Projekt CERACLAD

Forschungsziel

Hauptziel des Forschungsvorhabens CERACLAD ist die direkte Erzeugung leitfähiger Strukturen aus gradierten Kupfer-/Kupfer-Phosphor-Systemen auf technischen Keramiken ohne vor- und nachgelagerte Prozessschritte mittels DED-LB/M. Der Kupfer-Phosphor-Werkstoff soll aufgrund des guten Benetzungsverhalten als Basisschicht auf der Keramik eingesetzt werden. Für eine hohe elektrische Leitfähigkeit wird in weiteren Schichten reines Kupfer aufgetragen. Im DED-LB/M-Verfahren können dafür zwei Förderstrecken stufenlos miteinander kombiniert und Werkstoffe in der Prozesszone gemischt werden. Die Verarbeitung von CuP wird zusätzlich im PBF-LB/M-Verfahren zur Bestimmung der Haftmechanismen untersucht. Für beide Verfahren wird eine infrarote Laserstrahlquelle verwendet.

Beschreibung

Für die Weiterentwicklung der MID-Technologie zur zuverlässigen Applikation in höheren Leistungsklassen und die Erschließung neuer Anwendungsmöglichkeiten ist die Qualifizierung eines Verfahrens für die schnelle, flexible und direkte Erzeugung leitfähiger 3D-Strukturen notwendig. Deshalb soll in dem beantragten Projekt CERACLAD die Forschungsthese untersucht werden, ob die genannten technischen Herausforderungen durch das Laserpulverauftragschweißen (DED-LB/M) zur direkten, flexiblen und werkzeugfreien Herstellung von Leiterbahnen auf planarer und 3D-Substrate für die Leistungselektronik ertüchtigt werden kann. Ein zentraler Untersuchungsaspekt ist hierbei der Haftmechanismus aufgeschweißter, gradierter Schichten aus Kupfer-/Kupfer-Phosphor-Werkstoffsystemen. Anhand von Metallisierungsuntersuchungen mittels des Laserpulverbettschweißen (PBF-LB/M) auf planaren Substraten sollen basierend Voruntersuchungen die Haftungsmechanismen unter-sucht werden und auf das DED-LB/M übertragen werden. Zur elektrischen Funktionalisierung wird anschließend eine Kupferschicht auf die Kupfer-Phosphors-Metallisie-rung im DED-LB/M Prozess aufgeschweißt. Es wird ein niedrigschmelzender, gut laserschweißbarer Kupfer-Phosphor-Werkstoff in der Verbindungszone eingesetzt. In konsekutiven Materialschichten wird der Phosphorgehalt reduziert, um gradiert mit reinem Kupfer die elektrische Leitfähigkeit zu maximieren.

In diesem Zusammenhang besteht die wissenschaftlich-technische Herausforderung zum einen darin Strukturen aus Kupfer/Kupfer-Phosphor-Werkstoffen hoher Haftfestigkeit und variablen Strukturbreiten zwischen 700 μm bis zu mehreren Millimetern additiv mittels DED-LB/M auf den Oberflächen der ausgewählten Keramiksubstrate auf-zubringen. Für die Anwendung in der Leistungselektronik müssen außerdem Pulveranhaftungen neben der Leiterbahn z.B. durch Pulver-Overspray zur Erhöhung der elektrischen Spannungsfestigkeit zwischen einzelnen Leiterbahnen minimiert und die Oberflächentopologie für die Lot- und Bondbarkeit in Folgeprozessschritten optimiert werden. Beide Punkte wurden im Projekt CLADMID als Herausforderung identifiziert [2]. Zum anderen ist die Haftung der Metallisierung auf der Keramik kritisch. Eine Herausforderung stellt die initiale, punktuelle thermische Belastung der Keramik infolge des selektiven Energieeintrags durch den Laserstrahl dar, wodurch ein hoher Temperaturgradient entsteht. Um eine Zerstörung der Keramik zu vermeiden und hohe Haftfestigkeiten zu erzielen, wird beim PBF-LB/M-Verfahren eine Vorheizung eingesetzt. Dadurch wird der benötigte Energieeintrag der Laserstrahlung reduziert, um die Keramik in einen schmelzförmigen Zustand zu setzen, welcher maßgeblich für eine gute Anbindung ist [4].

In diesem Zusammenhang soll in dem hier beantragten Projekt im direkten Prozess des Laserpulverauftragschweißens (DED-LB/M) durch eine zeitliche und eine räumliche Modulation der eingebrachten Laserstrahlleistung sichergestellt werden, dass sowohl ausreichend Energie in das Keramiksubstrat als auch in den Kupferpulverwerkstoff durch den Laserstrahl eingebracht und akkumuliert wird.

Nutzen für KMU

Die Forschungsergebnisse des Laserpulverauftragschweißen auf Keramiken können kleinen und mittlere Unternehmen dabei helfen, ihre Wettbewerbsfähigkeit zu steigern. Die direkte Erzeugung leitfähiger Strukturen verkürzt die Prozesskette und Fertigungskosten. Die zusätzliche hohe Leistungsfähigkeit bietet dem Unternehmen, bei erfolgreicher Industrialisierung eine Chance, sich als Technologievorreiter zu positionieren und sich dadurch im Wettbewerb zu differenzieren. Alternative Prozesse zur additiven Metallisierung von Keramiken werden aktuell noch erforscht und sind noch nicht industrialisiert. Die individuellen Kosten von keramischen 3D-MIDs sind durch die kurze Prozesskette und geringen Werkzeugkosten verhältnismäßig gering und ermöglichen eine flexible und schnelle Anpassung, was bei immer kürzeren Produktentwicklungszeiten und individuellen Fertigungsanforderungen einen zusätzlichen Vorteil darstellt. Die geringen Änderungskosten und die Vorteile der Technologie können dazu beitragen, die Wirtschaftlichkeit von Unternehmen zu stärken und ihre Position im Markt zu festigen.