Prinzip des Integrierten Metall/Kunststoff-Spritzgießens (IMKS) (Bildquelle: IKV)

Prinzip des Integrierten Metall/Kunststoff-Spritzgießens (IMKS) (Bildquelle: IKV)

Das stetig steigende Bedürfnis nach leistungsfähigen Systemen zu günstigen Preisen und flexibler Lieferung des Verbrauchermarktes im E/E-Bereich erfordert immer effizientere Fertigungstechnologien und -verfahren. Durch den Einsatz des am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), Aachen, entwickelten integrierten Metall/Kunststoff-Spritzgießens (IMKS) kann die Kontaktierung einzelner elektronischer Bausteine vereinfacht werden. Kunststoffbauteile mit integrierten Leiterbahnen können durch das IMKS in einem Zyklus auf einer Spritzgießmaschine hergestellt werden. In Anlehnung an das Mehrkomponenten-Spritzgießen wird durch eine Verfahrenskombination aus Spritzgießen und Metall-Druckgießen zunächst ein Kunststoffträger gespritzt, welcher anschließend in eine zweite Kavität umgesetzt und mit einer niedrigschmelzenden Metalllegierung überspritzt wird. Deutlich aufwendigere und kostenintensivere Verfahren mit wesentlich längeren Prozessketten können durch den Einsatz des IMKS ersetzt werden [1, 2, 3].

Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist die Möglichkeit der Kontaktierung von elektrischen Bauelementen wie Steckern, Widerständen oder Dioden mit dem metallischen Lot im Prozess [4]. Für eine hohe Betriebszuverlässigkeit dieser Kontaktierung ist eine ausfallsichere, bestenfalls stoffschlüssige Verbindung zwischen Legierung und Einleger anzustreben. Um dies zu erreichen, ist zunächst eine grundlegende Analyse der Kontaktierung des Einlegers mit dem metallischen Lot sowohl simulativ als auch in praktischen Versuchen notwendig.

Schematische Darstellung der Probekörpergeometrie mit Leiterbahnquerschnitt (1 mm x 1 mm) und Einlegern mit quadratischem Querschnitt (0,8 mm x 0,8 mm). (Bildquelle: IKV)

Schematische Darstellung der Probekörpergeometrie mit Leiterbahnquerschnitt (1 mm x 1 mm) und Einlegern mit quadratischem Querschnitt (0,8 mm x 0,8 mm). (Bildquelle: IKV)

Im Rahmen der aktuellen Arbeiten werden neue Werkzeugeinsätze für ein modular aufgebautes Spritzgießwerkzeug konstruiert und gefertigt. Der Kontaktierungsprobekörper ist ein Kunststoffträger, welcher über eine Nut für die spätere Leiterbahn verfügt. Entlang der Nut werden die Einleger zunächst platziert und direkt durch das metallische Lot fixiert. Aufbauend auf den ersten Geometrieentwurf erfolgen Simulationen des Kunststoffträgers in Sigmasoft von Sigma Engineering und Simulationen der metallischen Leiterbahn in Magmasoft von Magma Gießereitechnologie, welche den Füllvorgang der Leiterbahnnut und die An- und Umspritzung der Einleger abbilden. Auf Basis der Simulation soll das weitere konstruktive Auslegen des Werkzeugeinsatzes erfolgen. Da Lufteinschlüsse in den Leiterbahnen eine der häufigsten Ursachen für Fehlstellen darstellen [5], sollen zunächst Untersuchungen hinsichtlich Lufteinschlüssen durchgeführt werden. Zum Ableiten von Designrichtlinien für die Werkzeugeinsätze liegt ein weiterer Fokus auf dem Erstarrungsprozess des metallischen Lots sowie dem Fließverhalten in Abhängigkeit von verschiedenen Einlegerformen und der Luftdruckverteilung. Dazu wird eine simulative Parametervariation hinsichtlich verschiedener Leiterbahnquerschnittsgrößen und Einlegerquerschnitten durchgeführt. Ferner soll die Identifikation von kritischen Bereichen für Fehlstellen wie Lunkern in der Leiterbahn, welche die Kontaktierung und somit die elektrischen Eigenschaften negativ beeinflussen, erfolgen [6].

