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Donnerstag, 25 Februar 2021 10:59

Erfolgsgeschichte: Elektronikbaugruppen ohne Leiterplatten

von Volker Tisken
Geschätzte Lesezeit: 3 - 5 Minuten

Seit knapp 20 Jahren können Leiterbahnen mittels Laserdirektstrukturierung (LDS) in der Serienherstellung direkt auf Kunststoffteile aufgebracht werden. Automatisierte Herstellungsprozesse machen das Verfahren in jüngster Zeit wirtschaftlich immer attraktiver.

Dirk Rettschlag ist bei der Konzerntochter Harting 3D-MID AG in Biel/Schweiz verantwortlicher ProjektmanagerDirk Rettschlag ist bei der Konzerntochter Harting 3D-MID AG in Biel/Schweiz verantwortlicher ProjektmanagerFür elektronische Baugruppen bleibt immer weniger Platz, so dass nach Lösungen gesucht wird, um konventionelle Leiterplatten zu ersetzen. LDS ermöglicht die weitere Miniaturisierung und immer komplexere geometrische Bauformen. Das Verfahren ist prozessstabil und zuverlässig und hat sich auch in besonders qualitätskritischen Bereichen wie der Medizintechnik oder bei sicherheitsrelevanten Komponenten für die Automobilindustrie durchgesetzt.

Das LDS-Verfahren ermöglichte Elektronikbaugruppen mit flexiblen geometrischen Formen. Dank dieses Verfahrens werden elektronische Produkte wie Smartphones, Sensoren oder medizinische Geräte immer kleiner und leistungsfähiger.Die Struktur der Leiterbahn wird durch das LDS-Verfahren aufgebrachtDie Struktur der Leiterbahn wird durch das LDS-Verfahren aufgebracht

Folgerichtig führte die Evolution der Laserdirektstrukturierung zu 3D-MID-Baugruppen (Mechatronic Integrated Devices). Dabei werden elektronische Bauteile direkt auf einen dreidimensionalen Grundkörper bestückt. Leiterplatten und Verbindungskabel entfallen. Der Grundkörper wird im Spritzgussverfahren hergestellt, wobei der thermoplastische Kunststoff mit einem nicht leitenden, anorganischen Additiv versehen wird.

LDS ermöglicht dreidimensionale Baugruppen

Damit das Kunststoffmaterial elektrische Leiterbahnen aufnehmen kann, werden die Additive im Material durch die Laserdirektsrukturierung ,aktiviert'. Dabei beschreibt der Laserstrahl die für die Leiterbahnen vorgesehenen Flächen. Es entsteht eine mikroraue Struktur. Die freigesetzten Metallpartikel bilden die Kerne für die anschließende chemische Metallisierung.

Auf diese Weise werden auf den vom Laser markierten Flächen elektrische Leiterbahnen aufgebracht. Die anderen Bereiche des dreidimensionalen Grundkörpers bleiben unverändert. Das Kunststoffbauteil kann anschließend wie eine herkömmliche Leiterplatte in Standard-SMD-Prozessen bestückt werden und ist auch für den Lötprozess im Reflow-Ofen geeignet.

Lasertechnik ist flexibel einsetzbar

Die Harting 3D-MID AG ist aktuell der größte Lieferant von 3D-MID-Komponenten außerhalb Asiens. Für das LDS-Verfahren setzt der Anbieter Hochleistungs-Lasersysteme mit drei parallel arbeitenden Lasern ein, die jeweils um 45 Grad versetzt angeordnet sind. Durch die zusätzliche Drehachse können Bauteile durch den Laser gleichzeitig von allen Seiten in 360 Grad bearbeitet werden.

Durch diese Technik werden flexible geometrische Formen möglich, wie sie für Reflektorschalen oder LED-Leuchten benötigt werden. Trotz der geringen Leiterbahnstärke von 16 bis 20 μm eignen sich die Leiterbahnen für anspruchsvolle Automotive-Komponenten oder für Anwendungen mit Stromstärken bis zu 10 A – zum Beispiel Heizwendeln bei Kameras, die ein Beschlagen der Optik verhindern.

Häufige Änderungen während der Elektronikentwicklung oder neue Bauteile mit veränderten Abmaßen führen bei der konventionellen PCB-Herstellung zu aufwendigen Anpassungen. Das Laserlayout lässt sich durch Eingaben in der Steuerungssoftware des Lasers dagegen sehr flexibel anpassen. Änderungen im Spritzguss sind dafür nicht notwendig.

Im Vergleich mit herkömmlichen Verfahren ist auch die Herstellung von Prototypen bei LDS einfacher. Die Kunststoffgrundkörper lassen sich mit Hilfe von LDS-fähigem Material im 3D-Druck herstellen. Zum Einsatz kommt auch Spritzguss mit kostengünstigen Prototypen-Werkzeugen.

