Projekt 3D-FlexSys erfolgreich abgeschlossen

Das Laser Zentrum Hannover e.V (LZH) und das Fraunhofer-Gesellschaft e.V. Institut für Schicht und Oberflächentechnik, Braunschweig (IST) haben das Projekt 3D-FlexSys erfolg-reich abgeschlossen.
Die Motivation für das Projekt bestand in der Entwicklung eines kostengünstigen und flexi-blen Verfahrens für die Produktion dreidimensionaler Schaltungsträger. Bisher wurden für die Herstellung solcher Bauteile dreidimensionale Substrate mit Leiterbahnen versehen. Der neue Verfahrensansatz setzt darauf, die Leiterbahnen bereits vollständig auf Flachmaterial anzufertigen und dieses später in einen dreidimensionalen Schaltungsträger umzuwandeln.
Die 3D-FlexSys-Prozesskette besteht aus strukturierter PVD-Metallisierung, Laser-Feinstrukturierung der Leiterbahnen, Thermo-Umformung und der optionalen nasschemi-schen Nachverstärkung der Metallisierung.

Abbildung 1: Gesamtprozesskette zur Herstellung von 3D-MID nach dem 3D-FlexSys-Verfahren.
Oben: Schematische Darstellung; Unten: Abbildung der Prozesskette an einem Probekörper aus Polysty-rol. A: PVD-metallisierte Folie, B: Feinstrukturierte Leiterbahn, C: Tiefgezogene Folie, D: Bestromt vernic-kelte Leiterbahnen.

Das Innovationspotenzial besteht im Wesentlichen in den Prozessschritten der Plasmabe-schichtung und der Laserfeinstrukturierung. Im ersten Schritt handelt es sich um einen Grob-vakuumprozess, der sich gut in eine Rolle zu Rolle Fertigungsabfolge integrieren lässt. Der zweite Schritt nutzt das Potenzial schneller Lasermaterialbearbeitung auf Flachmaterial, um präzise und mit wirtschaftlicher Geschwindigkeit die bereits vorhandenen Grobstrukturen zu verfeinern.

Strukturierte PVD-Metallisierung

Die Aufgabe des IST bestand in der Auswahl und Optimierung eines geeigneten PVD-Prozesses („Physical Vapor Deposition“) für die strukturierte Metallisierung von thermoplasti-schen Kunststofffolien. Für die großflächige Metallisierung unterschiedlichster Materialien eignen sich ins¬be¬sondere Kathodenzerstäubungsverfahren („Sputtern“). Hierbei wird das Beschichtungs¬material (Targetmaterial) durch Ionenbeschuss zerstäubt (in die Gasphase überführt), um sich anschließend auf dem Substrat niederschlagen zu können.

Um dem Projektziel einer „wirtschaftlichen Verfahrenskombination“ gerecht zu werden, sollte für die PVD-Metallisierung ein möglichst kostengünstiger Prozess eingesetzt werden. Aus diesem Grund wurde zunächst die Hohlkathoden-Sputter-Technik favorisiert. Hierbei handelt es sich um ein Grobvakuumverfahren mit deutlich geringeren Investitions- und Betriebsko-sten als bei der weiter verbreiteten Hochvakuum-Beschichtungstechnik.

Die erste Wahl für die strukturierte Metallisierung fiel auf die Verwendung des Verfahrens der „Aktiven Maske“. Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine Abwandlung des Hohl¬kathoden-Sputterns, bei dem eine von zwei parallelen Kathodenplatten offene Strukturen aufweist. Diese Öffnungen wirken selbst ebenfalls als Hohlkathoden und befinden sich im direkten Kontakt zum Substrat. Das Substrat wird mit einer sehr hohen Abscheiderate (bis > 50 nm/s) nur im Bereich der Öffnungen der Kathodenplatte beschichtet. Die strukturierte Kunststoff-Metallisierung mit der Aktiven Maske wurde bereits in zwei Vorstudien untersucht. Die Vorstudien haben jedoch auch gezeigt, dass für dünne Substratfolien eine aktive Küh-lung benötigt wird, um eine zu starke thermi¬schen Belastung der Folien zu vermeiden. Fer-ner ließ sich mit der Aktiven Maske eine homogene Beschichtung unterschiedlicher Struktur-breiten nur mit Hilfe einer Druckänderung während des Beschichtungsprozesses bzw. mit aufwändig variierenden Kathodenabständen realisieren. Für die Weiterentwicklung der Akti-ven Maske wurde darum ein erheblicher Ent¬wicklungsaufwand erwartet; zudem war auch die Eignung einer überarbeiteten Aktiven Maske für die Aufgabenstellung im Projekt nicht ab-schätzbar.
Aus diesen Gründen wurde nach einem alternativen kostengünstigen PVD-Prozess gesucht. Hierfür bot sich das Hohlkathoden-Gasfluss-Sputtern (GFS) im Grobvakuum an. Die struktu-rierte Metallisierung wird hierbei mit Hilfe einer Schattenmaske realisiert. Im Laufe des Pro-jektes wurde jedoch auch auf Hochvakuum-Sputter-Verfahren zurückgegriffen. Das für Me-tallisierungen weit verbreitete DC-Magnetron-Sputtern (DC-MS) und eine Weiterentwicklung des Magnetron-Sputterns, das sogenannte Hochleistungs-Impuls-Magnetronsputtern (HI-PIMS), wurden eingesetzt, um die geringere Wärmebelastung des Substratmaterials und ein dichteres Schichtwachstum zu ermöglichen.
Laserstrukturierung und Thermoformung

