Neues Verfahren

Rapid Prototyping für 3D-Schaltungsträger

In der Produktion haben sich dreidimensionale Fertigungsverfahren längst durchgesetzt - insbesondere bei komplexen räumlichen Verhältnissen. Auch für den Entwurf von 3D-Schaltungen existieren bereits entsprechende CAD-Programme. Nur beim Prototypenbau dreidimensionaler Schaltungsträger, elektrisch und mechanisch, klaffte noch eine Lücke. Diese Lücke schließt ein spezielles Rapid-Prototyping-Verfahren mit Laserdirektstruk- turierung (LDS).

In den letzten drei Jahren konnten sich räumliche elektronische Baugruppen einen größeren Markt erobern. Der Begriff Molded Interconnect Devices (MID) beschreibt spritzgegossene Schaltungsträger, die aus Kunststoffen im Spritzgussverfahren hergestellt und anschließend mit Leiterstrukturen versehen werden.

Eine Spitzenposition unter den MID-Herstellungsverfahren nimmt dabei die Laserdirektstrukturierung (LDS) ein. Dabei wird zunächst das als Schaltungsträger vorgesehene Bauteil im Spritzguss hergestellt. Der hierfür verwendete Kunststoff enthält ein Additiv, das per Laserstrahl aufgespaltet werden kann. Indem ein Laserstrahl die Leiterbahnstruktur auf das Bauteil schreibt, rauht er zum einen die Oberfläche an und aktiviert zum anderen die Additive. Auf der strukturierten Oberfläche lassen sich die Leiterbahnen anschließend in einem stromlosen Kupferbad aufbauen. Neben Kupfer werden in der Regel auch Nickel- und Goldschichten abgeschieden. Mit dem LDS-Verfahren werden aktuell zum Beispiel ca. 180 Mio. Smartphone-Antennen pro Jahr gefertigt. 

Das Layout auf dreidimensionalen Oberflächen wird von Entwicklern entweder mehr oder weniger aufwendig im CAD-System für das Kunststoffbauteil realisiert, z.B. über ein auf die dreidimensionale Oberfläche aufgebautes Schaltungslayout. Deutlich komfortabler lässt sich ein 3D-Layout aber mit einer 3D-CAD-Software erstellen, die eine Brücke zwischen mechanischem und elektronischem CAD-System schlagen kann [1]. Diese Programme vereinfachen die Layoutentwicklung deutlich.

Prototypenbau für räumliche Schaltungsträger

Zwischen Entwurf eines MID-Bauteils und dessen Produktionsanlauf liegen in der Regel mehrere Prototypenstadien, insbesondere für Entscheidungsprozesse, Zusammenbau-Studien und ganz allgemein zur Beschleunigung der Produktentwicklung. Wünschenswert ist dabei eine möglichst seriennahe Gestaltung der Prototypen.

MID-Prototypen

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Der Prototypenbau dreidimensionaler, spritzgegossener Schaltungsträger war bislang zeit- und kostenaufwendig - manchmal sogar unmöglich. So ist zum Beispiel beim Zweikomponenten-Spritzgussverfahren die Herstellung von Prototypen im Original-Verfahren fast unmöglich, da selbst für wenige Prototypen ein kostenintensives Spritzgusswerkzeug notwendig wäre. Für das LDS-Verfahren ist es bei kleineren MID-Bauteilen möglich, den Grundkörper durch mechanische Bearbeitung (z.B. Fräsen) aus einem LDS-fähigen Halbzeug - dickere spritzgegossene Plattenmaterialien - herauszuarbeiten und diesen Prototypen dann der Laserstrukturierung und anschließenden Metallisierung zuzuführen. 

Diese Methode ist aber auf kleine MID-Bauteile beschränkt, da größere spritzgegossene Halbzeuge aus LDS-fähigen Kunststoffen nicht verfügbar sind. Als Alternative bietet sich das Vakuumgießen mit einem LDS-additivierten Polyurethanharz (PUR) an. Das Verfahren wird schon seit längerer Zeit angewendet. Auf Basis eines Urmodells, z.B. mittels Stereolithographie hergestellt, wird eine Silikon-Gussform angefertigt, in der anschließend die LDS-fähigen Prototypen aus Polyurethanharz gegossen werden können [2] (siehe erstes Bild in der Bildergalerie). Auf die Anfertigung solcher PUR-Prototypen als Dienstleistung hat sich die Speedmold GmbH [3] spezialisiert.

