3D-MID-Leiterplatte

Prototypen und Funktionsmodelle
Mit dem Rapid-Prototyping können innerhalb kurzer Zeit und für ein überschaubares Budget 3D-MIDPrototypen und Funktionsmodelle hergestellt werden. Die Validierung des Designs und der Funktionalität gibt vor der Investition in die Serienproduktion die Sicherheit für den Erfolg eines Projekts. Hierbei setzt CONTAG auf den 3D-Druck in Kombination mit der Laserdirektstrukturierung (LDS). Bei niedrigen Stückzahlen kommt das Rapid-Prototyping auch für Endanwendungen infrage.

CONTAG bietet dabei als ein mögliches Verfahren den Stereolithographie-3D-Druck (SLA) bis zu einer Größe von 145mm x 145mm x 175mm an. Im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren zeichnet sich das SLA-Verfahren durch eine hervorragende Oberflächenbeschaffenheit und Detailtreue aus.

Das Funktionsprinzip basiert auf dem schichtweisen Aushärten eines flüssigen Harzes mithilfe eines UV-Lasers. Dabei beträgt die minimale Schichtdicke 0,025mm. So entstehen aus CAD-Daten qualitativ hochwertige Grundkörper für 3D-MID-Prototypen.

Mit dem HighTemp-Material steht dabei eine Variante zur Verfügung, welche den thermischen Anforderungen von Reflow-Lötverfahren und auch zahlreicher Endanwendungen gerecht wird. Darüber hinaus spricht die chemische Stabilität der SLA-Materialien für sich. Sie sind chemisch beständig gegenüber Laugen, Säuren, (Mineral-)Ölen, Fetten, Kohlenwasserstoffen, Salzwasser, und Wasserstoffperoxid.

Für die Serienfertigung von 3D-MID gibt es verschiedene etablierte Verfahren, die CONTAG beide beherrscht und anbietet.
 

2-Komponenten-Spritzguss

Dieses Herstellungsverfahren bietet sich insbesondere bei relativ einfachen Schaltungen an. Hierbei werden in sequentiellen Spritzguss-Schritten zwei verschiedene Kunststoffe in einem Formteil so kombiniert, dass die Struktur des elektrischen Layouts bereits abgebildet ist.

Dabei zeichnet sich jener Kunststoff, der die Layoutstruktur abbildet, dadurch aus, dass er sich durch chemische Verfahren metallisieren lässt. Das Bauteil wird somit strukturiert metallisiert, wobei die Struktur durch das Design der 2k-Werkzeuge festgelegt ist.

Vor allem bei sehr hohen Stückzahlen kann der 2k-Spritzguss die Methode der Wahl sein. Nachteilig sind neben den hohen Initialkosten und langen Entwicklungs- und Fertigungszeiten vor allem die fehlende Flexibilität und das begrenzte Auflösungsvermögen beim elektrischen Layout.

1k-Spritzguss und LDS-Verfahren

In Bezug auf Initialkosten, Strukturauflösung und Flexibilität ist der 1k-Spritzguss + LDS-Verfahren für viele 3D-MID-Projekte geeigneter. Deshalb erfreut sich dieser Prozess bei CONTAG immer größerer Beliebtheit.

Die größtmögliche Strukturauflösung von bis zu 100μm line/space kann auf Formteilen erzielt werden, die mithilfe des 1k-Spritzguss-Verfahrens unter Verwendung eines Edelstahl-Werkzeuges gefertigt sind. Edelstahl-Werkzeuge sind auch hinsichtlich der Formstabilität und Dimensionsgenauigkeit von ca. ±0,05mm alternativen Werkzeugmaterialien überlegen.
 

1k-Spritzguss auf Basis gefräster Aluminium-Werkzeuge

Allerdings stellen die Herstellungskosten und monatelangen Lieferzeiten für das Werkzeug hohe Hürden dar. Aus diesem Grund bietet CONTAG auch ein alternatives 1k-Spritzguss-Verfahren auf Basis gefräster Aluminium-Werkzeuge an, mit denen auch bei hohen Stückzahlen eine Dimensionsgenauigkeit von ca. ± 0,08 mm gewährleistet werden kann.

