Intelligenz in Kunststoff

Technische Kunststoffe - Als Gehäusewerkstoff wird Kunststoff beim Mechatronikbauteil zum Funktionsträger, der die Elektronik trägt und mit Aktorik und Sensorik direkt zu einem Bauteil verbindet. Diese Funktion können insbesondere technische Kunststoffe wahrnehmen.

11. Oktober 2005

Paradebeispiel für moderne mechatronische Systeme sind elektronische Getrie­besteuerungen. Der Kunststoff integriert die Funktionen dort in ein Bauteil; er hält Sensoren und Aktoren in Position und stellt über umspritzte Leiter die Verbindungen her. Heißölbeständige Kunststoffe ermöglichen es, die Getriebesteuerung direkt am Getriebe und damit auch im Kontakt mit heißem Getriebeöl zu positionieren.

Inzwischen entwickeln sich die Herausforderungen weiter. Der nächste Schritt besteht dar­in, zusätzliche Funktionen in den Werkstoff selbst zu integrieren. Ein elektrisch leitfähiger Kunststoff würde sich im Bereich EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) bewähren, ein thermisch leitfähiger Kunststoff bei der Kühlung von Elektronikbauteilen. Auch an optisch transparenten und magnetisierbaren Kunststoffen wurde im Rahmen eines staatlich geförderten Forschungs­projekts gearbeitet. Ein weiteres Thema des Projektes waren laseraktivierbare Kunststoffe.

Laseraktivierung und MID

Solche Kunststoffe sind mit Hilfe eines Lasers auf der Oberfläche so strukturierbar und aktivierbar, dass sich metallische Leiterbahnen galvanochemisch exakt und mit weniger Prozessschritten aufbringen lassen. Kunststoffhersteller wie die BASF entwickeln für das als LDS (Laser-Direkt-Strukturieren) bezeichnete Verfahren der Firma LPKF bereits optimierte, laserstrukturierbare Kunststoffe. LPKF ist Hersteller von industrieller Laseranlagentechnik mit Sitz in Garbsen. Eine optimale Anwendung für diese neuartigen Kunststoffe sind MIDs (Moulded Interconnected Devices), zu Deutsch: spritzgegossene Schaltungsträger. Sie ermöglichen es, dass Leiterbahnen und elektronische Bauteile ohne herkömmliche Platine auf mehreren Ebenen eines Grundkörpers - das heißt auch dreidimensional - untergebracht werden können. Diese Integration von elektronischen Schaltungen direkt auf Kunststoffbauteilen bietet eine Reihe von Vorteilen für die Konstruktion und effiziente Fertigung von innovativen mechatronischen Baugruppen. Zu diesen Vorteilen gehören wiederum die höhere Gestaltungsfreiheit, die Verkürzung von Prozessketten und die Reduzierung der Werkstoffvielfalt. Dennoch konnten mit den bisher oft angewandten Verfahren wie 2K-Spritzguss oder Heißprägen MIDs bislang nur für wenige Serienanwendungen am Markt umgesetzt werden. Neuen Schwung in die MID-Entwicklungen bringt LDS. Das Verfahren zeichnet sich durch eine geringe Anzahl von Prozessschritten und eine hohe Strukturauflösung aus, die mit konventionellen Methoden nicht erreicht wird. Außerdem fallen einige kritische Stufen bei der chemisch-galvanischen Metallisierung der Leiterbahnen weg.

