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Die Leiterplatte erobert den Raum

3D-Schaltungsträger: Spritzgussteile integrieren die Elektrik
Die Leiterplatte erobert den Raum

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Die Nutzung von Thermoplasten und deren strukturierte Metallisierung eröffnet der Elektronikindustrie eine neue Dimension von Schaltungsträgern: räumliche, spritzgegossene Schaltungsträger, auch 3D Molded Interconnect Devices (MID) genannt.

Derzeit zeigt der Markt für 3D-MID ein Wachstum von bis zu 20 % im Jahr, in Bereichen wie der Kameratechnik oder dem Automobil von bis zu 60 %. Gewachsen sind auch die Investitionen in die MID-Technologie, sprich in Anlagen zur MID-Herstellung und Forschung: Für 2007 wird mit einem Investitionsvolumen von etwa 4 Mio. Euro gerechnet. „Aus der Substitution konventioneller Schaltungsträger und aus dem Wachstum der Elektronik heraus sind deutliche Wachstumspotenziale für die MID-Technologie zu erwarten“, betont Prof. Klaus Feldmann, „und zwar vor allem durch Verwirklichung ganz neuer Produktansätze.“ Feldmann leitet den Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und ist Vorsitzender der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V. in Erlangen.

Vor wenigen Jahren sah alles ganz anders aus: Nach einem euphorischen Start der MID-Technologie Anfang der 1990er Jahre stellten die Akteure bald fest, dass sich ihre Vision nur schwer umsetzen lässt, die Innovation schnell in der Industrie zu etablieren. Heute leben sie mit der Erkenntnis, dass 3D-MID noch eine Nischentechnik ist – aber eine, die sich inzwischen gewinnbringend konsolidiert hat und die auf zukunftsträchtige neue Verfahren setzt.
Molded Interconnect Devices sind spritzgegossene Formteile mit einem integrierten Leiterbild, das durch strukturiertes Metallisieren von Thermoplasten erzielt wird. MID eröffnen technische und ökonomische Rationalisierungspotenziale. Außerdem sind sie umweltverträglicher als herkömmliche Leiterplatten, die sie sinnvoll ergänzen.
Die Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Einsatz von MID ist das Integrieren zusätzlicher Funktionen. Die Gestaltung einer herkömmlichen Leiterplatte als MID allein rechnet sich nicht, sie wäre zu teuer. Der Clou ist vielmehr, dass MID elektrische und mechanische Funktionen auf einem nahezu beliebig geformten Schaltungssubstrat integieren. Damit ermöglichen sie völlig neue Funktionskombinationen und helfen beim Miniaturisieren von Produkten. Die Einsparung mechanischer Bauteile vereinfacht die Montage und erhöht die Zuverlässigkeit der Baugruppen. Die Basiswerkstoffe sind ohne Zusätze flammhemmend, leicht zu rezyklieren und damit umweltverträglicher als herkömmliche Leiterplattenwerkstoffe.
Mit dem Mikrofonmodul des Hörgerätes Acuris P liefert die Siemens Audiologische Technik GmbH, Erlangen, ein markantes Beispiel für Miniaturisierung und Integration. Gefertigt wird die MID-Komponente vom Elektronikhersteller Harting Mitronics AG in Biel in der Schweiz nach dem so genannten Laser-Direktstrukturierungsverfahren (LDS) der LPKF Laser & Electronics AG, Garbsen. „Harting Mitronics produziert seit etwa zwei Jahren MID. Das LDS-Verfahren bietet nach unserer Erfahrung gegenüber anderen Prozessen eine höhere Vielseitigkeit und Flexibilität, besonders für Produkte mit großer Variantenvielfalt und häufigen Anpassungen des Leiterbahnlayouts“, erklärt Nobert Galster, Marketing&Sales bei Harting Mitronics. „Wir werden diese Entwicklung weiter vorantreiben und unsere Produktion noch 2007 auf mehrere Anlagen ausweiten.“
