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3-D-Druck Embedding von elektronischen Komponenten auf MID-Substrate

| Autor / Redakteur: Frank Ansorge, Christian Baar, David Ifland und Klaus-Dieter Lang * / Kristin Rinortner

Mit 3-D-Druckverfahren lassen sich mechanische Strukturen mit elektronischen Systemen oder Subsystemen kombinieren. Generative Fertigungstechnologien können hier wegweisend sein.

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Generativ gefertigt: Sensorstruktur – noch ohne Entzerrungsalgorithmus – auf einem Rosenquarz verdruckt.
Generativ gefertigt: Sensorstruktur – noch ohne Entzerrungsalgorithmus – auf einem Rosenquarz verdruckt.
(Bild: Fraunhofer IZM)

In den vergangen Jahren haben die Mikroelektronik und Mikromechatronik deutliche Fortschritte in den Bereichen Medizintechnik, Automatisierungstechnik und darüber hinaus bei neuen Systemarchitekturen zu verzeichnen. Daraus haben sich neue Anforderungen ergeben, um dem hohen Grad an Miniaturisierung unter gleichzeitiger Anpassung der Formfaktoren an den zur Verfügung stehenden Bauraum gerecht zu werden.

Vor allem an Anwendungen aus der Automatisierungs- und Medizintechnik werden Forderungen gestellt, mittels innovativer Technologien mechanische Strukturen und elektronische Systeme oder Subsysteme miteinander zu verbinden. Eine Schlüsseltechnologie kann die Generative Fertigung sein.

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Aktuelle Recherchen zeigen, dass bereits eine Vielzahl rein mechanischer Anwendungen, unter Nutzung der generativen Fertigungstechnologie, auf dem Markt ist.

So können zum Beispiel Spritzgussformen, metallische Implantate, medizinische Werkzeuge bereits durch Selektive Laser Melting hergestellt werden. Aber auch Kunststoffe leisten ihren Beitrag in dieser neuen Fertigungstechnologie.

Wichtige Aspekte, welche als Vorreiter für zukünftig weit verbreitete Technologien gelten, lassen sich zum Beispiel bei der Herstellung von Ersatzteilen finden. So sollen sogenannte Werkstatt Container mit 3-D Druckern in unwegsamem Gelände oder sogar Mars Missionen eingesetzt werden. 3-D-Konstruktionen für Ersatzteile werden aus Datenbanken und Internet geladen und vor Ort gebaut. Dies erleichtert logistische Prozesse und führt zu einer hohen Verfügbarkeit der Geräte. Es zeigt sich, dass generative Fertigungstechnik in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens Einzug erhalten hat.

Daher scheint es natürlich, dass neben der bislang beschriebenen mechanischen Funktion auch zusätzliche, zum Beispiel elektrische Funktionen integriert werden könnten. In diesem Artikel werden die Anwendung von Generativen Technologien (früher Rapid Prototyping) wie 3-D-Printing, Ink-Jet- und Aerosol-Printing, Laserstrukturierung, 3-D-Montagetechnik mit dem speziellen Bezug zur Substrattechnologie, zur Elektronik Integration und Sensorik Integration eingegangen. Anhand von bekannten Systemen werden Vor- und Nachteile diskutiert. Hinsichtlich der verfügbaren Werkstoffe wird auch der Aspekt Zuverlässigkeit und Temperaturbelastung erfasst. Am Beispiel von neuen Technologien, wie dem Multi-Material Inkjet-Drucken, wird der Aufbau kompletter Systeme erörtert.

Methodik der generativen Verfahrenstechnik

Die generative Herstellung von elektronischen Systemen wurde bis etwa zum Jahr 2008 mittels Stereolithographie oder 3-D-Druck verwirklicht. Die elektrische Funktionalität wurde sukzessive über das Einbringen der Komponenten durch Hochgeschwindigkeits-Pick-and-Place-Prozesse realisiert. Elektrische Verbindungen konnten durch den Einsatz von leitfähigen Klebstoffen, welche unter leichtem Überdruck in vorbereitete Kanalsysteme eingebracht wurden, dargestellt werden.

Einbett-Methoden für die Mikroelektronik

Das Einbetten von elektronischen Komponenten ist ein herausragendes Forschungsgebiet mit hohen Zuwachsraten. Es werden hochkomplexe Prozesse genutzt, den Volumen- und Flächenbedarf von elektronischen Komponenten zu minimieren.

In Tabelle 1 ist ein Überblick zu verschiedenen Verfahren der Integration gegeben. Das Zusammenfügen der einzelnen Bauelemente findet nahezu immer eben, auf zwei Dimensionen statt. Beim Chip-in-Polymer-Prozess werden ungehäuste Halbleiter in einer Leiterplatte direkt eingesetzt und mit konventioneller Leiterplattentechnik verdrahtet. Faltbare Systeme lassen sich um das größte/steifeste Bauteil „herumwickeln“ und erzielen damit einen hohen Grad an Miniaturisierung. Die Integration in Flex nutzt den Vorteil der Chip-in-Polymer-Technologie und der Verwendung flexibler Leiterplatten. Das Einbetten mittels Stereolithographie bietet die völlig neuartige Möglichkeit ohne Masken-behaftete Prozesse Komponenten der Mikroelektronik mit einem Schutz zu umgeben, der gleichzeitig Träger einer späteren (Um-)Verdrahtung ist.

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