Fertigungstechnologien Mechanik/Elektronik Autor: Prof. Dr.-Ing. K. Feldmann, Dipl.-Ing. F. Schüßler Universität Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik Egerlandstr. 7-9

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Stand: 27. Oktober 2006 Seite 1 (12) Zusammenfassung Die Integration von mechanischen und elektrischen Funktionen in mechatronische Systeme ist in den vergangenen Jahren sehr stark vorangetrieben worden und wird auch in Zukunft aufgrund der weiteren Dezentralisierung von elektronischen Baugruppen ein wichtiges Forschungsgebiet bleiben. Die Integrationspotenziale wie z. B. die Miniaturisierung hängen dabei sehr stark vom Einsatzbereich, der Integrationsart und den Systemgrenzen ab. Die beiden maßgeblichen Technologien für derartige Systeme bilden die MID-Technologie (Molded Interconnect Devices – Spritzgegossene Schaltungsträger) und die flexiblen Schaltungsträger. Durch die stoffliche Verbindung von mechanischen Komponenten und elektrischen Funktionen erschließen sich ernorme gestalterische Freiheiten, wodurch wiederum die Fertigungstechnologien vor neue Herausforderungen gestellt werden. Hinzu kommt die Substitution der klassischen Leiterplattensubstrate durch neue Materialien, wie z. B. Thermoplaste. Neben der Anpassung be-

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stehender Fertigungsprozesse, erfordert dies zunehmend auch die Entwicklung neuer Systemkonzepte bzw. die Erweiterung bestehender Systeme. Hierdurch ergibt sich ein neues Spannungsfeld aus Materialien, Fertigungssystemen und Produktkonzepten, das im folgenden Beitrag erläutert werden soll. Neben den verschiedenen Möglichkeiten zur Formgebung der mechatronischen Baugruppen und deren Metallisierung soll im Weiteren auf die Prozessschritte der Surface Mount Technology (SMT) in Bezug auf starre und flexible thermoplastische Schaltungs-träger eingegangen werden.

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Metallisierung thermoplastischer Substratmaterialien Die dominierenden Verfahren zur Metallisierung thermoplastischer Schaltungsträger sind die chemische bzw. elektrolytische Metallisierung, da diese als kostengünstig und prozesstechnisch voll beherrschbar angesehen werden. Die Anforderungen an die Metallisierung sind in Bild 1 dargestellt. Prinzipiell lassen sich die angewendeten Metallisierungsverfahren aber in drei Gruppen einteilen, die sich durch den Ausgangszustand der Metallisierung unterscheiden: •

Aus dem gasförmigen Zustand (PVD, CVD)

•

Aus dem ionisierten Zustand (chemisch und galvanische Metallisierung)

•

Aus dem festen Zustand (Aufkaschieren oder Prägen einer gewalzten oder elektrolytisch abgeschiedenen Kupferfolie)

Bild 1: Anforderungen an Metallisierungsprozesse

Der prinzipielle Unterschied zwischen dem Chemical-Vapor-DepositionVerfahren (CVD) und dem Physical-Vapor-Deposition-Verfahren (PVD) ist der Aggregatszustand des Beschichtungsmaterials. Während es sich bei PVDVerfahren im festen Zustand befindet und erst durch Wärmezufuhr verdampft bzw. durch Teilchenbeschuss zerstäubt wird, ist es beim CVD-Prozess von Anfang an in einem gasförmigen Zustand.

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Eine galvanische Beschichtung kann prinzipiell auf zwei Arten erfolgen. Eine stromlose Variante stellt das chemische Galvanisieren dar, das allerdings mit einem großen Gehalt an komplexen Chemikalien erfolgt. Die damit realisierten Schichtdicken werden aus Kostengründen auf maximal 1 µm beschränkt und müssen mit einem weiteren galvanischen Schritt elektrolytisch verstärkt werden, um die gewünschte Schichtdicke zu erreichen. Beim so genannten Print & Etch-Prozess werden Kupferfolien bestimmter Dicke durch Druck und Temperatur mit dem thermoplastischen Kunststoff verbunden. Dies kann entweder durch Auflaminieren oder durch Prägen geschehen. Die verwendeten Kupferfolien können entweder gewalzt oder elektrolytisch hergestellt werden.

