Chemische Belastbarkeit beim Metallisierungsprozess
Das Forschungsvorhaben „Ermittlung der chemischen Belastbarkeit von Kunststoffen beim Metallisierungsprozess unter Berücksichtigung der Haftfestigkeit und des Langzeitverhaltens“ (AiF-Vorhaben-Nr. 12161 N) hatte als Ziel, die Auswirkungen kurzzeitiger, kombinierter chemischer Belastungen nach Kontakt mit Medien während der Metallisierung und Strukturierung auf Kunststoffe für 3D-MID-Anwendungen aufzuzeigen und Aussagen über die Langzeitstabilität der Kunststoffe unter Berücksichtigung der erzielbaren Haftfestigkeiten zu erbringen. Im Rahmen der Untersuchungen wurden die ausgewählten, für 3D-MID-Anwendungen relevanten Werkstoffe im Spritzguss zu Probekörper verarbeitet und den am Projekt beteiligten Galvanikbetrieben zur Metallisierung übergeben.
Bereits nach den Vorbehandlungsschritten für die Metallisierung wurde ein Teil der Proben entnommen. Die zurückbehaltenen unbehandelten, vorbehandelten und metallisierten Proben wurden in Hinblick auf ihre Oberflächeneigenschaften mit Hilfe der Licht- und Rasterelektronen-Mikroskopie, der Elektronenspektroskopie für die chemische Analyse (ESCA) und der Infrarot-Spektroskopie (FT-IR) untersucht. An den metallisierten Proben wurden Schälversuche zur Bestimmung der Haftfestigkeit durchgeführt sowie Zugversuche zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften. Abschließend erfolgte die Untersuchung des Langzeitverhaltens mit Hilfe der Ofenalterung sowie mit Temperatur- und Klima-Wechseltsts. Die Untersuchungen machen in eindeutiger Weise deutlich, dass es durch die einzelnen Schritte bei der Metallisierung und Strukturierung zu gewünschten Veränderungen an der Kunststoffoberfläche kommt, diese jedoch nicht die Zuverlässigkeit der Kunststoffe im Bezug auf ihre Langzeiteigenschaften beeinträchtigen.
Das Forschungsvorhaben AiF 12161 N wurde aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. gefördert. Der Abschlussbericht ist bei den durchführenden Forschungsstellen verfügbar, für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Dr. Zahradnik, Lehrstuhl für Polymerwerkstoffe, e-mail zahrad@ww.uni-erlangen.de
Ultraschall-Drahtbondtechnik zur Kontaktierung in miniaturisierten MID-Gehäusen
Im Forschungsvorhaben „Untersuchungen zur Einsetzbarkeit der Ultraschall-Drahtbondtechnik zur Kontaktierung in miniaturisierten MID-Gehäusen für die Mikrosys-temtechnik“ (AiF-Vorhaben-Nr. 12417 N) wurde die US-Drahtbondbarkeit auf MID-Substraten mit Aluminiumdraht am HSG-IMAT untersucht. Im Rahmen der Probenvorbereitung wurden 1K-Testsubstrate aus LCP und PA6 sowie 2K-Test-MIDs aus LCP hergestellt und außenstromlos chemisch metallisiert. Ergänzend zur 2K-MID-Technologie wurde laseraktiviertes und metallisiertes PBTMID untersucht.
Die experimentellen Untersuchungen verdeutlichen den Einfluss der Schichtdicke der Metallisierung auf den Drahtbondprozess. Ein zuverlässiger Bondprozess wird bei Schichtsystemen mit einer minimalen Schichtdicke von etwa 10 µm Nickel erreicht. Weiterhin wird der Drahtbondprozess stark durch die Rauheit der metallisierten Oberfläche beeinflusst. Bei rauen Oberflächen kann die Drahtbondzuverlässigkeit mit dickerem Bonddraht gesteigert werden. Bei einem Drahtdurchmesser von 50 µm können auf Oberflächen mit einer Rauheit Ra <3 µm und Rz <25 µm zuverlässige Drahtbondverbindungen hergestellt werden. Bei vergleichbarer Schichtdicke zeigte sich kein Einfluss der mechanischen Eigenschaften der untersuchten Thermoplaste. Auf den 1K-Testsubstraten wurden Testchips aufgeklebt und drahtgebondet. Die Drahtloops wurden hinsichtlich ihrer Länge und Höhe optimiert. Beim Drahtbonden auf dem 2K-Test-MID wurde gezeigt, dass sich die Auslegung der Leiterbahnträger im Vorspritzling sowie die Bondrichtung zu den Leiterbahnen auf den Drahtbondprozess auswirken. Die Verankerung der Leiterbahnträger im Fertigspritzling wird durch die Spritzgießparameter beeinflusst und wirkt sich ebenfalls auf den Schweißprozess aus.
