Integration von Heizschichten in Leiterplatten

Leiterpatten sind nach wie vor ein integraler Bestandteil in nahezu allen elektrischen und elektronischen Baugruppen und Systemen. Stetige Weiterentwicklungen mit Technologien wie dem Embedding, getrieben durch zum Beispiel die Miniaturisierung oder die 3D-Integration, haben zu einer Erweiterung der funktionalen Aufgaben von heutigen Leiterplattenaufbauten geführt. Die „Multifunktionale Leiterplatte“ verknüpft dabei die Aufgabe als Schaltungs- und Verdrahtungsträger mit der Integration von funktionalen Strukturen und Systemen. Beispiele für derartige Erweiterungen sind unter anderem die Integration von Piezoelektrika als Energiewandler, von Lichtwellenleitern oder von mikrofluidischen Strukturen.

Prozesswärmetechnik

Die gezielte Zuführung von thermischer Energie (Wärme) an die Leiterplatte lässt sich an verschiedensten Stellen des technologischen Fertigungsprozesses beziehungsweise auch oft im laufenden Betrieb von elektronischen Baugruppen nutzen.

Für die Bereitstellung der Wärme wird in der Regel zusätzliche Anlagentechnik (z.B. Öfen, Heizplatten) benötigt. Die meisten Heizabläufe, zum Beispiel Schmelz-, Trocknungs- oder Aushärteprozesse, basieren in der industriellen Fertigung primär auf konvektiven Wärmeübertragungsverfahren mit Luft bzw. Inertgasen wie Stickstoff als Energieträger. Zum Teil werden diese Prozesse auch durch den zusätzlichen Einsatz von Infrarotheizern unterstützt. Die Erwärmung mittels Strahlung ist vom Absorptionsverhalten der jeweiligen Oberflächen abhängig und kann zudem durch Abschattungseffekte behindert werden.

In Fertigungen werden immer häufiger Heizprozesse unter Vakuum erforderlich, bei denen aufgrund der fehlenden Konvektion auf konduktive Heizmethoden gesetzt wird. Bei durch Wärmeleitung dominierten Prozessen, zum Beispiel beim Einsatz von Heizplatten, besteht allerdings häufig das Problem, dass keine hinreichend gute thermische Ankopplung zwischen Wärmequelle und Leiterplatte bzw. Baugruppe erreicht werden kann. Selbst bei der Anbindung von parallelen Platten führen Mikrorauigkeiten an den Grenzflächen zu einem erhöhten thermischen Widerstand. Hinzu kommen weitere geometrische Unregelmäßigkeiten auf Leiterplatten durch Leiterzüge, Bauelemente, selektive Beschichtungen, Verformungen und andere.

Mit der physischen Integration eines Heizsystems auf oder in das Leiterplattenbasismaterial (z.B. FR-4) soll ein stoffschlüssiger Übergang zwischen beiden erreicht werden. Eine Freisetzung von Wärmeenergie durch das System kann dann quasi aus dem Inneren der Leiterplatte/Baugruppen (endogen) heraus und bis zu den äußeren Grenzflächen ausschließlich durch Wärmeleitungsvorgänge erfolgen. Hierdurch kann eine deutlich höhere energetische Effizienz erreicht werden als bei exogenen Heizprozessen.

Endogenes Löten

Die Herstellung und Charakterisierung von integrierten Heizstrukturen ist Gegenstand verschiedener aktueller Forschungsarbeiten. Eines davon ist das laufende Forschungsprojekt „ERFEB – Energie- und Ressourceneffiziente Fertigung Elektronischer Baugruppen“ (Förderkennzeichen: 3ET1533), das vom BMWi und dem PtJ gefördert wird und sich auf die Umsetzung von endogen unterstützten Lötprozessen konzentriert.

Das Ziel ist die Entwicklung eines globalen Heizsystems, das in das Trägermaterial einer SMT-Baugruppe eingebettet und während eines Lötvorganges elektrisch kontaktiert und geheizt werden kann. Hierfür wird in einer zuvor applizierten Materialschicht mit einem hinreichend großen elektrischen Widerstand eine joule‘sche Erwärmung in Folge eines elektrischen Stromflusses (Stromwärme) hervorgerufen.

Links: Mit Kohlenstoff gefüllte Heizschicht auf einer Leiterplattenbasismateriallage. Rechts: Mikroskopaufnahme einer Kohlenstoffschicht mit unterschiedlichen Partikeltype. Universität Rostock

Die Herstellung und die Integration der resistiven Heizschichten sollen mit Standard- Leiterplattentechnologien durchführbar sein. Als Materialien werden daher in dem Forschungsvorhaben per Siebdrucktechnologie applizierbare Dickschichtpasten mit kohlenstoffbasierten Füllstoffen untersucht. Mit diesen Materialien ist es möglich, die elektrischen Schichtwiderstände der Heizlage durch die Anpassung des Füllgrades in der Paste bzw. über die Schichtgeometrie einzustellen. Für die Erwärmung einer durchschnittlichen Leiterplatte auf ca. 250 °C wird eine thermische Verlustleistung zwischen 1 – 2 W/cm² an der integrierten Heizschicht benötigt.