Die Einsparpotenziale derartiger MID-Produktionsmethoden führen zu einem Quantensprung in der Elektronikproduktion: Durch die Integration wurden bisher – je nach Produkt, Stückzahl und anderen Randbedingungen – Kosteneinsparungen von bis zu 40 % erreicht.
Das additive Laser-Direktverfahren (LDS) von LPKF ist beispielhaft für die neueren MID-Technologien. Es nutzt laseraktivierbare Substrate mit Additiven aus metallorganischen Komplexen. Der Laserstrahl strukturiert die Kunststoff-Compounds, indem er diese Additive im Kunststoff-Compound freilegt und aktiviert. Dabei werden die Komplex-Bindungen in der Polymermatrix aufgebrochen und Metallatome abgespalten, die als Keime für die spätere Verkupferung dienen. Zusätzlich erzeugt der Laser eine mikroraue Oberfläche, in die sich das Kupfer bei der Metallisierung haftfest verankert. Einer der Vorteile liegt darin, dass sich mit dem Laser nahezu beliebige Leiterbahnstrukturen herstellen lassen, ohne dass spezielle Masken erzeugt werden müssen.
Daneben gibt es jedoch noch eine ganze Galerie weiterer Herstellverfahren für MID. Je nach Metallisierung und Strukturierung gliedern sie sich im Wesentlichen in fünf Gruppen auf: Folientechniken, Heißprägen, Masken- und Laserstrukturierung sowie verschiedene Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahren. Jedes der Verfahren weist Vor- und Nachteile auf: So eignet sich das 2K-Spritzgießen für hohe Stückzahlen bei großer Zuverlässigkeit. LDS wird für kleinere Stückzahlen eingesetzt, weil dabei jedes MID-Bauteil einzeln bearbeitet wird, dafür aber flexibel hinsichtlich der Leiterbahn-Strukturen ist.
MID–Hersteller setzen verschiedene Materialien ein. Im Wesentlichen werden Hochtemperatur- und Technische Thermoplaste mit Oberflächenbeschichtungen versehen, die auch in der Leiterplattentechnik üblich sind. Die wichtigsten dabei zu berücksichtigenden Materialparameter sind die Verarbeitungs- und Gebrauchstemperaturen, der Flammschutz, mechanische und elektrische Eigenschaften, die Verarbeitbarkeit im Spritzgießverfahren, die Metallisierbarkeit und natürlich die Kosten.
Greifen wir aus den einsetzbaren Polymeren zwei heraus: Liquid Crystal Polymers (LCP) sind flüssig-kristalline Polymere und eignen sich für sehr kleine, feine Strukturen. Sie sind leicht fließend und hochtemperaturfähig, so wie etwa das metallisierbare, palladium-dotierte LCP Vectra E 820i Pd von Ticona.
Aus der Reihe der Polyamide kommt als laseraktivierbares Substrat neben anderen ein PA6/6T zum Einsatz. Wie bereits erwähnt, enthält es Additive der Firma LPKF mit metallorganischen Komplexen.
Die Tendenz bei der Materialwahl geht zu strahlenvernetzbaren Thermoplasten, die als Substrat preiswerter sind als Hochtemperatur-Thermoplaste, aber nach der Vernetzung ähnliche mechanische Eigenschaften aufweisen.
Interessante MID-Anwendungen finden sich in verschiedenen Branchen, von der Medizintechnik über den Automobil- bis zum Flugzeugbau. Das sehr kompakte SSPC-MID-Gehäuse (Solid State Power Controller) für eine Flugzeug-Klimaregelung hat MIDEE Eberhard Leipe in Kirchdorf bei Freising entwickelt und wird vom Flugzeugzulieferer Hamilton Sundstrand, Rockford IL, USA, hergestellt. Diese hybride MID-Baugruppe kombiniert mehrere Leiterplatten-Technologien: Unten befindet sich das Leistungsteil der Elektronikbaugruppe auf einem Keramik-Substrat. Darauf wird ein Gehäuse mit treppenförmigen, LDS-geformten MID-Leiterzügen aufgeklebt und per Wire-Bonding mit dem Keramik-Substrat elektrisch verbunden. Danach wird das eigentliche Steuerteil (Multilayer-Leiterplatte) eingelegt und per Wire-Bonding mit dem Rahmen kontaktiert.
