Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Generative Erzeugung von Kupferleiterbahnen mittels Lasersintern auf adaptiven räumlichen Schaltungsträgern

Das Projekt hat zum Ziel, die generative Erzeugung von Kupferleiterbahnen mittels Lasersintern auf räumlichen Schaltungsträgern für elektrisch-mechanische Hybridbauteile umzusetzen. Durch die neuartige Prozesstechnik sollen eine hohe Variabilität der Produkte, die Vermeidung von Lagerhaltung, die Verminderung von Montageaufwand und die Ermöglichung neuer Produkte umgesetzt werden. Der technische Ansatz basiert auf dem Auftrag von kupfergefüllten Lacken auf die Oberfläche von 3D-Schaltungsträgern und das anschließende Lasersintern der Pfade (Reduktion von Kupferoxidpartikel oder thermische Entfernung von Oxidationsinhibitoren). Die wissenschaftliche Fragestellung erstreckt sich auf die benötigten Vorbehandlungen der Schaltungsträger, die erzielbaren Eigenschaften der Kupferschichten, die Parametrisierung des Lasersinterprozesses sowie die erforderlichen Bestückungs- und Lötprozesse.

Das Ergebnis des Projektes ist eine Beschreibung der benötigten technischen Einrichtungen, der Prozessfenster und der erreichbaren Eigenschaften der Leiterbahnen. Im Projekt werden zunächst die Anforderungen an die Leiterbahnen definiert und der Beschichtungsauftrag realisiert. Das Lasersintern wird auf Labor- und Industrieanlagen durchgeführt und die erzeugten Leiterbahnen werden vergleichend zu bisherigen Technologien charakterisiert. Die gängigen Bestückungs- und Lötprozesse (Löten, Leitkleben, Drahtbonden) werden untersucht und Rückschlüsse auf die Laserprozessierung gezogen. Ein Demonstrator wird umgesetzt und die Ergebnisse des Projektes werden in einem Abschlussbericht zusammengefasst. Zudem erfolgen umfangreiche Transfermaßnahmen in die Wirtschaft. Durch die reduzierte Komplexität der Metallisierung ohne chemische Bäder werden KMU in die Lage versetzt, MID-Bauteile kostengünstig mit einer hohen Variabilität zu erzeugen. Ebenso kann die benötigte Prozesstechnik von KMU hergestellt werden. Im projektbegleitenden Ausschuss sind KMU an allen wesentlichen Schritten beteiligt.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde erreicht Kupferleiterbahnen durch eine Lackierung mit Kupferlack und einer anschließenden Lasersinterung auf 3D-Oberflächen aufzubringen. Der entwickelte Prozess kann sowohl auf spritzgegossenen Bauteilen als auch auf Bauteilen aus dem 3D-Drucker angewendet werden. Die Herstellung der Leiterbahnen basiert auf Kupferlackierung in einem Tauchbad in einer Kupfertinte. Daraufhin erfolgt die Trocknung mit einem Heißluftgebläse. Nach der Trocknung ist die Oberfläche mit dem kupferhaltigem Lack bedeckt, der durch eine anschließende selektive Lasersinterung lokal leitfähig gemacht werden kann. Durch drei optische Achsen in x-, y- und z-Richtung kann die Position des Spots der 3D-Oberfläche nachgeführt werden. Ein direktes Aufbringen von dünnen Kupferleiterbahnen auf der 3D Oberfläche ist möglich, wenn die Oberfläche eine geringe Rauheit und Temperaturbeständigkeit aufweist. Additiv gefertigte Bauteile aus dem 3D-Drucker weisen in den meisten Fällen eine zu große Rauheit auf. Eine Grundierung kann die Rauheit allerdings soweit verringern, dass eine Leiterbahnerzeugung auch auf additiv gefertigten Bauteilen möglich wird. Dafür muss der erforschte Prozessansatz lediglich um eine Vorbehandlung mit der Grundierung erweitert werden, die ebenfalls in einem Tauchbad durchgeführt wird. Eine Bestückung der Leiterbahnen ist mittels Leitkleber und Löten bei niedrigen Temperaturen möglich. Der erreichte Prozess ermöglicht somit die generative Erzeugung von Leiterbahnen auf 3D-Oberflächen und kommt dabei völlig ohne den Einsatz von chemischen Bädern aus. Eine Anwendung ist auf allen Bauteilen möglich, die durch eine geringe Rauheit und hohe Temperaturbeständigkeit eine direkte Leiterbahnerzeugung erlauben, oder mit der Grundierung beschichtet werden können.