Embedding von elektronischen Komponenten auf MID-Substrate

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Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Die mechatronische Integration verlangt zusätzlich Formfaktoren und mechanische Funktionalitäten einzuhalten. Individuell geformte Module werden daher eine werkzeuglose Verbindungstechnik benötigen und ein werkzeugloses Einbringen von Leiterbahnen. Die neuartige generative Prozessführung führt zu neuen Applikationen mit hohem Potential wie:

Gedruckte Elektronik (Umverdrahtung, Kontaktpads, Widerstände, Kondensatoren, etc.),

Form-individuelles Packaging,

Anwendungen im Bereich MEMS zur Medizintechnik und Bio-Technologie,

Optoelektronische Systeme.

Klassische elektronische Baugruppen enthalten neben einer Leiterplatte als Schaltungsträger verschiedene Komponenten in Polymergehäusen, Stecker, weitere kleinere Leiterplatten sowie Metallisierungen, die strukturiert an die Strombelastung angepasst sind.

Substrate, aktive und passive Komponenten Sensoren

Diese Systemarchitektur erfüllt demnach die hochentwickelten Anforderungen an die Mechatronik und Mikromechatronik, nämlich Mechanik, Elektronik und Software auf engstem Raum zu integrieren. Doch nicht nur die dedizierte Systemarchitektur spielt für die zukünftige Produktentwicklung eine entscheidende Rolle. Durch den immer größeren Innovations- und Wettbewerbsdruck ergibt sich eine starke Verkürzung der Produktlebenszyklen und damit auch der verfügbaren Produktentwicklungszeit.

Mit Hilfe der Generativen Verfahren ist es möglich, die Produktentwicklung in jeder Phase sowohl mit virtuellen und physischen Prototypen als auch mit Endprodukten zu unterstützen. Erfolgreiche Produktentwicklung bedeutet heute, ein Produkt bei höchster Qualität und niedrigen Kosten in kurzer Zeit zu entwickeln und zu fertigen. Dabei können Technologien helfen, welche durch die Fraunhofer Allianz generative Fertigungstechnik entwickelt werden.

Konventionelle Fertigung vs. Generative Fertigung

Der Vergleich der neuen generativen Fertigungstechnik zur konventionellen Fertigung anhand einer Baugruppe zeigt, dass schon zur Herstellung einer Leiterplatte über 24 verschiedene Prozessschritte erforderlich sind. Für das Assembling nochmals etwa 13 Prozessschritte vom Lotpastendruck bis zum Prüfen der Baugruppe. Generativ gefertigt, reduziert sich zur Herstellung der Leiterplatte die Anzahl der Arbeitsgänge auf drei aufeinander abfolgende, sich wiederholende Schritte: Drucken (z.B. Inkjet), Trocknen und Sintern. Dies wird durchgeführt, bis die Leiterplatte fertig ist. Ein Teil der Komponenten ist bereits durch individuellen Druck integriert. Daran kann sich eine konventionelle Montage der restlichen Komponenten anschließen.

Als Vorteil lässt sich die deutliche Reduktion an komplexen Prozessen identifizieren, die einem weniger etablierten Prozess beim generativen Inkjetdruck gegenübersteht. Ein besonderer Anreiz ist es, mit den Leiterbahnen zugleich auch einfache bis komplexe Sensorik simultan aufzubringen.

Trotz dieser Ersparnis gibt es noch eine Reihe von Hürden zu überwinden. Konventionelle Methoden sind in der Elektronik durch zahlreiche Vorschriften und Regeln der Technik abgesichert (z.B. IPC A 610, Revision E oder andere). Damit wird die Bewertung der Verbindungsstellen erheblich vereinfacht. Für die generative Verfahrenstechnik steht ein derart ausgefeiltes System, angelehnt an den Stand der Technik, erst am Anfang.

Eingebettete elektrische Schaltung mittels Stereolithographie

Die Zielsetzung ist die Integration von elektronischen Komponenten in ein Substrat, das unter Anwendung generativer Fertigungsverfahren produziert wird. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde zunächst ein Bauteil hergestellt, bei dem in ausgewählten Ebenen Bauteile eingelegt sind. Dabei handelt es sich um Widerstände, Kondensatoren, LEDs und einen Mikrocontroller in SMD-Ausführung (Bild 1). Bei dieser Technik handelt es sich um eine sequenzielle Technik zwischen SLA und Bestückungstechnologie.

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Methoden zur Kontaktierung elektronischer Bauteile

Zur Kontaktierung der elektronischen Bauteile gibt es mehrere Möglichkeiten:

Leitfähige Epoxid-Klebstoffe,

Druck unter Anwendung des Inkjet-Verfahrens,

Einspritzen von leitfähigem Material,

Stromlose Aufgalvanisierung einer leitfähigen Struktur.

An dieser Stelle soll der Fokus auf die Verwendung von leitfähigem Epoxid-Klebstoff gelegt werden. Dieser Klebstoff bildet die elektrische und mechanische Verbindung zwischen Bauteilkontakt und Basismaterial.

Die in dieser Technologie gefertigte Schaltung hat die Funktion eines Feuchtedetektors (Bild 2) und wurde durch speziell entwickelte Verarbeitungstechniken des leitfähigen Polymers realisiert.

Bei dem oben aufgeführten Demonstrator wurden das Einbetten und die Kontaktierung der Bauteile auf zwei Dimensionen beschränkt. Ein Großteil der Komponenten und Verbindungen sind oberflächig angeordnet.

3-D Integration und Zuverlässigkeit

Die Bilder 3 und 4 zeigen einen Berührungssensor, bei dem sowohl die Bauteile als auch deren elektrische Verbindungen dreidimensional im Package integriert sind. Somit ist eine vollständige Verkapselung der Schaltung gewährleistet.

Zur Bestimmung von Zuverlässigkeit können in einem ersten Ansatz die Bedingungen für Consumer Elektronik simuliert werden:

1000 Stunden bei 85ºC, 85% relativer Feuchte,

Temperaturwechsel; 1000 Zyklen bei –40ºC/85ºC (Consumer electronic),

Temperatur-Auslagerung; 1000 Stunden bei 85ºC.

Erste Zuverlässigkeitsuntersuchungen zeigen, dass die leitfähigen Strukturen dieser Bewährungsprobe gewachsen sind. Die Haftung des verwendeten Leitklebers ist groß genug, um für eine ausreichende Verbindung zu sorgen. Allerdings ist es wegen der derzeit noch etwas geringeren Widerstandskraft von generativen Materialien hilfreich, die Temperatur der Standard-Zuverlässigkeitsprozesse in der Elektronik um 10 K zu reduzieren.

Eine konsequente Kombination der SLA und Einbetttechnik ist in Bild 5 gezeigt. Das sogenannte eSeal – ein intelligenter Flaschendeckel – besteht aus einem generativ eingebrachten Sensorsystem und einer zugehörigen Verschlusseinheit. Dieses kann, in einen Flaschendeckel integriert, Temperatur und Öffnungsintervalle des Gebinde-Verschlusses aufzeichnen. Zugleich ist das System mit einer RFID-Schnittstelle ausgestattet und integrierter Aktorik ausgestattet. Damit kann wirkungsvoll das Öffnen des Gebindes durch nicht autorisierte Personen verhindert werden. Die ersten Beispiele sind in Bild 6 dargestellt.

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Link: Fraunhofer Allianz Generative Fertigung

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