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Montag, 06 September 2021 11:59

Mobilität der Zukunft: Hybridleiterplatten aus Kunststoff statt Keramik

von Redaktion
Geschätzte Lesezeit: 4 - 8 Minuten
Abb. 1: Eine am Fraunhofer ILT gefertigte sogenannte Hybridleiterplatte. Sie fasst mehrere Funktionen in einem Bauteil zusammen Abb. 1: Eine am Fraunhofer ILT gefertigte sogenannte Hybridleiterplatte. Sie fasst mehrere Funktionen in einem Bauteil zusammen

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT ist es in Zusammenarbeit mit Projektpartnern gelungen, ein neuartiges industrielles Fertigungsverfahren zu entwickeln. Es ermöglicht kostengünstige FR4-Leiterplattensubstrate jetzt auch in der Leistungselektronik, zum Beispiel in Elektromotoren, anzuwenden.

Scientists at the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT, in collaboration with project partners, have succeeded in developing a novel industrial manufacturing process. It now enables low-cost FR4 circuit board substrates to be used in power electronics, for example in electric motors.

Gegenüber dem Einsatz von konventionellen Leiterplatten aus Keramik sind die sogenannten Hybridleiterplatten nicht nur wesentlich vielseitiger einsetzbar, sondern auch bis zu 20-mal günstiger. Das könnte mittelfristig eine Marktlücke schließen und so einen wichtigen Beitrag zur Mobilität der Zukunft leisten.

Am 29. Juli 2021 war der sogenannte Earth Overshoot Day – der Tag, an dem wir Menschen die natürlichen Ressourcen unseres Planeten aufgebraucht haben. Das bedeutet: Bis Jahresende leben und konsumieren wir auf Kosten unserer Erde – ein Zustand, auf den die Forschung schon lange hinweist. Mit dem Vorhaben der Klimawende nehmen sich Politik und Industrie zunehmend der Notwendigkeit an, die extreme Abhängigkeit unserer Gesellschaft von fossilen Ressourcen möglichst rasch zu beenden.Abb. 2: Demonstrator für die Kombination von Kaltgassprühverfahren und laserstrahlbasiertem FügenAbb. 2: Demonstrator für die Kombination von Kaltgassprühverfahren und laserstrahlbasiertem Fügen

Der Begriff der Energiewende kursiert im wissenschaftlichen Diskurs schon seit den 1980er-Jahren. Ausgangspunkt war die Umwelt- und Anti-Atomkraftbewegung der 1970er Jahre. Breitflächig umgesetzt aber wird sie dagegen erst seit 2015, als 196 Mitgliedstaaten der Vereinten Nationen das Pariser Klimaabkommen unterzeichneten. Das hat zunehmenden Einfluss auf die Art und Weise, wie wir Energie erzeugen und nutzen – und welche Technologien wir dafür einsetzen. Insbesondere die Mobilitätswende als wichtiger Baustein der Energiewende steht im Fokus des Interesses. Eins der zentralen Ziele ist es, von Verbrennungsmotoren auf die Elektromobilität umzusatteln. Das wird den schon in der jüngsten Vergangenheit stark gestiegenen Bedarf an Technologien zur Erzeugung von elektrischer Energie auch in Zukunft deutlich erhöhen.

Im BMWi-geförderten Projekt CLAPE (‚Innovative Cold Spray Deposition and Laser Joining for PCB Based Power Eletctronics') nahmen sich Expertinnen und Experten des Fraunhofer ILT, der ILFA GmbH und der französischen KMU Ouest Coating in den vergangenen drei Jahren dieser Herausforderung erfolgreich an. Sie entwickelten ein neuartiges Verfahren zur Fertigung von Leiterplatten wie sie in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. Es spart Gewicht und Raum und könnte künftig auch die Kosten senken – sowie zu einer maßgeblichen Reduzierung von CO2-Emissionen führen.

Ein Bauteil, mehrere Funktionen

„Stellen Sie sich einen Kupferblock mit gleicher Fläche, aber unterschiedlicher Dicke im Querschnitt vor“, bricht Projektleiter Woo-Sik Chung aus der Gruppe Mikrofügen am Fraunhofer ILT das Prinzip des neu entwickelten Fertigungsverfahrens auf seine Essenz herunter. „Je dicker der Block, desto größer die Stromübertragung. Dort, wo am meisten Strom benötigt wird, verstärken wir die Leiterplatte. Dort, wo nur wenig Strom hindurchfließen muss, sparen wir Material ein.“

Das gelang, indem die am Projekt CLAPE beteiligten Expertinnen und Experten einen neuen Prozess entwickelten, mit dem gezielt Bereiche einer Leiterplatte so verdickt wurden, dass eine geschweißte Verbindung angebracht werden konnte. Mit standardisierten Herstellungsverfahren wie dem klassischen Laserstrahlschweißen war das bislang nicht machbar. Denn herkömmliche Leiterplatten bestehen üblicherweise aus Keramik. Beim Laserstrahlschweißen wiederum wird so viel Energie freigesetzt, dass das Material dabei signifikant beschädigt würde. Damit das nicht passiert, wird eine Metallisierung mit größerer Wärmekapazität benötigt, einer größeren Wärmemenge also, die das Bauteil bei einer bestimmten Temperaturänderung aufnehmen kann.

