Die Kombination von Elektronik und Kunststoff bedeutet neue prozessuale Herausforderungen, bringt aber viele Vorteile mit sich. Die Zusammenführung beider Technologien reduziert Schnittstellen, was wiederum die Anzahl aufwendiger Abstimmungen verringert und Kosten senkt. Die Dr. Schneider Unternehmensgruppe kooperiert in der Forschung und Entwicklung dUwe rahnieser Technologien mit der Rutronik Automotive Business Unit.

Bild 1: Die kapazitive Konsole kombiniert die In-Mold-Labeling-Technologie mit einer funktionalen Folie und ist maximal tiefgezogen.

Bild 1: Die kapazitive Konsole kombiniert die In-Mold-Labeling-Technologie mit einer funktionalen Folie und ist maximal tiefgezogen. Dr. Schneider Unternehmensgruppe

Die in Bild 1 gezeigte kapazitive Konsole kombiniert die In-Mold-Labeling-Technologie mit einer funktionalen Folie und ist maximal tiefgezogen sowie zwischengespritzt. Die komplette Sensorik ist in dem gespritzten Teil integriert – ganz ohne zusätzliche Prozessschritte.

Wohlfühlicht im Fahrzeug

Eck-daten

Die Kombination von Kunststoff und Elektronik, sowie die Erforschung von leitfähigem Kunststoff ist noch ein relativ neues Feld. Die Verbindung von elektronischen Komponenten mit den häufig im Innenbereich von Fahrzeugen eingesetzten Kunststoffen birgt einige Vorteile wie zum Beispiel die Reduktion von Schnittstellen oder Kostensenkungen. Darüber hinaus eröffnen sich zahlreiche neue Anwendungsfelder, wie beispielsweise das Ambient-Lighting (Wohlfühllicht) im Pkw.

Der Bereich Beleuchtung im Fahrzeuginnenraum gewinnt immer mehr an Bedeutung. Schon heute gibt es in Fahrzeugen Smart-Light-Systeme und animierte Flächen: einerseits lässt sich so ein individuelles, anwenderbezogenes Ambiente schaffen, andererseits erfolgt die Anzeige von Warnhinweisen oder bestimmten Fahrzeugzuständen in visueller Form. Denkbar sind hier zum Beispiel komplexe Lichtszenarien, Warnung vor Hindernissen oder der Ladezustand der Batterie des Fahrzeugs. Zudem dürfte das Thema Wohlfühllicht in Zukunft eine größere Rolle spielen. Künftig soll es möglich sein sowohl Farbtemperatur als auch Beleuchtung an den Biorhythmus des Fahrers anzupassen.

Um diese Funktionen immer sichtbar zu haben, sind LED-Technologien, die passenden Treiber und verschiedene technische Materialien notwendig. Das Thermomanagement solcher Applikationen ist eine sehr große Herausforderung. Immer kleinere Baugrößen bei immer größeren Leistungswerten verlangen clevere und durchdachte Konzepte.

Bild 2: Darstellung des Aufbaus der LED-PCB-Heat Sink unter Verwendung von Thermal-Interface-Materialien.

Bild 2: Darstellung des Aufbaus der LED-PCB-Heat Sink unter Verwendung von Thermal-Interface-Materialien. Dr. Schneider Unternehmensgruppe

Bild 3: Vereinfachte darstelung der Thermischen Kette mit FR4 PCB.

Bild 3: Vereinfachte Darstellung der thermischen Kette mit FR4 PCB. Dr. Schneider Unternehmensgruppe

Hochleistungs-LED-Bauelemente sind heute abhängig von einem effizienten Temperaturmanagement. Der Einsatz von Standard-Leiterplatten-Materialien führt möglicherweise zu aufwendigen Konzepten mit Inlay-Technologien auf Kupferbasis oder teuren Toleranzausgleichen und Kühlkonzepten. Daraus folgt dann der Einsatz von technischen Polymeren und den zugehörigen Produktionsverfahren. Durch die Integration von elektronischen Bauteilen in den Kunststoff lassen sich Bauelemente und gegebenenfalls Prozessschritte vereinfachen oder gar überflüssig machen, mit dem Resultat einer besseren thermischen Anbindung. (Bilder 2 und 3).

