3D-Metalcore-LDS-Circuit-Board: 3D-Leiterkartenaufbau mittels Polymerbeschichtungen von Metallsubstraten und Laser-Direkt-Strukturierung für kompakte leistungselektronische Applikationen (3D-MC2B)

Im Projekt 3D-MC2B (3D-Metalcore-LDS-Circuit-Board: 3D-Leiterkartenaufbau mittels Polymer-beschichtungen von Metallsubstraten und Laser-Direkt-Strukturierung für kompakte leistungselektronische Applikationen) entwickelt die Hochschule Ostwestfalen-Lippe gemeinsam mit Wirtschaftspartnern ein Herstellungsverfahren für hochintegrierte mechatronische 3D-Komponenten für die Leistungselektronik. Projektleiter ist Prof. Dr. Holger Borcherding.

Herausforderung

Mechatronische Systeme werden immer komplexer, wobei immer mehr Funktionen auf möglichst wenig Raum untergebracht werden müssen. Dabei sind zwei Herausforderungen zu bewältigen: Bei Schaltungen der Leistungselektronik entwickelt sich viel Wärme, die abgeleitet werden muss, um die Elektronik zu schützen. Außerdem müssen freie Räume genutzt werden, um die Komponenten noch dichter zu packen. Dafür sind 3D-Aufbautechniken nötig. Ein etabliertes Verfahren ist die MID-Technik (Molded Interconnect Device) auf Basis der Laser-Direkt-Strukturierung (LDS). Damit werden auf der Oberfläche von Spritzgussbauteilen Leiterbahnen erzeugt. Bisher wird LDS aber nur bei kleinen Leistungen angewandt, weil sie nur dünne Leiterbahnen erzeugen kann und Spritzgussbauteile Wärme schlecht ableiten. Sollen diese Verfahren im industriellen Maßstab für die Leistungselektronik genutzt werden, müssen sie so ausgebaut werden, das größere Ströme fließen und die entstehende Wärme abgeleitet werden kann.

Ziele und Vorgehen

Ziel des Projektes 3D-MC2B ist es, LDS so für die Leistungselektronik weiterzuentwickeln, dass 3D-Schaltungslayouts auf beliebigen Geometrien von Metallgrundkörpern aufgebracht werden können. Basis sind Coated-Metal-Interconnect Devices (CMID); dies sind Komponenten mit einem Metallkern, die mit einer Laser-aktivierbaren Pulverbeschichtung versehen sind. Im Projekt werden zum einen die verwendeten Materialien untersucht: Das Projektteam prüft den Einsatz von Nichteisenmetallen als Metallsubstrat, etwa hinsichtlich Wärmeabfuhr oder Wärmedehnung. Auch höhere Anteile von Metalloxiden in den Beschichtungspolymeren werden analysiert. Zum anderen wird untersucht, wie die CMID-Prozesskette an industrielle Anforderungen angepasst werden kann. Dabei soll eine adaptive Einrichtung geschaffen werden, die das bisher zweidimensionale LDS, Bestücken und Bonden so erweitert, dass jede Position des Werkstücks erreicht wird. Um die Projektergebnisse zu evaluieren, werden drei konkrete Prototypen erstellt.

Innovationen und Perspektiven

Die im Projekt angestrebte Erschließung der LDS-Technik im CMID-Bereich für die industrielle Leistungselektronik verschafft dem neuen Verfahren ein Alleinstellungsmerkmal. Bisher sind vergleichbare 3D-Strukturen nur auf spritzgegossenen Schaltungsträgern möglich. Im Serieneinsatz gibt es derzeit viele Anwendungen, die auf mit LDS gefertigten MID basieren. Die Projektpartner sehen für Anwendungen der Leistungselektronik auf Basis der neuen Technik ein vergleichbares Potenzial. Zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten finden sich beispielsweise in der Antriebs- und Steuerungstechnik oder der kontaktlosen Energieübertragung.

Die im Projekt entwickelten Prototypen sind am Produktportfolio der Industriepartner ausgerichtet. Bei einer möglichen Umsetzung der Projektergebnisse in kleinen Vorserien stehen diese Unternehmen im Vordergrund. Außerdem sollen neue Anwendungen in der Leistungselektronik erschlossen werden, indem die Projektergebnisse weiter vertieft werden.