Projektskizze: Hochleistungsabscheidung von Kupferschichten auf dreidimensionalen Schaltungsträgern (HAKa3D)

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Forschungsziel

Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht in der Erarbeitung eines tiefgreifenden Verständnisses der Prozesse, von der Erzeugung, der Charakterisierung und Bewertung von galvanisch verstärkten Schaltbildern auf dreidimensionalen thermoplastisch hergestellten Bauteilen.

Drei Aspekte stehen im Fokus:

1. Bestimmung der maximal übertragbaren Stromstärke unter Berücksichtigung des Substratmaterials und der erreichbaren Wirkquerschnittsflächen der Leiter.
2. Nachweis über die Erfüllung automotiver Standardbedingungen von galvanisch verstärkten Schaltbildern beispielsweise Temperaturschocktest.
3. Der Einsatz von Hochleistungsreaktoren für die galvanische Verstärkung ermöglicht Schichtaufbauten mit sehr großen Abscheideraten und ist einfacher in der Prozessführung. Die Technologie erscheint sehr viel kostengünstiger zu sein als die stromlose Metallisierung.

Quelle: FAPS, FAU

Beschreibung

Die anwendungsgerechte effiziente Leistungsvernetzung ist eine Schlüsselkomponente für den Aufbau mechatronischer Systeme. Sie bestimmt die Funktion, die Zuverlässigkeit und trägt maßgeblich zu den Herstellungskosten bei. Kennzeichnend für die Auslegung elektrischer Schaltungen ist die Stromtragfähigkeit der leitenden Medien, die vom Betriebsort, der Einbausituation, des Wärmeaustausches, dem Querschnitt, dem spezifischen Widerstand und dem zeitlichen Verlauf der Bestromung abhängig ist. Elektrische Verschaltungen aus der 3D-MID Technologie, die durch bekannte Strukturierungs- und Metallisierungsverfahren hergestellt wurden, sind hauptsächlich wegen den Metallschichtdicken von < 50μm für die Übertragung von Strömen bis ca. 10A limitiert. Mittels galvanischer Verstärkung, beispielsweise von LDS-Schaltbildern in Hochleistungsreaktoren, kann die Schichtdicke, in ca. 30 min, deutlich über 50μm erhöht und damit eine Vergrößerung des Leiterbahnquerschnittes (theoretisch bis 500μm) erzielt werden. Im Vergleich dazu wird für einen Schichtaufbau von 20μm in der stromlosen Metallisierung eine Prozesszeit von ca. 240 min benötigt. In der elektrolytischen Verstärkung dient das leitfähige Schaltbild auf dem Bauteil als Kathode, weshalb bei der Auslegung des Schaltbildes eine gemeinsame Fläche zum Ankontaktieren berücksichtigt werden muss. Für eine homogene Schichtdickenverteilung bei Flächen, Kanten und Hinterschneidungen und für die Schichtqualität spielen die Prozessparameter wie die chemische Badzusammensetzung, Badtemperatur, Stromdichte, Anordnung der Anode, Anströmung des Bauteils und die Prozesszeit eine wesentliche Rolle. Die Anwendung der galvanischen Verstärkung in der 3D-MID Technologie setzt allerdings grundlegende Kenntnisse wie Prozessparameter, Qualitätskontrolle und Charakteristik der erzeugten Schichten voraus. Im beantragten Projekt sollen systematisch bisher nicht erforschte Kenntnisse und Methoden entlang der Wertschöpfungskette von 3D-MID Bauteilen mit integrierter Vernetzung höherer Ströme erarbeitet werden. Zu nennen sind hierbei Auswahlkriterien für Substratmaterialien, Aufbau und Zusammensetzung der Metallschichten, Regeln für die Konstruktion der Schaltbilder mit Kontaktpunkt, Handhabung der Bauteile, Prozessführung, Charakteristik der erzeugten Metallstrukturen wie Duktilität, Haftung und elektrische Leitfähigkeit sowie die Bestimmung von Messmethoden für die Sicherstellung der Qualitätskennwerte. Das Ziel ist es innerhalb kürzester Prozesszeit eine homogene maximale Schichthöhe der Leiterbahnen mit maximaler elektrischer Leitfähigkeit, Duktilität und Haftung zu erreichen. Das Projekt startet mit dem Zusammentragen von fachspezifischen Knowhow aus der semiadditiven Leiterplattenherstellung sowie der Galvanotechnik technischer Produkte wie Tiefdruckwalzen, verchromte Zierteile, Armaturen oder Werkzeuge, in denen höhere Schichtdicken galvanisch erzeugt werden. Anschließend soll gemeinsam mit den Partnern aus dem PA ein Anforderungsprofil mit Zielparametern definiert werden. Im nächsten Schritt muss aus den Rechercheergebnissen und Analysen ein geeignetes Substratmaterial ausgewählt werden. Für den Testkörper soll eine Teststruktur entwickelt werden, anhand derer spätere Prüfungen zur Charakteristik durchgeführt werden können. Die galvanische Verstärkung soll im Labor und bevorzugt bei Experten mit der Zielsetzung einer möglichst kurzen Prozesszeit durchgeführt werden. Die Charakterisierung der Schichten erfolgt in der Analytik des FAPS. Nach einer Auswertung der Ergebnisse sollen Regeln für die Auslegung und Konstruktion galvanisch verstärkter 3D-MID Bauteile extrahiert werden. Zur Veranschaulichung der Ergebnisse soll ein Demonstrator aus dem Bordnetz eines PKW hergestellt werden.

Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU

Die Automobilbranche und der Maschinenbau sind die tragenden Säulen im verarbeitenden Gewerbe in Deutschland mit einem Anteil von 38,8 % an der Bruttowertschöpfung in 2018 (Quelle: BMWI). Um den Herausforderungen der Nachhaltigkeit, Energieeffizienz und Digitalisierung zu begegnen, müssen Firmen immer flexibler und wandlungsfähiger werden. Die 3D-MID Technologie bietet per se durch die unbegrenzte Designfreiheit ein hohes Lösungspotential. Das Projekt HAKa3D kann die eingebundenen Projektpartner von der Leistungsfähigkeit, die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit der Technologie überzeugen. Während der Bearbeitung werden Mitarbeiter der Firmen in die Technologie eingewiesen und können das Knowhow direkt oder in zukünftige Produkt- und Prozessentwicklungen einbringen. Durch das Projekt werden die Kompetenz und die Vernetzung der Parnter und somit die Wettbewerbsfähigkeit gesteigert. Als Produkte werden Komponenten für hochpilotierte und elektrifizierte Fahrzeuge in den Bereichen Antrieb, Sicherheit, Assistenz- und Infotainmentsysteme sowie Komponenten für den Schaltschrank, Transfersysteme, Verbindungselemente bei Batterien sowie Handhabungs- und Montagesysteme gesehen.