Leiterplatte und Leiterbahnen im Spritzguss 3D-Schaltungsträger im Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahren

Mit nur drei Prozessschritten lassen sich räumliche Schaltungsträger (MID) im Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahren herstellen: je ein Spritzgussvorgang für die Leiterbahnzüge und das isolierende Substrat, daran anschließend die galvanische Metallisierung. Was so einfach klingt, erfordert jedoch eine gute Kooperation der Entwicklungsabteilungen für Mechanik und Elektronik.

Ziel der MID-Technik ist es, elektromechanische Hybridbauteile herzustellen, bei denen kein separater Schaltungsträger verwendet werden muss. Die Integration von Leiterbahnen in mechanische Funktionselemente - die Leiterplatte ist gleichzeitig auch Gehäuse, Schnappverbindung, Sichtteil und/oder Funktionssteil - kann die Fertigungskosten senken und Herstellungszeiten verkürzen, ermöglicht gleichzeitig eine kompaktere Bauweisen und vereinfacht das Recycling.

Ein Verfahren, um Leiterzüge auf spritzgegossenen Kunststoffteilen zu erzeugen, nutzt die Zwei-Komponenten-Spritzgusstechnik (2K). Bei der 2K-Technik entfällt, gegenüber den anderen Herstellungsverfahren räumlicher Schaltunsträger, der Prozess des Strukturierens - meist per Laser. Bei der 2K-Technik wird das als Schaltungsträger dienende Kunststoffbauteil aus zwei unterschiedlichen Materialien hergestellt. Zunächst wird ein „Vorspritzling“ gefertigt (Bild). Dieser wird im Spritzgießwerkzeug umgesetzt und im direkt anschließenden Arbeitsschritt mit einem weiteren, zweiten Kunststoff umspritzt. Je nach Geometrie bzw. Anwendung wird zuerst der metallisierbare Kunststoff verarbeitet, die späteren Leiterbahnen, und anschließend der nicht zu beschichtende Kunststoff oder umgekehrt. Alle Außenflächen, welche aus dem metallisierbaren Kunststoff bestehen, werden in einem nachfolgenden Galvanikprozess mit Kupfer beschichtet. Da nur die Oberfläche des einen Kunststoffes metallisiert wird, können mit der 2K-Technik voneinander isolierte Leiterbahnen nebeneinander auf einer Fläche realisiert werden.

Eine sehr häufige Frage ist, warum nicht gleich ein elektrisch leitender Kunststoff für die Leiterbahnen verwendet wird. Bei elektrisch leitenden Kunststoffen sind allerdings alle Bereiche eines Spritzlings nicht nur mechanisch, sondern auch elektrisch miteinander verbunden. Sollen voneinander isolierte Leiterbahnen mit elektrisch leitenden Kunststoffen realisiert werden, dann ist dies nur durch mehrere Anspritzpunkte und voneinander getrennte Spritzlinge möglich. Die nachträgliche Metallisierung eines 2K-Teiles bietet damit den Vorteil, dass alle Leiterbahnen mit einem Spritzling und in einem Arbeitsgang gefertigt werden können. Darüber hinaus liegt der Leitwert von Kupfer-Leiterbahnen weit über dem von leitfähigem Kunststoff. Außerdem kann bei Kupferleiterbahnen auf bekannte und bewährte Verbindungstechniken für die elektronischen Bauelemente zurückgegriffen werden. 2K-Schaltungsträger bieten alle Vorteile, welche gewöhnliche Kunststoffteile auch schon bieten: Die Teile sind reproduzierbar mit sehr hoher Genauigkeit herstellbar, so dass auch Passmaße realisiert werden können. Durch unterschiedliche Bewegungen im Spritzwerkzeug können im Schaltungsträger mechanische Funktionen wie Hinterschnitte, Gewinde, Bohrungen oder Freiformkonturen integriert werden. Auf diese Weise können beispielsweise Schnapphaken angebracht werden, um den Schaltungsträger mechanisch mit weiteren Bauteilen zu verbinden.

Einflussfaktoren: Material und Prozess

Pauschale Aussagen über die technisch möglichen Dimensionen der Leiterbahnen lassen sich bei 2K-Schaltungsträgern nur schwer machen. Im Gegensatz zur Laserstrukturierung sind beim 2K-Spritzguss die realisierbaren Leiterbahnbreiten und Leiterbahnabstände von vielen Einflussfaktoren abhängig - Material-eigenschaften, Spritzgussprozess, Geometrie des Teiles, Formenbau etc. Denn: Jede Leiterbahn und jeder Zwischenraum muss spritztechnisch herstellbar sein. Kleine Abstände, wie sie z.B. mit dem Laser zu realisieren sind, können mit der 2K-Technik nicht umgesetzt werden. Versuchsträger konnten bisher mit einer minimalen Leiterbahnbreite von 130 μm ausgeführt werden. Auch Leiterbahnzwischenräume konnten bereits mit ähnlich feinen Dimensionen gefertigt werden. Für Serienanwendungen mit sicherem Prozessfenster sollten jedoch Leiterbahnbreiten nicht unter 200 μm angestrebt werden. Die tatsächlich zu realisierenden Abstände hängen jedoch von der gesamten Füllsituation am Spritzgießteil ab.

