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3D-Druck: additive Fertigung in der Leistungselektronik

Autor / Redakteur: Ulf Schwalbe* / Gerd Kucera

Die PCIM-Konferenz 2020 hat zum Thema „Additive Manufacturing and Printed Electronics“ eine Special Session. Grundlagen des 3D-Drucks und Anwendungen fasst dieser Artikel zusammen.

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Bild eines IGBT auf einem DCB-Substrat mit planarer Kontaktierung des IGBT auf Ober- und Unterseite mit thermoplastischer Silbertinte.
Bild eines IGBT auf einem DCB-Substrat mit planarer Kontaktierung des IGBT auf Ober- und Unterseite mit thermoplastischer Silbertinte.
(Bild: Martin Müller/FAPS@FAU)

3D-Druck, oder auch additive Fertigung, ist ein Innovationsbeschleuniger und zählt zu den Top 10 disruptiver Technologien, die die Welt aktuell stark verändern. Additive Fertigung hält in vielen Industriebereichen Einzug und ergänzt eine konventionelle subtraktive Fertigung. Die Anwendungsgebiete gehen vom einfachen Druck im Heimbereich (Beispiel: Ersatzteile), über die Fertigung spezieller Teile im Industriebereich (etwa Prototypenbau, Sondergeometrien, Kleinserien) bis in den makroskopischen Bereich (beispielsweise 3D-Betondrucker für Wohnhäuser) und sogar in den Bereich des 3D-Biodruck (Druck von Gewebe und Organen). Ersatzteillogistiker investieren in die Technik 3D-Druck, um Ersatzteile in Zukunft nicht mehr über mehrere Dekaden einlagern zu müssen, sondern diese bei Bedarf per Drucken herzustellen – diese Möglichkeit spart Lagerkosten und schont die Umwelt.

Die Historie und der Markt zur additiven Fertigung

Die Geschichte des 3D-Drucks begann in den frühen 1980er Jahren mit dem Prinzip der Aushärtung von flüssigem Material durch den Einsatz eines Laserstrahls. Mit diesem Ansatz konnten Objekte schichtweise aufgebaut werden. Dieses Verfahren ist ein Vorläufer für das heute als Stereolithografie (SLA) bekannte Verfahren.

Weitere 3D-Druck-Verfahren sind das Selektive Laser-Sintern (SLS), bei dem Pulverkörner mithilfe eines Lasers verschmolzen werden, sowie Fused Deposition Modeling (FDM, deutsch: Schmelzschichtung), für das 1989 ein Patent erteilt wurde. Der technologische Durchbruch des 3D-Drucks und die weite Verbreitung des Verfahrens bis in den Heimbereich begannen nach Auslaufen des Patents auf das Schmelzschichtverfahren im Jahr 2009 und dem damit verbundenen Preisrutsch für die 3D-Drucker in den dreistelligen Bereich.

Der ehemalige US-Präsident Barack Obama bezeichnet in seiner „State of the Union“-Rede von 2013 den 3D-Druck als wichtiges Thema für die Zukunft, wodurch der Begriff 3D-Druck zum absoluten Modewort wurde. Anfänglich wurden 3D-Verfahren nur für Prototypen eingesetzt, mittlerweile werden additive Herstellungsverfahren immer öfter in die industrielle Einzel- und Serienfertigung integriert.

Nach einer aktuellen Wirtschaftsanalyse werde das weltweite Marktvolumen für 3D-Druck-Produkte in der Industrie bis 2030 einen Wert von 22,6 Mrd. € erreichen. Auf den relevanten 3D-Druck-Märkten, diese sind die Medizintechnik, die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie sowie der Einzelhandel, wächst der Markt im Betrachtungszeitraum um 13% bis 23% pro Jahr (Quelle: Strategy &, ein Strategie-Beratungsunternehmen von PwC).

Trotz des prognostizierten Marktwachstums ist die 3D-Drucktechnik im Zeithorizont bis 2030 aufgrund des überschaubaren Marktanteils als Nischenmarkt zu bewerten. Additive Fertigung hat das Potential bestehende Technologien sehr gut zu ergänzen. Das Wachstum wird durch die Themen Ressourceneffizienz und Umweltschutz noch einmal zusätzlich unterstützt.

