3D-MID-Technologie: Die Zukunft heißt Laserstrukturierung

Dreidimensionale spritzgegossene Schaltungsträger, 3D-MIDs (= Moulded Interconnect Devices), eröffnen im wahrsten Sinn des Worts eine neue Dimension gegenüber herkömmlichen zweidimensionalen Leiterplatten, denn sie bieten ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit. Ein neues lasergestütztes Strukturierungsverfahren für 3D-MIDs trägt zudem zu einer deutlichen Vereinfachung des Herstellprozesses bei. Auf diese Weise können beispielsweise Antennenstrukturen direkt und kostengünstig in die Gehäuse von Mobiltelefonen integriert werden. Überdies lassen sich damit anspruchsvolle Mechatroniksysteme für Anwendungen im Automobilbau und in der Medizintechnik verwirklichen, die mechanische und elektrische Eigenschaften integrieren.

Die LPKF Laser & Electronics AG in Garbsen bei Hannover hat eine als Laser-Direkt-Strukturierungsverfahren (LDS) bezeichnete Technologie entwickelt, mit der dreidimensionale Spritzgussteile aus thermoplastischen Kunststoffen mit einem kompletten Schaltungslayout ausgestattet werden können. Bayer Polymers, ein Unternehmensbereich der Bayer AG, wird künftig Polybutylen-Terephthalate (PBT) und Polyethylen-Terephthalate (PET) aus dem Pocan® Sortiment so ausrüsten, dass sie nach dem LDS-Verfahren von LPKF mit metallisierten Strukturen versehen werden können. Beide Unternehmen haben jetzt einen Know-how- und Lizenzvertrag unterzeichnet, mit dem Bayer Polymers von LPKF das Know-how zum benötigten Wirkadditiv für die Anwendbarkeit des LDS-Verfahrens erwirbt. Der Vertrag dient gleichzeitig zur Sicherstellung der Lieferverfügbarkeit der dotierten Kunststoffe für den stark wachsenden Markt dreidimensionaler Schaltungsträger.

Nach einem einfachen Einkomponenten-Spritzguss wird in einem ersten Schritt mittels Laserstrahl ein hoch aufgelöstes Schaltungsbild auf die Oberfläche des dreidimensionalen Formteils „geschrieben“. Der Laser überträgt dabei direkt die CAD-Daten aus dem Rechner auf das Werkstück – aufwändige Maskierungsschritte entfallen. Bei diesem Vorgang verdampft die oberste Polymerschicht, und darunter liegende Metallisierungskeime einer metallorganischen Komplexverbindung werden aktiviert. Zugleich entsteht eine Oberflächenstruktur, die bei der nachfolgenden Metallisierung für eine sehr gute Haftung der entstehenden Leiterbahnen sorgt. Leiterstrukturen mit hoher Auflösung lassen sich problemlos erzeugen.

„Dies ist nicht nur dem lasergestützten Strukturierungsverfahren zu verdanken, sondern auch dem bekannten guten Isolationsverhalten der verwendeten Pocan® Typen, die sich in Elektro-/Elektronikanwendungen bereits bestens bewährt haben“, erläutert dazu Alexander Radeck, der das Projekt bei Bayer Polymers im Bereich Industry Innovation betreut. Die Folge: Nach dem Metallisierungsbad liegen die unveränderten Kunststoffoberflächen der elektrisch isolierenden Bereiche konturenscharf neben den metallischen Flächen des Schaltungslayouts. Erfolgreiche Vorversuche verhalfen dem Projekt zum Durchbruch und führten schließlich zum Vertragsabschluss. Basierend auf dem umfangreichen Compoundier-Know-How wurde bei Bayer Polymers in kürzester Zeit eine produktionsfähige Compoundrezeptur mit der metallorganischen Wirksubstanz entwickelt. Die Haftung der mittels LDS-Verfahren erzeugten Leiterbahnen auf diesem Material wurde bei LPKF ausgeprüft und liegt weit über den geforderten Werten.

Im Vergleich zu den marktgängigen Herstellungsverfahren für dreidimensionale Schaltungsträger – Zweikomponentenspritzgießen, Heißprägen und Folienhinterspritzen – überzeugt das lasergestützte Strukturierungsverfahren durch die Einfachheit der Prozessführung, nicht zuletzt unter Kostenaspekten. Auch die ökologischen Vorteile liegen auf der Hand, da es auf umweltbelastende Oberflächenaktivierungs- und Waschprozesse verzichtet.

Noch bis unmittelbar vor der Laserstrukturierung kann das Layout der Schaltung im CAD-Programm variiert werden. Dank dieser Flexibilität erweist sich das LPKF-LDS-Verfahren als sehr entwicklerfreundlich. Die Aktivierung der polymeren Schaltungsträger erfolgt innerhalb weniger Sekunden mit dafür speziell ausgelegten Lasersystemen von LPKF. Dank eines ausgeklügelten Systems optischer und mechanischer Achsen wird der Laser nahezu trägheitslos über die dreidimensionale Oberfläche des Werkstücks geführt.

„Durch Verkürzung der Prozessketten bieten MIDs ein enormes Rationalisierungspotenzial“, erklärt Dr. Jörg Kickelhain, Forschungsvorstand bei LPKF. Der Weltmarkt für MIDs entwickelt sich seit dem Jahr 2000 überproportional. Der gegenwärtige Trend und die Prognosen lassen darauf schließen, dass sich diese Entwicklung so fortsetzen wird. Wichtige Industriebranchen für diese Anwendung sind die Verkehrs- und Automobiltechnik, Flugzeugindustrie, die Telekommunikation, Konsum-, Geräte-, Computer- und Industrieelektronik. Die neue Kooperation beider Unternehmen leistet einen wichtigen Beitrag zur zielgerichteten Miniaturisierung elektronischer Baugruppen. Hotline: Fax 0221-9902-160

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