LDS-Pulverlack-Verfahren: Für neue Produktionsformen von LED-Designs

Die Photonik befindet sich auf Wachstumskurs. LEDs sind davon in zweifacher Hinsicht betroffen: Sie basieren selbst auf photonischen Effekten, und Lasersysteme haben immer größeren Anteil in LED-Produktionsprozessen. Ganz aktuell ist nun die Platzierung von LEDs auf dreidimensionalen, metallischen Grundkörpern als Träger.

Als wichtige Wachstumstreiber der Photonik gelten die LED-Technik in Beleuchtungssystemen und Lasersysteme in der Produktionstechnologie. So schätzt das Marktforschungsunternehmen Yole Développement den Anteil von LEDs an Beleuchtungsanwendungen für das Jahr 2018 bereits auf 65 Prozent.

Derzeit setzt eine große Zahl von Beleuchtungskörpern noch immer auf die gewohnte räumliche Abstrahlung der Glühbirne sowie auf deren etablierte Bauform. Um eine ähnliche Charakteristik auch mit LEDs in Retrofit-Lampen zu erzielen, ist es eine sinnvolle Herangehensweise, der räumlichen Anordnung der LEDs einen hohen Stellenwert zuzuweisen.

3D-Anordnung für 3D-Abstrahlung

Durch das Platzieren mehrerer LEDs auf einem 3D-Metallkörper lässt sich die Glühlampen-Abstrahlcharakteristik gut reproduzieren. Und auch völlig andere Lichtdesigns mit Leuchtdioden werden denkbar. Aber die Nutzung von dreidimensionalen Metallkörpern als Träger für LEDs führt nicht nur zu völlig neuen Möglichkeiten bei der Platzierung, sondern löst auch die Anforderungen an die Wärmeableitung. Im Betrieb werden LEDs trotz effizienter Stromnutzung heiß. LEDs vertragen eine Junction-Temperatur von maximal 125 bis 135 °C, höchstens jedoch 185 °C für eine lange Lebenszeit. Deshalb geht es nicht ohne eine gesicherte Abfuhr der anfallenden Wärme.

Der Forderung nach einer räumlich flexiblen Anordnung von LEDs kommt LPKF mit einer aktuellen Entwicklung in der LDS-Technologie nach. Dabei kommen Laser zum Einsatz, um Leiterbahnen und Elektronikkomponenten direkt auf einem dreidimensionalen Kunststoffkörper zu platzieren. So können völlig neue LED-Beleuchtungsdesigns entwickelt und produziert werden. Unter den verschiedenen 3D-Verfahren dominiert das Laser-Direktstrukturieren (LDS). Dieses Verfahren nutzt einen thermoplastischen Kunststoff, der mit einem laseraktivierbaren Additiv dotiert ist. Die Strukturen schreibt ein Laserstrahl. Wenn er auf den Kunststoffkörper trifft, legt er das Additiv frei und bildet eine aufgeraute Spur. An den freigelegten Additiven bilden sich in der nachfolgenden stromlosen Metallisierung die Metallschichten. Der raue Untergrund sorgt durch eine enge Verzahnung mit dem Kunststoffkörper für eine hohe Haftfestigkeit.

Nach der Strukturierung erfolgt die Metallisierung in einem stromlosen Bad. Ohne Ankontaktierung entstehen auf den Bauteilen Metallschichten in Metallisierungsbädern. Zunächst bauen sich Leiterbahnen aus Kupfer mit einer Stärke von bis zu 18 µm auf. Danach schließen Veredelungen mit Nickel und Gold in deutlich geringerer Schichtstärke an. Für höhere Ströme oder eine bessere Wärmeleitung lassen sich dickere Kupferschichten durch elektrolytisches Plattieren erzeugen. Ein erwünschter Nebeneffekt: Die galvanisch aufgebauten Kupferschichten sind auch mechanisch robuster als die stromlos-chemischen Beschichtungen.

Mit Lack und Laser

Beim LDS-Prototyping, einer Neuentwicklung von LPKF zum LDS-Verfahren, wird ein beliebiger Körper, zum Beispiel ein 3D-Druck, mit einem Lack beschichtet, der LDS-Additive enthält (Bild 1). In der Regel reicht eine einmalige, gründliche Lackierung aus, um den Basiskörper so mit einer LDS-Lackschicht zu versehen, dass die Laserstrukturierung sicher stattfinden kann.

Zum Prototyping-Prozess gehören darüber hinaus ein spezialisiertes Lasersystem zur Strukturierung und eine Instant-Metallisierung. Das Lasersystem beruht auf den bewährten Systemen der LPKF-ProtoLaser-Reihe und ist für die manuelle Bestückung für Prototypen oder Kleinserien ausgelegt. Es verfügt über einen Scanner-basierten Laser sowie einen beweglichen Arbeitstisch, einen Pilotlaser zur einfachen Einrichtung und ein hochentwickeltes Visionsystem. Da keine mechanischen Kräfte bei der Strukturierung aufgenommen werden müssen, reichen einfache Bauteilhalterungen. Das LPKF-Applikationsteam nutzt häufig Rampen mit 30°- oder 45°-Winkel und eine nicht schrumpfende Dentalpaste für die kostengünstige Bauteilaufnahme (Bild 2).

Die Metallisierung selbst ist einfach: Metallisierungsbad aufheizen, Aktivator hinzugeben und das Bauteil einhängen. An einem Diagramm lässt sich die Dicke der entstehenden Metallschicht ablesen. Mit der Kombination aus Lack, Laser und Metallisierung lassen sich 3D-Layouts in weniger als einem Werktag herstellen. Das reduziert Zeit und Kosten von der Idee bis zum fertigen Produkt.