P. Ch. Elsner 

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Bild 1. Mit generativen Verfahren lassen sich Prototypen direkt aus 3D-CAD-Daten herstellen. Die verschiedenen Verfahren nutzen feste oder flüssige Ausgangsmaterialien. Am weitesten verbreitet sind die drei rot gekennzeichneten Verfahren.

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P. Ch. Elsner

Bild 1. Mit generativen Verfahren lassen sich Prototypen direkt aus 3D-CAD-Daten herstellen. Die verschiedenen Verfahren nutzen feste oder flüssige Ausgangsmaterialien. Am weitesten verbreitet sind die drei rot gekennzeichneten Verfahren.

Gerade in den letzten Jahren gab es rasante Fortschritte in der Entwicklung additiver Fertigungsverfahren für den schnellen Prototypenbau. Hierbei können direkt aus 3D-CAD-Daten - ohne Formenbau - Bauteile vollautomatisch in einem schichtweisen Aufbau gefertigt werden. Eine Übersicht der unterschiedlichen Verfahren zeigt Bild 1.

Die wichtigsten Verfahren sind das Fused Deposition Modeling (FDM), das Selektive Lasersintern (SLS) und die Stereolithographie (SLA). Die Materialpalette der für die unterschiedlichen Verfahrenstechniken zur Verfügung stehenden Kunststoffe wird immer breiter, was es dem Entwickler erlaubt, zielgerichtet das zum Einsatz und den gewünschten Eigenschaften des MID-Prototypen passende Material auszuwählen.

Lack macht Teile LDS-fähig

Das von der LPKF Laser & Electronics AG [5] erstmals zur Hannover Messe 2011 vorgestellte Verfahren basiert auf einer Entwicklung, die bereits im Herbst 2010 auf dem 9. Internationalen MID-Kongress in Fürth [6] vorgestellt wurde.

Zur LDS-fähigen Oberflächenmodifizierung eines mittels Rapid-Prototyping erstellten Kunststoffkörpers verwendet LPKF einen Lack, in dem laseraktivierbare Additive eingearbeitet sind. Derzeit steht dieser Lack noch als Zweikomponenten-Version aus Grundlack und Härter auf Basis eines Polyurethan-Isocyanat-Systems bereit. Zukünftig wird eine Einkomponenten-Variante angeboten - wahrscheinlich auch in einer einfach zu handhabenden Sprühdose.

Dieser „ProtoPaint LDS“ genannte Lack kann nahezu beliebige Kunststoffoberflächen mit einer laseraktivierbaren Beschichtung versehen. In Verbindung mit modernen Rapid-Prototyping-Fertigungsverfahren kann damit der Prototypenbau mechatronischer Komponenten erheblich beschleunigt werden: Aus den Konstruktionsdaten wird per Stereolithographie, Lasersintern oder durch FDM (Fused Deposition Modeling) ein Rohling mit wählbaren Materialeigenschaften erstellt. Dieser wird für die Laserstrukturierung mit einer Schichtdicke von ca. 30 μm bis 40 μm lackiert und getrocknet. In der Praxis haben sich zwei aufeinander folgende Lackierungen als ideal erwiesen, um eine ausreichend dicke und homogene Schicht aufzubauen. Anschließend findet die Laserstrukturierung wie bei herkömmlichen LDS-Spritzgussbauteilen statt.

1. Teil: Rapid Prototyping für 3D-Schaltungsträger
2. Teil: Neues System zur Laser-Direktstrukturierung
3. Teil: Literatur & Autor

Weiterführende Links:

• Die vier gängigen Verfahren: MID-Herstellungsprozesse im Überblick
• Video: Der schnelle Weg zur 3D-Leiterplatte