Die erzielbare Strukturauflösung von 200μm line/space ist für die Mehrzahl der MID-Anwendungen vollkommen ausreichend. Mit dem Aluminium-Werkstoff werden bei geringen Einbußen in der Produktqualität Kosten und Lieferzeiten für das Spritzguss-Werkzeug signifikant reduziert.

Außerdem kann auch in dieser Variante auf die gesamte Bandbreite an LDS-fähigen Thermoplasten zurückgegriffen werden, von einfachen ABS-Substraten bis hin zu LCP oder PEEK Hochleistungskunststoffen.

Prinzipiell sind auch Duroplaste für 3D-MID-Anwendungen geeignet. Im Gegensatz zur Leiterplattentechnologie spielen Duroplaste für 3D-MID bisher aber eine untergeordnete Rolle.

Die Thermoplaste, insbesondere die Hochleistungskunststoffe, werden den Anforderungen in den meisten Anwendungsfeldern gerecht. Darüber hinaus sind Thermoplaste aufgrund ihrer Thermoverformbarkeit einfacher zu verarbeiten als Duroplaste.

Weit verbreitete Vertreter von 3D-MID-Hochleistungs-Thermoplasten sind LCP-Materialien (liquid crystal polymer). Diese teilkristallinen Kunststoff-Compounds enthalten einen hohen Grad an Füllstoffen und zeichnen sich durch hervorragende thermische und elektrische Eigenschaften sowie sehr gute Chemikalienbeständigkeit aus.

Weitere allgemeine Eigenschaften:

• Chemisch stabil gegenüber Ölen, Ozon, Teer, viele Lösemittel und verdünnte Säuren
• Hohe UV- und Witterungsbeständigkeit
• Realisierbarkeit von Durchkontaktierungen im additiven LDS-Verfahren

Die Laserdirektstrukturierung (LDS) kann in Additiv- und Subtraktiv-Verfahren unterteilt werden. Beim additiven LDS-Verfahren kommen Spritzguss-Rohmaterialien infrage, in die ein metallhaltiges Additiv beigemengt ist.

Alternativ kann ein solches Additiv mit dem Protopaint-Speziallack auf die Oberfläche eines beliebigen Grundkörpers appliziert werden (siehe oben). Die Metallkeime werden durch die strukturierte Belichtung mit einem Laser entlang des elektrischen Layouts für eine chemische Metallisierung aktiviert.

Außerdem wird die Kunststoffoberfläche an den belichteten Stellen angeraut. Hier kann nun chemisch 5-10μm Kupfer abgeschieden und anschließend z.B. mit dem bewährten ENIG-Prozess veredelt werden.

Für die meisten Anwendungen ist die chemisch abgeschiedene Cu-Dicke völlig ausreichend, bei entsprechender Planung des Layouts im Vorfeld besteht aber auch die Möglichkeit der galvanischen Nachverstärkung. Die erreichte Haftfestigkeit bzw. Abzugskraft der chemisch abgeschiedenen Kupferbahnen liegt je nach Material im Bereich von 1,4N/mm und damit höher als in der relevanten IPC-Leiterplattennorm gefordert (>1N/mm).

Prozesskette beim additiven LDS-Verfahren. Quelle: Forschungsvereinigung 3D-MID e.V.

Beim subtraktiven LDS-Verfahren geht man von einem vollflächig mit Kupfer beschichteten Formteil aus. Auf die Oberfläche dieses Formteils wird ein Ätzresist aufgetragen und mit dem Laser strukturiert. Anschließend wird die freigelegte Kupferfläche weggeätzt und der Resist wieder abgetragen.

CONTAG bietet sowohl das additive als auch das subtraktive LDS-Verfahren an. Je nach Design und gewünschter Kupferbelegung empfiehlt sich die eine oder andere Variante.