Embedding von elektronischen Komponenten auf MID-Substrate

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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Welche neuen Technologien es zukünftig gibt

Zukünftig stehen zusätzlich neue Technologien zur Verfügung. Zum einen, wenn die Anforderungen an die Strukturfeinheit im Millimeter-Bereich liegt, die Fused Deposition Modelling Methode (FDM). Diese erlaubt es, im Bereich von 500 µm bis 1 mm Strukturbreiten sowohl die 3-D-Strukturen als auch die entsprechenden Leiterbahnen einzubringen. Die Kontaktierung erfolgt durch engen Kontakt der leitfähigen Kunststoffe mit den metallischen Kontakten der Bauteile.

Alternativ und sehr vielversprechend sind bereits die angesprochenen Ink-Jet oder Aerosoldruckverfahren, welche mit sehr engen Strukturbreiten von einigen 10 µm und darunter arbeiten. Materialseitig sind nahezu alle Werkstoffe verfügbar, die durch Lösung oder Nanopartikel-Form in eine verdruckbare Flüssigkeit überführt werden können werden können.

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Bild 7 zeigt einen Überblick von Sensorik bzw. Chip-Umverdrahtung, die im Bereich von 30 bis 50 µm Linienbreiten mit Ag-Nano-Tinte gedruckt wurde. Durch das reine Aufdrucken von Nanosilber auf Aluminium oder verzinnte Kontakte kann ein hinreichend niedriger Übergangswiderstand erreicht werden. Damit ein zuverlässiger Kontakt, welcher für die gesamte Lebensdauer stabil bleibt, entsteht, muss das klassische Phänomen der Oberflächenkontakte betrachtet werden.

Grundsätzlich bestehen Oberflächen aus mehreren Schichten, welche sich von Außen nach Innen als Fettschicht, als Absorptions- / Reaktionsschicht, als Übergangszonen und innere Grenzschicht darstellen, bis nach 1 bis zu 100 µm schließlich die Bereiche des ungestörten Gefüges erreicht werden.

Der eigentliche elektrische Kontakt entsteht beim Sintervorgang nach dem Auftragen der Nano-Silber-Partikel. Hier werden auf der kontakttragenden Fläche die sogenannten a-Spots gebildet. Der Kontaktwiderstand setzt sich dann aus der Summe aus Engewiderstand und Fremdschichtwiderstand zusammen.

Mit dieser Methode konnten für viele Beispiele bereits funktionsfähige Systeme hergestellt werden. Bild 8 zeigt beispielhaft eine Inkjet gedruckte Blinklicht-Schaltung auf einem Schaltungsträger aus Thermoplast. Die Komponenten wurden konventionell mit leitfähigem Klebstoff kontaktiert.

Dieser Bereich wird derzeit von unterschiedlichen Institutionen intensiv erforscht. So werden zum Beispiel Folienantennen und Batterien gedruckt, um Kundenansprüche besser zu erfüllen [1].

Herausforderungen der Technik in der Zukunft

Der Bereich Sensorik wird durch das Fraunhofer IZM, das Fraunhofer IFAM sowie das Fraunhofer ENAS in hohem Detaillierungsgrad bearbeitet.

Beispielhaft sind in Bild 9 Dehnmessstreifen (links) respektive Interdigital-Sensoren (rechts), welche unter Verwendung von Inkjet-Druckverfahren hergestellt wurden, dargestellt. Durch ein anpassbares Dielektrikum auf der Oberfläche der Sensoren, welches auch in einem Druckprozess individuell gestaltet werden kann, könnten so Feuchte-, Gas oder Umweltsensoren hergestellt werden.

Der Methode sind kaum Grenzen gesetzt. Unebenheiten im Substrat werden weitgehend ausgeglichen, wie die Sensorstruktur auf einem Stein appliziert im Aufmacherbild zeigt.

Ein Teil der zu verwendenden Komponenten gibt es bereits im Dickenbereich einiger Mikrometer. Daher erscheint es durchaus machbar, mit gedünnten ICs und sehr dünnen Komponenten durch generative Fertigungstechnik sehr flache, flexible Systeme unter Zuhilfenahme der generativen Fertigungstechnik aufzubauen.

In einem sequenziellen Prozessschritt werden Leiterbahnen, Kontakte und die 3-D-Struktur gebaut. Die Komponenten werden zuvor oder im Prozessverlauf aufgebracht und simultan eingebettet und kontaktiert. Individuelle Formen und spezifische Auslegungen der Schaltung oder Sensoren können berücksichtigt werden.

Löten adé – Vision oder Mission? In der Literatur kann nachgelesen werden, wie wichtig geneative Fertigungsprozesse in Zukunft werden. Bild 10 zeigt eine der technisch bereits in Voruntersuchungen befindlichen Varianten. Das nächste Cyber Physical System könnte gedruckt sein.

Individuelle, kundenspezifische Massenfertigung

Dreidimensional aufbauende Methoden verfügen über ein sehr großes Zukunftspotential, da diese die hohen Anforderungen von Endkunden mit sehr individuellen Forderungen ausgezeichnet erfüllen können. Dabei spielt das Rapid Manufacturing eine entscheidende Rolle. Individuell angepasste Produkte lassen sich aufgrund des geringen Mehraufwands bei beispielsweise Änderungen am Design kostengünstiger herstellen als es mit üblichen Verfahren möglich wäre. Die relativ einfache und automatisierte Bedienung macht es möglich, Produktionen zu dezentralisieren, was eine große Freiheit im Aufbau von Infrastrukturen ermöglicht [2]. Ebenso werden verschiedene Variationen bei der beschriebenen Technologie möglich sein. An dieser Stelle sind noch weitere (Grundlagen-) Forschungsarbeiten unerlässlich.

Teile dieser Arbeit wurden vom BMBF, der VDI/VDE Innovation + Technik GmbH (Projekte eSeal, Sol-Gel, Gedekk) und der Bayerischen Forschungsstiftung unterstützt (Projekt FKIA). Besonderer Dank für die gute Zusammenarbeit geht an die Hochschulen Landshut und München, das FAPS in Erlangen/Nürnberg, die Fraunhofer Allianz Genera-tive Fertigung sowie die bayerischen Cluster Mechatronik und Automation sowie Cluster Sensorik).

Literatur

[1] Hübner, J.: Gedruckte Elektronik auch ohne Reinraum, PLUS 2013,11: S. 2464 ff; Leuze Verlag

[2] Hopkinson, N.; Hague, R.J.M.; Dickens, P.M.: Rapid manufacturing: an industrial revolution for the digital age. John Wiley, 2006.

* Dr. Frank Ansorge, Christian Baar und David Ifland arbeiten am Fraunhofer IZM in Wessling (Oberpfaffenhofen).

* Klaus-Dieter Lang ist an der TU Berlin im Fachgebiet Nano Interconnect Technologies tätig.

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