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Inhouse-Laserstrukturierung

Prototyping-Verfahren für 3D-Schaltungen
Inhouse-Laserstrukturierung

Bei komplexen räumlichen Verhältnissen haben sich dreidimensionale Schaltungsträger längst durchgesetzt. Auch das Layout von 3D-Schaltungen ist gut gelöst. LPKF stellt ein Verfahren aus drei Komponenten vor, mit dem sich Prototypen zuverlässig, schnell und günstiger herstellen lassen, als bisher.

LPKF, Garbsen

Der Begriff Molded Interconnect Devices (MID) beschreibt spritzgegossene Schaltungsträger, die aus Kunststoffen im Spritzgussverfahren hergestellt und anschließend mit Leiterstrukturen versehen werden. In den letzten drei Jahren konnten sich räumliche elektronische Baugruppen einen größeren Markt erobern. Eine Spitzenposition dabei nimmt das LPKF-LDS-Verfahren (Laser-Direktstrukturierung) ein. Damit werden zum Beispiel aktuell ca. 180 Mio. Smartphone-Antennen pro Jahr gefertigt. Zunächst wird ein Bauteil im Einkomponenten-Spritzguss aus einem mit einem metallorganischen Additiv dotierten Kunststoff hergestellt. Ein Laserstrahl schreibt die Leiterstrukturen auf das Bauteil. Dabei raut er die Oberfläche an und aktiviert gleichzeitig die Additive. Auf diesen Oberflächenstrukturen bauen sich die Kupferbahnen in einem stromlosen Kupferbad auf. Zusätzlich lassen sich auf dem Kupfer auch Nickel- und Goldschichten abscheiden.
LDS-Oberflächen- beschichtung als Lack
Zwischen Entwurf eines MID-Bauteils und dem Produktionsanlauf liegen in der Regel mehrere Prototypenstadien: für Entscheidungsprozesse, Zusammenbau-Studien oder allgemein zur Beschleunigung der Produktentwicklung. Dabei kommt es auf eine möglichst seriennahe Gestaltung der Prototypen an. Das Prototyping war bislang zeit- und kostenaufwändig, manchmal sogar unmöglich. So ist zum Beispiel beim 2K-Verfahren die Herstellung von Prototypen im Original-Verfahren fast immer unwirtschaftlich, da teure Spritzgusswerkzeuge notwendig wären. Kleinere Grundkörper für das LDS-Verfahren lassen sich durch mechanische Bearbeitung (z.B. Fräsen) aus einem LDS-dotierten Halbzeug (dickere spritzgegossene Plattenmaterialien) herausarbeiten und dann laserstrukturieren und metallisieren. Eine weitere Option besteht in der Anfertigung von Prototypen über ein Vakuumgießen von LDS-additivierten Polyurethanharzen (PUR) in einer Silikongießform. In den letzten Jahren gab es rasante Fortschritte in der Entwicklung additiver Fertigungsverfahren. Hierbei können direkt aus CAD-Daten und ohne Nutzung von Formwerkzeugen Bauteile vollautomatisch im schichtweisen Aufbau gefertigt werden. Die wichtigsten Verfahren sind das Fused Deposition Modeling (FDM), das Selektive Lasersintern (SLS) und die Stereolithographie (SLA).
Das von LPKF erstmals zur Hannover Messe 2011 präsentierte Prototyping-Verfahren basiert auf einer Entwicklung, die bereits im Herbst 2010 auf dem 9. Internationalen MID-Kongress in Fürth vorgestellt wurde. Die Basis ist ein mittels Rapid-Prototyping erstellter Kunststoffkörper. Darauf kommt ein Lack mit laseraktivierbaren Additiven. Derzeit steht dieser Lack noch als Zweikomponenten-Version aus Grundlack und Härter auf Basis eines Polyurethan- Isocyanat-Systems bereit. Ziel ist eine Einkomponenten-Variante – möglichst in einer einfach zu handhabenden Sprühdose. Der Lack kann nahezu beliebige Kunststoffoberflächen mit einer laseraktivierbaren Beschichtung versehen. Der per Stereolithografie, Lasersintern oder durch FDM (Fused Deposition Modeling) erstellte Rohling wird für die Laserstrukturierung mit einer Schichtdicke von ca. 30 bis 40 µm lackiert. In der Praxis waren zwei aufeinander folgende Lackierungen ideal für eine ausreichende Schichtdicke.