Additive Fertigungsverfahren und ihre Materialien

Die in additiven Fertigungsverfahren verwendeten Materialien liegen in der Regel in Form von Pulver, einer Flüssigkeit oder im festen Zustand vor. Die additive Fertigung lässt sich mit ausgewählten Verfahren realisieren. Etwa mit dem 3D-Druckverfahren mittels geschmolzener Materialen: Die Schmelzschichtung mittels Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) ist die am häufigsten angewandte Technik. Ein Kunststoff-Filament wird im Heizelement aufgeschmolzen und über eine Düse gedruckt, das Prinzip ist in Bild 1 dargestellt.

In der Regel ist das Druckbett in der Höhe variabel und der Druckkopf kann sich in der Fläche (X/Y-Achse) bewegen. Die Auflösung hängt direkt mit der Größe der Extrusionsdüse und der Präzision der Bewegungen des Druckkopfes (X/Y-Achse) zusammen. Das Objekt wird schichtweise aufgebaut, dabei sind Schichtdicken von 0,1 bis 0,3 mm typisch. Die maximale räumliche Ausdehnung des Objektes ist vom Druckraum abhängig, der von cm³ bis m³ variieren kann. Für die Erstellung von elektrischen Strukturen und Sensoren kann auf leitfähiges Filament zurückgegriffen werden (z.B. Polylactide, kurz PLA) mit stromleitenden Nano-Partikeln: 200 bis 300 Ω/cm @Ø1,75 mm Filament; 80 bis 120 Ω/cm @Ø2,85 mm Filament (Quelle: Proto-pasta).

Der 3D-Druck mit flüssigen Materialien

Bild 2: Prinzipieller Aufbau für 3D-Druckverfahren mittels flüssigen Materialien.
Bild 2: Prinzipieller Aufbau für 3D-Druckverfahren mittels flüssigen Materialien.
(Bild: Ulf Schwalbe)

Zu den Verfahren des 3D-Drucks mit flüssigen Materialien zählt die Stereolithografie (STL, SLA), das Verfahren arbeitet nach dem Prinzip der Photopolymerisation. Die schichtweise Aushärtung eines flüssigen Kunstharzes (Photoharz) erfolgt durch Licht mit einer abgestimmten Wellenlänge (beispielsweise Laser oder UV). In Bild 2 ist das Prinzip unter Verwendung einer Laserlichtquelle dargestellt. Die additiven Fertigungsverfahren mit flüssigen Materialien sind den Schmelzschichtverfahren in Sachen Auflösung überlegen, da die Auflösung des Objektes nur durch den Laserpunkt bestimmt wird. Bei der Stereolithografie wird keine Kraft auf das Objekt ausgeübt, was zu einer deutlich glatteren Oberfläche führt (typische Schichtdicken liegen bei diesem Verfahren bei 0,01 bis 0,05 mm).

Der 3D-Druck mittels Pulver

Bild 3: Verfahren des 3D-Drucks mittels Pulver haben diesen Prinzipaufbau.
Bild 3: Verfahren des 3D-Drucks mittels Pulver haben diesen Prinzipaufbau.
(Bild: Ulf Schwalbe)

Die Verfahren des selektives Laserschmelzen (Selective Laser Sintering, SLS) und des Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting, kurz EBM oder Electron Beam Additive Manufacturing, kurz EBAM) arbeiten nach dem in Bild 3 dargestellten Prinzip. Im Prozess wird ein Pulver schichtweise mittels Laser oder Elektronenstahl gesintert bzw. aufgeschmolzen, dadurch entsteht aus den Pulverkörnern eine feste Struktur.

Beim selektiven Laserschmelzen können Kunststoffe wie beispielsweise Polyamide (PA) und Polypropylen (PP) sowie Mischungen aus Kunststoffen und Metallpulvern verarbeitet werden. Das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) wird für die schichtweise Herstellung von metallischen Bauteilen verwendet. Eine andere Möglichkeit der Verarbeitung von Pulvermaterial ist der Binder-Druck (Binder-Jetting), dabei kommt es zur örtlichen Verklebung der Pulverkörner an den mit Binder bedruckten Stellen. Der Prinzipaufbau ist ähnlich dem in Bild 3, jedoch wird anstelle des Lasers ein Druckkopf für das Bindemittel verwendet.

