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BayWISS-Kolleg Produktionstechnik www.baywiss.de

Projekte im Kolleg Produktionstechnik

Verformbare elektronische Strukturen für die Kunststofftechnik in einem digitalisierten und automatisierten Fertigungsumfeld

Ziel des Vorhabens ist die systematische, holistische Untersuchung der Verwendung von kommerziellen Druckpasten für die Herstellung von IME Baugruppen und die Untersuchung der Einbringungsmöglichkeit von SMD-Bauteilen. Die Arbeit ist in die Bereiche
• Herstellung gedruckter Folienbaugruppen (Drucken des Leiterbildes, AVT für elektronische Bauteile, Applikation von Schutzmaterialien, Funktionalisieren aller Materialien)
• Findung der Prozessgrenzen für Leiterbild und AVT für das HPF,
• Untersuchung des Umspritzprozess von voll funktionalisierten Hybridbaugruppen,
• Kontaktieren gedruckter Elektronik mit übergeordneter Peripherie und
• Zuverlässigkeit von IME Baugruppen
unterteilt. Die jeweiligen Inhalte dieser Bereiche sollen nachfolgend kurz beschrieben werden:
Herstellung gedruckter Folienbaugruppen: Zunächst sollen hierbei Materialien hinsichtlich der weiteren Prozessschritte charakterisiert, gegenübergestellt und ausgewählt werden. Ziel ist hierbei letztendlich komplexe Baugruppen herstellen zu können, wobei zunächst geeignete Substrat- und Leitermaterialien hinsichtlich verarbeitungsrelevanter Eigenschaften ausgewählt werden sollen. Für die Herstellung komplexer Baugruppen ist außerdem die Realisierung von Leiterbahnüberkreuzungen dringend nötig, weswegen auch entsprechende Dielektrika untersucht wurden. Der Schutz von elektronischen Bauteilen für die anstehende Umformung und Umspritzung ist hierbei von besonderer Wichtigkeit und unterstreicht die Wichtigkeit einer geeigneten Materialauswahl im Hinblick auf den weiteren Prozess. In ersten Untersuchungen mit Bauelementen zeigte sich, dass dies prozesssicher nur mittels lokaler Versteifung im Bereich der empfindlichen Bauelemente zu bewerkstelligen ist. Darüber hinaus werden die Druckprozesse (Siebdruck und Schablonendruck) und das Aushärteverhalten von gedruckten Polymerpasten systematisch untersucht, um eine optimale Parametrierung dieser Prozesse sicherzustellen. Ebenfalls soll erstmalig die Verwendung von SnBiAg-Weichloten auf gedruckter Elektronik untersucht und hinsichtlich der Prozessierbarkeit,
Benetzung, Scherfestigkeit und elektrischer Eigenschaften untersucht und leitgeklebten Bauteilen gegenübergestellt werden.
Hochdruckumformen HPF: Wie auch in Abb. 1 dargestellt, folgt auf die Herstellung der Baugruppen in der Ebene die Formgebung mittels HPF. Im Rahmen der Arbeit werden hierfür zunächst verschiedene Materialkombinationen hinsichtlich ihrer elektrisch / mechanischen Performance in verschiedenen Umformbereichen charakterisiert. Hieraus können Layoutempfehlungen abgeleitet werden, welche bei der Herstellung von Baugruppen unerlässlich sind. Wichtig ist daher die Ermittlung von Prozessgrenzen um beispielsweise Leiterbahnen und elektronische Bauteile nicht in zu hohen Verformungsbereichen anzubringen. Die Charakterisierung von umgeformten Leiterbahnen, und im nächsten Schritt von Baugruppen mit SMT-Bauteilen, soll anhand verschiedener elektrischer und mechanischer Eigenschaften, sowie des jeweiligen Schadensbildes (z.B. durch Rissbildung) erfolgen. Gerade die systematische Untersuchung von bestückten Baugruppen für die Verwendung von IME ist eine zentrale Neuerung des Vorhabens.
