Spritzgegossene Schaltungsträger in Miniaturausführung

Zweikomponenten-Demonstrator: In Rot ist der nicht metallisierbare Kunststoff und in Gold sind die abgeschiedenen Leiterbahnen dargestellt. (Bildquelle: PKT)

Es gibt am Markt derzeit drei gängige Verfahren, um multifunktionale, dreidimensionale Schaltungsträger, die auch als MID (Mechatronic Integrated Devices) bezeichnet werden, herzustellen. Das Heißpräge-, das Zweikomponenten-Verfahren sowie das Laserdirektstrukturieren (LDS).

Beim Zweikomponenten-Spritzguss werden die Produkte aus einem metallisierbaren und einem nicht metallisierbaren Kunststoff gefertigt. Im Anschluss an die Spritzvorgänge durchläuft der so entstandene Kunststoffverbund verschiedene außenstromlose Metallisierungsbäder. Am Ende dieses Prozesses sollen sich auf dem metallisierbaren Kunststoff geschlossene Leiterbahnstrukturen gebildet haben. Im Anschluss werden die Träger mit elektrischen Bauteilen bestückt.

Das Verfahren eignet sich vor allem für die Produktion sehr hoher Stückzahlen. Diese Fertigungstechnik erfordert zwei Spritzgießwerkzeuge und Änderungen im Leiterbild machen es notwendig, in ein neues Werkzeug zu investieren. Die minimale Leiterbahnbreite beträgt bei diesem Verfahren rund 250 µm.

Automotive Sitzverstellschalter werden im Heißprägeverfahren gefertigt und anschließend bestückt. (Bildquelle: 2E Mechatronic)

Schaltungsträger in zwei Schritten fertigen

Eine weitere Möglichkeit MIDs herzustellen, ist das Heißprägeverfahren. Hierfür werden undotierte Thermoplaste eingesetzt, sodass bei dieser Variante die Kosten für das Kunststoffmaterial im Vergleich zu den anderen Verfahren niedriger sind. Allerdings können mit diesem Verfahren lediglich zweidimensionale Bauteile hergestellt werden, da die Leiterbahnen von einer mit Kupfer beschichteten Folie durch einen Prägestempel auf den Kunststoffkörper übertragen werden. Heißprägefolien sind in Stärken von circa 18 bis 70 µm erhältlich. Das Leiterbahnlayout wird durch produktspezifische Heißprägestempel übertragen, deren minimale Leiterbahnbreite 300 µm beträgt. Die im oberen Prägestempel erhaben dargestellte Struktur wird mit Druck und Temperatur auf die Kunststoffoberfläche übertragen. Beim Prägevorgang wird die Folie an den Leiterbahnrändern abgeschert und die Restfolie entfernt, sodass der Schaltungsträger mit elektrischen Bauteilen oder Kontakten bestückt werden kann. Die Haftfestigkeit der Leiterbahnen entspricht hierbei in etwa der bei Standard Leiterplatten.

Leiterbahnen durch Laser aufbringen

Das aktuell am meisten eingesetzte  Verfahren zur Produktion von MIDs ist das von LPKF patentierte, sogenannte Laserdirektstrukturieren. Das LDS-Verfahren setzt ebenso wie das Zweikomponenten-Verfahren auf Kunststoffe mit einer speziellen Dotierung von Metallkeimen. Im Gegensatz zum Zweikomponenten-Spritzguss ist es beim LDS-Verfahren jedoch nicht notwendig, zwei unterschiedliche Kunststoffe einzusetzen. Der dreidimensionale Schaltungsträger wird in einem Vorgang aus dem metallisierbaren Kunststoff gespritzt. Die Anzahl der für dieses Verfahren modifizierten Kunststoffe wächst weiter. Von ABS über LCP, PA und PC bis hin zu PEEK stehen diverse Thermoplaste zur Auswahl. Im Anschluss an den Spritzprozess wird die Oberfläche mit einem speziellen Laser beschrieben. Der Laser raut hierbei die Oberfläche an und legt damit die in der Polymermatrix vorhandenen Kristallisationskeime frei. Im nachfolgenden außenstromlosen Metallisierungsprozess binden die Kupferatome dort an und bilden eine geschlossene Leiterbahnstruktur.

Der typische Schichtaufbau ist wie folgt: 4 bis 8 µm Kupfer, 2 bis 4 µm Nickel und abschließend 0,1 µm Gold. Die minimale Leiterbahnbreite beträgt beim LDS-Verfahren circa 150 µm. Ein Feinfokus-Laser kann auch geringere Breiten realisieren. Der Mindestabstand zwischen zwei Leiterbahnen sollte 200 µm betragen. Im Anschluss an die Metallisierung erfolgt auch hier das Aufbringen der elektrischen oder sonstigen Bauteile sowie deren Kontaktierung durch alle bekannten Aufbau- und Verbindungstechnik-Prozesse, wie zum Beispiel Dampfphasenlöten oder Leitkleben. Bei einem vorhandenen Lasersystem ist für die Fertigung von neuen Produkten lediglich die Investition in ein Spritzgusswerkzeug nötig. Ändert sich das Leiterbahnlayout, so kann dies über eine Anpassung der Laser-Software umgesetzt werden.

In Serie werden unter anderem Strömungssensoren (oben) und LED-Leuchtelemente mit LDS produziert. (Bildquelle: 2E Mechatronic)

Smartphone-Antenne mit LDS gefertigt

Die populärste LDS-MID-Anwendung ist die Smartphone-Antenne. Auch in der Automobilbranche kommen mittlerweile viele LDS-MIDs zum Einsatz. Weitere Applikationen finden sich bei der Neuentwicklung oder beim Redesign von medizintechnischen und industriellen Produkten. Beispiele hierfür sind von 2E Mechatronik, Kirchheim unter Teck, entwickelte und hergestellte LED-Leuchtelemente oder ein miniaturisierter, thermischer Strömungssensor. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojektes wurde ein Demo-Modul entwickelt, das die Möglichkeiten der LDS-MID-Technik aufzeigt. Dieses Modul kann bei 2E kostenfrei bezogen werden.