Neue Impulse liefert das innovative, patentierte Flamecon-Verfahren der Leoni AG in Nürnberg, einem Hersteller von Drähten, Kabeln und Bordnetzen: Glühende, Kupferpartikel werden direkt auf die Oberfläche des Kunststoff-Substrats aufgesprüht und verkrallen sich darin sowie miteinander. So lassen sich Schichten von über 100 μm in einem Durchgang auftragen, bei mehrfachem Wiederholen von bis zu 1000 μm – was mit keinem anderen MID-Verfahren möglich ist. Dadurch werden höhere Stromstärken möglich, die in der Automobiltechnik wichtig sind, da elektrische Fensterheber 30 bis 40 A Anfangsstrom ziehen.
„Kabelsätze in Bordnetzsystemen werden immer noch zu fast 100 Prozent manuell gefertigt. Um dem Preisdruck zu entgehen, ist Leoni gezwungen, die Fertigung bei hohem logistischem Aufwand in Niedriglohnländer zu verlegen“, erklärt Robert Süß-Wolf, Manager Neue Technologien in der Zentralen Forschung & Entwicklung bei Leoni. „In dieser Situation entstand die Idee, Teile oder die gesamte Karosserie als räumlichen Schaltungsträger zu nutzen. Das führt zu völlig neuen Fertigungsketten für die Automobilindustrie und bringt Vorteile bei Materialeinsatz, Flexibilität, Logistik und Kosten.“
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Und Süß-Wolf fährt fort: „Dazu haben wir die Zentrale Forschung und Entwicklung innerhalb der Leoni gegründet. Wir wollen eine Technologie entwickeln, die Metallschichten für elektrische Funktionen erzeugt und sich für dreidimensionale Flächen eignet, die nur einen einzigen Prozessschritt erfordert, Qualitätsstandards erfüllt, flexibel und kostengünstig ist – das Flamecon-Verfahren.“ Das Verfahren bietet hohe Flexibilität im Hinblick auf Modellvarianten, weil bei jedem Bauteil eine andere Leiterbahnstruktur realisiert werden kann. Es befindet sich allerdings noch in der Forschungphase. Einzelne Anwendungen sind vorhanden, doch noch fehlt die Bewährung im Großserien-Einsatz.
Maßgeblichen Anteil an der anvisierten „New Economy“ des MID hat die Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V. in Erlangen. Ihr gehören derzeit über 78 Firmen und Institutionen an, die technologisch alle Fachbereiche repräsentieren. Vertreten sind Großunternehmen sowie die Breite des Mittelstands. Auch dieses Jahr wird der erstmals 1997 zur Productronica verliehene MID-lndustriepreis ausgeschrieben. Er zeichnet richtungweisende Produkte oder Verfahren auf dem Gebiet der räumlichen Schaltungsträger aus. Bewerben können sich alle Firmen, die MID, dafür benötigte Verfahren, Rohstoffe oder Fertigungsanlagen anbieten.
Der Wirtschaftsraum Nürnberg-Fürth-Erlangen hat sich zu einer Plattform für die Mechatronik-Forschung MID-Technik entwickelt. In Fürth fand auch der 7. Internationale MID-Kongress 2006 mit fast 260 Teilnehmern aus 16 Ländern statt. Er stand im Zeichen vielfältiger Serienanwendungen – ein Beleg für die zunehmende Verbreitung von MID in zahlreichen Produktbereichen.
Klaus Diebold Fachjournalist in Nürnberg
Hybride MID-Baugruppe regelt das Klima
MID lässt Produktionskosten um bis zu 40 % sinken

Neue Technologien
Welcher Nutzen räumlichen Schaltungsträgern (MID) zuzutrauen ist, zeigt der Ansatz der Leoni AG: Aus Kostengründen ist der Zulieferer gezwungen, die großteils manuelle Fertigung von Kabelsätzen in Niedriglohnländer zu verlegen. Als vielversprechende Alternative sieht er die Idee, Auto-Teile als stromführende MID zu gestalten – und hat zur Verfahrensentwicklung eigens ein F+E-Zentrum gegründet. Ähnliche Synergien kämen auch anderen Branchen entgegen.
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