Bild 4: 
Bild eines IGBT auf einem DCB-Substrat mit planarer Kontaktierung des IGBT auf Ober- und Unterseite mit thermoplastischer Silbertinte.
Bild 4: 
Bild eines IGBT auf einem DCB-Substrat mit planarer Kontaktierung des IGBT auf Ober- und Unterseite mit thermoplastischer Silbertinte.
(Bild: Martin Müller/FAPS@FAU)

Die Einsteigermodelle von 3D-Druckern nach dem FDM-Verfahren und nach dem SLA-Verfahren sind aktuell für unter 300 € erhältlich und ermöglichen eine hohe Verbreitung der Technik. Die 3D-Druck-Verfahren sind mittlerweile für viele Werkstoffe wie Metalle, Kunststoffe, Kunstharze und Keramiken nutzbar. Es gibt Entwicklungsansätze für den Einsatz von Kohlenstoff und Siliziumkarbid (Einsatz nicht als Halbleiter) in abrasiven und korrosiven Umgebungen sowie im Hochtemperaturbereich (Quelle: sgl Carbon). Auf mittlere Sicht dürften sowohl Kunststoff als auch Metall die am häufigsten verwendeten Basismaterialien für additiv gefertigte Komponenten bleiben.

Die additive Fertigung hat gegenüber traditionellen subtraktiven Verfahren wie Drehen, Fräsen, Bohren die Vorteile, das es typischerweise keine Reste wie Bearbeitungsspäne gibt und keine zusätzlichen Werkzeuge zur Herstellung des Erzeugnisses benötigt werden. Daher ist die additive Fertigung auch unter den Aspekten des Umweltschutzes und Ressourcen-Effizienz den konventionellen Verfahren überlegen.

Bild 5: Leiterplatte aus dem Drucker DragonFly.
Bild 5: Leiterplatte aus dem Drucker DragonFly.
(Bild: Phytec New Dimensions)

Ein weiter Innovationsvorteil liegt in der Herstellbarkeit anspruchsvoller Geometrien mittels 3D-Druck, die mittels subtraktiver Fertigung bisher kaum oder nur mit großem Aufwand produziert werden konnten. Die additive Fertigung ergänzt die bestehenden Fertigungsverfahren und führt in einigen Fällen zu deren Ablösung. Beschränkungen in der additiven Fertigung ergeben sind durch die Anzahl der druckbaren Materialien, die Druckraumgröße des Druckers und damit die maximale Bauteilgröße sowie durch den relativ hohen Zeitaufwand für den schichtweisen Aufbau des Endproduktes.

Additive Fertigung für die Leistungselektronik

Mit der Möglichkeit, leitfähige Strukturen und Isolationsschichten zu drucken, hat die additive Fertigung auch die Welt der Elektronik erschlossen. Gedruckte Elektronik (Printed Electronics) bringt die Zweige Mikroelektronik, Elektronikfertigung, Werkstoffkunde, Polymerchemie und Druck zusammen. Die für die Bauteile notwendigen Einzelschichten werden mithilfe von bekannten Druckverfahren wie Sieb-, Inkjet-, Piezo-Jet-Druck produziert und können sowohl isolierend, elektrisch leitend als auch halbleitend sein.

Diese sich schnell entwickelnde Technologie ermöglicht es, gerade in Hinsicht auf die Leistungselektronik Leiterplatten, Widerstände, Induktivitäten, Kapazitäten, Sensoren und Kühlkörper zu drucken. In Druckverfahren hergestellte Transistoren sind aktuell noch um ein Tausendfaches größer (µm-Bereich) als aus konventioneller Fertigung (nm-Bereich), daher beschränkt sich die sinnvolle Anwendung gedruckter Leistungselektronik auf passive Komponenten.