Herstellung von MIDs Die Herstellung und Strukturierung von spritzgegossenen Schaltungsträgern kann mit unterschiedlichen Konzepten erfolgen. Dabei hat sich gezeigt, dass das Herstellungsverfahren in Abhängigkeit der Anforderungen ausgewählt werden muss. Aus diesem Grund haben sich mehrere Herstellungsverfahren parallel etabliert, wodurch für jeden Anwendungsfall das passende Konzept zur Verfügung steht. Nach [8] zeigt Bild 2 eine Auswahl verschiedener Verfahrensketten, die nach der Abfolge unterschiedlicher Herstellungsprozesse für Formgebung, Metallisierung und Strukturierung gegliedert sind. Insbesondere unterscheiden sich die Verfahren in den Bereichen wie •

der Komplexität der elektronischen Schaltung (Leiterbahnbreiten, Lagenzahl, Spannungs-, Strombelastbarkeit etc.),

•

den Gestaltungsmöglichkeiten (3D-Eignung, Miniaturisierung, Integration Verbindungselemente, Montagetechnologien etc.) sowie

•

der Wirtschaftlichkeit (Material-, Verfahrenskosten, Investitionsbedarf etc.).

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Bild 2: Herstellungsverfahren für spritzgegossene räumliche Schaltungsträger [8]

Breite Anwendung findet die Schaltungsträgerformgebung mit Hilfe des Zweikomponentenspritzgießens, da dieses Verfahren maximale Freiheiten bei der Formgebung zulässt. Beim so genannten PCK-Verfahren wird zum einen ein mit Palladiumkeimen katalysierter Kunststoff verwendet. Dieser gibt im weiteren Verlauf die Leiterbildstruktur vor, da sich an den Palladiumkeimen Kupfer anlagern kann. Die Bereiche zwischen den später leitenden Bahnen werden dagegen mit nicht katalytischem Kunststoff hergestellt. Die Komplexität des Leiterbildes und des Produktes gibt dabei vor, ob die metallisierbare Komponente im ersten oder zweiten Spritzgießvorgang verarbeitet wird. Die Metallisierung der leitenden Strukturen erfolgt mittels stromloser Beschichtung lediglich an der Oberfläche des katalytischen Materials, da die räumliche und elektrische Komplexität des Leiterbildes mit einer Vielzahl voneinander isolierter Leiterbahnen zumeist nicht die elektrolytische Galvanisierung erlaubt. Die stromlose Metallisierung der Leiterstruktur in einem Schritt arbeitet allerdings mit geringeren Abscheidegeschwindigkeiten. Bei den Verfahren Laserdirektstrukturierung und Maskenverfahren werden ähnliche Prozesse wie zur Herstellung konventioneller Leiterplatten eingesetzt. Beim so genannten SIL-Verfahren (Spritzgussteile mit integrierten Leiterbahnen) wird zunächst die Basiskupferschicht chemisch/elektrolytisch aufgebracht, danach erfolgt das Aufbringen des Ätzresists (z.B. Zinn). Dieser wird mit dem Laser in sehr feinen Bahnen abgetragen. Das so freigelegte Kupfer kann in einem Ätzbad

