Musterapplikationen ist Arbeitsinhalt der vorgesehenen Qualifizierungsphase des Vorhabens. Insofern trägt dieser Bericht den Charakter eines Zwischenberichts, indem einerseits die erreichte prinzipielle Machbarkeit dokumentiert wird, andererseits aber auch noch der nicht unerhebliche verbleibende FuE-Bedarf beschrieben wird. In Kapitel 2 wird zunächst der Leiterplattenmarkt beschrieben; insbesondere wird versucht, die nicht unerhebliche Dynamik des Marktes in Richtung auf neue Anforderungen und Differenzierungen darzustellen. Erfolgreiche technologische Neuentwicklungen müssen sich bis zu einem bestimmten Grad an bestehenden Technologien orientieren; das heißt die herkömmliche Leiterplattentechnologie stellt den Referenzrahmen dar, an dem sich die hier verfolgte Neuentwicklung misst. In Kapitel 3 erfolgt daher eine überblicksartige Darstellung des Status quo der Leiterplattentechnologie, soweit dies für die hier verfolgten FuE-Arbeiten von Relevanz ist. Aufbauend auf diesen Darstellungen erfolgt im vierten Kapitel eine Zusammenstellung der wichtigsten Anforderungen in Richtung einer nachhaltigen Leiterplattentechnologie. Neben ökologisch relevanten Kriterien sind dabei zur Durchsetzung am Markt vor allem die Realisierung von Kosteneinsparungspotenzialen und die technologische Machbarkeit und Kompatibilität zu vorhandenen Fertigungsstrukturen von besonderer Relevanz. In Kapitel 5 wird das Konzept der thermoplastischen Leiterplatte im Hinblick auf das Gesamtkonzept, die verwendeten Materialien und die vorgesehene Prozesstechnik dargestellt. In diesem Rahmen wird auch der jeweilige Entwicklungsbedarf erläutert. Die Ergebnisse der durchgeführten FuE-Arbeiten der Vorbereitungsphase werden in Kapitel 6 dargestellt, der verbleibende Bedarf wird begründet. Parallel zu den praktischen FuE-Arbeiten erfolgte im Verbundvorhaben auch eine Begleitforschung, in der die Neuentwicklungen im Vergleich zur bestehenden Technologie aus ökologischer, ökonomischer und technischer Sicht bewertet wurde. Eine Dokumentation dieser Arbeiten wird in Kapitel 7 gegeben. Die durchgeführte Kommunikation wird in Kapitel 8 kurz dokumentiert, eine Zusammenfassung wird in Kapitel 9 gegeben. Auf die Erfolgsaussichten wird in Kapitel 10 eingegangen. 3

24 2 Leiterplattenmarkt 2.1 Überblick Derzeit existieren weltweit ca Unternehmen, die im Bereich der Leiterplattenproduktion (d.h. Basismaterialherstellung und Weiterverarbeitung) tätig sind (EU 2003). Die 110 größten Unternehmen, die etwa 75 % der Gesamtproduktion repräsentieren, konnten 2002 einen Umsatz von rund 29 Mrd. US-$ verzeichnen. In Deutschland gibt es gegenwärtig knapp über 100 Leiterplattenproduzenten, deren Gesamtproduktionsvolumen sich im Jahre 2003 auf ca Mio. EUR belief (ZVEI 2004). Die deutschen Hersteller von Leiterplattenbasismaterialien und Leiterplattenproduzenten sehen sich zunehmend einer Konkurrenz von asiatischen Herstellern ausgesetzt. Im Vergleich zu deutschen Unternehmen verfügen asiatische Unternehmen über einen Kostenvorteil und aufgrund ihrer Nähe zum Gros der Gerätehersteller auch über einen geographischen Vorteil. Aus diesem Grund verlagert sich der Leiterplatten-Massenmarkt in zunehmendem Umfang nach Osteuropa bzw. Asien. Ein weiterer Trend ist durch die zunehmende Tendenz des Outsourcing bei (großen) Elektronikherstellern und die drastische