Neue Produktlayouts in 3D

Bild 1: An einem Technologiedemonstrator wurde die Eignung von LDS-Materialien für hochwertige Antennen bis in hohe Frequenzbereiche geprüft.hft, Universität Hannover

Bauteile übernehmen mittlerweile auch mechanische Funktionen, bringen ihre eigene Verbindungstechnik mit, lassen sich mit elektronischen Einzelbauteilen bestücken oder dienen als Antennen. Damit gewinnen Designer neue Freiheiten: Sie integrieren mechanische, optische und elektronische Funktionen, reduzieren Bauraum und Volumen oder können bestehende Bauteile mit neuen Funktionen versehen. Auch aus wirtschaftlicher Sicht ist die 3D-Technologie interessant. Sie verringert die Zahl der benötigten Teile, verkürzt die Prozesskette und verringert den Materialeinsatz.

LDS

Bild 2: Eine aktive Sensorfläche zur Ein- und Ausgabe: auf Basis von LDS-Kunststoffkörpern.LPKF

Für die Herstellung solcher Bauteile existieren mehrere Verfahren. Das LDS-Verfahren (Laser-Direktstrukturierung) hat einen Marktanteil von mehr als 50 Prozent erreicht. Dabei erzeugt ein Laserstrahl die gewünschten Leiterstrukturen auf einem Bauteil, das im Spritzguss aus einem additivierten Kunststoff hergestellt wird. Auf diesen Leiterstrukturen baut sich danach in einem stromlosen Metallisierungsbad eine Kupferschicht auf. Das LDS-Verfahren kommt gegenüber anderen Verfahren mit einfacheren Werkzeugen aus, ist besonders flexibel und kann Strukturen bis in den Feinstleiterbereich mit einer Leiterbahnbreite von 75 µm erzeugen.

Bild 3: Bei diesem Technologiedemonstrator für ein Tagfahrlicht entstehen nach einer Lackierung durch Lasertechnologie direkt auf dem Metallträger Leiterbahnen. Vorne lassen sich dort LEDs und Kontaktstecker anbringen.LPKF

MIDs (Molded Interconnect Devices, 3D-Baugruppen) sind seit Jahren in ganz unterschiedlichen Märkten vertreten, insbesondere aber bei Smartphones: Bei fast der Hälfte aller Modelle sind die Antennen als MID ausgeführt, weil diese Antennen die Zahl der benötigten Bauteile verringern und damit Bauraum und Gewicht einsparen. Dies wertet Gehäusebestandteile, die bislang nur mechanisch bedeutsam waren, zu Trägern für die Antennenstrukturen auf.

Der Vorteil beim Laserprozess besteht in der Möglichkeit, auf einem Bauteil neue Strukturen oder Produktvarianten ohne Maschinenstillstand oder Werkzeuge herzustellen, sodass für eine Designänderung eine Änderung der Laserstrukturen durch Einspielen neuer Layoutdaten genügt. Auch fortlaufende Seriennummern lassen sich problemlos aufbringen.

Bild 4: Leiterbahnen aus der Sprühdose: Nach der Lackierung werden 3D-Körper LDS-fähig.LPKF

Was im großen Stil bei Smartphones funktioniert, nimmt nun Kurs auf die automobile Welt. Die Forderungen nach Vernetzung der Fahrzeuge untereinander sowie mit einer bestehenden Infrastruktur erhöht die Anforderungen an Fahrzeugantennen beträchtlich. Hier gilt es, die Forderung nach Leichtbau und breiten Frequenzbändern zur Integration verschiedener Dienste sowie die Vorteile eines räumlichen Aufbaus miteinander zu verbinden. Eine 2014 veröffentlichte Studie des Instituts für Hochfrequenztechnik und Funksysteme der Universität Hannover untersuchte unterschiedliche LDS-Kunststoffe auf ihre Eignung für Antennen im Frequenzbereich bis 67 GHz. Dabei kam die Studie zu vielversprechenden Ergebnissen, insbesondere bei der Herstellung räumlicher gerichteter Antennen.

