FED Regionalmeeting Schweiz 12.06.2013 3D-MID Technologie in der Praxis Anwendungen, Herstellungsverfahren und Produkte 13.06.2013 Dr. Wolfgang John, (Dirk Bäcker) LPKF Laser & Electronics AG 1 Gliederung Molded Interconnect Devices (MID) Kurzvorstellung LPKF Herausforderungen und Definition Historie, Know how - Zentren Märkte und globale Situation Verfahrenstechniken und vergleichende Bewertung Beispiele aktueller Serienanwendungen in verschiedenen Technologien Rapid Prototyping von LDS-MIDs und neuere Entwicklungen Zusammenfassung 2 1
Wer ist LPKF? Maschinenbauunternehmen mit langjährig profitabler Geschäftsentwicklung Gegründet 1976 / Börsengang 1998 Mitarbeiter weltweit ca. 690 Umsatz 2012: 115 Mio. 10 Prozent des Umsatzes fließen in F&E Zertifizierung nach ISO 9001 3 LPKF Weltweit Garbsen Germany Suhl Germany Erlangen Germany Naklo Slovenia Bejing China Tianjin China Suzhou China Tualatin (OR) USA Chengdu China Tokyo Japan Shanghai China Shenzhen China Hong Kong China Legend Head office / production Production Sales subsidiary Representation 4 2011 2
Märkte, Segmente, Produktlinien Electronics Plastics Solar Electronics Development Equipment Electronics Production Equipment Other Production Equipment Rapid Prototyping Laser Welding Solar Rapid PCB Prototyping Equipment Stencil Laser Equipment PCB Production Equipment LDS Production Equipment Welding Equipment Solar Module Equipment 5 Kernkompetenzen Unser gesamtes Handeln ist auf den wirtschaftlichen Erfolg unserer Kunden gerichtet (aus dem LPKF-Unternehmensleitbild) 6 3
Umsatzentwicklung Mio. Euro 115 Mio 2012 12% 7 Lösungsansätze für Baugruppenanforderungen Forderung Kostenreduktion Miniaturisierung Funktionserweiterung Steigerung von Qualität und Zuverlässigkeit Packaging Lösungsansätze Systemintegration, modulare Aufbautechnik, Plug-&-Play Funktionsintegration, Reduzierung von Komponenten u. Schnittstellen verbesserte Montagekonzepte, Einsparung von Prozeßschritten Prävention vor Umwelteinflüssen, Thermomanagement, Housing Quelle: Mercer Management Consulting Elektronik Mechatronik Quantensprünge Volumenreduktion 4000 fach Speedzuwachs 400 fach Kostenreduktion 80 % Mechanik Optik Informatik Verknüpfung von Mechanik, Elektronik, Optik sowie Informations-, Signal- und Steuerungstechnik Integration unterschiedlicher Wirkprinzipien in einem Funktionsbauteil 4
Molded Interconnect Devices (MID) MIDs (Molded Interconnect Devices) sind spritzgegossene Formteile mit strukturierter Metallisierung (spritzgegossene Schaltungsträger) Damit kombiniert diese Technologie die nahezu beliebige Gestaltungsfreiheit des Kunststoff- Spritzguß-Verfahrens und dessen mechanische Funktionalität mit den Möglichkeiten der Schaltungsträgerzeugung. MIDs verdrängen die konventionelle Leiterplatte nicht, sondern bilden eine sinnvolle Ergänzung. Führt der Wechsel zur MID-Technologie zur Steigerung des Kundennutzens? Integration elektrischer und mechanischer Funktionen in einem kunststoffbasierten Modul Kundennutzen Leiterplattentechnologie Wechsel von der Leiter- Plattentechnologie