Basis des Verfahrens ist ein Kunststoffwerkstoff, der mit einem speziellen Additiv, einem laserspaltbaren Metallkomplex, ausgestattet ist. Das LDS-Additiv ist elektrisch nicht leitfähig und verändert deshalb die elektrischen Isolationseigenschaften des Kunststoffs nicht. Erst bei Einwirkung eines Infrarot-Laserstrahls mit der Wellenlänge 1.064 Nanometer erfolgt die Aufspaltung des Komplexes in elementares Metall, in diesem Fall Kupfer, und Restgruppen. LPKF hat eine speziell für diesen Zweck geeignete Laseranlage, die MicroLine 3D IR In­dustrial, entwickelt. Mit dem LDS-Granulat können beliebige Formteile in Standardspritzgießverfahren hergestellt werden. Formteiloberflächen werden dann in den Bereichen, die später Leiterbahnen tragen sollen, mit dem Laser strukturiert. Dabei wird das Leiterbild praktisch in die dreidimensionale Oberfläche eingraviert. Laserleistung und -vorschubgeschwindigkeit werden so justiert, dass ein geringfügiger Polymerabtrag erfolgt und gleichzeitig genügend LDS-Additivbestandteile gespalten werden. Auf diese Weise entsteht eine definierte Mikrorauheit der Oberfläche mit eingelagerten Metallpartikeln. Die Rauheit ist für die Haftfestigkeit der späteren Metallisierung verantwortlich. Die Metalleinlagerungen dienen als Kristallisa­tionskeime für die chemisch reduktive Metallabscheidung zum Aufbau einer geschlossenen Kupferschicht auf der behandelten Oberfläche. Das vereinfachte Verfahren verzichtet auf einige der Chemikalien, die bei klassischer Galvanisierung eingesetzt werden, und besteht nur aus drei Schritten: konventioneller Spritzguss, Laserstrukturierung und stromlose Metallisierung. Darüber hinaus bietet das LDS-Verfahren eine hohe geometrische Gestaltungsfreiheit und ermöglicht feinste Strukturen mit Linienbreiten von weniger als 100 Mikrometern. Im Gegensatz zu anderen Verfahren ist die Flexibilität bei Änderungen des Schaltungslayouts hoch, da die Strukturierungsdaten mit der Software der Laseranlage schnell angepasst werden können.

Bei der Werkstoffentwicklung der BASF fiel die Wahl auf Ultramid T als Basispolymer. Ultramid T ist ein teilkristallines, teilaromatisches Polyamid 6/6T. Die Spezialität aus dem Sortiment der technischen Kunststoffe wird bereits in der Elektrotechnik und im Automobilbau eingesetzt, wenn besonders hohe Anforderungen an die Wärmeformbeständigkeit bestehen. Für das LDS-Verfahren wurde ein abgestimmter Compound mit 30 Prozent Glasfasern und optimalen Eigenschaften bezüglich Anspringverhalten der Metallisierung und Metallhaftung entwickelt. Besondere Eigenschaften dieses Ultramid T sind der hohe Schmelzpunkt von 295 Grad Celsius und die hohe Biegetemperatur unter Last von etwa 270 Grad Celsius bei 0,45 MPa (Megapascal).

Temperaturunempfindlich

Unbelastet übersteht das Material Temperaturspitzen bis 285 Grad Celsius. Damit ist dieser Werkstoff für das Auflöten elektronischer Bauteile geeignet. Auch bei Reflow-Lötverfahren mit bleifreiem Lot und damit höheren Löttemperaturen sind keine Probleme zu erwarten. Als einziges zur Zeit auf dem Markt verfügbares Polyamid für LDS zeichnet sich das Material dadurch aus, dass es gleichzeitig hochwärmeformbeständig und relativ kostengünstig ist. Einen Prototyp für ein Multifunktionslenkrad hat der Automobilzulieferer TRW zusammen mit der österreichischen Firma I& auf MID-Basis konstruiert. Umverdrahtung, elektrische Beschaltung und die zugehörigen SMD-Bauelemente sind in einem Kunststoffträger integriert. Für das Serienbauteil kommt das neue Ultramid T in Frage, da es neben der für das Reflow-Löten notwendigen Wärmeformbeständigkeit auch eine sehr gute Haftung der Leiterbahnen aufweist. Das Konzept spart nicht nur Montage-, Prüf- und Entwicklungskosten. Es gestattet Bauraumoptimie­rung und höhere Schaltungsflexibilität und vermeidet montageunfreundlichen Kabelsalat.

Reinhard Stransky, Technische Kunststoffe, BASF AG

FAKTEN

¦ Funktionsintegration, Designfreiheit, Gewichtsreduktion sind Merkmale, die technische Kunststoffe für Bauteilkonstruktion auszeichnen.

¦ Sie sind dimensionsstabil, beständig gegen Chemikalien, temperaturbeständig, leicht, zäh und steif und sind im Spritzguss einfach zu komplexen Strukturen zu formen.

Erschienen in Ausgabe: 07/2005