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gestrippt werden, wodurch nach dem Entfernen des Ätzresists, die Leiterstrukturen freigelegt werden. Diese können im Anschluss mit weiteren metallischen (chem. Sn) oder organischen Schichten abgedeckt werden. Eine Abwandlung des Verfahrens legt lediglich Isolationskanäle in der vollflächigen Metallisierung frei. Daher eignet es sich besonders für Anwendungsfälle, in denen eine Abschirmung oder Kühlflächen erforderlich sind. Für das 3-D-Maskenbelichtungsverfahren werden räumlich geformte PVCMasken zur Strukturierung verwendet, auf denen in einem stromlosen Kupferbad zunächst auf der Oberfläche eine dünne Schicht (ca. 1-3 µm) Metall, danach der Photoresist, abgeschieden wird. Parallel dazu wird eine PVC-Folie auf einer Seite mit einem speziellen Lack beschichtet, dann in die gewünschte Form gebracht und der Lack mittels Laser entlang des späteren Leiterbildes verdampft. Es entsteht so eine räumliche Maske mit dem Abbild des Schaltungslayouts. Um die Leiterbahnstruktur auf den eigentlichen Schaltungsträger übertragen zu können, wird die PVC-Folie mit Unterdruck auf das zu belichtende Substrat gedrückt und der Photoresist mittels UV-Licht belichtet. Nach dem Ätzen des nicht belichteten Resists, werden die freigelegten späteren Leiterbahnen elektrolytisch verstärkt. Beim Heißprägen wird die Strukturierung über einen beheizten Metallstempel realisiert, der das spätere Leiterbild erhaben darstellt. Mit diesem Prägestempel wird eine galvanisch gewonnene, speziell versprödete Kupferfolie mit dem Substratmaterial verpresst und die Haftung mittels eines Klebers bzw. Schwarzoxids auf der Rückseite realisiert, das eine mechanische Verankerung in der Matrix des Substrates bewirkt. Vorteile dieses Verfahrens sind insbesondere das Entfallen chemischer Vorgänge im Umfeld des Metallisierungsvorganges selbst und die relativ geringen Investitionskosten. Nachteilig ist die beschränkte Eignung des Verfahrens für ausgeprägt dreidimensionale Geometrien. Eine weitere Alternative stellt die Möglichkeit dar, vorstrukturierte Folien zu hinterspritzen. Der Vorteil liegt hier in der Möglichkeit, die Strukturierung über konventionelle, planare Techniken zu realisieren. Das so strukturierte Schaltungslayout kann grundsätzlich auf unterschiedlichen Wegen mit dem räumlichen Kunststoffform-Körper verbunden werden: •

Flexible Leiterfolien werden nach einem möglichen Vorprägen in die Spritzgussform eingelegt und hinterspritzt. Durch die Verwendung des gleichen Thermoplasten verschmelzen Folie und Gehäuse während des Einspritzprozesses (Caputer Decal). In ähnlicher Weise wird diese Technologie auch für das Herstellen dekorativer Kunststoffblenden eingesetzt (In-Mold).

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•

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Alternativ lassen sich speziell aufgedruckte Leiterbilder im SpritzgussProzess auch vom flexiblen Trägermaterial auf den starren Schaltungsträger übertragen. Nach der Kunststoff-Formgebung, in der sich das Schaltungslayout auf den starren Grundkörper überträgt, wird der temporäre flexible Schaltungsträger wieder abgezogen (Transfer Decal).

