Im Forschungsvorhaben wurde der generative Druck von Kupferleiterstukturen auf dreidimensionalen Schaltungsträgern für elektrisch-mechanische Hybridbauteile als Alternative zu bestehenden Verfahren erarbeitet und untersucht. Zusammen mit dem Fokus auf Schaltungsträger aus dem 3D-Drucker stellt das Vorhaben eine Kombination aus drei Technologiefeldern dar: Der Gedruckten Elektronik, den Mechatronic Integrated Devices (MID) und der Additiven Fertigung (3D-Druck). Abbildung 1 visualisiert die Zielsetzung des Projektes.
Abb. 1: Veranschaulichung der Zielsetzung des Projektes (Quelle: Leibniz Universität Hannover – ITA)
Der verfolgte Forschungsansatz basiert auf dem Auftragen kupfergefüllter Lacke auf die Oberfläche dreidimensionaler Objekte und anschließendem Lasersintern der Strukturen. Die untersuchten kupfergefüllten Lacke enthalten entweder Kupferoxidpartikel oder elementare Kupferpartikel. In Abbildung 2 wird das verfolgte Prozessschema dargestellt. Ein räumlicher Schaltungsträger wird mit kupferhaltigem Lack beschichtet. Durch eine nachfolgende Laserbearbeitung wird der Kupferlack leitfähig und bildet die Leiterstrukturen aus.
Die Grundlagenuntersuchungen des Lasersinterns erfolgten auf 2D-Proben. Nach einer Parametrisierung mit verschiedenen Laserquellen wurden daraufhin Aspekte der 3D-Strukturierung auf einer industriellen Laseranlage von LPKF analysiert. Durch die Nutzung dieser technisch verfügbaren Anlagentechnik ist eine direkte industrielle Umsetzung der Forschungsergebnisse gewährleistet. Die erzeugten Schaltungsträger wurden auf die Weiterverarbeitbarkeit im Hinblick auf Bestückung untersucht. Die wissenschaftliche Fragestellung erstreckte sich auf die benötigten Vorbehandlungen und erzielbaren Haftfestigkeiten der Leiterstrukturen auf der Oberfläche der Schaltungsträger, die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit der kupfergefüllten Beschichtung und die erzielbaren Ergebnisse in Bestückungs- und Lötprozessen.
Abb. 2: Grundsätzliches Prozessschema für das Projekt (Quelle: Leibniz Universität Hannover – ITA)
Im Forschungsprojekt wurden grundlegende Fragestellungen an mehreren Versuchsträgern ermittelt. Diese beinhalten sowohl spritzgegossene Bauteile als auch 3D-Druck-Bauteile unterschiedlicher Druckprozesse. Bei den Untersuchungen hat sich gezeigt, dass insbesondere bei Bauteilen aus dem 3D-Drucker keine gut geeigneten Voraussetzungen für das Lasersintern von dünnen Leiterbahnen vorhanden sind. Dies liegt zum einen an der oft geringen thermischen Stabilität der verwendeten Kunststoffe, aber auch daran, dass die Oberflächenrauheit der Bauteile zu hoch ist. Daher wurde eine geeignete Vorbehandlung mit einer Grundierung erarbeitet, die geeignete Eigenschaften für die nachfolgende Leiterbahnerzeugung unabhängig von der Bauteiloberfläche schafft. Die entwickelte Prozessmethodik wurde anschließend für die Fertigung eines Demonstrators verwendet. Dazu wurde auf die Innenseite eines Antennendeckels der Firma deister electronic eine leitfähige Patchantenne aufgebracht und die Übertragungseigenschaften geprüft.