zur MID-Technologie MID-Technologie Zusätzlicher Nutzen Bild 1: Flexible Lösung (Quelle: GED) Bild 2: 3D- MID Lösung (Quelle:. Kromberg & Schubert) Kumulierter F&E-Aufwand Was sind die Vorteile von MIDs? Zielführende MID-Entwicklungen müssen bereits in der Konzeptphase konsequent den Einsatz von MID-Lösungen berücksichtigen. Die Substitution von PCBs oder einer Verdrahtung in einem vorgegebenen Konzept ist wirtschaftlich nicht sinnvoll. Erst ein Designkonzept, welches sich die neuen Freiheitsgrade in der dritten Dimension auch nimmt, schöpft die Möglichkeiten der Technologie voll aus. Nutzenpotentiale 3D-Anordnung Nutzenpotentiale MID-Strukturen Definierte Winkel zwischen Bauelementen Antennen Präzise Positionierung Heizung Stapeln von Chips über Umverdrahtung Partielle Schirmung Package ist Gehäuse Tasterflächen 5
Wo steht die MID-Technologie heute? Leistungsindex der Technologie Wo stehen wir? Indikatoren Entstehungsphase Wachstumsphase Reifephase Altersphase Unsicherheit der technologischen Leistungsfähigkeit hoch mittel niedrig sehr gering Anzahl der Anwendungsgebiete Investitionen in Technologieentwicklung unbekannt mittel (Grundlagen) zunehmend hoch (Anwendungen) stabil niedrig (Kostensenkung) abnehmend sehr niedrig Zeitbedarf v. F&E bis zur Marktreife 7 10 Jahre 2 7 Jahre 1 4 Jahre 1 4 Jahre erste Serienanwend. Singuläre Lösungen Diversifizierung Telekomm.... Automotive Basistechnologie Standardverfahren Produktklassen Quelle: R. Meier Dissertation, fußend auf T.J. Terpott Zunehmende Marktdurchdringung Bisherige Barrieren für die nachhaltige Durchsetzung der MID-Technologie Komplexität der systemübergreifenden MID-Entwicklungsprozesse unter Berücksichtigung zahlreicher Restriktionen der Fertigungsprozesse. Komplexität der MID-Herstellverfahren, die durchgängig unter Serienbedingungen beherrscht werden müssen. In der Praxis ist das oft ein arbeitsteiliger Prozeß, an dem mehrere Unternehmen beteiligt sind. Hier sind Schnittstellenproblematiken erfolgreich zu managen. Materialentwicklung & -bereitstellung Kunststoffe Werkzeugbau & Spritzguß Anwender (MID-Entwickler) Metallisierung Montage & Recycling Verbindungstechnik Design & Engineering / Verarbeitung / Fertigung Quelle: Meier, R., Dissertation FAPS, mod., Peitz, T., Dissertation, Uni Paderborn Metallisierung & Strukturierung bzw. revers Kunststoffspritzguss- & Metallisierungs- & Bestück- und Löt- & Anforderungsgerechte Konstruktion? 6
Chronologie der MID-Anfänge in Deutschland 1980 Ausgangslage: Forderung nach mechatronischen Produkten Branchenspezifische Aufnahme und Umsetzung der Problemstellung Entwicklung verfahrensbezogener Produkte Rohstoffhersteller und Kunststoffverarbeiter Leiterplattenhersteller Fertigungstechnik / Maschinenbau 1990 Zweikomponenten- Spritzguß Maskenverfahren und Laserstrukturierung Heißprägen Problemfeld: Fehlende Verfügbarkeit gesicherter branchen- und anwendungsübergreifender Informationen Bildung interdisziplinärer Arbeitskreise 1993 Quelle: Meier, R., Dissertation Gründung der Forschungsvereinigung 3-D MID e.v. am Lehrstuhl FAPS der Uni Erlangen-Nürnberg Beispiel-MIDs aus der Anfangszeit, 90er Jahre Bildquellen: FAPS, Shipley 7
