Erste Schritte mit der 3D-MID-Technologie

3D-MID-Prototyping und Machbarkeitsstudien

3D-MID-Prototyp: MIDCopter

Bei der Umsetzung von 3D-MID-Projekten gibt es von Anfang an viele Details zu berücksichtigen. Bereits beim ersten Entwurf des 3D-Körpers die Herausforderungen der späteren Fertigung im Blick zu haben, kann sich erheblich auf die Wirtschaftlichkeit und die Performance des späteren MIDs auswirken. Im folgenen Text erklären wir, wo die wichtigsten Fallsticke lauern und worauf es besonders zu achten gilt.


Warum 3D-MID?

Die MID-Technologie bietet viele gestalterische Freiheiten und Möglichkeiten zur Auslegung eines Schaltungsträgers. Diese gewinnbringend einzusetzen und dabei die Wirtschaftlichkeit im Blick zu behalten, ist häufig eine besondere Herausforderung. Die zentrale Frage, wenn es um den Einsatz der 3D-MID-Technologie geht, ist:

  • Welchen Benefit soll der Einsatz der MID-Technologie bringen?

Wenn diese Frage ausreichend beantwortet wird, kann die MID-Technologie Ihre Vorteile gegenüber alternativen Fertigungsverfahren ausspielen.

Im Folgenden führen wir ein paar Beispiele aus der Praxis auf, die häufig Thema bei der Beantwortung dieser Frage sind.


Welche Funktionen sollen integriert werden?

Ein oft genannter Vorteil der 3D-MID-Technologie ist die Möglichkeit, zusätzliche Funktionen zu integrieren. Das könnten zum Beispiel mechanische Funktionselemente (Gehäuse/Housing, Einfallswinkel /Abstrahlwinkel für Sensoren/Aktoren für Optik- oder Ultraschall-anwendungen) oder elektrische Funktionselemente (Antennenstrukturen, Sensorintegration, Umverdrahtung) sein.

  • Beispiel monolithischer Aufbau: alle Komponenten einer Schaltung werden auf dem 3D-MID, auf einem Schaltungsträger untergebracht. Potenzial: Einsparen von Montageschritten (evtl. können teure Steckverbindungen oder aufwändige AVT-Prozesse eingespart werden); Präzise Ausrichtung einzelner Komponenten zueinander ermöglichen exakte Messstrecken; Die mechanische Toleranzkette wird durch den Wegfall von Montageschritten verkleinert.

 

  • Beispiel Sensorträger: Das MID wird als Sensorträger eingesetzt, um die Position der Messgrößenerfassung genau zu definieren und um ein kürzeres Ansprechverhalten bei Temperaturmessungen zu ermöglichen. Die Kompatibilität zu Drahtbondprozessen ermöglicht die Kombination vom MEMS und MID als Nacktchipmontage direkt auf dem MID-Träger.

3D-MID Sensorträger

 


An welcher Stelle wird die Gestaltungsfreiheit der 3D-MID-Technologie wirklich benötigt, wo kann auf Dreidimensionalität verzichtet werden?

  • Lässt sich das Schaltungslayout so vereinfachen, dass weniger Handlingsaufwand beim Laserdirektstrukturieren benötigt wird?

 

  • Lässt sich die Anzahl der Bestückungsebenen reduzieren?

 

  • Lassen sich die zu bestückenden Bauteile auf einer oder mehreren zweidimensionalen Ebenen zusammenfassen? Das führt zu einer erheblich geringeren Komplexität im Bestückungsprozess und damit zu geringeren Herstellungskosten.

Wie kann der Grundkörper hergestellt werden?