Simulationen notwendig

Basierend auf dem ersten Geometrieentwurf für den Werkzeugeinsatz wird ein Simulationsmodell erstellt, welches einen Leiterbahnquerschnitt von 1 mm x 1 mm und Einleger mit einem quadratischen Querschnitt von 0,8 mm x 0,8 mm (Design 1) beinhaltet. Entlang der Leiterbahn werden vier Einleger mit einem Abstand von jeweils 20 mm nach der Kurve platziert, welche durch das metallische Lot angespritzt werden. Ferner wird eine Materialkombination aus einem unverstärkten Polyamid 6 (Durethan B30S) für den Kunststoffträger, einem metallischem Lot auf Zinnbasis (Sn95Ag+, Felder Löttechnik) für die Leiterbahn und einem blanken Kupferdraht für die Einleger gewählt, welche bereits in praktischen Voruntersuchungen als geeignet für das IMKS identifiziert werden konnte. Ausgehend von Design 1 werden drei weitere Designs, mit Variation von Nutquerschnitt, Einlegergeometrie und Einlegerquerschnitt für die Simulation erstellt.

  Nutquerschnitt [mm] Einlegergeometrie Einlegerquerschnitt [mm]
Design 1 1 x 1 quadratisch 0,8 x 0,8
Design 2 1 x 1 rund Ø 0,8
Design 3 2 x 2 quadratisch 0,8 x 0,8
Design 4 2 x 2 rund Ø 0,8

Tabelle: Übersicht über die verschiedenen Designs. (Bildquelle: IKV)

Lufteinschlüsse nach Leiterbahnfüllung (Bildquelle: IKV)

Lufteinschlüsse nach Leiterbahnfüllung (Bildquelle: IKV)

Zunächst werden die Lufteinschlüsse aller vier Designs nach vollständiger Leiterbahnfüllung dargestellt. Beim Vergleich der Füllsituation aller vier Designs zeigt sich, dass generell Lufteinschlüsse in Füllrichtung direkt hinter jedem Einleger vorliegen. Eine Ausnahme stellt dabei Design 3 dar. Hier ist die Luft eher auf den hinteren Bereich der Leiterbahn verteilt und die Einschlüsse befinden sich nicht direkt hinter jedem Einleger wie bei den anderen Designs, sondern sind losgelöst von den Einlegern in der Leiterbahn verteilt. Bei Design 1 und 3 zeigt sich zudem, dass hinter dem letzten Einleger nur noch deutlich geringere Luftmengen als bei den anderen Designs vorliegen. Die Untersuchungen hinsichtlich der Lufteinschlüsse zeigten bei Design 1 und 2 hinter dem letzten Einleger nur noch sehr geringe Lufteinschlüsse auf. Es wird somit davon ausgegangen, dass sich ein geringerer Leiterbahnquerschnitt positiv auf die Fehlstellenbildung auswirkt, da somit bereits zu Beginn der Leiterbahnfüllung weniger Luft vorhanden ist, die wiederum verdrängt werden muss.

Lufteinschlüsse nach Leiterbahnfüllung (Bildquelle: IKV)

Lufteinschlüsse nach Leiterbahnfüllung (Bildquelle: IKV)