Eine Special Session auf der PCIM Europe 2020

Die hauptsächlichen Anwendungsfelder gedruckter (Leistungs-)Elektronik liegen aktuell im Bereich der schnellen Prototypenentwicklung, bei der unternehmensinternen Herstellung von vertraulichen Projekten ohne externe Fertiger und den integrierten Designs von leitfähigen Strukturen in komplexe Geometrien. In der PCIM-Europe-Konferenz 2020 findet dazu die Special Session„Additive Fertigung und gedruckte Elektronik“ am Dienstag den 5.Mai 2020 (ab 14:00 im Raum Brüssel 2) statt. Sie gibt einen Einblick in die Welt der additiven Fertigung und der gedruckten Elektronik mit dem Augenmerk der Anwendung in der Leistungselektronik. Es werden drei interessante Beiträge mit folgenden Themen geboten:

Prof. Dr. Reinhard Baumann (TU Chemnitz) präsentiert um 14:00 Uhr in seinem Vortrag „Printing Beyond Color — The Potential of Printed Electronics Circuitry for Industrial Applications“ einen Einblick in die Inkjet-Technologie für die Fertigung von funktionalen, leitfähigen Strukturen auf verschiedenen Oberflächen und zeigt Beispiele gedruckter Elektronik. Auch wird die Möglichkeit des 3D-Drucks für die Individualisierung von Massenprodukten diskutiert.

Dr. Martin Hedges (Neotech AMT) präsentiert um 14:25 Uhr seinen Vortrag „3D Printed Electronics for Mechatronic Systems“. Das Unternehmen entwickelt Rapid-Prototyping-Systeme für gedruckte Elektronik. Im Vortrag gibt Hedges einen Einblick in den Stand der Fertigungstechnik mechatronischer Systeme unter den Gesichtspunkten Flexibilität, Individualisierung und Skalierbarkeit für die Massenproduktion. In Bild 4 ist die beidseitige Kontaktierung eines IGBT auf einem DCB-Substrat (Direct Copper Bonded) zu sehen. Dieser Prozess wurde mit einem Drucker von Neotech AMT umgesetzt, der nach dem Piezo-Jet-Verfahren mit hochviskosen und leitfähigen thermoplastischen Silbertinten arbeitet. Mit dem System von Neotech AMT können Leiterbahndicken von typischerweise 70 µm bei einer Leitfähigkeit von 40% bis 50% im Vergleich zu Silber hergestellt werden (Quelle: Neotech AMT).

Michael Schleicher von Semikron präsentiert um 14:50 Uhr seinen Vortrag mit dem Titel „Potential and Challenges of Additive Manufactured Substrates and Auxiliary Material for Electronics“. Im Vortrag werden drei Möglichkeiten der additiven Fertigung im Bereich der Leistungselektronik diskutiert: Druck der Lötstoppmaske, Druck von Silber-Sinterpasten und der Leiterplattendruck im Inkjet-Verfahren. Thematisiert wird der aktuelle Stand der additiven Fertigung innerhalb der Elektronikproduktion.

Es wird in diesem Vortrag auf den Multi-Materialdrucker DragonFly des 2012 in Israel gegründeten Unternehmens Nano Dimension eingegangen. Der Drucker kann mehrlagige Leiterplatten (Multilayer PCB) inklusive aller nötigen Verbindungen und Isolationen herstellen.

Bild 6: Eine gedruckte Spule aus dem Drucker DragonFly.
Bild 6: Eine gedruckte Spule aus dem Drucker DragonFly.
(Bild: NanoDimension DragonFly LDM)

Nano Dimension entwickelte dafür eigene silber- und dielektrische Tinten auf Basis von Nanopartikeln. Mit diesem System ist es möglich eine mehrlagige Leiterplatte mit Leiterbahndicken von 17 µm bis zu 70 µm und einer Gesamtdicke von 3 mm in einem Prozess herzustellen. Die Leitfähigkeit der Leiterbahn beträgt 5% bis 30% im Vergleich zu Kupfer, was die Anwendbarkeit in der Leistungselektronik bereits ermöglicht.

Die gedruckte Leiterplatte hält in Ausnahmefällen Temperaturen bis zu 240 °C stand und kann damit im Reflow-Prozess gelötet werden (Quelle: Phytec New Dimensions), die Standardfreigabe des Herstellers Nano Dimension liegt bei 140 bis 165 °C. Durchkontaktierungen (Vias) müssen nicht nachträglich eingebracht werden, da die Verbindungen zwischen den einzelnen Lagen gedruckt werden. Die Lötstoppmaske kann ebenfalls gedruckt werden. Einige Druckbeispiele sind in Bild 5 und Bild 6 zu sehen.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Leistungselektronik und Stromversorgungen I der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

* Prof. Ulf Schwalbe lehrt an der Hochschule Fulda und forscht am Robert Bosch Zentrum für Leistungselektronik in Reutlingen.

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