Gerade bei der Fertigung von Prototypen und Machbarkeitsuntersuchungen, kommt der Herstellung der Grundkörper eine besondere Bedeutung zu. Entgegen der Serienfertigung, bei der die Grundkörperfertigung in der Regel mit einem Stahlwerkzeug im Spritzgussverfahren erfolgt, ergeben sich für die Fertigung der ersten Muster weitere Möglichkeiten:

  • Prototypenwerkzeug aus Aluminium (Vorteil: sehr nah am Serienprozess; relativ günstig im Vergleich zu einem Stahlwerkzeug, Nachteil: relativ kostspielig und ggf. zeitaufwändig (ca 4 Arbeitswochen) im Vergleich zu alternativen Prototypentechnologien)

 

  • 3D-Druck mit Additiven (FDM) (Vorteil: einige Serienmaterialien sind als Filament für den 3D-Druck verfügbar.; ohne weiteren Zwischenprozess im LPKF-LDS-Prozess verarbeitbar; relativ schnelle und kostengünstige Möglichkeit der Grundkörperherstellung, Nachteil: Eingeschränkte Stabilität der gedruckten Teile durch den Lagenaufbau, die Druckauflösung und die Druckgenauigkeit sind zu beachten. Kleinste darstellbare Details oder Wandstärken liegen bei ca 1mm, daher ist dieses Verfahren nicht für jede Geometrie anwendbar)

 

  • 3D-Druck ohne Additive (SLS) (Vorteil: relativ schnelle und kostengünstige Möglichkeit der Grundkörperherstellung, Nachteil: weiterer Behandlungsschritt mit LPKF-Protopaint LDS-Lack notwendig; wenig Rückschlüsse auf späteres Serienteil möglich; nicht für jede Geometrie anwendbar)

 

  • Fräsen (Vorteile: relativ schnelle und kostengünstige Möglichkeit der Grundkörperherstellung aus dem späteren Serienmaterial.; Nachteile: nicht für jede Geometrie anwendbar, Einige LDS-Materialien lassen sich nicht gut spanabhebend Bearbeiten., Die Halbzeugbeschaffung kann je nach Bauteilgröße Kosten- und zeitintensiv sein.)

Wir beraten Sie gerne bei der Auswahl eines für Sie passenden Herstellungsprozesses zur Grundkörpererzeugung.


Was sind die Kostentreiber beim Spritzguss?

Grundsätzlich empfiehlt es sich auch beim Grundkörper, also bei Spritzgussprozess auf die Einhaltung der LPKF-Design-Rules zu achten.

  • Wurden 90°-Winkel vermieden?

 

  • Können (unnötig) dünne Wandstärken vermieden werden?

 

  • Sind Vias geplant? Können diese bereits im Spritzgussteil berücksichtigt werden? Wenn nicht, also wenn die Vias mit dem Laser gebohrt werden müssen: lassen sich die Wandstärken durch die die Vias gebohrt werden müssen im Spritzguss reduzieren?

Welcher Kunststoff sollte eingesetzt werden?

Es stehen eine Vielzahl verschiedener Kunststoffe zur Verfügung, die sich für den LPKF-LDS-Prozess (Herstellung von 3D-MIDs mittels Laserdirektstrukturierung) eignen. Der Kunde hat hier also die Qual der Wahl, einen zur Applikation passenden Kunststoff auszuwählen und dabei auch die Wirtschaftlichkeit nicht aus den Augen zu verlieren.

  • Welche spezifischen Anforderungen werden an den Kunststoff gestellt?
  • Temperaturbeständigkeit?
  • Chemikalienbeständigkeit?
  • Lötbarkeit?
  • Brandbeständigkeit?
  • HF-Eigenschaften?

Wir beraten Sie gerne und unterstützen Sie auch bei der kurzfristigen Beschaffung von Mindermengen verschiedener Kunststoffe zur Fertigung von Prototypen und Machbarkeitsuntersuchungen.

Hier finden Sie eine Übersicht der aktuell am Markt verfügbaren LDS-Kunststoffe


Was sind die wichtigen Punkte beim LDS-Prozess (Laserdirektstrukturierung)?

Bei der 3D-MID-Technologie bzw. bei der Fertigung von dreidimensionalen Schaltungsträgern mit dem LPKF-LDS-Prozess werden die, sich im Kunststoff befindlichen, metallischen Additive durch den Laser „freigelegt“ und damit der Aufbau einer metallischen Schicht an diesen Stellen ermöglicht. Dem Laserprozess kommt eine bedeutende Rolle bei der Fertigung zu, da nicht nur die passenden Parameter zum Einsatz kommen müssen, um eine erfolgreiche Metallisierung zu erzeugen, sondern unter anderem auch die Platzierung des Layouts auf dem Grundkörper in diesem Fertigungsschritt erfolgt. Eine wichtige Frage, der wir uns an dieser Stelle erneut widmen wollen, ist:

  • Lässt sich das Schaltungslayout so vereinfachen, dass weniger Handlingsaufwand beim Laserdirektstrukturieren benötigt wird?