Ein weiterer Fokus der simulativen Betrachtungen gilt dem Erstarrungsprozess der metallischen Schmelze, insbesondere in Bereichen direkt um den Einleger. Dabei wird für jedes Design der Querschnitt um den ersten Einleger nach der Kurve in der Mitte der Leiterbahnnut abgebildet. Es zeigt sich bei allen vier Designs, dass die metallische Schmelze an den Einlegern sowie in den Wandbereichen des Spritzgießwerkzeugs als erstes erstarrt. Sowohl der Einleger als auch das Spritzgießwerkzeug weisen eine bessere Wärmeleitung als der Kunststoffträger auf und führen somit erwartungsgemäß die Wärme aus der metallischen Schmelze schneller ab. Ferner zeigt sich bei den Analysen hinsichtlich des Erstarrungsprozesses, dass bei Design 1 und 2 ein schnellerer Erstarrungsprozess abläuft als bei den anderen Designs. Dies war zu erwarten, da diese beiden Designs einen geringeren Leiterbahnquerschnitt aufweisen.

Querschnitt beeinflusst Abrisskante

Fließverhalten von 83,5 % Leiterbahnfüllung von Design 1 und 2 (Einleger 1 und 2) (Bildquell: IKV)

Fließverhalten von 83,5 % Leiterbahnfüllung von Design 1 und 2 (Einleger 1 und 2) (Bildquell: IKV)

Ferner wird das Fließverhalten des metallischen Lots in Abhängigkeit der Einlegerform untersucht. Dazu werden Design 1 und 2 verglichen. Es zeigt sich, dass hinter den Einlegern jeweils eine Strömungsabrisskante der Schmelze vorliegt, wodurch wiederum Totwassergebiete bedingt werden. Die Abrisskante ist bei den Einlegern mit quadratischem Querschnitt (Design 1) deutlich ausgeprägter als bei den runden Einlegern (Design 2). Die Distanz der Strömungsabrisspunkte bei dem quadratischen Einleger beträgt 0,8 mm, sie reicht daher von der oberen hinteren Kante zur unteren hinteren Kante des Einlegers in Strömungsrichtung. Beim runden Einleger hingegen ist die Distanz zwischen den Abrisspunkten geringer als 0,8 mm, da die Abrisspunkte jeweils radial hinter dem Durchmesser des Einlegers liegen. Generell bildet sich bei der, verglichen mit der Kunststoffschmelze, verhältnismäßig niedrigviskosen Metalllegierung eine turbulente Strömung aus [7]. Aufgrund der größeren Distanz der Abrisspunkte und den somit größeren Totwassergebieten wird davon ausgegangen, dass die Turbulenzen durch die quadratischen Einleger noch verstärkt werden. Dies ist damit zu erklären, dass der Einleger mit rundem Querschnitt keine natürliche Ablösestelle aufweist. Diese kann je nach Strömungszustand auch in der Grenzschicht liegen [8].

Luftdruck bei 78 % Leiterbahnfüllung von Design 1 und 2 (Einleger 1 und 2) (Bildquelle: IKV)

Luftdruck bei 78 % Leiterbahnfüllung von Design 1 und 2 (Einleger 1 und 2) (Bildquelle: IKV)

Zur weiteren Analyse des Fließverhaltens wird die Luftdruckverteilung des mittleren Querschnitts der Leiterbahn für Design 1 und 2 bei 87 Prozent Leiterbahnfüllung untersucht. Der Schwerpunkt liegt hier auf der Luftdruckverteilung hinter dem ersten Einleger. Es ist zu erkennen, dass hinter dem Einleger mit rundem Querschnitt deutlich höhere Drücke vorliegen, als hinter dem Einleger mit quadratischem Querschnitt. In den Untersuchungen hinsichtlich des Fließverhaltens zeigen sich größere Totwassergebiete als hinter den Einlegern mit rundem Querschnitt. Diese beiden Aussagen gehen miteinander einher, da durch das geringere Volumen, das die Luft hinter den runden Einlegern zur Verfügung hat, mehr Kompression dieser bedingt wird. Weiterhin zeigt sich in den Untersuchungen hinsichtlich dem Fließverhalten der metallischen Schmelze, dass mehr Turbulenzen im Zusammenhang mit den Einlegern mit quadratischem Querschnitt als mit den Einlegern mit rundem Querschnitt entstehen. Da Turbulenzen generell die Oxidbildung und Verwirbelungen im flüssigen Metall hervorrufen, sollten diese weitestgehend vermieden werden [9]. Hinsichtlich der Fehlstellenbildung stellen daher die Einleger mit rundem Querschnitt die bessere Alternative dar.

