Neues Material, neues Herstellungsverfahren Die ersten Spulenkörper in MID-Technik

Spulenkörper, die Basis von Spulen in elektronischen Bauteilen, werden immer kleiner. Gleichzeitig nimmt die Bestückungsdichte zu. Um die steigenden Anforderungen zu meistern, suchte der Spulenhersteller Norwe nach neuen Materialien und Herstellungswegen und wurde bei der LDS-Technologie von LPKF fündig.

Die LDS-Technologie hat sich bereits als führendes Verfahren zur Herstellung von MID-Bauteilen durchgesetzt.

Norwe und die LPKF-Tocher LaserMicronics starten ein gemeinsames Pilotprojekt, bei dem auch das Unternehmen Plastic-Technologie-Service (PTS) als Spezialist für strahlenvernetzbare Hochleistungspolyamide beteiligt ist. Das Pilotprojekt mündete bereits in konkrete Produkte: Im ersten hat Norwe ein metallisiertes LDS-Pendant von einem bereits existierenden Mikrobauteil auf den Markt gebracht. Ein weiterer Meilenstein ist die neu entwickelte SMD-3-Spulenkörper-Serie aus glasfaserverstärktem, vernetzten Polyamid PA 6.6. Es wurde bereits serienfähig auch in Kundenanwendungen evaluiert.

Durch die LDS-Technik kommen die Spulenkörper ohne metallische Lötkontakte aus: kein Einspannen des Bauteils, kein Einpressen der Kontakte. Durch Laserbearbeitung und chemische Metallisierung entstehen die erforderlichen Kontakt- und Anwickelflächen. »Weniger Bauteile, niedrigeres Gewicht, vereinfachte Anschlusstechnik, hervorragende Löteigenschaften, optimale Koplanarität – insgesamt bringen Werkstoffauswahl, Strahlenvernetzung und Laser-Direktstrukturierung viele Pluspunkte mit sich«, unterstreicht Vitalij Wottschel, bei LaserMicronics zuständig für die Prozessqualifzierung.

Bisher fertigte Norwe seine Spulenkörper im Kunststoff-Spritzverfahren, die elektrischen Kontakte werden später eingepresst bzw. bestückt. Das Angebot umfasst rund 25.000 Spulenkörper für unterschiedliche Einsatzbereiche. Jährlich produziert das Unternehmen bis zu ca. 120 Millionen Artikel. Die Kunden sind Zulieferer der Medizin-, der Automobil-, der Energie- und der Luft- und Raumfahrttechnik aus aller Welt. Ob für Trafos in Netzgeräten, Leistungselektronik, Sensorik oder Sicherheitselektronik: Die Spulenkörper müssen im rauen Alltag höchsten mechanischen, elektrischen und thermischen Belastungen standhalten.

Bei den immer kleiner werdenden Kunststoffkörpern, insbesondere bei SMD- bzw. Oberflächen-montierbaren Bauteilen, kommt es vor allem auf die Koplanarität an: »Ungleiche Abstände der Lötkontakte zur Leiterplatte beeinträchtigen das Lötergebnis, und auch die exakte Platzierung der Kontakte wird immer schwieriger«, erklärt Wottschel. Hinzu kommt die Anforderung, dass die Bauteile bis über 400 °C lötfähig sein sollen, so dass flüssigkristalline Polymere als Material ausscheiden. Zunächst mussten die Projektpartner also einen gut geeigneten Basis-Kunststoff durch Strahlenvernetzung so modifizieren, dass die benötigte Temperatur-Stabilität gegeben ist. Im Pilotprojekt wurden in einem ersten Schritt die zu verwendenden Kunststoffe definiert und der Einfluss der Strahlenvernetzung auf ihre LDS-Fähigkeit untersucht: Platten aus vernetztem und unvernetztem PTS Creamid LDS werden für Abzugstests angefertigt und mit Leiterstrukturen versehen. »Denn beta- oder gammabestrahltes Creamid mit Reinzinnlegierung erlaubt um bis zu 30 Prozent höhere Löttemperaturen – die Vorgabe von über 400 °C erscheint somit umsetzbar«, so der Experte.

Die LDS-Technologie vereint elektronische und mechanische Funktionen in einem Bauteil. Zu Beginn entstehen Formteile im Einkomponenten-Spritzguss aus einem mit Additiven versehenen Thermoplast. Ein Laserstrahl schreibt den Verlauf der späteren Leiterbahnen auf den Kunststoff. Durch diese Laseraktivierung bildet sich eine mikroraue Oberfläche, auf der sich das Kupfer während der anschließenden Metallisierung haftfest verankert. Im stromlosen Metallisierungsbad entsteht eine bis zu 10 µm starke Cu-Schicht. Zum Schluss kommt Nickel als Sperrschicht hinzu sowie ein hauchdünnes, sehr lötfähiges Gold-Finish.

Die Messdaten zu den von LaserMicronics strukturierten Creamid-Prüfplatten erlauben klare Aussagen zu Laser- und Metallisierungsparametern, zur Metallhaftfähigkeit auf dem Kunststoff sowie insgesamt zur Eignung des Verfahrens für die Herstellung von Spulenkörpern. Auf dieser Basis setzt Norwe nun den LDS-Prozess für die Serienproduktion ein. Und es gibt die Option von Klein- und Mittelserien ohne großen Bestückungsaufwand. »Die LDS-Technologie bietet für die Entwicklung und Fertigung von Spulenkörpern also noch viel weiteres Potential«, freut sich Wottschel.