Bild 5: Der LDS-Kunststoffkörper (rechts) ersetzt eine Kombination aus Flex-PCB und Träger.LPKF

Prototyping-Verfahren

Aktuelle Entwicklungen beim Laser-Direktstrukturieren machen die Produktentwicklung immer einfacher und schneller. Der schon übliche 3D-Druck erzeugt aus CAD-Daten seriennahe Bauteile, zum Beispiel für Einbautests. Mit einem speziellen Verfahren entstehen daraus 3D-Schaltungsträger. Hierzu erhält der 3D-Prototyp zunächst als Beschichtung einen speziellen Lack aus einer Sprühpistole. Dieser Lack enthält das benötigte LDS-Additiv. Das so beschichtete Bauteil lässt sich wie ein LDS-Körper mit dem Laser strukturieren. LPKF hat speziell für diese Aufgabe ein Proto-Laser-System entwickelt. Abschließend findet die Prototypen-Metallisierung statt. Auch dafür steht eine Laborlösung zur Verfügung, die keine chemischen Kenntnisse voraussetzt. Mit diesem LDS-Prozess können die Laborteams innerhalb kurzer Zeiträume funktionsfähige MID-Prototypen entwickeln, wodurch die Entwicklungskosten und die Time-to-Market sinken.

Für LED-Anwendungen: LDS-Pulverlack auf Metallträgern

Bild 6: In Smartphones übernehmen bestehende Gehäuseteile elektrische oder elektronische Funktionen.LPKF

Eine Studie der DZ-Bank zur Zukunft der Photonik geht von einem Marktpotenzial von rund 420 Millionen Euro und einem jährlichen Wachstum von 6,5 % aus. Als wichtige Wachstumstreiber identifiziert die Studie die LED-Technologie in Beleuchtungssystemen und Lasersysteme in der Produktionstechnologie. So schätzt das Marktforschungsunternehmen Yole Développement den Anteil von LEDs in Beleuchtungsanwendungen für das Jahr 2018 bereits auf 65 %, und dieser Trend ist im Automobilbau längst angekommen. Allerdings unterscheiden sich das Abstrahlverhalten und die Anforderungen an das Temperaturmanagement bei LEDs deutlich von herkömmlichen Leuchtkörpern. Die Nutzung von 3D-Metallkörpern als Träger für LEDs führt zu völlig neuen Möglichkeiten bei der Platzierung. Gleichzeitig ist auch die Wärmeableitung gesichert, was wiederum die Voraussetzung für eine lange Lebensdauer ist.

Bild 7: Chip-Stacking mit LDS: Das Gehäuse des Chipstapels ist auch für die Ankontaktierung zuständig, beispielsweise im TPMS.LPKF

Mit dem Vorbild des Prototypen-Lacks hat LPKF gemeinsam mit namhaften Lackherstellern einen Pulverlack für LED-Anwendungen entwickelt. Pulverlacke werden in der Regel in elektrostatischen Verfahren aufgebracht und setzen elektrisch leitfähige Körper für eine sichere gleichmäßige Beschichtung voraus. Der Metallkörper als Träger kann die entstehende Wärme der LEDs aufnehmen und verteilen. Gleichzeitig entspricht der Wärmeausdehnungskoeffizient des Grundkörpers tendenziell dem der Leiterstruktur. Das LDS-Powder-Coating ist in zwei Varianten für unterschiedliche Anwendungsfälle verfügbar.

Applikationen im Automotive-Umfeld

Im Automotive-Bereich sind bereits eine ganze Reihe von Produkten und Anwendungen bekannt. Der Demonstrator „MyWave“ von Mid-Tronic, der in Zusammenarbeit mit Kunststoffe Helmbrechts entstand, zeigt, wie sich Steuer- und Anzeigeelemente mithilfe von LDS in räumlich gekrümmte Flächen einbringen lassen. Die aktive Sensorfläche erhält dabei eine ansprechende Oberfläche.

Ein weiteres interessantes Bauteil ist ein Luftdrucksensor für ein TPMS (Reifendruck-Kontrollsystem), das als Ausstattungsmerkmal seit November 2014 für Neuwagen vorgeschrieben ist. Durch die Montage auf der Felge spielt die Masse eine große Rolle: Die Zentrifugalkraft des rotierenden Reifens verursacht Kräfte, die ausgeglichen werden sollten. Da die LDS-Technologie sehr feine und präzise Leiterstrukturen herstellen kann, bietet sich ein Chip-Stacking an, bei dem Sensor und Auswerteelektronik in einem winziges Gehäuse platziert sind. Das Gehäuse selbst übernimmt auch noch die Funktion der elektronischen Ankontaktierung. Dadurch sinkt das Volumen des Luftrucksensors von der Größe eines Zuckerwürfels auf die Größe einer Linse. Eine weitere LDS-Anwendung sorgt für die sichere Ankontaktierung einer Radarantenne, die einen adaptiven Abstandssensor mit Umgebungsdaten versorgt.

(av)