 

  • Lässt sich das Grundkörperdesign so vereinfachen, dass ggf. mehrere Teile gleichzeitig gehandelt werden können?

Jedes MID muss in der Regel einzeln durch den LDS-Prozess, es sei denn, die Grundkörper lassen sich in einem geeigneten Werkstückträger (Fixture) zusammenfassen und gemeinsam handeln. Zusätzlich ist häufig ein erneuter Handlingsschritt notwendig, wenn mehrere Seiten eines Grundkörpers durch den Laser erfasst und strukturiert werden sollen.

Wenn der Aufwand an dieser Stelle reduziert werden kann, lässt sich die Wirtschaftlichkeit der späteren Serienfertigung häufig stark verbessern.


Wie erfolgt die Metallisierung und was sind die Kostentreiber?

Die Metallisierung der 3D-MIDs finden im Anschluss an die Laserdirektstrukturierung in chemischen Metallisierungsbädern statt. Die Kosten für die Metallisierung eines Bauteils werden also erheblich von zwei Faktoren bestimmt:

  1. Wie viele Teile können in einem Metallisierungsprozess parallel gefahren werden? (Beeinflussung durch die Bauteilgröße)
  2. Wie lange müssen die Teile in einem Metallisierungsprozess im Bad verweilen? (Schichtdickenabhängig)

Die Größe der 3D-MIDs und die Schichtdicke der einzelnen Metallisierungsschichten sind also entscheidend für die Kosten. Die Standardschichtdicken liegen bei einer chemischen Metallisierung eines 3D-MIDs bei 7-13µm für die Kupferschicht, 4-8µm für die Nickelschicht und 0,05-0,1µm für die Goldschicht.

 

Es kann also sinnvoll sein, sich mit den folgenden Fragen zu beschäftigen:

  • Kann das Bauteilvolumen reduziert werden?

 

  • Welche Schichten und vor allem Welche Schichtdicken benötigt die geplante Applikation? Können Schichtstärken reduziert werden?

 

Wenn Schichtstärken, die über die oben genannten Standardstärken hinaus gehen gefordert sind, macht es eventuell Sinn, eine galvanische Verstärkung der chemischen Metallisierung zu prüfen. Dafür ist eine elektrische Ankontaktierung der Bauteile im Metallisierungsbad notwendig.

  • Ist es möglich einen Opferhaken für die Ankontaktierung bereits im Spritzgussteil zu integrieren? Wenn nicht, wie kann die Ankontaktierung dann erfolgen?

Wie erfolgt die Bestückung?

Bei Prototypen und Mustern erfolgt die Bestückung häufig manuell. Hier fällt die Dreidimensionalität der zu bestückenden MIDs noch nicht so stark ins Gewicht. Bei der Serienfertigung potenzieren sich Ineffizienzen durch ein unnötig komplexes Bauteildesign, oder einer nicht vollständig durchdachten Platzierung der einzelnen Bauelemente allerdings schnell zu einem großen Kostentreiber.

Bestückung eines dreidimensionalen Schaltungsträgers (3D-MID) bei TEPROSA


Fazit

Mit der 3D-MID-Technologie ist vieles möglich, da der Gestaltungsspielraum gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren enorm ist. Genau dieser Aspekt verleitet allerdings häufig dazu, das Wesentliche aus den Augen zu verlieren und ungewollte Show-Stopper und Kostentreiber zu generieren.

Aus diesem Grund ist eine ganzheitliche Betrachtung der gesetzten Ziele, der Lösungen und des entsprechenden Kosten-Nutzen-Verhältnisses bereits bei der Prototypenfertigung unabdingbar.

Wir beraten Sie gerne, wenn Sie Interesse an der 3D-MID-Technologie haben, oder sich bereits in der Umsetzung einer MID-Anwendung befinden.

Teprosa – technology + Engineering

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