„Bisher galt: Man verwendet eine Leiterplatte mit dünner Metallisierung oder mit dicker. Entweder-oder. Je nach Einsatzzweck“, erklärt Chung. „Ein Stromwandler, um Akkus in E-Autos zu laden beispielsweise benötigt zur Leistungsübertragung viel Strom innerhalb eines kurzen Zeitraums. Um ein Stromsignal an eine LED-Leuchte zu übertragen, bedarf es dagegen nur weniger Milliampere. Unser neues Fertigungsverfahren ermöglicht es, beides auf nur einer Leiterplatte gleichzeitig zu realisieren: Signal- und Stromübertragung.“

Der Vorteil des neu entwickelten Verfahrens: Es ermöglicht auch bei energieaufwändigen Schweißprozessen mehrschichtige Leiterplatten auf Basis konventioneller, kostengünstiger FR4-Subtrate zu nutzen. Bei herkömmlichem Schweißprozessen würden diese thermisch beschädigt. Zudem benötigen die produzierten Hybridleiterplatten dank ihres spezifischen Aufbaus zur Signal- und Stromübertragung unter dem Strich signifikant weniger Strom als herkömmlich gefertigte Leiterplatten. Das spart nicht nur Platz, sondern in der Summe auch große Mengen an Energie, denn diese kann wesentlich effizienter verteilt werden (vgl. Abb. 2).

Kombination bewährter Prozesse

Das experimentelle Set-up umfasste drei Phasen: das Laminieren, das Schichten des Materials, also das Aufdicken, sowie den Schweißprozess. Dazu wurden zwei bewährte Prozesse neu miteinander kombiniert: das Kaltgassprühverfahren und das Laserstrahlmikroschweißen.

Im ersten Schritt wurde eine rund 18 μm dünne Kupferschicht auf das FR4-Substrat laminiert. Sie diente als Bindeschicht zwischen dem im zweiten Schritt per Kaltgassprühverfahren aufgebrachten Kupferpulver und dem FR4-Substrat. Durch das Auftragen einer dünnen Kupferpulver-Schicht verdickten die Experten es dabei ausschließlich an jenen Stellen, wo es funktional notwendig und gewollt war. Dabei entstand eine Kupferschicht, deren Materialeigenschaften annähernd der theoretischen Materialdichte und Wärmeleitfähigkeit entsprachen. Das minimierte die Wahrscheinlichkeit, dass negative Effekte beim Laserstrahlmikroschweißen und durch die örtliche Leistungsmodulation des Laserstrahls auftraten. So konnten unterschiedlich verstärkte Leiterbahnen per Laserstrahlmikroschweißen stoffschlüssig mit der Leiterplatte verschweißt werden – ohne dass eine zu große thermische Belastung sie maßgeblich beschädigte.

Im Vergleich zu anderen thermischen Sprühverfahren, ist das Kaltgassprühverfahren aufgrund seines relativ geringen Energieaufwands besonders zur Metallisierung temperaturempfindlicher Materialien und Substrate geeignet. Selbst wenn die auf dem Substrat laminierte Grundmetallisierung aus Kupfer, wie im Anwendungsfall, mit 18 μm lediglich hauchdünn ist, wurde das Substrat kaum beschädigt. Entsprechend groß ist die Bandbreite mit der das Kaltgassprühverfahren eingesetzt werden konnte. Die aufgetragene Kupferschicht konnte bis auf 600 μm verstärkt werden.

Die größte Herausforderung dabei war es, die grobe Oberflächenbeschaffenheit und die ungleichmäßige Wärmeverteilung beim Auftragen der Kupferschicht zu berücksichtigen. Die Energie des Laserstrahls musste dafür so reguliert werden, dass die aufgetragene Kupferschicht trotz der rauen Oberfläche homogen aufschmilzt und dabei den Spalt zwischen beiden Fügepartnern überbrückt.

Der Hintergrund: Wenn beim Schweißen Dampf abströmt, übt er Druck auf die Schmelze aus und verdrängt sie teilweise. Das Werkstück schmilzt noch weiter auf. Ein tiefes, schmales, dampfgefülltes Loch bildet sich, eine Dampfkapillare. Das galt es so weit wie möglich zu verhindern. Darauf haben insbesondere die Oberflächenbeschaffenheit und die Energie des Lasers einen entscheidenden Einfluss. Dabei gilt: je grobkörniger das Kupferpulver, desto rauer die per Kaltgassprühverfahren aufgebrachte Schicht. Je höher die Energieeinwirkung, desto tiefer die Dampfkapillaren, die ein tieferes Eindringen der Schmelze in das Material zur Folge haben (vgl. Abb. 3 und 4). Diesen Zusammenhang gilt es in den Folgeprojekten weiter zu untersuchen. Das Ziel: Die Prozesse bis hin zur Marktreife optimieren.