Die Arbeiten des LZH hatten das Ziel, die vom IST hergestellte Metallisierung durch gezielte Schnitte derart zu präparieren, dass ein Umformen des Werkstückes ohne ein Abreißen der Leiterbahnen erreicht werden konnte. Wie Vorversuche, die von der Firma Illig Maschinen-bau durchgeführt wurden, zeigten, führte ein Strecken unbehandelter Leiterbahnen aus-nahmslos zur Bildung von Rissen und einem nicht ausgleichbaren Verlust der Leitfähigkeit.
Die Lösung des Problems des Leitungsverlustes bestand in der Laserstrukturierung der Me-tallschichten mittels einer Kombination von Mäanderzügen zu einem Netzwerk von Einzellei-tern (Abbildung 2). Dieser Ansatz vereint die Anforderungen von Bruchstabilität und Redun-danz in einer Struktur, womit auch auf Substraten mit großer Rauheit zugstabile Leiterbah-nen aufgebracht werden können.

Abbildung 2: Links: Die charakteristischen Merkmale eines Mäanderzuges sind Öffnungswinkel β, der Außenradius R und die Bahnbreite D. Rechts oben Konstruktionsprinzip des Mäandernetzes. Parallele Mäanderzüge überschneiden sich an den äußeren Scheitelpunkten. Darunter: Miteinander verbundene Mäanderzüge; Öffnungswinkel 130°, Radius-Bahnbreiten-Verhältnis 1:1.

In Abbildung 3 sind Aufnahmen solcher tiefgezogenen Strukturen zu sehen. Auffällig ist hier, dass bei einem Öffnungswinkel von 140° (mitte) die besten Ergebnisse zu verzeichnen sind. Im Gegensatz zu den anderen Strukturen ist hier nur eine minimale Rissbildung zu beobach-ten. 

Abbildung 3: Mit Mäandernetzen verschiedener Öffnungswinkel strukturierte und tiefgezogene Metallisie-rung. Öffnungswinkel links 130°, Mitte 140°. Rechts: Daraus abgeleitete vereinfachte Mäanderzüge

Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde das Schnittmuster stark vereinfacht. Dieses Schnittmu-ster besteht nur noch aus zwei Endkreisen mit einer reduzierten Anzahl an Polygonpunkten sowie einer Verbindungslinie (Abbildung 3, rechts). Diese Struktur kann zu einem einzelnen Polygonzug für den Scanner-basierten Laserabtrag zusammengefasst werden, so dass zu-sätzliche Zeitoverheads bei der Bearbeitung wegfallen. Zusätzlich wird die Gesamtdaten-menge auf etwa ein Zehntel reduziert.

Mittels dieser Schnittmuster konnten lokal Streckungen um das Vierfache der Ursprungslän-ge erreicht werden ohne Unterbrechung des elektrischen Kontaktes.

Zusammenfassung

Ziel des Projektes war die Entwicklung einer Kombination aus Beschichtungs-, Laserstruktu-rierungs- und Umformverfahren zur Herstellung tiefziehbarer metallisierter Thermoplastfolien.

Eine homogene Beschichtung mit unterschiedlichen Strukturbreiten konnte mit Hilfe einer Schattenmaske sowohl beim Gasfluss-Sputtern als auch beim Magnetron-Sputtern (DC-MS und HIPMS) realisiert werden. Durch eine Chrom-Haftvermittlerschicht ließ sich eine gute Haftfestigkeit auf Thermoplast-Folien realisieren. Dies wurde erfolgreich mit dem Tape-Test überprüft. Leitfähige Kupfer-Metallisierungen, die mit einer Schichtdicke von 1 µm realisiert wurden, eignen sich für die elektrochemische Nachverstärkung. Eine geeignete Startmetalli¬sierung für die chemische (außenstromlose) Nachverstärkung wurde im Rahmen des Pro¬jektes jedoch nicht gefunden. Für eine weitere Optimierung der PVD-Saatschichten sind auch nach Beendigung des Projektes noch nicht alle Ansätze ausgeschöpft. Diese bestehen insbesondere in einer Weiter¬entwicklung der HIPIMS-Abscheidung für eine dichte Metallisie-rung betreffen, mit der einer Delaminationsgefahr durch Blasenbildung im chemischen Bad begegnet werden kann.

Die lasergestützte Präparation der Leiterbahnen für das spätere Umformen war erfolgreich, wobei im Verlauf des Projektes immer komplexere Schnittmuster entwickelt wurden, um ver-schiedenen Herausforderungen hinsichtlich Zugrichtungen bei ein- und zweiachsigen Span-nungszuständen und Materialeigenschaften begegnen zu können.

Die gesamte Prozesskette wurde an einem Probekörper abgebildet, wobei bei der Nachme-tallisierung, die von den Firmen Chrom-Schaal, Enthone und W. C. Heraeus durchgeführt wurde, durch den Erhalt der Leitfähigkeit der Startmetallisierung auf ein bestromtes Verfah-ren zurückgegriffen werden konnte.

Projektbegleitender Ausschuss

ILLIG Maschinenbau GmbH & Co. KG, Heilbronn

Schaal Oberflächen und Systeme GmbH & Co. KG / Chrom-Schaal, Sigmaringendorf

W. C. Heraeus GmbH, Hanau

Enthone GmbH, Langenfeld

LLT Applikation GmbH, Illmenau

FUBA Printed Circuits GmbH, Gittelde

Dank geht an die Firma MID-Solutions GmbH, Gittelde für zusätzliche beratende Tätigkeit.

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben 301 ZN der Forschungsvereinigung Elektronische Baugruppen wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert