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Startschuss für die adaptive Elektronikfertigung

| Autor / Redakteur: Friedrich Hanzsch * und Andreas Krause ** / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Ein neuartiges Fertigungsverfahren ermöglicht die kostengünstige und umweltfreundliche Fertigung individueller elektronischer Baugruppen. Ein Vorteil ist die Vermeidung von Löten zur elektrischen Kontaktierung, wodurch die maximale Temperatur in der Fertigung 100°C nicht überschreitet.

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Der KONEKT-Prozess: Nach der Bestückung folgt die Hausung und abschließend die Metallisierung.
Der KONEKT-Prozess: Nach der Bestückung folgt die Hausung und abschließend die Metallisierung.
(Bild: MicroPack3D)

Seit einigen Jahren existiert ein neuer Trend in der Produktfertigung, der die neuen Möglichkeiten der Industrie 4.0 nutzt, speziell die Verknüpfung der Qualität der Massenfertigung mit der Möglichkeit der individuellen Anpassung. Dadurch ergeben sich neue Produktionsprozesse sowie ein großer Anstieg der Produktvielfalt. Die Kunden verlangen nun neben Produkten der Massenfertigung, die sich durch hochwertige Qualität und dennoch kostengünstiger Produktion auszeichnen, auch Produkte, die individuell gefertigt und dennoch bezahlbar sind.

Zusätzlich sollen die Produkte ästhetisch ansprechend sein, neue Funktionen geschickt integrieren ebenso wie einen energiesparenden Betrieb ermöglichen. Neue Techniken der additiven Fertigung (umgangssprachlich 3D-Druck) , etwa Stereolithographie (SLA), Lasersintern (SLS), Schmelzgussverfahren (FDM) oder 3D-Spritzguss (3D-MID), ermöglichen nun sogar Endanwendern individuell gefertigte Bauteile, die sonst nur preisintensiv von spezialisierten Firmen angeboten wurden.

Der Trend zur additiven Fertigung

Die elektronische Fertigung erfolgt aktuell durch meist sehr große Firmen, die ihre Produkte in hoher qualitativer Massenfertigung herstellen und in Standardprodukten anbieten. Für kleinere Firmen sind die Investitionskosten, insbesondere zur Nutzung von Nanotechnologien und anderen notwendigen Prozesstechnologien zur Produktentwicklung kaum zu finanzieren. Mit fortschreitender technologischer Entwicklung, insbesondere in der extremen Miniaturisierung von einzelnen elektronischen Komponenten, sind die Produktionskosten für mittelständische Unternehmen (KMUs) bei geringeren Stückzahlen ökonomisch häufig nicht darstellbar.

Die großen Hersteller nutzen die Miniaturisierung, um elektronische Komponenten bis hin zu kompletten integrierten Schaltungen (IC) mit sehr hoher Funktionsdichte herzustellen, um hier eine Vielzahl von Anwendungsfällen zu adressieren und trotzdem ein Standardlayout zu verwenden. Da die Fertigungstechnologien sehr aufwendig und damit teuer sind, lohnt sich dieses Standardlayout nur in der Massenproduktion. Dabei wird schlussfolgernd auch nur ein Bruchteil der benötigten Funktionen tatsächlich im Endprodukt genutzt.

Ein anderer Weg ist die Nutzung von additiver Fertigung bei Produkten mit individuell ausgewählter Funktion. Die Ressourcen werden exakt zweckorientiert zum Aufbau der Komponenten ausgewählt und verwendet. Bisher waren der Aufwand und damit die Kosten für diese Art der Fertigung zu hoch. Die Industrie 4.0 strebt hier jedoch stark nach den neuen Fertigungsmöglichkeiten, um danach diese in bezahlbaren Größenordnungen nutzbar zu machen.

Die adaptive elektronische Fertigung

Ein Schritt in diese Richtung, um die Möglichkeiten der additiven Fertigung zu nutzen und zur Marktreife zu entwickeln, geht das Startup MicroPack3D. Das angehende Unternehmen will mit „KONEKT – Kontaktierung eingebetteter Komponenten als Technologielösung“ die neuen Möglichkeiten für die adaptive elektronische Fertigung nutzen.

Der erste Schritt ist dabei die Verwendung von kommerziell verfügbaren ICs. Ihr Potenzial besteht in der hohen Funktionsvielfalt. So können auch kleine Unternehmen von einer kostengünstigen Herstellung individueller Produkte bereits bei einer kleinen Stückzahl durch die Verwendung von additiven Fertigungstechnologien profitieren.

KONEKT verzichtet auf klassische Verfahren der notwendigen elektronischen Hausung, bei dem typischerweise einzelne ICs zur Verwendung kontaktiert und in Gehäuse eingebettet werden und nutzt stattdessen einen eigenen Prozess. Neben Standardbauteilen können auch spezielle ICs sowie „bare Dies“ eingebettet und kontaktiert werden. Durch die Fertigstellung einer automatisierten Produktionsanlage sollen die Möglichkeiten der neuen Technologien aufgezeigt werden sowie neue Prozessketten etabliert und zur Marktreife gebracht werden.

Die Idee zur Nutzung additiver Fertigung für die eigene Hausung entstand im Mangel an geeigneten Packaging-Anwendungen am Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik (IAVT) der TU Dresden, insbesondere in der geeigneten elektrischen Verbindung von hochfrequenztauglichen Mikrochips für Anwendungen jenseits von 100 GHz. Die Nutzung von angepassten klassischen Verfahren waren nur schlecht geeignet oder geeignete Fertigungsverfahren waren für das Institut finanziell nicht abbildbar. Speziell sind hier die Kontaktierungen durch sogenannte Drahtbonds kritisch für Hochfrequenz, da die dünnen Drähte bei hohen Frequenzen wie eine Antenne wirken und das gewünschte Datensignal im Rauschen untergeht.