Die Materialauswahl für 2K-MIDs hat sich in den letzten Jahren reduziert. Derzeit gibt es nur ein Material, welches in Serienteilen als galvanisierbarer Kunststoff eingesetzt wird. Es handelt sich hierbei um ein flüssigkristallines Polymer (LCP; Lyquid Crystal Polymer) mit dem Produktnamen Vectra E820i Pd. Es wurde von Ticona speziell für die MID-Anwendung entwickelt und hat sich als idealer Werkstoff für Spritzguss-Schaltungsträger bewährt. Die spritztechnische Verarbeitbarkeit dieses LCP ist sehr gut. Dank der extrem guten Fließfähigkeit lassen sich sehr filigrane MIDs herstellen. Gleichzeitig weist das Material sehr gute mechanische Eigenschaften auf, ist resistent gegen viele Chemikalien und hat eine sehr geringe Wasseraufnahme. Bauteile aus diesem Material können im Reflow-Verfahren gelötet werden und haben einen Temperatur-Längenausdehnungskoeffizient, der sehr dicht bei dem von FR4-Leiterplatten liegt. Das kann in vielen Fällen, bei denen die Temperaturbeanspruchung eine Rolle spielt, ein entscheidender Vorteil sein.

Erfolgsfaktor: Mechanik + Elektronik

Bei der Entwicklung von 2K-MIDs ist das Gespräch zwischen Kunde und Hersteller extrem wichtig, ebenso eine enge Zusammenarbeit zwischen Elektronik-Konstruktion, Mechanik-Konstruktion und Lieferant. Hierbei müssen die spritztechnische Herstellbarkeit, die elektrische Funktion und die mechanischen Eigenschaften und Anforderungen gemeinsam erarbeitet und definiert werden. Bevor das Design eines MID festgelegt wird, müssen mit viel Aufwand und Sorgfalt die elektrischen/elektronischen sowie die mechanischen Anforderungen an den Schaltungsträger, die erforderliche Beschichtung sowie die Folgeprozesse wie Bonden, Kleben, Löten usw., die möglichen und notwendigen Prüfverfahren und die Einsatzbedingungen sowie die Machbarkeit und prozess-sichere Umsetzbarkeit in ein vernünftiges Werkzeugkonzept analysiert werden.

Kritischer Schritt: Galvanische Metallisierung

Bei der Entwicklung von MIDs wird häufig die Galvanik vergessen. Auch dieser wichtige Prozessschritt muss bereits zu Beginn einer Entwicklung berücksichtigt werden. Hierbei müssen zum einen die geometrischen Bauteilformen beachtet werden. Zum anderen sollte jedoch auch schon frühzeitig der Schichtaufbau festgelegt werden. Je nach Anforderungen und Einsatzgebiet kann die Schichtfolge stark variieren. Prinzipiell kann jedoch gesagt werden, dass jede Schichtfolge, die auf einer FR4-Leiterplatte realisiert werden kann, auch galvanisch auf MIDs aufgebracht werden kann.

Die bei der PKT Präzisions-Kunststoff-Teile GmbH in den letzten zehn Jahren gesammelten Erfahrungen zeigen, dass MID-Projekte nur dann erfolgreich abgeschlossen werden, wenn von Beginn an die Randbedingungen klar sind und eine offene Entwicklungsarbeit möglich ist. Besonders die in vielen Unternehmen getrennte Entwicklung von Elektronik und Mechanik mit unterschiedlichen CAD-Systemen stellt hierbei oft eine große Hürde dar. Das Fehlen von CAD-Schnittstellen und gegenseitigem Verständnis erschweren die Zusammenarbeit. Das Verständnis der einzelnen Entwicklungspartner füreinander ist aber Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Entwicklung eines MID. Zwei-Komponenten 3D-MIDs werden heute in Serie mit großen Stückzahlen hergestellt. Das Schaltungsträger-Design muss schon im Vorfeld mit allen Beteiligten an der Fertigungsprozesskette genauestens analysiert und abgestimmt sein. Jeder einzelne Prozessschritt ist von der Entwicklung bis zum Endprodukt genau zu prüfen.

Die PKT Präzisions-Kunststoff-Teile GmbH hat bereits vier verschiedene Kleinserienformen und ein 4+4-fach-Großserienwerkzeug zur Herstellung von 2K-3D-MID-Bauteilen im Einsatz.