Erfolgreicher Abschluss des AiF-IGF-Vorhabens 16737 N
Räumliche spritzgegossene Schaltungsträger (3D Mechatronic Integrated Devices, MID) werden aufgrund ihrer vielfältigen Potenziale zur Herstellung mechatronischer Systeme mit hohem Miniaturisierungsgrad und gesteigerter Funktionsdichte zunehmend auch in sicherheitsrelevanten Bereichen sowie in Anwendungsfeldern mit extremen Umweltbelastungen eingesetzt. Ein Beispiel hierfür ist der Positionssensor zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung, der in einer Stückzahl von mehreren Hunderttausend im LPKF-LDS®-Verfahren von der HARTING AG für den Einsatz im Adaptive Cruise Control System (ACC) der Continental AG hergestellt wird. Mit den hiermit verbundenen steigenden Anforderungen an die Qualität und Zuverlässigkeit der MID-Bauteile geht der Bedarf an geeigneten Charakterisierungsmethoden einher.
Im Rahmen des AiF-IGF-Forschungsvorhabens „Charakterisierung und praxisnahe Methoden zur Prüfung von Leiterbahnen auf LDS-MID als Metall/Kunststoff-Verbundsystem“ (kurz: LDS-MID-ChaMP) wurden geeignete Verfahren zur Prüfung und Charakterisierung der Haftfestigkeit und Rissanfälligkeit metallisierter Strukturen auf LDS-MID erarbeitet sowie werkstoff- wie auch fertigungsprozessseitige Ansätze zur Optimierung der MID-Bauteile hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit untersucht. Die Bearbeitung des Projektes erfolgte durch den Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) und den Lehrstuhl für Kunststofftechnik (LKT) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sowie durch Hahn-Schickard in Stuttgart. Darüber hinaus wurde das Projekt von einem großen Industriekonsortium, bestehend aus 16 Unternehmen aus allen MID-relevanten Bereichen, unterstützt.
Im Hinblick auf die Zusammensetzung des Substratmaterials wurden im Projekt u. a. die Einflüsse von Füllstoffen verschiedener Arten und Ausprägungen auf das thermomechanische Verhalten des Grundkörpers sowie die Metallabscheidung untersucht. Dabei ergab sich, dass durch Füllstoffe wie Talkum die Metallabscheidung merklich begünstigt und gleichzeitig die thermische Ausdehnung des Kunststoffes reduziert werden kann, wodurch sich thermomechanische Spannungen im Metall/Kunststoff-Verbund minimieren lassen.
Unter Einbeziehung der Prüfverfahren Stirnabzugstest, Scherkraftmessung, Meißeltest und dem neuartigen Hot-Pin-Pull-Test wurde in umfangreichen Untersuchungen der Hot-Pin-Pull-Test als am besten geeignetes Prüfverfahren für die Bestimmung der Haftfestigkeit abgeschiedener Leiterstrukturen bei LDS-MID identifiziert. Gegenüber den betrachteten Alternativen erwies sich der Hot-Pin-Pull-Test sowohl in Bezug auf die Handhabung als auch in Bezug auf die erzielten Standardabweichungen als vorteilhaft.
Weiter wurden Grundlagen für eine Methodik zur Charakterisierung der Rissanfälligkeit von Schichtsystemen mittels Biegewechselprüfungen erarbeitet. Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen zeigen eine Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit von Schichtsystemen bei hoher Rauheit und verringerter Schichtdicke. Zudem hat sich gezeigt, dass Schichtsysteme ohne Nickel wie beispielsweise Cu/Ag oder Schichtsysteme mit Nickel mit erhöhtem Phosphorgehalt ebenso wie breite Leiterbahnen weniger rissanfällig sind. Bei Umweltbelastungen (Temperaturschock, Feuchte-Wärme) weisen Schichten mit einer reduzierten Rauheit eine erhöhte Resistenz gegenüber Rissbildung auf. Eine gesteigerte Anfälligkeit zur Rissentstehung konnte an Leiterbahnen, die über konvexe Geometrien verlaufen, festgestellt werden. Die elektrische Online-Widerstandsmessung während der Umwelttests erwies sich als geeignete Methode, um eine Schädigung an den Leiterstrukturen zu detektieren und schlussfolgernde Aussagen über die Rissanfälligkeit von Schichtsystemen bei Umweltbelastungen treffen zu können.
Das IGF-Vorhaben 16737 N der Forschungsvereinigung Elektronische Baugruppen wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