Erstes europäisches Automotive - MID im sicherheitsrelevanten Bereich Gemeinschaftsprojekt zwischen Inotech Kunststofftechnik, Nabburg, AHC, Kerpen und Siemens/WABCO als Systementwickler (MID-Industriepreis 1997) Grundkörper: Polyamid 12 Metallisierbare Komponente: Polyamid 6 (15% GF) Testanforderungen: Elektrische Funktion nach Temperaturwechselzyklen (-40 C bis 150 C, 220 Zyklen) Elektrische Funktion nach DIN IEC 68-2-3 (56 Tage 40 C/93% rel. Feuchte) Spitzenstrom: 35 A Hochspannungsprüfung 1kV Temperaturschocktest bei -40 C bis 150 C, 10 Zyklen Chemische Beständigkeit gegen Motor- und Getriebeöle, Bremsflüssigkeit und Kraftstoffe Haftfestigkeit der Metallisierung > 1 N/mm Steck- und Ziehkräfte der Steckverbinder gemäß kundeninterner Spezifikation Vibrationsbelastung MID-Markt im globalen Vergleich Heutige Verfahrenspäferenzen: LDS, 2K, Heißprägen Europa hohe Wissensbasis gute Forschungslandschaft nahezu alle Technologien verfügbar, nur wenige Komplettanbieter (wie z.b. HARTING und Cicor, CH) Heutige Verfahrenspäferenzen: Lasersubtraktiv, 2K Japan hohe Marktdurchdringung von wenigen lokalen Unternehmen starke Produkt- und Systemorientierung USA Anfang der 90er Jahre transparenter Markt mit vielen Produkten (Circuit Wise, Mitsui Pathtek und UFE) 1996 Übernahme Mitsui Pathtek durch Circuit Wise, Skepsis am Markt 1997 Umsatzanstieg, Ausgründung zu MID LLC, 2000 Verkauf an Tyco, zweiter MID-Anbieter: Molex Heutige Verfahrenspäferenzen: 2K, LDS Übriges Asien Technologietransfer durch Verlagerung der Fertigungsstandorte von Global Playern aus Europa und US nach Asien, bisher fast ausschließlich im Bereich Handy-Antennen. Heutige Verfahrenspäferenzen: 2K, LDS 8
Prozesse zur Herstellung von MID-Teilen Metallisierung Strukturierung Herstellung Schaltungsträger Aufbau- und Verbindungstechnik Strukturierung Metallisierung Herstellung des unbestückten Schaltungsträgers Herstellung der MID- Baugruppe Technologien 2K-Spritzguß 1K-Spritzguß Chem. Verfahren Physik. Verfahren Laserstrukturierung (additiv) Laserstrukturierung (subtraktiv) Aufbau- und Verbindungstechniken Folienhinterspritzen Heißprägen Primertechnik Prozeßkette beim Heißprägeverfahren 1. Kunststoffsubstrat spritzen Folienvorratsrolle Heizkopf Presse 2. Substrat und Folie in Presse einlegen Prägestempel Prägefolie Folienvorschub Werkstück 3. Prägen Werkstückaufnahme 4. Restfolie abziehen Kupferfolie, z. B. 35 µm dick Haupteinsatzgebiet - Massenteile mit einfacher Geometrie Bildquelle: Ackermann 9
