Schwerpunkte

Additives Verfahren

Rapid Packages für Leistungselektronik

22. September 2020, 08:51 Uhr   |  Friedrich Hanzsch und Andreas Krause


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Die adaptive elektronische Fertigung

Die MicroPack3D will die eigens entwickelte Fertigungstechnologie auch in anderen Anwendungsbereichen nutzen. Dazu wurde der klassische Elektronikfertigungsprozess neu gedacht. Der zum Patent angemeldete Fertigungsprozess erlaubt neben dem Hausen und Ankontaktieren von diskreten Leistungselektronikkomponenten zahlreiche weitere Elektronik-Anwendungen, auch mit mehreren kombinierten Halbleitern, die in einem Gehäuse von Millimeter- bis Zentimeter-Dimensionen integriert sind. Der Vorteil liegt hierbei in der Adaptivität des Prozesses sowie in der Verringerung der einzelnen Fertigungsschritte. Die typische Fertigung beginnt mit der Bestückung der ausgewählten Bauelemente auf der Grundlage des erstellten Layouts. Eine freie und heterogene Anordnung verschieden großer Bauteile ermöglicht Flexibilität und, wenn gewünscht, ein zusätzliches Miniaturisierungspotenzial. Die Bestückung erfolgt auf einem temporären Träger mit der Möglichkeit der Bestückung durch industrieübliche Bestücksanlagen.

Im wichtigsten Schritt werden die Bauelemente durch einen stereolithografischen Prozess maskenfrei gehaust. Die Hausung wird dabei auf der Grundlage eines zuvor erstellten CAD-Modells additiv aufgebaut. Kundenwünsche bezüglich Bauraumvorgaben, Materialverwendung oder der Integration von Kavitäten (Gräben und Kanäle) können somit adressiert werden.

Im letzten Fertigungsschritt erfolgt eine Metallisierung, und somit die elektrische Verbindung der Bauelemente. Der Fertigungsschritt beinhaltet die Direktmetallisierung sowie die Strukturierung von Kupfer, wodurch Lötverbindungen vermieden werden können. Dieser Schritt ersetzt das Bonding durch Drähte und Lotverbindungen, wie es bei konventionellen Packages üblich ist.

Weitere Anwendungen der adaptiven elektronischen Fertigung

Neben der Anwendung in der Leistungselektronik ist die Nutzung der innovativen Technologie auch in anderen Bereichen der Elektronik sinnvoll. So kann insbesondere der Technologiekern bestehend aus Hausung und Ankontaktierung Vorteile bringen.

MikroPack3D
© MikroPack3D

Bild 3: Adaptive Elektronikfertigung von der freien Anordnung bis zum individuellen Package.

Die Flexibilität der Hausung in Material und Formanpassung kann Miniaturisierungen über die Möglichkeiten der Leiterplatte hinaus realisieren. Insbesondere wenn asymmetrische und atypische Bauraumvorgaben gewünscht sind, kann die Technologie die nötige Lösung bieten.

Die Ankontaktierungen sind adaptiv fertigbar und dadurch in Fläche und Länge frei wählbar. Während die Variabilität in der Fläche die geeigneten Vorteile im Leistungselektronikbereich ermöglicht, kann die Ankontaktierung auch im Hochfrequenzbereich ihre Stärke ausspielen. Durch den Wegfall der Drahtbondverbindungen und deren parasitären Blindwiderstand sind breitbandigere Übertragungen ohne zusätzliches Anpassnetzwerk möglich. Gleichzeitig fallen Probleme wie das Übersprechen von Drahtbondkanälen weg. Bei kritischen EMV-Applikationen sind Schirmungen direkt auf dem Gehäuse möglich.

Die Kombination aus Hausung und Ankontaktierung kann schließlich in der Sensorentwicklung neue Produkte ermöglichen. So kann die Miniaturisierung die Nutzung von Sensorelektronik näher am eigentlichen Ort der Messung ermöglichen, wenn zuvor der Platz für die benötigte Elektronik nicht ausreichend war. Die hochfrequenztauglichen Verbindungen können für leistungsfähigere Sensoren verwendet werden, wie zum Beispiel Abtastsensoren, für die die höheren Frequenzen eine höhere Leistungsfähigkeit bedeuten können.

Der Prozess kann für schnell benötigte Prototypen in Anspruch genommen werden oder auch für Kleinserien, für die Standard-Packages nicht geeignet sind.

Aspekt der Ressourcenschonung

Während es im klassischen Leiterplattenprozess zu erheblichen Verschnitt- und Restmengen innerhalb der Produktion kommt, können diese mit dem Fertigungsprozess von MicroPack3D vermieden werden. Im Bereich der Energieeinsparung kann der neuartige Fertigungsprozess insbesondere im Bereich der geringen Prozesstemperatur punkten. Temperaturen, wie sie in der klassischen Leiterplattenfertigung vorkommen bleiben den Komponenten erspart. Grund hierfür ist der Wegfall der bisher nötigen Lötverbindung, welche bei bis zu 250 °C im Konvektionsofen realisiert werden muss. Der Energieaufwand für die Erzeugung dieser Prozesswärme, sowie die dadurch verursachten Emissionen können im neuen Prozess vermieden werden. Bei Prozesstemperaturen von bis zu 50 °C und dem kurzen Aussetzen von 80 °C in der Direktmetallisierung werden die verwendeten Bauteile wesentlich weniger strapaziert. (jk)

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