 Abb. 3: Längsschliff von Blindschweißung auf gesprühter KupferschichtAbb. 3: Längsschliff von Blindschweißung auf gesprühter Kupferschicht

 Abb. 4: Längsschliff von geschweißter Probe mit geringer OberflächenrauhigkeitAbb. 4: Längsschliff von geschweißter Probe mit geringer Oberflächenrauhigkeit

Potenzial weiter ausschöpfen

„Setzt sich das Verfahren in der Praxis durch, könnten unsere Hybridleiterplatten perspektivisch mehrere Funktionen innerhalb eines Bauteils zusammenfassen“, sagt Woo-Sik Chung. „Wir könnten damit den Bauraum für die Leistungselektronik und das Gesamtgewicht von E-Autos signifikant reduzieren, was sowohl in einer höheren Reichweite als auch einem langfristig geringeren CO2-Ausstoß münden würde.“ Auch in Anbetracht der Tatsache, dass die benötigten Ressourcen zur Herstellung von Chips für die Leistungselektronik knapp bemessen sind, ist das eine überaus wichtige Erkenntnis.

Dass mit der höheren Effizienz auch eine größere Wirtschaftlichkeit einhergeht, macht die Neuentwicklung des Fraunhofer ILT für die Industrie besonders interessant. Vor allem, wenn man an die erst kürzlich weiter nach oben korrigierten deutschen Klimaziele denkt, nach denen bis 2030 65 % CO2 eingespart und das Land bis 2045 klimaneutral werden soll. Statt weniger zentraler Stromversorger soll es dann ein dezentrales Netz vieler Energielieferanten geben. Solarzellen zum Beispiel, private Biogas- und Windkraftanlagen. Ein weiterer zentraler Strategiebaustein: die E-Mobilität. So könnten Batterien von E-Autos Energie künftig speichern oder bereitstellen. Ganz nach Bedarf.

Zu den wichtigsten Innovationstreibern auf diesem Gebiet gehören insbesondere die Elektronik- und Chemiebranche mit ihrem jahrzehntelangen Erfahrungsschatz. Das verdeutlicht eine Studie des Wiener Zukunftsinstituts. Demnach haben die traditionellen Automobilhersteller beim Verbrennungsmotor einen Know-how-Anteil von mehr als 60 %, beim Elektromotor dagegen sind es nur noch 15 %. Das Wissen um herkömmliche Motoren und Getriebe also scheint für die E-Mobilität nur noch eine untergeordnete Rolle zu spielen. In der Mobilitätsbranche und darüber hinaus sind also neue Technologien gefragt, wie das in CLAPE entwickelte Fertigungsverfahren für Hybridleiterplatten in der Leistungselektronik.

„Wir haben das Projekt vor Kurzem erst abgeschlossen“, sagt Chung. „Die Technologie ist zwar noch nicht marktreif und bis zum praktischen Einsatz sind noch einige Anpassungen nötig. Wir konnten aber jetzt schon aufzeigen, dass es vielversprechende technologische Alternativen zum Status quo gibt.“ Das nächste Forschungsziel ist es nun, die Energieeinbringung zu optimieren und die Kosten weiter zu reduzieren. „Hier haben wir noch Luft nach oben. Das zeigt uns aber auch, welch großes Potenzial in der Technologie liegt, sobald sie wirtschaftlich rentabel genutzt werden kann.“

Die CLAPE-Projektpartner:

  • ILFA GmbH, Hannover (Leiterplatten, Demonstratorenaufbau)
  • Ouest Coating, Saint Nazaire / Frankreich (Kaltgassprühverfahren)
  • Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen (Laserbasierte Fügetechnik, Projektleitung)

Das Projekt CLAPE wurde vom Bundeministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) gefördert. Projektträger war die Aif Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen ‚Otto von Guericke' e. V.

Weiterführende Informationen:

Kontakt: Woo-Sik Chung M. Sc. Fraunhofer ILT, Gruppe Mikrofügen Telefon +49 241 89 06 - 322 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! www.ilt.fraunhofer.de/mikrofuegen

W.-S. Chung, G. Jo, A. Olowinsky: „Investigation of the laser-based joining technique for PCBs with locally thickened layers using a cold gas spraying process“, Proc. SPIE 11674 (2021); doi:10.1117/12.2585101

Bilder: Fraunhofer ILT, Aachen

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  • Ausgabe: 8
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Redaktion

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