Links: Durch integrierte Heizschicht erzeugtes Temperaturprofil für einen Lötprozess mit SnBi58 Lotpaste (Schmelztemperatur: ca. 138 °C). Rechts: Temperaturverteilung auf einer endogen beheizten Leiterplatten (IR Aufnahme). Universität Rostock

Um diese zu erreichen, sind niederohmige Heizsegmente mit Schichtwiderständen zwischen 5 – 50 Ohm/□ erforderlich. Diese Größenordnung lässt sich mit hochgefüllten Kohlenstoffpasten erreichen, die aus einer Harzmatrix und einer Mischung von mikros- sowie nanoskopischen Partikeln bestehen. Zwischen den Additiven bilden sich dann elektrisch leitfähige Pfade aus. Untersuchungen in Klimakammern haben gezeigt, dass freiliegende Kohlenstoffschichten eine hohe Affinität zur Umgebungsfeuchte aufweisen und daher geschützt werden müssen. Dies wird durch das Einbetten zwischen mehrere Basismateriallagen erreicht. Hierfür sollten die ausgehärteten Kohlenstoffschichten nicht dicker als ca. 50 µm sein.

Die elektrische Versorgung der Heizschichten erfolgt über parallele Kupferbahnen auf der Leiterplatte, die mit dem kohlenstoffhaltigen Pastenmaterial überdruckt werden. Für den späteren Einsatz in Prozessanlagen ist eine Kontaktierung der einzelnen Elektroden mit Schleif- bzw. Federkontakten vorgesehen. Über eine Regelung der elektrischen Versorgungsparameter wird dann ein Temperaturprofil an den Heizschichten erzeugt, mit denen ein erfolgreicher Lötprozess stattfinden kann.

Kombinierte Testverfahren

Am Institut für Gerätesysteme und Schaltungstechnik der Universität Rostock werden darüber hinaus weitere Erwärmungsmöglichkeiten sowie Heizmaterialien untersucht. Neben der Realisierung von Lötprozessen stehen hierbei vorrangig thermisch unterstützte Testmethoden im Rahmen von Zuverlässigkeitsuntersuchungen im Vordergrund.

Zusätzlich zu dem resistiven Heizprinzip mit entsprechenden Schichten wird von den Rostocker Forschern außerdem die induktive Erwärmung von geeigneten metallischen Suszeptoren verfolgt. Diese bestehen vorrangig aus ferromagnetischen Stoffen und werden als dünnes Segment (ca. 100 µm) in die Leiterplatte integriert. Durch das Einbringen in ein äußeres elektromagnetisches Feld lässt sich der Suszeptor direkt und ohne physische Kontaktierung erwärmen. Das Prinzip ist hierbei vergleichbar mit dem eines Induktionsherdes. Diese Methode benötigt jedoch eine externe Induktorspule, wodurch sie nicht für alle Anwendungen geeignet ist.

Für kombinierte Testverfahren, zum Beispiel temperierte Scherkraftmessungen oder künstliche Alterungen, werden daher spezielle Testcoupons mit resistiven Folien bestehend aus einer Nickel-Phosphor Schicht (ca. 400 nm) auf einem Kupferträger (ca. 18 µm) ausgerüstet. Durch Laminierprozesse lässt sich die Folie auf Leiterplatten-Basismaterialien übertragen. Solche Widerstandsfolien finden bereits Anwendung für die Herstellung von Dünnschichtwiderständen auf Innenlagen von elektronischen Baugruppen und sind daher für die Verarbeitung im Leiterplattenfertigungsprozess gut geeignet.

Mikroskopaufnahme vom Querschliff einer Leiterplatte mit auflaminierter Nickel-Phosphor Schicht als Heizquelle. Universität Rostock

Ihre Strukturierung erfordert jedoch den Einsatz zusätzlicher nasschemischer Prozessschritte. Im Vergleich zu gedruckten Kohlenstoffschichten sind die Schichtwiderstände von nasschemisch hergestellten Nickel-Phosphor-Heizsystemen reproduzierbarer und zeigen zudem eine homogenere Temperaturverteilung aufgrund der konstanteren Schichtdicke. Durch nachträgliches Einbetten der Schichten lassen sich, neben dem Schutz vor Umwelteinflüssen, auch die thermischen Eigenschaften verbessern.

Zu den ersten exemplarischen Testmethoden, die mit endogen beheizbaren Coupons erfolgreich durchgeführt wurden, gehören Messungen der Restscherfestigkeiten an Lötverbindungen unter statischer Temperaturbelastung sowie die beschleunigte thermische Alterung von Prüflingen durch dynamische Temperaturzyklierung.

(pg)