Zahlreiche Versuche in Anlehnung an existierende Technik der additiven Fertigung, wie Stereolithographie (SLA) oder Fan-Out Wafer Level Packaging (FOWLP), ergaben eine Prozesskette, die gleichzeitig deutlich einfacher und ressourcenschonender ist, aber dennoch die gewünschten Produkteigenschaften zur Hochfrequenztauglichkeit ermöglichte. Die elektrische Verbindung wird in der KONEKT-Technik durch die direkte Metallisierung von hochleitfähigem Kupfer und der Vermeidung von Lötverfahren sichergestellt.

Nebenbei ergibt der entwickelte Prozess die Möglichkeit zur direkten Kontaktierung von Einzelchips sowie einer kompletten Hausung und Miniaturisierung ganzer Baugruppen (System in Package). Dabei hängt die letztendliche Größe des Packages stets von der Komplexität, der Anzahl und der Größe der Bauelemente (aktuell SMD) ab. In einem Versuch konnte ein PCB-Design von 2,5 cm x 2,5 cm auf 0,5 cm x 0,5 cm x 0,5 cm verkleinert werden.

Die oben genannten neuen additiven Fertigungstechnologien wie 3D-Druck- und Stereolithgraphie-Prozesse ermöglichen jetzt eine anwendungsangepasste freie Formung von Hausungen zur Integration der elektrischen Bauteile. Dabei können die Limitationen einer Leiterplatte, wie die zweidimensionale Bestückung und die elektrische Anbindung von Bauteilen (von 01005 bis 25 mm x 25 mm x 5 mm) mittels diverser Lötverfahren, umgangen werden. Das ermöglicht eine komplette maskenfreie Fertigung bis in die kleinste Komponente, eine individualisierte Fertigung bei niedrigen Temperaturen (bis 50 °C), sowie eine Kontaktierung mittels direkter Metallisierung mit Kupfer (mit einer Dicke von aktuell 1-15 µm, auch Kupfereinlagen/-armierungen sind möglich). Für die Hausung wird ein anorganisch gefülltes Poly-Acrylat-Resin verwendet.

Ressourcenschonung im Blick

Vergleich klassische Kontaktierung mit dem Konekt-Ansatz: Die Direktmetallisierung ermöglicht eine verlustfreie Übertragung bei hohen Frequenzen.
Vergleich klassische Kontaktierung mit dem Konekt-Ansatz: Die Direktmetallisierung ermöglicht eine verlustfreie Übertragung bei hohen Frequenzen.
(Bild: MicroPack3D)

Die im Rahmen des neuartigen Fertigungsansatzes erreichbaren Emissions- und Ressourceneinsparungen besitzen großes Potenzial. Im Zusammenhang mit dem Kabinettsbeschluss zum Klimaschutzplan 2050 kann der KONEKT Prozess zu Ressourcen und Emissionseinsparungen beitragen.

So verursacht z.B. ein klassischer Leiterplattenfertigungsprozess entlang der Fertigungsschritte zahlreiche Verschnitt- und Restmengen, die nicht für das Endprodukt verwendet werden und als Abfall anfallen. Der KONEKT Prozess bietet signifikante Einsparungen, da diese Verschnittmengen und somit Abfall nicht anfällt.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 15/2020 (Download PDF)

Als besonders ressourcenschonender Anwendungsfall kann die Fertigungstechnologie von MicroPack3D auch im Bereich der Obsoleszenz eingesetzt werden – im Speziellen im Bereich der Interposerumverdrahtung für abgekündigte Chips. Ziel hierbei ist es, Ressourcen und Entwicklungszeiten zu sparen, indem kein komplettes Re-Design des elektronischen Systems nötig ist. Somit sind Produkte länger nutzbar und der Support länger möglich.

Das Team hinter KONEKT: (v.l.n.r.) Friedrich Hanzsch, Vertrieb / Marketing, Dr. Andreas Krause Materialwissenschaften, Sebastian Lüngen, Prozesse / Anlagen, Tobias Tiedje, Techn. Leiter
Das Team hinter KONEKT: (v.l.n.r.) Friedrich Hanzsch, Vertrieb / Marketing, Dr. Andreas Krause Materialwissenschaften, Sebastian Lüngen, Prozesse / Anlagen, Tobias Tiedje, Techn. Leiter
(Bild: MicroPack3D)

Ein weiterer großer Vorteil des KONEKT Ansatzes ist die geringe Prozesstemperatur, während in der klassischen Leiterplattenproduktion aufgrund von Lötverbindungen die Bauteile Temperaturen von bis zu 250 °C im Konvektionsofen ausgesetzt sind. Dabei werden die Bauteile nicht nur sehr strapaziert, sondern es wird auch ein sehr hoher Energieaufwand betrieben, der wiederum zu höheren Emissionen führt. Der KONEKT-Ansatz findet in Temperaturbereichen von Zimmertemperatur bis max. 50 °C statt und in der Direktmetallisierung ein einzelner Unterprozess bei 80 °C. Somit sind enorme Einsparpotentiale im Bereich des Energieverbrauchs aufgrund des geringeren Prozesswärmeausstoßes realisierbar.

* Friedrich Hanzsch ist bei MicroPack3D verantwortlich für Vertrieb und Marketing

* * Andreas Krause arbeitet bei KONEKT als Experte für die Material- und Prozessentwicklung

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