Verringerung der Fertigungstiefe festzustellen. So besitzt die Firma Siemens beispielsweise keine eigene Leiterplattenfertigung mehr, sondern bezieht ihre Leiterplatten von (mittelständischen) Leiterplattenproduzenten. Aus technologischer Sicht teilt sich der Leiterplattenmarkt in starre einlagige Schaltungsträger (vgl. Kap. 2.2), Flexlayer (vgl. Kap. 2.3) und Multilayer (vgl. Kap. 2.4) auf, wobei die starren einlagigen Leiterplatten in Papierlaminate, Glasfaserlaminate und Composite unterschieden werden. Wie Tabelle 2-1 zeigt, stellen die Papierlaminate und Composite bezüglich der Produktionsmenge gegenwärtig die größte Fraktion dar, hinsichtlich des Umsatzvolumens dominieren allerdings die Multilayer. Tab. 2-1: Status quo des weltweiten Leiterplattenmarktes für das Jahr 2002 (Meier 2003) 2002 Papier & Composite Glasfaser- Systeme Flexlayer Multilayer Produktionsmenge (Mio. m²) Umsatzvolumen (Mrd. US-$) Betrachtet man eine Prognose für die Entwicklung des weltweiten Leiterplattenmarktes bis 2007 (vgl. Tab. 2-2), so sind signifikante Zuwachsraten v.a. im Bereich der Flex- und Multilayer zu erwarten. Dieser Tendenz steht im Kontext eines allgemeinen Trends hin zu Miniaturisierung und größeren Integrationsdichten, wie er auch auf dem Halbleitermarkt zu beobachten ist. 4

25 Tab. 2-2: Prognose für die Entwicklung des weltweiten Leiterplattenmarktes bis zum Jahr 2007 (Meier 2003) 2007 (Prognose) Papier & Composite Glasfaser- Systeme Flexlayer Multilayer Produktionsmenge (Mio. m²) Umsatzvolumen (Mrd. US-$) Trotz des erwarteten allgemeinen Wachstumstrends besteht auf dem Leiterplattenmarkt ein enormer Kostendruck, der zu entsprechenden Preiserosionen nicht nur im Bereich der einlagigen Schaltungsträger, sondern auch bei den Flex- und Multilayern führen wird. Für die deutsche Basismaterial- und Leiterplattenindustrie bedeutet dies, dass nur durch eine Spezialisierung auf Nischen- und Highendprodukte und durch das Antizipieren neuer Trends wie Recyclingfähigkeit und Schadstofffreiheit die Zukunftsfähigkeit der Branche gesichert werden kann (Meier 2003). Bei Betrachtung der Produktion nach Märkten (siehe Abbildung 2-1) wird ersichtlich, dass sowohl in Deutschland als auch in Europa Industrieelektronik und Kommunikationen mit zusammen über 50 % gefolgt vom Automobilbereich die wichtigsten Märkte darstellen. Die Betrachtung nach Produktgruppen (Abbildung 2-2) zeigt, dass Mehrlagenschaltungen dominieren und nicht durchkontaktierte bzw. doppelseitig durchkontaktierte konventionelle Leiterplatten eine geringere Bedeutung einnehmen. Produktion nach Märkten 100% 10,2% 5,8% 90% 80% 10,6% 14,1% sonstige 70% 18,2% 23,7% Konsum Automobil 60% 7,3% Datenverarbeitung 50% 9,5% Kommunikation 40% 27,0% 18,1% Industrie-Elektronik 30% 20% 10% 26,7% 28,7% 0% Europa 2003 (gesamt: Mio. Euro) Deutschland 2003 (gesamt: Mio. Euro) Abb. 2-1: Differenzierung der Leiterplattenproduktion nach Märkten (ZVEI 2004) 5

