Technischer EIPC-Schnappschuss: Neuartiger Laser

Lesezeit (Wörter)

„Der Sommer ist vorbei, jetzt geht es wieder an die Arbeit!“ Dies war die Eröffnungszeile der Einladung zum 18. EIPC Technical Snapshot-Webinar am 14. September, das dem Thema Fortschritte in der Automobilelektroniktechnologie gewidmet war und von EIPC-Präsident Alun Morgan vorgestellt und moderiert wurde.

Der erste Vortrag mit dem Titel „Das vollständig gedruckte intelligente Bauteil – Kombination von additiver Fertigung und Sensordruck“ kam von Jonas Mertin, Spezialist für Dünnschichtverarbeitung am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik.

Er diskutierte, wie die Eigenschaften und Funktionalität von isolierenden und leitenden Beschichtungen in gedruckter Elektronik und eingebetteten Sensoren durch die Dünnschichtverarbeitung verbessert werden können, und beschrieb zwei Ansätze: die laserbasierte Modifikation bereits beschichteter Bauteiloberflächen und die additive Herstellung von Folien durch Beschichtung und thermische Nachbearbeitung.

Er betrachtete den zweiten Ansatz im Detail und veranschaulichte die Abfolge der Verarbeitungsschritte: Oberflächenvorbehandlung, chemische Lösungsabscheidung von Sol-Gelen oder nanopartikulären Dispersionen, laserbasierte Trocknung und laserbasierte Funktionalisierung. Dieses Verfahren erfordert keine Batch- oder Vakuumprozesse und ist für den automatisierten Inline-Betrieb geeignet. Es ist ressourcenschonend, flexibel und kostengünstig. Das Aufbringen von Funktionsmaterial auf punktuelle Bereiche des Substrats ermöglicht die Individualisierung von Massenprodukten und die Bearbeitung temperaturempfindlicher Substrate wie Polyesterfolien ist möglich.

Die Nachfrage nach Komponenten mit integrierten Funktionen steigt weiter. Mertin zeigte mehrere Anwendungs- und Integrationskonzepte für gedruckte Sensoren und verwies auf das Fraunhofer-Leuchtturmprojekt „Go Beyond 4.0“, das daran arbeitet, traditionelle Produktionsmethoden mit zukunftsweisenden Technologien und digitalen Fertigungsmethoden zu kombinieren, um neue Strategien zu entwickeln und marktrelevante Prozessinnovationen zu entwickeln Anwendungsgebiete wie die Automobilproduktion. In seinem Beispiel wurden digitale Module zum additiven Drucken und Laserabtragen von Materialien in bestehende Prozesse integriert, um Piezo-Frühaufprallwarnsensoren in die Struktur einer Autotür zu integrieren, die Laserstrukturierung zum Einbetten gedruckter Schichten, das Drucken und die Lasertrocknung zu nutzen dielektrische Isolationsschichten, anschließendes Drucken und Laserhärten elektrisch leitender Schichten auf die Isolierung. Weitere Beispiele waren eingebettete Dehnungsmessstreifen und Funktionsschichten für die Hochleistungselektronik. Das direkte Drucken von Funktionalitäten auf halbfertige oder fertige Komponenten ist ein leicht automatisierter Herstellungsansatz und kann auch verwendet werden, um 3D-gedruckten Komponenten verschiedene Funktionen hinzuzufügen. Nicht nur Endprodukte, sondern auch Werkzeuge – Mertins abschließendes Beispiel war ein 3D-gedruckter Fräser mit gedruckten und lasergesinterten Dehnungsmessstreifen, die hinter den Schneidspitzen eingebettet waren.

