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Fördermaßnahme: Ressourceneffizienz in der Produktion: Gezielte Gestaltung von Produkteigenschaften mit effizienten Technologien
Forschungsziel: Im Rahmen des Verbundprojekts wurde ein modulares, prototypisches Anlagenkonzept zur kontinuierlichen, ressourcenschonenden und kosteneffizienten Fertigung von strukturierten Metallisierungen für flexible Schaltungsträger und Biosensoren entwickelt. Dazu wurden einzelne Module zur strukturierten Aktivierung der Foliensubstrate mittels Plasma Printing, zur selektiven additiven Metallisierung sowie zur kontinuierlichen Bestückung und zum Löten aufgebaut und bezüglich Materialeffizienz, Energieeffizienz und Prozesszeiten optimiert.
Dipl.-Ing. Barbara Mesow
+49 721 608-31428
barbara.mesow@kit.edu
Problemstellung
Hauptkomponenten elektronischer Geräte sind zumeist eine oder mehrere Leiterplatten. Aufgrund von Kosten-, Material- und Gewichtseinsparungen geht der Trend immer mehr zu flexiblen Leiterplatten (FPC). Der weltweite Markt für FPC im Jahr 2007 betrug 7,3 Milliarden US$ und wird weiter immens auf über 16 Milliarden US$ im Jahre 2014 wachsen. RFID und Biosensoren sind ebenfalls potentielle Wachstumsmärkte. Für die Herstellung von FPCs, RFIDs oder Biosensoren werden heute vollflächig metallisierte Folien eingesetzt, die hauptsächlich über Klebstofflaminierung hergestellt werden. Die Erstellung des Leiterbildes erfolgt über ein aufwändiges subtraktives lithographisches Verfahren oder über Laserablation. Diese Art der konventionellen Strukturierung beinhaltet eine relativ große Anzahl von Prozessschritten, begrenzt die strukturierbare Folienfläche auf eine im Ablationsprozess verarbeitbare Maximalgröße und setzt zumeist eine Vereinzelung der Folien voraus. Betrachtet man beispielhaft eine RFID-Antenne, so werden im Schnitt ca. 80 % der Kupferschicht weggeätzt und anschließend mit hohem Energieaufwand entsorgt bzw. wiederverwertet. Zusätzlich zu den damit verbundenen steigenden Energiekosten sind die Rohstoffpreise von z. B. Kupfer und Palladium in den letzten 3 Jahren um 150 % gestiegen. Damit ist es notwendig innovative, additive, kontinuierliche Fertigungstechnologien zu entwickeln, die neben der Materialeffizienz auch eine erhöhte Energieeffizienz aufzeigen.
Projektergebnisse und Anwendungspotenzial
Im Rahmen des Verbundprojekts wurde ein modulares prototypisches Anlagenkonzept zur kontinuierlichen, ressourcenschonenden und kosteneffizienten Fertigung von strukturierten Metallisierungen für flexible Leiterplatten und Biosensoren entwickelt. Vier innovative, flexible Fertigungsmodule wurden aufgebaut, die im kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren die notwendige gesamte Prozesskette zur Herstellung der Elektronikkomponenten abdecken. Die Fertigungsbreite von 250 mm teilweise auch 400 mm und eine Geschwindigkeit von 0,5 m/min konnte realisiert werden. Die folgenden Fertigungsmodule wurden aufgebaut:
1. Strukturierte Funktionalisierung der Folien mittels Atmosphärendruckplasma (Plasma)
2. Selektive additive chemische Metallisierung der funktionalisierten Folien (Galvanik)
3. Kontinuierliche Bestückungsprozess (AVT)
4. Kontinuierlicher selektiver Lötprozess (AVT).
Folgende technische Leistungskennziffern der einzelnen Module wurden erreicht:
Plasma
a. Energieeinsparung von > 30 % durch Elektrodenoptimierung.
b. Ressourceneinsparung um > 30 % durch Prozessgasoptimierung.
Galvanik
a. Tauchgalvanik: Nachweis der Materialeinsparung um 30 % durch additive Metallisierung
b. Rolle-zu-Rolle: Nachweis der Prozessierbarkeit der Bandbreite 400 mm mit mind. 0,5 m/min
AVT
a. Bestückungstoleranz < 150 µm
b. Erreichbares Temperatur-Delta >10K zur Schonung empfindlicher Bauelemente. Resultierende Ressourceneffizienz abhängig von Schaltung und Bauelementespektrum
Für die beiden geplanten Demonstrationsapplikationen (FPC und Biosensoren) wurden folgende technische Zielsetzungen erreicht.
Biosensoren:
An verwendbaren Grundstrukturen wurden elektrochemische Tests durchgeführt und entsprechende Messparameter festgelegt.
FPC:
Haftfestigkeiten (Scherkräfte) vergleichbar zu Standard-FPC wurden erreicht (> 0,5 N/mm)
Keine Unterwanderung der Cu-Struktur in den Weiterverarbeitungsprozessen
Weiterverarbeitung Oberflächenfinish (Chemisch Ni/Au, Sn, galv. Ni/Au) wird nachgewiesen
An den im Projekt entwickelten Prototypen der modularen Fertigungsanlage konnte erstmalig demonstriert werden, dass eine Direktstrukturierung von Edelmetallschichten bzw. Kupferschichten mit einer Dicke von 50 nm bis 5 µm und Strukturbreiten bis zu 20 µm auf Kunststoffträgern mit sehr komplexen Geometrien in einer wirtschaftlichen und ressourcenschonenden Massenfertigung möglich ist. Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens für die Biosensoren wurde auf Basis Test-Demonstratoren über die Validierung von Sensoren statistisch nachgewiesen. Es wurden Anhand der Ergebnisse Kostenszenarien über Investitions-, Material- und Personalkosten aufgestellt, welche Produktionsansätze sinnvoll erscheinen. Anhand dieser Ergebnisse wurden entsprechende Verwertungsplanungen im Vergleich zu Standardprozessen (Dickschichttechnik, Dünnschicht + Laser) möglich, sowie ein Ausblick mit Hochrechnung auf die Umsetzung auf einer Bandgalvanik. Für die FPC erfolgte der Nachweis der Prozessfähigkeit an Hand des festgelegten Demonstrators. Die Erzeugung der Strukturen erfolgt anhand der Linienproduktion (250 mm) mit Plasmaaktivierung von Rolle-zu-Rolle und der Tauchgalvanik im Technikumsmaßstab. Anhand der Ergebnisse wurde eine langfristige Verwertungsplanung für verschiedene Produktkategorien erstellt. Des Weiteren erfolgte eine Verwertungsplanung und Vermarktung der Unternehmen für die einzelnen prototypischen Module. Eine zukünftige strategische Partnerschaft soll weiter ausgebaut werden, um die Vermarktung des Gesamtkonzeptes weiterzuführen.
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