Neue Trends bei LDS

Die LDS-Technologie wurde in den letzten Jahren gleich in mehreren Bereichen verbessert und weiterentwickelt:Minimalwert für Abstände zwischen den Leiterbahnen (a): 150 μm Minimale Breite der Leiterbahnen (b): 150 - 250 μm; Radius (r): 0,2 mmMinimalwert für Abstände zwischen den Leiterbahnen (a): 150 μm Minimale Breite der Leiterbahnen (b): 150 - 250 μm; Radius (r): 0,2 mm

  • Der Arbeitsbereich der Laser wurde von 160 x 160 x 80 mm auf 200 x 200 x 80 mm vergrößert, was eine höhere Packungsdichte oder die Bearbeitung noch größerer Teile ermöglicht.
  • Die Arbeitsgeschwindigkeit des Lasers konnte durch Optimierung der Servoeinheiten und Spiegel für die Führung des Laserstrahls auf 4 m/s verdoppelt und die Bearbeitungszeit somit deutlich verringert werden.
  • Die Verbesserung der Optiken ermöglicht neben einem Laser mit einem Durchmesser von 100 μm auch einen Laser mit einem Feinfokus von 50 μm für die Bearbeitung noch kleinerer Strukturen.

Harting ist aktuell der einzige 3D-MID-Produzent weltweit, der über ein Lasersystem mit drei Feinfokus-Optiken von 50 μm verfügt. Durch den Feinfokus-Laser werden nochmals geringere Leiterbahnabstände erreicht. So kann auf dem gleichen Bauteil eine größere Anzahl an Leiterbahnen erstellt und eine höhere Packungsdichte erreicht werden. Sie wird u. a. für Sicherheitstechniken genutzt, weil die eng nebeneinander liegenden und verschlungenen Leiterbahnen selbst bei kleinsten physischen Eingriffen Sicher-
heitsalarme auslösen.

Fortschritte bei Material und Wirtschaftlichkeit

Für das LDS-Verfahren sind nur ausgewählte thermoplastische Kunststoffe zertifiziert und ab Lager verfügbar. Weitere Verbesserungen des Verfahrens betreffen kundenspezifische Anpassungen beim Kunststoff-Material:

  • Mit dem Verfahren, das Harting nutzt, sind auch nicht zertifizierte Werkstoffe durch LDS-Additive MID-tauglich.
  • Durch Farbpigmente und spezielle LDS-Additive lassen sich bei MID-Kunststoffen spezifsche RAL- oder Pantone-Farbtöne erreichen.
  • Durch die Auswahl geeigneter Additive können je nach Frequenzbereich auch besondere RF-Eigenschaften erzeugt werden.

Um die Wirtschaftlichkeit des Herstellprozesses weiter zu verbessern, setzt Harting auf die Automatisierung durch Robotersysteme. Die LDS-Lasersysteme sind mit einem Rundschalttisch ausgerüstet, damit ein Bauteil eingelegt bzw. entnommen werden kann, während ein anderes Bauteil noch bearbeitet wird. Das Zuführen und Entnehmen wird bei durch Robotertechnik automatisiert. So wird der Durchsatz und die Autonomie erhöht und eine Integration in automatisierte Produktionsabläufe ermöglicht. Einen weiteren Automatisierungsschritt nutzt der Dienstleister beim Spritzgussverfahren. Auch hier übernimmt ein Roboter das Entnehmen von Spritzgussteilen. Der Robotereinsatz erhöht zudem die exakte Reproduzierbarkeit der Prozesse und verbessert damit auch die Produktqualität.plus 2021 02 0013

Weiteres Wachstum für 3D-MID

Derzeit steigen die Anfragen für MID-Projekte aus vielen Anwenderbranchen. Harting hat den Geschäftsbereich 3D-MID deshalb durch Investitionen in den Maschinenpark und durch die Übernahme der Geschäftstätigkeiten eines Wettbewerbers weiter ausgebaut. Zum weiteren Wachstum tragen auch innovative Eigenprodukte bei (siehe Beispiele).

Beispiel 1: Bauteilträger

Harting hat als Hybrid-Ansatz den Bauteilträger entwickelt (PLUS 7/2020 S. 950–951): Elektronische Bauteile, wie LEDs, ICs, Fotodioden und Sensoren werden direkt auf diesen Bauteilträger bestückt. Dieser lässt sich anschließend wie eine Standard-SMD-Komponente verarbeiten (siehe Titelbild).

Beispiel 2: Sicherheitskappen für Zahlungsterminals

Die Sicherheitskappen schützen das Auslesen von Kreditkarteninformationen: Eine hochpräzise Mäanderstruktur detektiert jeden Eingriffsversuch und verhindert somit den Datendiebstahl. Die als 3D-MID-Bauteil hergestellten Kappen schützen damit die Elektronik von Zahlungsterminals mechanisch und elektronisch vor unautorisiertem Zugriff.

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