Laser-Direktstrukturierung Leiterbahnen auf Metall

Leiterbahnen auf Metallkörpern? Zwei neue Pulverlacke und ein schon etwas länger eingeführtes Verfahren machen diese Idee wahr. Nach der Beschichtung des Metallträgers legt ein Laserstrahl Leiterstrukturen darauf an, und darauf scheidet sich Kupfer ab. Was lässt sich damit so alles machen?

Ursprünglich stammen die Überlegungen zum LDS-Pulverlack (Laser Direct Structuring) aus der LED-Technologie, denn diese Bauteile benötigen für eine lange Lebensdauer ein effizientes Wärmemanagement. Um andererseits eine räumliche Lichtwirkung zu erzielen, werden mehrere LEDs in unterschiedlichen Winkellagen angeordnet. Ein idealer Träger für die Leuchtdioden muss also einerseits das gewünschte Abstrahlverhalten ermöglichen, andererseits die entstehende Wärme abtransportieren. In der LED-Technik kommen daher metallische Träger zum Einsatz, weil sie beide Anforderungen erfüllen.

Dazu hat LPKF bereits im Herbst 2013 ein experimentelles Konzept vorgestellt: ein weiß lackierter Alukörper in Form einer kleinen Glühlampe mit LEDs, die direkt auf dem Mantel aufgebracht wurden (Bild 1). Mit einer handelsüblichen Blockbatterie verbunden zeigte dieser Prototyp, was auf ihm steckt – LEDs, die gemeinsam ein räumliches Abstrahlverhalten entwickeln. Dabei kommt das LDS-Verfahren zum Einsatz (siehe nachfolgende Bilder).

Am Anfang steht ein Kunststoffbauteil, das mit einem LDS-Additiv versehen ist. Der Laser schreibt darauf die gewünschten Leiterzüge und aktiviert dabei das Additiv. Ein erwünschter Nebeneffekt: Bei der Laseraktivierung entstehen mikroraue Oberflächen, auf denen die Metallschichten gut haften. Nach der Laserstrukturierung wird das Kunststoffbauteil für einen definierten Zeitraum in ein stromloses Metallisierungsbad gehängt. Auf den aktivierten Flächen scheidet sich Kupfer ab, möglich und sinnvoll sind Schichtdicken von bis zu 18 µm. In zwei weiteren Metallisierungsbädern werden eine Nickel- und eine Goldschicht aufgebracht, um einen Schutz gegen Umwelteinflüsse und eine gute Kontaktierbarkeit zu erzielen (Bild 2).

Auch für das Prototyping existiert ein erprobtes Verfahren. LPKF hat es auf der productronica 2013 in München vorgestellt. Ein 3-D-Druck wird mit einem Lack überzogen, der LDS-Additive enthält. Der Lack wird als Zweikomponentensystem in einer speziellen Sprühdose geliefert und vor der ersten Lackierung aktiviert. In den meisten Fällen reicht eine einmalige gründliche Lackierung im Kreuzgang für eine akzeptable Dicke der Lackschicht aus.

Für die Laserstrukturierung stellt LPKF nun ein System vor, das sich den Aufbau mit den »ProtoLasern« teilt. Es nutzt die Laseroptik der größeren Produktionssysteme, sodass die ermittelten Laserparameter übertragbar sind.

Der »ProtoLaser 3D« benötigt lediglich eine Steckdose und eine Absaugung. Er verfügt über eine höhenverstellbare Arbeitsbühne, um Bauteile unterschiedlicher Abmessungen zu strukturieren (Bild 3). Der Arbeitsbereich umfasst 300 mm x 300 mm x 50 mm, das Scanfeld 100 mm x 100 mm x 25 mm.

Die stromlose Metallisierung übernimmt »ProtoPlate LDS« von LPKF. Es besteht aus einem Schutzgehäuse zur Prozessführung und einer fertig zusammengestellten Kombination der Badchemikalien als Verbrauchskomponente. Der Metallisierungsprozess ist laut Hersteller so einfach wie Kaffeekochen: Das Metallisierungsbad wird ins Becherglas gegeben und auf eine Arbeitstemperatur von circa +44 °C gebracht. Die vorportionierte Aktivatorlösung startet den Prozess. Anschließend werden die Bauteile in das Bad gehängt (Bild 4). Die Stärke der Kupferschicht – im praxisrelevanten Bereich von 3 µm und 10 µm – hängt in erster Linie von der Verweildauer ab – nach zwei Stunden ist die Maximalstärke erreicht.