System zur Laser-Direktstrukturierung
Anschließend findet die Laserstrukturierung wie bei herkömmlichen LDS-Spritzgussbauteilen statt. Dafür hat das Unternehmen erstmals auf der Hannover Messe 2011 ein Vorserienmodell des LPKF Fusion3D 1000 präsentiert. Dieses preisgünstige Lasersystem kann räumliche Bauteile in einem Bearbeitungskubus von 120 mm x 120 mm x 50 mm (X, Y, Z) strukturieren. Der Laserkopf kommt auch im Spitzenmodell Fusion3D zum Einsatz, so dass sich Prototyping-Layouts sofort in Produktionsdaten übernehmen lassen. Die große, in Z-Achse verfahrbare Arbeitsbühne ist speziell für das Prototyping konstruiert, aber auch Klein- und Mittelserien lassen sich damit fertigen. Der Fusion3D 1000 kann mit kundeneigenen Werkstückaufnahmen oder Aktoren für die räumliche Manipulation der zu lasernden Teile ausgestattet werden. Ein zusätzlicher Pilotlaser erleichtert das exakte Einrichten des Teils für den Laserprozess. Das System kommt mit einem Footprint von 80 cm x 150 cm (B x T) aus und kann auf Rollen einfach positioniert werden. Es gelangt ab Mitte 2011 in den weltweiten Vertrieb und wird mit der bewährten Software CircuitPro 3D ausgestattet.
Metallisierung im Becherglas
Als letzter Schritt in einer geschlossenen Prototyping-Kette fehlt noch die Metallisierung. Auch dafür existiert mittlerweile eine verlässliche Lösung für das Prototyping, aber auch für die gelegentliche Kleinserienproduktion sowie zur Ermittlung der optimalen Laserparameter unter standardisierten Metallisierbedingungen: ein Set von Laborgeräten, Chemikalien und Analyseequipment, das in einem exakt beschriebenen Prozess in einer Kaskade von Bechergläsern, platziert in einem Laborabzug, eingesetzt wird. Gemeinsam mit der Enthone GmbH entwickelt und testet das Unternehmen gerade eine Instant-Lösung für die chemische Verkupferung von LDS-Prototypen, die ohne analytische Überwachung der Badkomponenten auskommen wird. Dem Anwender steht dann auch ohne Vorhandensein eines Labors der Weg zur Metallisierung von Prototypen in einem einfach zu handhabenden Set offen.
Der Prototyping- Prozess
Mit diesen Komponenten lässt sich das 3D-Prototyping als komplette Inhouselösung realisieren. Nach dem CAD-Entwurf gilt es, das Kunststoffbauteil über ein geeignetes generatives Fertigungsverfahren herzustellen. Im zweiten Schritt erfolgt die Lackierung der Kunststoffoberfläche mit dem LDS-fähigen Sprühlack „ProtoPaint“ Für das Prototyping müssen nur die Bereiche lackiert werden, die tatsächlich mit Leiterstrukturen versehen werden sollen. Anschließend erfolgt die Strukturierung der Bauteile in der Laseranlage und schließlich wird das Bauteil der Metallisierung zum Leiteraufbau zugeführt. Das Prozessfenster der Laserstrukturierung von LDS-fähig lackierten Prototypen ist groß. Die Haftfestigkeiten der Metallisierung sind sehr gut, teilweise übersteigen die Werte die Haftfestigkeiten von Leiterbahnen auf den Original-LDS-Kunststoffen.
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