Ob starr oder flexibel – Leiterplatten sind in elektronischen Geräten als Schaltungsträger kaum wegzudenken. Spritzgegossene Kunststoff-Schaltungsträger, besser bekannt als Molded Interconnect Devices (MIDs), bieten hier einige Vorteile hinsichtlich der Verbindungstechnik. Wesentlich hier ist die Kombination von elektrischen und mechanischen Funktionen in einem Bauteil. So lässt sich das vom Kunden spezifizierte Gehäuse oder Innenkonstrukt gegebenenfalls direkt als Schaltungsträger verwenden.

Handelsübliche Rauchmelder lassen sich problemlos mit MID-Technologie erneuern.

Handelsübliche Rauchmelder lassen sich problemlos mit MID-Technologie erneuern. www.grabcad.com

Dreidimensionale Funktionsverdichtung

Das ist etwa ein kompaktes Bauteil mit hochpräzise angeordneten und ausgerichteten Sensoren, kombiniert mit der notwendigen RFID-Antenne zur Signalweitergabe. Eine derartige Funktionsverdichtung auf einem Trägermaterial ermöglicht Entwicklungsingenieuren das Schaffen von Mikrosystemen im dreidimensionalen Raum. MIDs eignen sich dafür ausgezeichnet, speziell auch in der Herstellung für große und größte Volumen.

Bereit für Industrie 4.0

Sensorik und Aktuatorik sind Grundpfeiler von Industrie 4.0 und leiten milliardenfach Signale mithilfe von RFID-Technologie in die eingebetteten Systeme hochleistungsfähiger Kleinstcomputer weiter. Sie sind somit  eine optimale Spielwiese für spritzgegossene Kunststoff-Schaltungsträger, die nicht nur enorme dreidimensionale Gestaltungsfreiheit bieten, sondern auch die Gesamtfertigungskosten senken.

MID-Technologie im Detail

Während herkömmliche Leiterplatten als Basismaterial etwa FR4-Glasfasergewebe verwenden, kommt für die spritzgegossenen Schaltungsträger ein thermoplastischer Kunststoff zum Einsatz, dotiert mit einer (nichtleitenden) laseraktivierbaren Metallverbindung als Kunststoffadditiv.

Die Herstellung der 3D-MIDs erfolgt per LDS-Verfahren (Laser-Direkt-Strukturierung): Die vom Kunden gewünschte Form des Schaltungsträgers entsteht im Einkomponenten-Spritzgussverfahren, fast ohne Grenzen bezüglich der dreidimensionalen Gestaltungsfreiheit. Ein Laserstrahl schreibt die späteren Leiterbahnen der Schaltung. Bei diesem Prozess wird dort, wo der Strahl auftrifft, die Kunststoffmatrix in Spaltprodukte zersetzt beziehungsweise geringfügig abgetragen. Dabei spalten sich Kupferkeime ab, die die Basis für die darauf folgende Metallisierung bilden.

Handelsüblicher Rauchmelder von innen: Trägermaterial und Formteil bestehen bereits aus Kunststoff.

Handelsüblicher Rauchmelder von innen: Trägermaterial und Formteil bestehen bereits aus Kunststoff. www.grabcad.com

Ein kohäsiver Vorgang erfolgt auf den Kupferkeimen im nachfolgenden stromlosen Metallisierungsprozess mit Kupfer. Nickel als Sperrschicht bildet den Abschluss zur Kupferschicht. Darüber hinaus erfolgt die Veredelung mit einer dünnen Goldschicht, um für gute Löteigenschaften zu sorgen. Fertig ist der dreidimensionale Schaltungsträger, nun kann das Bauteil bestückt werden. Beim Gestalten von Antennen, Abschirmungen oder reinen Stromführungen fällt das Bestücken natürlich weg. Die Verdichtung der Schaltung mit 80 µm Leiterbahn/80 µm Leiterbahnabstand ist bereits in großen Serien realisiert und trägt zur weiteren Miniaturisierung bei.

Potenziale der Technologie

In der modernen Verbindungstechnik machen sich die Ingenieure starrflexible Leiterplatten zunutze, wenn mehrere Leiterplatten in unterschiedlichen Einbaulagen und Ausrichtungen elektrisch zu verbinden sind. Hier liegen natürlich die Kernkompetenzen der MIDs in der Reduzierung der Teileanzahl (Prozess-, Material-, Qualitäts- und Logistikeinsparungen) sowie der Reduzierung der Montageschritte und -aufwendungen. Das Potenzial der MID-Technologie in der fertigungsoptimalen und funktionsorientierten Produktentwicklung ist enorm.