Durch die Simulation erfolgte die Identifikation von kritischen Bereichen, welche die elektrischen Eigenschaften vermutlich negativ beeinflussen. Zudem konnten Schlussfolgerungen hinsichtlich der Geometrieparameter der Leiterbahnnut und der Einleger gezogen werden. Rein simulativ betrachtet, beinhaltet Design 2 die geeignetsten Geometrieparameter. Auf Basis der aktuellen Erkenntnisse aus den Simulationen wird im Folgenden ein neuer Entwurf des Werkzeugeinsatzes erstellt, anhand dessen durch die Simulation noch weitere prozesstechnische Randbedingungen für den IMKS-Prozess abgeleitet werden sollen. Ferner soll eine Validation der durch die Simulation erlangten Ergebnisse Praxisversuchen folgen.

Dank

Das IGF-Forschungsvorhaben 19778 N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Allen Institutionen gilt unser Dank. Die Autoren bedanken sich außerdem bei den Unternehmen Felder Löttechnik, Oberhausen, Lanxess Deutschland , Köln, Magma Gießereitechnologie , Aachen, Phoenix Contact, Blomberg, Sigma Engineering, Aachen und Tamura Elsold, Ilsenburg für die Unterstützung und die Bereitstellung von Materialdaten und Simulationssoftware.

 

Literatur

[1]        Hopmann, C./Wunderle, J./Brexeler, I.: Funktionsintegrierte Elektronikteile durch schnellen Einstufenprozess. MM Maschinenmarkt 119 (2013) 12, S. 34–37.

[2]        Hopmann, C./Wunderle, J./Neuss, A./Ochotta, P./Bobzin, K./Schulz, C./Liao, X.: Influence of surface treatment on the bond strength of plastics/ metal hybrids.
Journal of Plastics Technology 11 (2015) 4, S. 227–255.

[3]        Hopmann, C./Bobzin, K./Schoeldgen, R./Oete, M./Wunderle, J./Linke, T./Ochotta, P.: IMKS and IMMS: two methods for the production of plastic parts featuring
metallic areas. Journal of Polymer Engineering 35 (6), S. 1–8.

[4]        Michaeli, W./Hopmann, C./Wunderle, J.: Hybrid multi-component injection moulding for electro- and electronic applications. Proceedings of the 27th World
Congress of the Polymer Processing Society. Marrakesch, Marokko 2011.

[5]        Hopmann, C./Ochotta, P./Haase, S.: Fehlerfreie Leiterbahnen mit hoher Lebensdauer. Kunststoffe 3 (2017), S. 99–103.

[6]        Nowottnik, M./Pape, U./Wege, S./Lauer, T./Ahrens, T.: Die Lötbarkeit bleifreier Lotlegierungen im Vergleich zu konventionellen Loten. In: Bleifreies Löten –
Ergebnisse aus der aktuellen Forschung. Düsseldorf: DVS-Verlag, 2003.

[7]        Neuss, A.: Entwicklung einer Verfahrenstechnik zur Herstellung von Kunststoff-/Metallhybriden. RWTH Aachen, Dissertation, 2014.

[8]        Bschorer, S.: Technische Strömungslehre – Lehr- und Übungsbuch. Wiebaden: Springer Fachmedien GmbH, 2018.

[9]        Franke, S.: Giesserei Lexikon. Berlin: Schiele & Schön GmbH, 2019.

 

Über die Autoren

Prof. Dr. Christian Hopmann

ist Inhaber des Lehrstuhls für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen und Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV).

Ingrid Sturm

ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am IKV und Leiterin der Arbeitsgruppe Mehrkomponententechnik des IKV an der RWTH Aachen.