Ein neuartiger Ansatz für das Wärmemanagement von Leistungselektronikkomponenten wurde von Christopher Rocneanu, Vizepräsident für Geschäftsentwicklung bei IQ Evolution in Deutschland, vorgestellt, der die Produktion und Anwendungen von flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpern aus 3D-gedrucktem Edelstahl beschrieb. Warum Edelstahl statt Kupfer oder Aluminium? Die Antwort liegt nicht nur in der Korrosionsbeständigkeit, sondern auch in der Fähigkeit, durch selektives Laserschmelzen extrem dünnwandige Strukturen zu bilden. Der werkzeuglose Herstellungsprozess beinhaltet das schichtweise Aufschmelzen von Edelstahlpulver durch eine Lasermaschine, die von einer 3D-CAD-Datei gesteuert wird. Es können komplexe leckagefreie Formen mit Wandstärken von 150 Mikrometern erreicht werden, wohingegen die entsprechenden Geometrien in Kupfer oder Aluminium 800 Mikrometer oder mehr erfordern.

Das Verfahren ermöglicht nicht nur ein schnelles Prototyping, sondern ist auch für die Massenproduktion geeignet. Das Metallpulver wird in sehr dünnen Schichten aufgetragen und durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen, sodass an den Stellen, an denen der Laser das Pulver aufschmilzt, eine homogene Metallstruktur entsteht. Restliche Pulveranteile bleiben unverändert und werden am Ende des Prozesses entfernt. Die Geometrie ist eine Funktion des Strahldurchmessers, der Korngröße des Pulvers, der Schichtdicke, der Geschwindigkeit und Leistung des Laserstrahls sowie des gewählten Abstands zwischen aufeinanderfolgenden Scans. Die resultierenden Edelstahl-Kühlkörper sind in der Lage, erhebliche Wärmelasten bei sehr geringem Wärmewiderstand abzuleiten.

Aufgrund der Flexibilität des 3D-Druckverfahrens gibt es praktisch kein Standardprodukt, er zeigte jedoch viele Beispiele häufig verwendeter Kühlerdesigns in einer Reihe von Industrie- und Automobilanwendungen.

In der Automobilelektronik besteht die allgemeine Anforderung, dass Kühlkörper mit niedrigeren Kühlmitteldrücken als ihre industriellen Äquivalente betrieben werden müssen. Daher wurden sie so angepasst, dass wesentlich höhere Durchflussraten möglich sind. Rocneanu zeigte eine Reihe vergleichender Leistungsdiagramme.

Ein wesentlicher Vorteil bei Automobilanwendungen besteht darin, dass diese dünnwandigen Edelstahlkühler eine erhebliche Gewichtsreduzierung ermöglichen. Sein Beispiel konnte 1,5 Kilowatt verbrauchen, wog aber nur 28 Gramm. Und das Edelstahlmaterial ermöglichte die Verwendung von Löten oder Kupfer- oder Silbersintern, um Module daran zu befestigen.

Ein extremes Beispiel für Gewichts- und Platzersparnis ist ein DC/DC-Wandler für einen LKW mit einer Gesamtleistung von 210 Kilowatt und einer Verlustleistung von 4,4 Kilowatt. Durch den Wechsel von herkömmlichen Kühlplatten zu 3D-gedruckten Kühlkörpern passt der Konverter in ein begrenztes Volumen und reduziert das Gewicht um 97 %.

Das Drucken des Undruckbaren mithilfe der düsenfreien Laserstrahltechnologie war das faszinierende Thema der Abschlusspräsentation von Ralph Birnbaum, Direktor für Geschäftsentwicklung bei der ioTech Group in Israel, in einem Artikel mit dem Titel „Digitale Massenfertigung von Elektronik – Neue Wege gehen“.

Er ging auf eine grundlegende Herausforderung ein, die aktuelle additive Fertigungstechnologien einschränkt. Da für die Elektronikfertigung zugelassene und zertifizierte Materialien in der Regel zu viskos sind, wird die additive Fertigung nur für den Prototypenbau eingesetzt.