Umspritzen: Wie auch beim HPF werden Leiterbahnen und Bauteile mechanisch beansprucht. Beim Umformen wirken lokale Verformungsgradienten und Stress durch die eingebrachte Temperatur auf die Verbindungsstellen. Ähnlich werden diese Verbindungsstellen beim Umspritzen beansprucht, indem die auftreffende heiße Schmelze sowohl mechanischen als auch thermischen Stress in die Baugruppe einbringt. Hierzu werden elektronische Komponenten in Bereiche mit verschiedenen Bereichen in Relation um Einspritzpunkt (Änderung der Temperatur, Viskosität und Fließgeschwindigkeit) eingebracht und der Einfluss auf die elektrische Funktionalität der Baugruppe bewertet. Als zentrale Voraussetzung für die erfolgreiche Umspritzung stellte sich hier, wie auch für das Umformen, heraus, dass Bauteile weniger häufig ausfallen, wenn diese mittels eines Globtops vor den jeweiligen Beanspruchungen geschützt werden. Gerade die Findung von geeigneten Schutzmaterialien und Ermittlung geeigneter Prozessparameter für den Bauteilschutz ist ein zentraler Erfolgsfaktor für hochfunktionale IME-Baugruppen.
Kontaktieren gedruckter Elektronik: Elektronische Baugruppen benötigen für den Einsatz stets Kontaktierungen zur übergeordneten Peripherie, um die Baugruppe einerseits mit Energie zu versorgen und um andererseits Sensorsignale oder Touch-Eingaben aus der Baugruppe auszuleiten und einer übergeordneten Logik zuzuführen. Da bislang solche Kontaktierungen für die gedruckte Elektronik nicht systematisch untersucht wurden, soll dies ebenfalls erstmalig thematisiert werden. Hierzu sollen verschiedene kraftschlüssige Verbindungsarten hinsichtlich des Abrasions-, Kontaktierungs-, und Leitverhaltens untersucht werden. Hierbei werden kommerziell verfügbare, in der Elektronikproduktion häufig verwendete, Verbindungstechnologien eingesetzt, um den Anforderungen von gedruckter Elektronik gerecht zu werden und deren Eigenschaften zu untersuchen.
Zuverlässigkeit: Ein weiterer, derzeit kaum untersuchter Aspekt ist die Zuverlässigkeit von gedruckter Elektronik. Allgemein sind in der Elektronikproduktion Aussagen zur Zuverlässigkeit in gerafften Alterungsversuchen ein wichtiger Indikator für die Lebensdauer und Marktfähigkeit von Produkten. Die Zuverlässigkeit wurde im Promotionsprojekt auf mehreren Ebenen untersucht. Zunächst wurde die AVT von nicht geformten und nicht umspritzten Baugruppen generell bewertet, um grundsätzliche Aussagen zur Eignung treffen zu können. Hierbei sollen, auch im Austausch mit den industriellen Projektpartnern, typische Tests identifiziert und parametriert werden. Der Fokus bei der Wahl der Testmethoden für Temperatur, Feuchte und Wechselzykluszeiten orientierte sich an industriellen Standards für Consumer Elektronik. Entsprechend wurde mit Baugruppen entlang der Prozesskette verfahren, um die Eignung von IME schrittweise nachzuweisen. Gerade durch die zusätzliche, vorgeschaltete Belastung durch Umformung und Umspritzung sind hier höhere Ausfallraten zu erwarten.

MITGLIED IM KOLLEG

seit

Betreuer Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg:
M.Sc. Julian Schirmer

Julian Schirmer

Technische Hochschule Nürnberg

Koordination

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Dr. Jens Helbig

Dr. Jens Helbig

Koordinator BayWISS-Verbundkolleg Produktionstechnik

Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm
Institut für Chemie, Material- und Produktentwicklung (OHM-CMP)
Keßlerplatz 12, Gebäude KB, Raum KB.306a
90489 Nürnberg

produktionstechnik.vk@baywiss.de