Flexible Leiterplatten sind oft eine geeignete Lösung zum Überbrücken räumlicher Distanzen mit verändertem Winkel. Aufwendungen können dabei entstehen, wenn Sensoren wie etwa Hallsensoren oder Beleuchtungen exakt positioniert werden sollen. Das MID-Bauteil schafft hier Möglichkeiten im Mikrobereich. In der Anordnung sind spritzgegossene Schaltungsträger kaum zu überbieten, präzise Positionierung von Komponenten und definierte Winkel in den Anordnungen sind einfach realisierbar. Antennen oder Abschirmungen lassen sich gezielt mit der gewünschten Wirkung auf den Träger anbringen beziehungsweise mit der Schaltung kombinieren.

Beispiel: Rauchmelder

Heutige Rauchmelder eignen sich sehr gut für eine Erneuerung durch MID-Technologie. Das Trägermaterial der Rauchmelder besteht bereits aus Kunststoffkomponenten, insbesondere das Formteil, auf dem die Komponenten montiert sind.

Rauchmelder-Konzept basierend auf 3D-MID. Die Batteriehaltung ist direkt in das Formteil integriert.

Rauchmelder-Konzept basierend auf 3D-MID. Die Batteriehaltung ist direkt in das Formteil integriert. Multiple Dimensions

Die MID-Technologie bietet wesentliche Vereinfachungen des Aufbaus und der damit verbundenen Funktionsintegration. So ist die Batteriehalterung direkt in das Formteil integriert, damit entfallen die Metallkontakte ebenso wie die beiden Anschlusskabel und der aufwändige Lötprozess zum Kontaktieren. Als Komponenten können Standard-SMD-Bauelemente zum Einsatz kommen, dies spart einerseits Kosten und andererseits erfolgt die Bestückung durch State-of-the-Art-Bestückungsautomaten – der Personalaufwand für den Montageprozess sinkt auf ein Minimum. Auch die Anzahl der Elemente reduziert sich auf ein Minimum – die Leiterplatte entfällt komplett, Leiterbahnen direkt auf dem Kunststoff ersetzen die Drähte und deshalb entfallen auch die Anschlussstecker.

Ebenfalls hinzu kommt die Möglichkeit der Integration von Antennen, um die Rauchmelder vernetzen zu können. Durch Anpassen der Laserprogrammierung lässt sich eine beliebige Antennenstruktur direkt auf das Trägermaterial strukturieren. Zu guter Letzt ermöglicht die MID-Technologie die Elimination mechanischer Schalter, so kann einfach eine kapazitive Fläche metallisiert werden und diese als kapazitiven Schalter auswerten.

Industriell erprobt

Kunststoff-Substrat mit integrierten Leiterbahnen: Drähte und Anschlusstecker entfallen.

Kunststoff-Substrat mit integrierten Leiterbahnen: Drähte und Anschlusstecker entfallen. Multiple Dimensions

Die industrielle Erprobung hat die 3D-MID Technologie schon lange hinter sich. Vorreiter waren die Herausforderungen in der räumlichen Antennenkonstruktion ebenso wie die Erweiterung von Frequenzbändern, Integrationsdichten und verfügbaren Bauräumen bei hochfrequenten Anwendungen. Die spritzgegossenen Schaltungsträger eignen sich für 3D-Antennen in den Frequenzbereichen bis zu 6 GHz, zum Beispiel für Bluetooth, LTE oder Wi-Fi. In vielen Smartphones, Tablets und anderen tragbaren Geräten findet man so hergestellte Antennen.

Auch in mobilen Zahlungsterminals kommen MID-Lösungen millionenfach zum Einsatz. In allen bekannten Industriebereichen, wo Strom fließt oder Abschirmungen erforderlich sind, gibt es unzählige Anwendungsmöglichkeiten für spritzgegossene Schaltungsträger. Die mechatronischen Vorteile der Technologie ermöglichen zudem die Gestaltung von Halterungen für Energiequellen wie zum Beispiel Knopfbatterien, was den Schaltungsträger zu einem eleganten Bauteil macht.