Ultramid® T als Träger für elektronische Schaltungen: MID und Laser-Direkt-Strukturierung

Aus den Tiefen der Anwendungsforschung

Ultramid® T als Träger für elektronische Schaltungen:
MID und Laser-Direkt-Strukturierung

Ausführungen von Reinhard Stransky, Vertrieb Technische Kunststoffe
22. Juni 2004, Fachpressekonferenz zur K 2004 in Ludwigshafen

Moulded Interconnected Devices’ (MIDs) (zu deutsch: spritzgegossene Schaltungsträger) ermöglichen es, dass Leiterbahnen und elektronische Bauteile ohne herkömmliche Platine auf mehreren Ebenen eines Grundkörpers - das heißt auch dreidimensional - untergebracht werden können. Diese Integration von elektronischen Schaltungen direkt auf Kunststoffbauteile bietet eine Reihe von Vorteilen für die Konstruktion und effiziente Fertigung von innovativen mechatronischen Baugruppen. Zu diesen Vorteilen gehören die höhere Gestaltungsfreiheit, die Verkürzung von Prozessketten und die Reduzierung der Werkstoffvielfalt. Dennoch konnten mit den bisher oft angewandten Verfahren wie 2K-Spritzguss oder Heißprägen MIDs bislang nur für wenige Serienanwendungen am Markt umgesetzt werden (Bild 1).

Frischen Wind in die MID-Entwicklungen bringt ein neues Verfahren, das so genannte Laser-Direkt-Strukturieren (LDS) der Firma LPKF AG, Hersteller von industrieller Laseranlagentechnik, mit Sitz in Garbsen. Das Verfahren zeichnet sich durch eine geringe Anzahl von Prozessschritten aus. Außerdem fallen einige kritische Stufen bei der chemisch-galvanischen Metallisierung der Leiterbahnen weg (Bild 2).

Im Rahmen des vom BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) geförderten Projekts „Mechatronic“ arbeiten LPKF und BASF bereits seit einiger Zeit zusammen an der Entwicklung eines geeigneten Werkstoffs für LDS. Im Juni 2004 wurde nun auch die gemeinsame kommerzielle Vermarktung mit einem BASF-Kunststoff aus dem Ultramid®-Sortiment in einem Lizenzvertrag vereinbart.

Basis des Verfahrens ist ein Kunststoffwerkstoff, der mit einem zusätzlichen Additiv ausgestattet ist. Dieses Additiv, ein laser-spaltbarer Metallkomplex, wird bei der Granulatherstellung in geringer Menge zudosiert und zusammen mit den übrigen Zusatzstoffen gleichmäßig im Grundpolymer verteilt. Das LDS-Additiv ist elektrisch nicht leitfähig und verändert deshalb die elektrischen Isolationseigenschaften des Kunststoffs nicht (Bild 3).

Erst bei Einwirkung eines Infrarot-Laserstrahls mit der Wellenlänge 1064 Nanometern erfolgt die Aufspaltung des Komplexes in elementares Metall, in diesem Fall Kupfer, und Restgruppen. LPKF hat eine speziell für diesen Zweck geeignete Laseranlage, die MicroLine 3D IR Industrial, entwickelt (Bild 4).

Schaltungen in beliebiger Form

Mit dem LDS-Granulat können beliebige Formteile in Standard-Spritzgießverfahren hergestellt werden. Die Formteiloberflächen werden dann in den Bereichen, die später Leiterbahnen tragen sollen, mit dem Laser strukturiert. Dabei wird das Leiterbild praktisch in die dreidimensionale Oberfläche eingraviert. Laserleistung und -vorschubge-schwindigkeit werden so justiert, dass ein geringfügiger Polymerabtrag erfolgt und gleichzeitig genügend LDS-Additivbestandteile gespalten werden (Bild 5).

Auf diese Weise entsteht eine definierte Mikrorauheit der Oberfläche mit eingelagerten Metallpartikeln. Die Rauheit ist für die Haftfestigkeit der späteren Metallisierung verantwortlich. Die Metalleinlagerungen dienen als Kristallisationskeime für die chemisch reduktive Metallabscheidung zum Aufbau einer geschlossenen Kupferschicht auf der behandelten Oberfläche (Bild 6).

Rauheit ohne Chemikalien

Bei der Metallisierung werden damit gegenüber den bekannten galvanischen Metallisierungsverfahren von Kunststoffen einige Schritte vermieden, die mit zum Teil sehr kritischen Chemikalien verbunden sind. Dazu gehören das sogenannte Aufrauhen beziehungsweise „Quellen“ und das Bekeimen. Es ergeben sich nur drei wesentliche Verfahrensschritte: konventioneller Spritzguss, Laserstrukturierung und unmittelbar danach die vereinfachte, stromlose Metallisierung (Bild 7). Darüber hinaus bietet das LDS-Verfahren eine hohe geometrische Gestaltungsfreiheit und ermöglicht sehr feine Strukturen mit Linienbreiten von weniger als 100 Mikrometern. Im Gegensatz zu anderen Verfahren ist die Flexibilität bei Änderungen des Schaltungslayouts sehr hoch, da die Strukturierungsdaten mit der Software der Laseranlage schnell angepasst werden können.

Ultramid T als Basispolymer

Bei der Werkstoffentwicklung in der Polymerforschung der BASF fiel die Wahl auf Ultramid T als Basispolymer. Ultramid T ist ein teilkristallines, teilaromatisches Polyamid 6/6T. Die Spezialität aus dem Sortiment der technischen Kunststoffe wird bereits in der Elektrotechnik und im Automobilbau eingesetzt, wenn besonders hohe Anforderungen an die Wärmeformbeständigkeit bestehen. Für das LDS-Verfahren wurde ein speziell abgestimmter Compound mit 30 Prozent Glasfasern und optimalen Eigenschaften bezüglich Anspringverhalten der Metallisierung und Metallhaftung entwickelt. Weitere Varianten, beispielsweise eine verzugsoptimierte Formulierung mit Glasfaser-/Mineral-Verstärkung, sind in Arbeit (Bild 8).

Herausragende Eigenschaften dieses Ultramid T in der LDS-An-wendung sind der hohe Schmelzpunkt von 295 Grad Celsius und die hohe Biegetemperatur unter Last von etwa 270 Grad Celsius bei 1,8 MPa (Megapascal). Unbelastet übersteht das Material Temperaturspitzen bis 285 Grad Celsius. Damit ist dieser Werkstoff für das Auflöten elektronischer Bauteile geeignet. Auch bei der Umstellung der industriellen Serienfertigung auf Reflow-Lötverfahren mit bleifreiem Lot und damit höheren Löttemperaturen, sind keine Probleme zu erwarten (Bild 9).

Mit seinen übrigen, sehr guten Eigenschaften hinsichtlich Mechanik, Chemikalienbeständigkeit, geringer Wasseraufnahme und Verarbeitungsverhalten steht mit Ultramid T KR4380LS ein universeller Werkstoff für 3D-MID-Anwendungen mit dem LDS-Verfahren zur Verfügung. Das Einsatzspektrum reicht von der Automobilelektronik über Anwendungen in der industrie-technischen Elektronik bis hin zur Unterhaltungselektronik. Insbesondere bei der Elektronik im Automobil erfüllt dieses Ultramid T die hohen Anforderungen an Steifigkeit und Festigkeit bei guter Zähigkeit sowie Wärmeformbeständigkeit und Medienbeständigkeit.