26 Produktion nach Produktgruppen 100% 7,2% 9,0% 90% 13,7% 7,0% Sondertypen (starr-flexible, Heatsink etc.) 80% Schaltungen mit Microvias (HDI) 70% 60% 41,7% 51,0% Mehrlagenschaltungen Leiterplatten, durchkontaktiert Leiterplatten, nicht durchkontaktiert 50% 40% 30% 20% 30,0% 28,0% 10% 0% 8,0% Europa 2003 (gesamt: Mio. Euro) 5,0% Deutschland 2003 (gesamt: Mio. Euro) Abb. 2-2: Differenzierung der Leiterplattenproduktion nach Produktgruppen (ZVEI 2004) 2.2 Starre Leiterplatten Aufgrund einer Vielzahl unterschiedlicher Leiterplattenarten und Anwendungen besteht auch eine große Auswahl an unterschiedlichen Basismaterialarten. Dieses stellt das Ausgangsprodukt für die Herstellung der Leiterplatten dar und lässt sich in erster Linie in Hinblick auf das verwendete Harzsystem und Trägermaterial unterscheiden. Vom grundsätzlichen Aufbau her bestehen die Basismaterialien überwiegend aus einem duroplastischen Harzsystem, das zur Erfüllung der Werkstoffeigenschaften üblicherweise mit einem Verstärkungsmaterial durchzogen ist. Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die gebräuchlichsten starren Leiterplatten, deren Zusammensetzung und die zugehörigen NEMA 1 -Bezeichnungen. 1 National Electrical Manufacturers Association (NEMA) 6

27 Tab. 2-3: Ausgewählte Basismaterialarten für starre einlagige Leiterplatten (in Anlehnung an Achternbosch / Brune) NEMA-Bezeichnung Harz Trägermaterial FR-2 Phenol Papier FR-3 Epoxid Papier FR-4 Epoxid, Novolake, multifunktionelles Epoxid Glasgewebe CEM-1 CEM-3 Hartpapierkern mit FR-4-Aussenlagen Glasvlieskern mit FR-4-Aussenlagen Wie Tabelle 2-3 entnommen werden kann, besteht die werkstoffliche Basis von Leiterplatten derzeit aus duroplastischen Kunststoffen. Diese bilden im ausgehärteten Zustand dreidimensionale, stark vernetzte polymere Strukturen, die aufgrund dieser chemischen Struktur werkstofflich nicht recyclingfähig sind. Außerdem benötigen auf Duroplasten aufgebaute Leiterplatten je nach Anforderungsprofil i.d.r. zusätzliche Flammschutzmittelsysteme, um den thermischen Anforderungen des Anwenders gerecht zu werden. FR-2-basierende Leiterplatten werden in der Regel für eher einfache Anwendungen mit einseitiger Bestückung eingesetzt, beispielsweise in der Konsumelektronik. Standardmaterial für doppelseitig durchkontaktierte Anwendungen ist hingegen FR-4. CEM-1 und CEM-3 stellen kostengünstige Alternativen zu FR-4 dar, allerdings ist eine konventionelle Durchkontaktierung bei CEM-1 nicht möglich. In Fernost hat CEM-3 aufgrund der Kostensituation das konventionelle FR-4-Basismaterial bereits weitgehend ersetzt. 2.3 Flexlayer Flexible Leiterplatten haben seit ihrer Einführung eine Vielzahl von elektronischen Verbindungsproblemen gelöst. Die Anwendungen, in denen flexible Schaltungen eingesetzt werden können, reichen sehr weit, z. B. vom einfachen Stromversorgungs-Bus bis hin zu Hörgeräten mit feinsten Strukturen. Der Markt für flexible Schaltungen wird auch in Europa für vielversprechend angesehen. Allerdings gibt es kaum Veröffentlichungen, die Aufschluss über Marktdaten bzw. zukünftige Entwicklungen in Europa geben. Der Markt für flexible Leiterplatten wird durch 10 große japanische Hersteller 2, 5 Hersteller aus den USA und einige weitere asiatische Hersteller weitestgehend gedeckt. Beim Markt für HDI-flexible-Schaltungen decken 10 japanische Hersteller den Markt ab und für die amerikanische Leading Edge gibt es einige japanische und amerikanische Hersteller. Ein großer Teil der tragbaren Consumer-Elektronik wie z. B. Digitalkameras, Videokameras, CD-Player usw. benötigt bei hohen Stückzahlen Leiter- 2 Mektron, Sumitromo Electric, Fujikura, Nitto Denko, Sumitome Bakelite, Sony Chemical, Sakai Electronics, Sharp, Maruwa Seisakusho und Okumo Seisakusho. 7