Die Drahtbondverbindungen erfüllten die üblichen Anforderungen in Zugtests und Zuverlässigkeitsuntersuchungen im Temperaturschocktest. Im Rahmen des Vorhabens konnte gezeigt werden, dass sich MID-Substrate zum Aufbau von Mikrosystemen mittels der Ultraschalldrahtbondtechnik mit Aluminiumdraht bestens eignen. Die wesentlichen Einflussfaktoren für einen zuverlässigen Drahtbondprozess wurden herausgearbeitet.
Das Forschungsvorhaben AiF 12417 N wurde aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. gefördert. Der Abschlussbericht ist bei der durchführenden Forschungsstelle verfügbar, für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Frau Scholz, Hahn-Schickard-Gesellschaft – Institut für Mikroaufbautechnik (HSG-IMAT), Breitscheidstr. 2b, 70174 Stuttgart; e-mail scholz@izfm.uni-stuttgart.de
Modulares Werkzeug für Durchflusssensoren
Im gemeinsam am HSG-IMAT und HSG-IMIT durchgeführten Forschungsvorhaben „Flexibles modulares Verfahren für die Entwicklung von Kunststoff-Miniaturgehäusen für eine Familie von Durchflusssensoren“ (AiF-Vorhaben-Nr. 12416) wurde ein modulares Werkzeugkonzept für die Herstellung von MID-Gehäusen am Beispiel von Durchfluss-Sensorsystemen erarbeitet und an Demonstratoren überprüft. Als Sensorchip wurde ein am HSG-IMIT entwickelter thermischer Strömungssensor eingesetzt. Mit einem Spritzgieß-Stammwerkzeug sind durch Wechseln von Formeinsatzplatten Durchfluss-Sensorsysteme für unterschiedliche Anwendungsbereiche kostengünstig und schnell realisierbar. Wesentliche funktionale Elemente der Durchfluss-Sensorsysteme befinden sich im Spritzgießwerkzeug auf auswechselbaren Formplatten. Im Vorhaben wurden zwei Demonstratoren für unterschiedliche Anwendungsbereiche hergestellt. Die Demonstratoren wurden jeweils aus einem 2K-MID und einem Deckel aufgebaut. Im 2K-MID ist die Elektronik, der Sensorchip und die elektrische Verbindung zur Umgebung in Form eines angespritzten Steckers integriert. Als Sensorchip wurde ein thermischer Strömungssensor eingesetzt. Im Deckel befinden sich die Medienanschlüsse und der Fluidkanal, welcher durch Austausch entsprechender Formplatten ebenfalls variabel gestaltet werden kann. Beim Spritzgießen der 2K-MIDs aus LCP wurde der Spritzgießprozess im Hinblick auf optimale Formfüllung, minimalen Verzug und selektive Metallisierbarkeit optimiert. Die Metallisierung mit einem Cu-Ni-Au-Schichtaufbau erfolgte mit außenstromlosen Verfahren.
Volumenstrommessungen mit dem aufgebauten Durchfluss-Sensorsystem zeigen bei gasförmigen Medien rauscharme reproduzierbare Sensorsignale. Dafür ist maßgeblich, dass im MID-Gehäuse definierte Strömungsverhältnisse erreicht werden können. Damit ist das MID-Gehäuse für Gase bestens geeignet. Insgesamt sind im Vorhaben zwei funktionsfähige Demonstratoren von Durchfluss-Sensorsystemen mit einem modularen Werkzeugkonzept aufgebaut worden. Durch die MID-Technik war es möglich, elektrische, fluidische und Gehäusefunktion in einem mikrosystemtechnischen Bauteil zu integrieren.
Das Forschungsvorhaben AiF 12416 N wurde aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. gefördert. Der Abschlußbericht ist bei den durchführenden Forschungsstellen verfügbar, für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Dr. Eberhardt, Hahn-Schickard-Gesellschaft – Institut für Mikroaufbautechnik (HSG-IMAT), Breitscheidstr. 2b, 70174 Stuttgart, e-mail eberhardt@izfm.uni-stuttgart.de
Die Ergebnisse der genannten Forschungsprojekte werden ebenfalls im Rahmen des 5. Internationalen Kongresses MID 2002 in Erlangen präsentiert.
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