Prozesskette beim Zweikomponenten- Spritzgießen von MID 1. ersten Schuss spritzen 1. 2. 2. zweiten Schuss spritzen 3. chemisch metallisieren 3. Haupteinsatzgebiet - Teile mit relativ wenigen, komplexen Leiterbahnen - Hohe Stückzahlen LPKF LDS-Prozess Lösung zur Vermeidung der Nachteile anderer MID-Technologien angestrebt Volladditiver Prozess, der die Vorteile der Flexibilität des Lasers mit einer kurzen Prozesskette vereint. Selektive Metallisierung spritzgegossener Bauteile durch Laser-Direkt-Strukturierung in nur drei Prozessschritten: Notwendige Voraussetzungen: Material: Thermoplastische Kunststoffe, die mit einem laseraktivierbaren Additiv gefüllt sind, welches die spätere Metallisierung katalysiert. Laseranlage: Erzeugung einer mikrorauen Oberfläche auf dreidimensionalen Kunststoffbauteilen durch Ablation und gleichzeitige Aktivierung des Additivs durch physikalisch-chemische Reaktion mit dem Laserstrahl 20 10
LDS-Kunststoffe 21 2010 Portfolio von LDS-Kunststoffen 22 11
Laseraktivierung 23 2010 LDS-Prozess, Prinzip Laseraktivierung LDS-Spritzgussteil Laser Katalysatorkeime Laserstrahl Polymer + Katalysator Freigelegtes und durch Laserenergie aktiviertes Additiv Gelaserte Oberfläche Ungelaserte Oberfläche 24 12
LDS-Prozess, Metallisierung Teilweise eingebettete Leiterbahn Schliffdarstellung: Cu LDS-Polymer Haftfeste Verankerung des abgeschiedenen Kupfers Material: Pocan DPT 7140 LDS, Metallisierung: 6...8 µm Cu; 4 µm Ni; 0,1 µm Au 25 Laser Prozess LPKF MicroLine3D 26 2010 13
Laser Prozess: MicroLine3D 27 2010 Metallisierung 28 2010 14
Metallisierung Lieferanten : 29 2010 LDS Equipment 1. LPKF 3D-Laser mit UV- Quelle Vorstellung des ersten LDS- Materials: PPMID Historie der LPKF-LDS Technologie 1. LPKF 3D-Laser mit IR- Quelle LDS Meilensteine März 2005 SMT 2011: Fusion SMT 3D 1998 1100 2003: MicroLine3D 160 Productronica Industrial 1998 Productronica 2011: Fusion 3D 1500 SMT 2003 LPKF Januar April 2010 2003 Samsung SHG-VZ40 2009: LPKF Fusion3D November Fusion3D 2004 LPKF LPKF LPKF LPKF 1100 MicroLine3D MicroLine3D MicroLine3D Fusion3D Januar 2002 160 Industrial 160i / 165i 160i Faser _ LPKF Fusion3D 1500 July 2009: Molex produced 20 mio. antenna Kooperation using LDSKooperation Erster Molex Sh Fusion3D mit Harting zur LDS- Qualifizierung mit SWIT zu LDS in Korea Großauftrag über drei ML3D 160i aus Korea produziert 20 Mio. LDS Antenne gewinnt Hermes Award 2010 Eröffnung LDS-Appli- kations- Zentrum 2005: MicroLine3D 160i 1. Lizenzabkommen für LDS- Kunststoffe 1. LDS- Applikation in Produktion Erste Handy- Antennenapplikation in Massenproduktion 50. LPKF Fusion3D verkauft Lauch LDS ProtoPaint 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 31 15
Bewertung der Herstellverfahren Zweikomponentenspritzguß Laserdirektstrukturierung FUSION 3D 3D-Gestaltungsfreiheit 5 3D-Gestaltungsfreiheit 5 Wirtschaftlichkeit bei kleinen 4 Wirtschaftlichkeit bei kleinen 4 Stückzahlen Einsetzbare Kunststoffe Stückzahlen 3 3 Einsetzbare Kunststoffe 2 2 Investitionskosten 1 Metallisierung Investitionskosten 1 Metallisierung Änderungsaufwand Prozeßsicherheit Quelle: HNI Paderborn - modifiziert, Bildquellen: Hella, BASF, Möller, jetzt Eaton Genauigkeit des Herstellverfahrens Heißprägen Änderungsaufwand 3D-Gestaltungsfreiheit 5 Wirtschaftlichkeit bei kleinen 4 Stückzahlen 3 Einsetzbare Kunststoffe 2 Investitionskosten 1 Metallisierung Änderungsaufwand Prozeßsicherheit Genauigkeit des Herstellverfahrens Prozeßsicherheit Genauigkeit des Herstellverfahrens 1 = Schwäche 5 = Stärke LDS Maschineninstallationen weltweit 11 4 16 7 North America Europe China Korea 8 1 Japan Taiwan Gesamt: 47 Stand: Januar 2009 Source: LPKF Laser & Electronics AG MicroLine3D 33 16