Er beschrieb die Technik der kontinuierlichen lasergestützten Abscheidung, die auf der laserinduzierten Vorwärtstransfertechnologie basiert und für die additive Fertigung entwickelt wurde und 2021 mit dem Productronica-Innovationspreis ausgezeichnet wurde.

Dabei wird grundsätzlich Material beliebiger Viskosität auf eine transparente Trägerfolie aufgetragen und mit der beschichteten Seite nach unten unter einen Laser geführt. Kurze Impulse fokussierter Laserenergie, die von oben auf den Träger treffen, geben gleichmäßige Materialtröpfchen auf ein darunter liegendes Substrat ab, die dann online gesintert oder ausgehärtet werden können.

Die Technik ermöglicht den hochauflösenden Druck von ansonsten nicht druckbaren Industriematerialien wie Polymeren, Silikonen, Keramik, Metallen, Loten und Klebstoffen. Bis zu fünf Materialien, darunter Polymere, Metalle und Keramik, können gleichzeitig mit 7 Millionen Punkten pro Stunde und einer Liniengeschwindigkeit von 1 Meter pro Sekunde gedruckt werden.

Birnbaum zeigte eine lange Liste von Materialien, die bereits mit Auflösungen von nur 25 Mikrometern und Füllstoffgrößen von 2 bis 20 Mikrometern erfolgreich gedruckt wurden. Als Online-Härtungsoptionen stehen thermische oder UV-Härtung zur Verfügung, für die Endbearbeitung stehen Lasersintern oder Laserablation zur Verfügung. Er behauptete, dass die umweltfreundliche Technik die Produktivität des Siebdrucks mit der Flexibilität des Dosierens und der Präzision des Spritzens bei niedrigen Betriebskosten, einfacher Wartung und ohne teure Verbrauchsmaterialien biete.

Er diskutierte über Anwendungen in der Herstellung gedruckter Schaltkreise und der Elektronikmontage und zeigte eine einschichtige Proof-of-Concept-Leiterplatte auf einem FR-4-Substrat, bei der Metallbahnen und Lötmaske an derselben Station gedruckt wurden. Er demonstrierte das Die-Bonden mit Silberpaste, die mit mehr als 10.000 Tropfen pro Sekunde aufgetragen wurde – deutlich schneller als das Dispensieren – und die SMT-Bestückung mit hochauflösendem Drucken von Lotpaste mit mehr als 2.000 Tropfen pro Sekunde, was wiederum deutlich schneller als das Dispensieren war.

Eine breite Palette von Klebstoffen kann mit Auflösungen von bis zu 50 Mikrometern gedruckt werden, und bisher nicht druckbare Designs können durch Überlappung gleichmäßig verteilter und vollständig registrierter Tröpfchen mit einer Genauigkeit von 5 Mikrometern erzeugt werden. Bei Bedarf können mehrere Klebstoffe in ein einziges Design integriert werden.

Neben der Lötmaske auf blanken Leiterplatten ermöglicht die kontinuierliche lasergestützte Abscheidungstechnologie die selektive Abscheidung mehrerer Beschichtungsmaterialien und Verkapselungsmittel auf Leiterplattenbaugruppen mit einer Genauigkeit von 50 Mikrometern.

Birnbaums abschließendes Anwendungsbeispiel war die Bildung leitfähiger Verbindungen in Hohlräumen und auf nicht konformen Substraten mit Linienbreiten bis zu 20 Mikrometern unter Verwendung handelsüblicher Metallpasten, mit Inline-Lasersintern und bei Bedarf der Kombination von Dielektrikum und Metall. Es können Vias mit einer Größe von bis zu 60 Mikrometern gefüllt werden.

Zum Abschluss der Veranstaltung dankte Morgan den Rednern für ihre faszinierenden Vorträge, Kirsten Smit-Westenberg und Tarja Rapala-Virtanen für die Organisation und Leitung einer weiteren großartigen Veranstaltung sowie allen Anwesenden.

Der nächste technische Snapshot ist für Mittwoch, den 19. Oktober geplant.