Verbindungstechnik für starre thermoplastische Schaltunsgträger Für die Verbindungstechnik für Räumliche Spritzgegossene Schaltungsträger kommen prinzipiell die gleichen Verfahren zum Einsatz, wie für planare, elektronische Baugruppen. Allerdings müssen die einzelnen Prozessschritte an die spezifischen Eigenschaften der spritzgegossenen Schaltungsträger angepasst werden. So kann z.B. die Prozessfläche für den Medienauftrag bzw. für das Bestücken sehr stark durch die Geometrie des Schaltungsträgers limitiert sein. Des Weiteren ist die oftmals eingeschränkte thermische Beständigkeit der als Substratmaterial eingesetzten Thermoplaste während des Lötprozesses ein kritischer Faktor. [5][8] Der Auftrag des Verbindungsmediums wie Lotpaste oder Leitklebstoff erfolgt in der Regel durch Schablonendruck bzw. Dispensen. Auf planaren Schaltungsträgern stellt der Schablonendruck den wirtschaftlicheren Prozess dar, weil die Lotdepots simultan auf den Schaltungsträger aufgebracht werden können. Hier kann der Prozess auch ohne aufwändige Anpassungen vom Standardfertigungsprozess übernommen werden. Limitiert wird dieses Verfahren aber durch die Geometrie des Schaltungsträgers bzw. durch eventuelle Hindernisse. Ist der Medienauftrag mittels Schablonendruck nicht möglich, muss auf das Dispensen zurückgegriffen werden. Dabei werden die Lotdepots sequentiell aufgetragen. Dem Nachteil der längeren Prozesszeit stehen die positiven Aspekte der höheren Flexibilität und der geringeren benötigten Prozessfläche gegenüber. Durch einen geeigneten Manipulator können zudem auch Dispenspunkte erreicht werden, die nicht in der Horizontalen liegen. Einschränkungen ergeben sich bei diesem Verfahren zumeist durch die Geometrie des Dispenskopfes und den damit zusammenhängenden minimalen Abständen zu Seitenwänden, Stegen etc. (Bild 3). [5][8]

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Materialprüfung

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Lotpastenauftrag

Bestückung

Reflowlöten

Inspektion

Prozessbegleitende Qualitätssicherung

Reflowofen

Bestückpipette Dispenskopf

Abstand zur Wärmequelle

Wandhöhe

α

3-D MID

Neigungswinkel Randabstand Bestücken

Randabstand Dispensen

Randabstand Löten

Bild 3: Geometrische Randbedingungen bei der Verarbeitung von MID-Teilen [4]

Ähnlich dem Prozessschritt Medienauftrag, sind auch beim Bestücken die einsetzbaren Bestückkonzepte sehr stark von der Geometrie des Schaltungsträgers abhängig, Bild 4. Planare thermoplastische Schaltungsträger mit Geometrien, die den maximalen z-Hub des Bestückautomaten nicht überschreiten (z.B. Rippen oder Versteifungen) können auf Standard-SMT-Maschinen ohne größere Anpassungen des Bestückprozesses verarbeitet werden. Durch eine Erhöhung des zHubes können hier die Einsatzgrenzen mit vergleichsweise geringem Aufwand erweitert werden. Die Bestückung von Bauelementen auf Freiformflächen erfordert jedoch den Einsatz neuer Bestückkonzepte. Eine mögliche Systemlösung stellt dabei der Einsatz eines sechsachsigen Gelenkroboters dar. Durch den Einsatz der Roborterlösung, bei der der Schaltungsträger nicht bewegt wird, können aufgrund der Flexibilität des Roboters auch komplexe Geometrien bestückt werden, wodurch die Bestückgenauigkeit und -leistung jedoch deutlich geringer als bei SMT-Bestückautomaten ist. Das zweite Konzept basiert auf einem Standardbestückautomaten, bei dem zum einen der z-Hub verlängert und zum anderen der Werkstückträger auf einer dreiachsigen Positioniereinheit fixiert wird. Für den Bestückvorgang wird der Schaltungsträger in horizontaler Lage zum Bestückkopf positioniert, wodurch die Bauelemente immer senkrecht abgesetzt werden können. Somit kann die Bestückgenauigkeit des Automaten weitestgehend erhalten bleiben, lediglich die Bestückgeschwindigkeit nimmt aufgrund des aufwändigeren Positioniervorganges ab. [4][5][6][8]

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MID Versuchszelle Industrieroboter

3D

Bestückungsautomat

N x 2D

2½D

Bild 4: Systemlösungen für das Bestücken [8]