LDS Maschineninstallationen weltweit Nordamerika 3 Europa 21 China 207 Korea 38 Japan 2 Taiwan 21 Gesamt: 292 Systeme Stand: Dezember 2012 MicroLine 3D 160i Fusion 3D 6000 Fusion 3D 1000 Fusion 3D 1500 34 Produktlaunch: 2005 2008 2011 2011 Quelle: LPKF Laser & Electronics AG Fusion3D 35 2010 17
Markt für LPKF-LDS 1. Kommunikation (83%) 2. Automotive (8%) 3. Medizin (4%) 4. Micro Packaging (3%) 5. Sicherheit (2%) 8% 4% 3% 2% 83% Kommunikation Automotive Medizin Micro Packaging Sicherheit 36 LDS-Entwicklungs- und Fertigungskompetenzen in Europa MID-Design Prototyping Molding LDS Plating AVT 2E mechatronic, D Cicor, CH Collini, CH Galvametal, CH Harting-Mitronics, CH HSG-IMAT, D (Institut) Hasec Elektronik, D HE System Electronics, D Kirron, D Kromberg & Schubert, D. LaserMicronics, D Lüberg, D MID Appl.-Zentrum FAPS, D (Institut) MID Solutions, D MID-Tronic Wiesauplast, D PEP, F (Institut) Schott, D Teprosa, D (Institut) Tyco, NL Prototypen Prototypen Prototypen Prototypen Prototypen Prototypen 37 18
Das Netzwerk 3-D MID Design & Engineering Tooling & Molding Structuring & Metallization Assembly & Connection Components & Systems MECADTRON BUSS Atotech Eaton 2E mechatronic BMW PLEXPERT Castsolut Collini (CH) Essemtec (CH) HASEC Cicor (CH) FED CRP (IT) FMB Fritsch Mektec Continental Hochschule Ostfalia - IfR DODUCO IMO Häcker MID-TRONIC Festo Uni Paderborn - HNI INOTECH Laser Micronics Heicks ODU HARTING Mitronics (CH) 5 Jaudas LPKF HENKEL pretema Hoffmann + Krippner PEP (FR) Lüberg IBL Seuffer Kromberg&Schubert PKT Micro Systems Infotech TDK-EPC LEONI Materials RF Plast MID Solutions ROMMEL TE Connectivity Robert Bosch BASF RKT Neotech Siemens Zollner Salcon International DOW Telegärtner Panasonic XENON 10 Viscom DSM (NL) Walter Söhner Plasmatreat Fraunhofer IZM Fraunhofer IPT-EM EMS (CH) WWS Reinhausen Plasma 12 HSG-IMAT Ensinger (AT) TU Chemnitz - Kunststoffe Vipem KIT - wbk Enthone Uni Erl-Nbg - LKT BLZ TNO (NL) Evonik 15 Fraunhofer IST Uni Akron (US) MacDermid (US) GSO Hochschule - KAM Uni Erl-Nbg - FAPS MEP (NL) LZH Uni Hannover - HFT Raschig Uni Erl-Nbg - LPT Uni Magdeburg - IMOS Ticona 19 19 Fraunhofer IFAM Hochschule Aalen Uni Erl-Nbg - LSP Uni Erl-Nbg - WW3 15 Stand 01.01.2012: Stand 01.01.2013: Stand aktuell: 82 Mitglieder 90 Mitglieder 95 Mitglieder Companies Institutes 38 Beispiele aktueller Serienapplikationen Motorradgriffschalter Quelle: BASF, Kromberg & Schubert ContiGuard -RADAR ARS300 Quelle: Continental 39 19
Beispiele aktueller Serienapplikationen Strömungssensor Quelle: 2e mechatronics LDS Drucksensor im ESP-System Quelle: BOSCH 2K-Spritzguß 40 Beispiele aktueller Serienapplikationen Sitzverstellschalter PKW-Innenraum Quelle: Delphi, 2e mechatronics Heißprägen Schaltschrankmodul Quelle: Eaton Industries, Werk Dausenau Heißprägen 41 20