Intelligente Wärmeverteilung

Bild 4: Aufbau der LED-Heat Sink in einer Thermischen Kette mit technischen Polymeren.

Bild 4: Aufbau der LED-Heat Sink in einer thermischen Kette mit technischen Polymeren. Dr. Schneider Unternehmensgruppe

Bild 5: Vereinfachte Darstellung der Thermischen Kette mit technischen Polymeren.

Bild 5: Vereinfachte Darstellung der thermischen Kette mit technischen Polymeren. Dr. Schneider Unternehmensgruppe

Eine intelligente Wärmeverteilung und -speicherung ermöglicht es, die LED unterhalb der maximalen TJ zu halten, um die Lebensdauer nicht zu beeinträchtigen und das thermische Derating zu reduzieren (automatische Verringerung der Lichtleistung). Ziel ist es, in der Applikation die höchstmögliche Lichtausbeute zu erreichen. Durch etablierte Metallisierungs- und Druckprozesse wie 3D-MID, Sputtern, IMKS, oder Laser-Direktstrukturierung (LDS) in Kombination mit technischen Kunststoffen lassen sich thermische Übergangswiderstände reduzieren. Auf diese Weise lässt sich auch die Wärmeableitung effizienter gestalten. Zudem besteht die Möglichkeit, die elektrisch leitfähigen Schichten auf die wärmeführenden Kunststoffe direkt aufzubringen. Die elektronischen Bauteile werden mittels Leitkleber aufgeklebt beziehungsweise direkt im Reflow-Prozess gelötet (Bilder 4 und 5).

Eine weitere Herausforderung stellt die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) dar. Hierbei gilt es die aufgebrachten oder eingebetteten Bauteile sicher, gemäß den Automotiv-Spezifikationen, elektrisch zu kontaktieren. Dazu sind in den Kunststoff einbettbare Kontaktierungslösungen, gedruckte Schaltungen sowie Bauelemente nötig, die den zum Teil enorm hohen Spritzdruck im Werkzeug überstehen können.

Um Design-Elemente im Sichtbereich präzise darzustellen, kann der Werkzeuginnendruck 500 bis 700 bar erreichen. Hier forscht Dr. Schneider auch an Mehrkomponenten-Spritzverfahren, welche eine direkte Kontaktierung von Elektronik im Kunststoff ermöglichen sollen. Leitfähige und viskose Klebetechnologien können hier auch zur Problemlösung beitragen.

Hochleistungs-LEDs

Der Trend im Interieur entwickelt sich immer weiter hin zu Black Panel, In-Mold-Decoration und In-Mold-Labeling Technologien mit mehr oder weniger guten Transmissionsgraden. Somit steigt der Bedarf an Licht beziehungsweise Energie, um diese designgetriebenen Technologien im Fahrzeug nutzen zu können. Um Ambiente-Beleuchtung und Warnhinweise auch im Tagdesign darstellen zu können, sind effizientere LEDs als die heutigen notwendig.

Um den Anforderungen der Elektromobilität in Bezug auf den Energieverbrauch Rechnung zu tragen, sind Treiberbausteine mit größeren Regelbereichen nötig (20-1000 mA pro RGB-Kanal). Die Ambiente-Beleuchtung muss im Rahmen eines energieverträglichen Niveaus auf die Umgebungshelligkeit (Tag & Nachtdesign) regelbar sein. Gleichzeitig muss allerdings bei Bedarf, wie zum Beispiel in Gefahrensituationen oder bei Warnhinweisen, die entsprechende höhere Lichtleistung zur Verfügung stehen. Hierfür sind mindestens 1200 cd pro RGB-Kanal nötig. Es kann jedoch erforderlich sein, zusätzliche blaue LEDs einzusetzen, um die Helligkeitsanforderungen im Gammut zu erreichen.