Als Verbindungsverfahren ist das Reflowlöten das am meisten verbreitete Verfahren. Der Wärmeeintrag kann dabei grundsätzlich über Strahlung, Konvektion bzw. Kondensation erfolgen. Wegen des ungleichmäßigen Wärmeeintrages des Strahlungslötens auf die unterschiedlichen Bauelemente und der damit sehr hohen Wärmedifferenz auf dem Schaltungsträger, kommt dieses Verfahren nur noch in geringem Maße zum Einsatz. Speziell bei Verarbeitung von MIDBaugruppen müssen des Weiteren die geometrisch bedingt auftretenden Abschattungseffekte beim Strahlenlöten berücksichtigt werden. Eine wesentlich homogenere Wärmeverteilung auf der Baugruppe während des Lötprozesses kann mit dem Konvektionslöten erreicht werden. Allerdings kann auch hier in begrenztem Maße eine Überhitzung einzelner Bereiche des Schaltungsträgers zu Schädigungen am Substrat führen. Aufgrund der festen Siedetemperatur des Mediums in der Dampfphase kann eine zu hohe Temperaturbelastung wegen unterschiedlicher thermischer Massen während des Kondensationslötens vollkommen vermieden werden. Einschränkungen gibt es bei diesem Lötverfahren in Zusammenhang mit Räumlichen Spritzgegossenen Schaltungsträgern lediglich beim Kondensatablauf. Hier muss die Geometrie des Schaltungsträgers berücksichtigt und gegebenenfalls Ablaufmöglichkeiten integriert werden. [5][8] Prinzipiell sind thermoplastische Substrate im Reflowprozess verarbeitbar, jedoch können sich durch spezielle Eigenschaften der Substratmaterialien wie

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Schmelztemperatur oder Haftfestigkeit der Metallisierung Einschränkungen ergeben. Stellt die thermische Beständigkeit der Thermoplaste den limitierenden Faktor dar, kann eine lotfreie elektrische Verbindung mittels Einpresstechnik eine Alternative darstellen. Eine zuverlässige elektrische Pressverbindung kann allerdings nur mit optimal aufeinander abgestimmtem Schaltungsträger und Einspressstift erreicht werden. [5][8]

Produktion von flexiblen Schaltungsträgern Neben starren Substraten aus thermoplastischen Materialien können auch flexible Schaltungsträger für mechatronische Anwendungen zum Einsatz kommen. Aufgrund ihrer Planarität lassen sie sich zwar sehr gut in Standardprozessen verarbeiten, die Biegeschlaffheit erfordert aber einen erhöhten Handhabungsaufwand. Grundsätzlich können flexible Substrate vereinzelt bzw. im Rolle-zuRolle-Verbund verarbeitet werden. Bei der Produktion vereinzelter Folienschaltungen müssen die Substrate lediglich auf einem Werkstückträger fixiert werden. Die weitere Verarbeitung kann dann analog der Standard-SMT-Prozesse erfolgen. Lediglich für den Reflowprozess sind die spezifischen Eigenschaften der Substratmaterialien wie z.B. Temperaturbeständigkeit, Feuchtegehalt oder Metallisierungshaftung zu berücksichtigen, da Foliensubstrate weitaus mehr zu Verwerfungen neigen, als starre Leiterplatten. [1] Schablonendruck

Standardprozess Elastische Verkettung

Bestückung

Löten

Puffer

Reel To Reel Elastische Verkettung

Reel To Reel Starre Verkettung

Bild 5: Mögliche Konzepte zur Rolle-zu-Rolle-Fetigung von flexiblen Schaltungsträgern