Neues LDS Prototyping-Verfahren Plating im analytisch überwachten Laborequipment oder Standard Rapid Prototyping zur Herstellung eines Kunststoffkörpers; mögliche Verfahren: FDM, SLS, SLA, u. a. Objet-3D-Printing (PolyJet Technology) Material: Vero FullCure 8x0 Überziehen des Kunststoffteils mit einer LDS-fähigen Haut durch Sprühlackierung eines LDS-fähigen Lacks Laseraktivierung wie im Standardprozeß, z.b. mit dem Fusion3D 1100 Plating in der ProtoPlate-Box und Instant-Kupferbad 42 Rapid LDS Prototyping 43 21
Ausblick auf neuere Entwicklungen Wir werden die Palette der heute verfügbaren LDS-fähigen Kunststoffe mit folgenden Schwerpunkten sinnvoll erweitern: Farbvarianz bei LDS-Kunststoffen. Erweiterung des Portfolios bleifrei lötbarer Kunststoffe mit niedrigem und möglichst isotropen CTE. Entwicklung von im modifizierten Spritzgussverfahren verarbeitbaren duroplastischen Materialien (höherer Tg, deutlicher an Cu angepasster CTE). Im Hinblick auf hochinteressante LED-Applikationen werden wir mit Partnern thermisch leitfähige LDS-Materialien entwickeln. 44 2012 Ausblick auf neuere Entwicklungen Wir werden an der anlagen- und prozesstechnischen Reduzierung von Line / Space weiterentwickeln: Stand heute: Linienbreite: 50 55 µm Ziel: 50 µm Pitch 45 22
Reduzierung der Prozesszeit Theoretical considerations to build up 12 µm copper: LDS electroless only LDS electroless and galvanic strike copper bath (~0,09 µm/min; 2,5 µm) 28 min 28 min full build copper bath (~0,12 µm/min; 9,5 µm) 79 min - galvanic bath (1 µm/min; 9,5 µm) - 9,5 min total process time 107 min 37,5 min Cu 35µm / NiP 4 µm / Au 0,1 µm 46 2012 Ebene Oberfläche mit galv. Verstärkung substrate: Xantar LDS 3710 chemical plating: MacDermid MID 100 B1; galvanic plating: Enthone Cuprostar 1560 47 2012 23
Ausblick auf neuere Entwicklungen Das Thema Housing von LDS-MID kann zuverlässig mittels Laserkunststoffschweißen gelöst werden: Lasertransparenter Kunststoff Laserabsorbierender LDS-Kunststoff Bisher erfolgreich erprobt mit PA 6/6T von BASF und Pocan PBT/PET von Lanxess. 48 Zusammenfassung Das LPKF-LDS -Verfahren hat sich als meistgenutztes Herstellungsverfahren für MIDs im Markt durchgesetzt. Die hochvolumigen Applikationen sind im Telekommunikationsbereich in Asien zu verzeichnen. Das Know how und die wissenschaftliche Basis in Europa ist weltweit führend, und es existieren Systemanbieter über die gesamte Prozesskette sowie Netzwerke, die die komplette Prozesskette abbilden. LDS-MIDs haben Einzug in die Automobilelektronik mit ihren hohen Anforderungsprofilen gehalten. Das lässt erwarten, dass diese Technologie in Zukunft deutlich an Breite gewinnen wird. Dank neuer Möglichkeiten zum Prototyping von MIDs wird der Entwicklungsprozess gefördert. LPKF wird auch in Zukunft neben den Aktivitäten zur Verbesserung der Lasermaschinentechnik die LDS-Verfahrenstechnik weiterentwickeln. Den wichtigsten Input dazu liefern Sie als Anwender des Verfahrens! 49 24
Danke für Ihre Aufmerksamkeit! LPKF Laser & Electronics AG Osteriede 7 30827 Garbsen www.lpkf.com dirk.baecker@lpkf.com Tel.: +49 5131 7095 1571 50 Designregeln 51 2010 25