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Mit sehr hohem Durchsatz und geringerem Handhabungsaufwand ist die Fertigung von flexiblen Schaltungsträgern im Rolle-zu-Rolle-Verfahren möglich. Dabei wird die strukturierte Folie durch die drei Prozessschritte Schablonendruck, Bestücken und Löten geführt und die Schaltungsträger am Ende vereinzelt bzw. wieder auf eine Rolle aufgewickelt. Zwei mögliche Konzepte zeigt Bild 5 im Vergleich zur Fertigung vereinzelter Folienschaltungsträger. Eine Herausforderung stellt bei beiden Varianten die Verknüpfung der diskontinuierlichen Prozesse Schablonendruck und Bestücken mit dem kontinuierlichen Prozess Löten dar. [7][10] Die elastische Verkettung im ersten Konzept hilft Unterbrechungen in den einzelnen Prozessschritten auszugleichen oder die stationären bzw. kontinuierlichen Prozesse miteinander zu verknüpfen. Allerdings birgt der Einsatz von Puffern die Gefahr, dass noch nicht gelötete Bauelemente verrutschen bzw. sich benachbarte Lotpastendepots berühren und so Lötfehler provoziert werden. Hier liegt der Vorteil in der starren Verkettung der Prozessschritte, da die Folie immer horizontal geführt werden kann. Bei dem Konzept der starren Verkettung muss allerdings für den Lötprozess ein neues Systemaufgebaut werden, da die Folie nicht kontinuierlich durch die Heizzonen des Ofens geführt werden kann. Hier liegt der Lösungsansatz im Aufbau eines Einzonenlötofens, der aufgrund seiner geringen thermischen Massen und damit hohen Dynamik, konventionelle Lötprofile in nur einer Zone realisieren kann. Auch im Fall einer Störung kann die Temperatur schnell heruntergefahren werden, wodurch sich auch hier Sicherheiten bei der Fertigung von Folienschaltungsträgern ergeben. [3][10]

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Literatur [1]

Bigl, T.; Feldmann, K.: Variantenreiche Verarbeitung flexibler Schaltungsträger. Konzepte zur automatisierten Handhabung und Herstellung flexibler elektronischer Baugruppen, wt Werkstattstechnik-Online 9-2006, Springer-VDI-Verlag, Düsseldorf 2006, Seite 618-622

[2]

Feldmann, K.; Bigl, T.; Wölflick, P.: Improving MID-Potentials by Optimized Product Design and Stable Manufacturing Processes. In: 5. Internationaler MID-Kongress 2002, 25.-26.09.2002, Erlangen, 2002, p. 1-13

[3]

Feldmann, K.; Bigl, T.; Zolleiß, B.: Innovative Assembly Concepts with Reel-To-Reel Transfer for Flexible Printed Circuits, WGP Annals, Volume XII/2, Nr. 853, 200

[4]

Feldmann, K.; Brand, A.: Analytical and Experimental Research on Assembly Systems for Molded Interconnect Devices (3D-MID), CIRP Annals 1994, Manufacturing Technology (Singapore), Volume 43/1/1994, Berne, 1994

[5]

Feldmann, K.; Gausemeier, J.: Integrative Entwicklung räumlicher elektronischer Baugruppen, Carl Hanser Verlag, München, 2006

[6]

Feldmann, K.; Krimi, B.; Boiger, M.: Bestückungssysteme für räumliche Schaltungsträger. In: Feldmann, K.; Geiger, M. (Hrsg.): Produktionssysteme in der Elektronik. Meisenbach Verlag, Bamberg, 2001, S. 267-303.

[7]

Feldmann, K.; Wölflick, P.; Boiger, M.: Verarbeitung von flexiblen Schaltungs-trägern: Material und Prozesse, Produktion von Leiterplatten und Systemen, Heft 2/2005, Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau, 2005

[8]

Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.: 3D-MID Technologie Räumliche elektronische Baugruppen Herstellungsverfahren, Gebrauchsanforderungen, Materialkennwerte, Carl Hanser Verlag, 2004

[9]

Michels, J. S.; Gausemeier, J.; Peitz, T.; Bigl, T.: bmbf funded project: INERELA Integrative Development of three-dimensional Electronic Devices. In: 6. Internationaler MID-Kongress 2004. Erlangen 22.-23. September 2004. S. 251-261

[10]

Schüßler, F.; Bigl, T.: Reel-to-Reel-System zur hocheffizienten Produktion von Folienschaltungen, Tagungsunterlagen zum FAPS TT Fachseminar zur Elektronikproduktion, Folienschaltungen – Innovative Produktgestaltung und Prozesse, 6. Dezember 2005, Nürnberg

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