Cluster Mechatronik & Automation

News

14.06.2019

Neues Forschungsprojekt zur räumlichen Integration von Elektronik in Hochtemperaturanwendungen

AiF fördert das Vorhaben „Silbersintern auf 3D-Keramiksubstraten für Elektronik in Hochtemperaturanwendungen (Agon3D)”.

Räumliche Schaltungsträger in herkömmlicher MID-Technik bieten für die Elektronikintegration einen hohen Grad an Gestaltungsfreiheit sowie Rationalisierungs- und Miniaturisierungspotenzial. Des Weiteren lassen sich durch die Integration der dritten Dimension in den Schaltungsträger Material- und Kosteneinsparungen realisieren. Bedingt durch die limitierte Einsatztemperatur von Thermoplasten können die Potenziale räumlicher Baugruppen nicht voll ausgeschöpft werden. Der Einsatz von thermisch beständigeren Duroplasten hingegen kann den thermische Einsatzbereich des Substrats zu höheren Temperaturen verschieben. Sowohl im Automotive-Bereich als auch in Industrieanwendungen steigen die Anforderungen an die maximale Umgebungstemperatur der Elektronik und den Integrationsgrad der Baugruppen.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Adaption der Silbersintertechnologie auf räumlichen keramischen Schaltungsträgern. Das Fügen elektronischer Bauelemente auf den additiv gefertigten Anschlussflächen eines komplexen dreidimensionalen keramischen Körpers mittels Silbersintertechnologie stellt den Kern der Forschungsaufgabe dar. Die Evaluierung dieser Sonderverfahren bezüglich der technischen Umsetzbarkeit und Eignung für die Anwendung in Hochtemperaturumgebung steht im Vordergrund.  Dabei ist die Kombination von räumlichen keramischen Schaltungsträgern mit der Silbersintertechnologie nicht als Substitut für bisherige, etablierter MID- und Fügetechnologie zu verstehen, sondern als Erweiterung des Einsatzspektrums. So sollen alternative Möglichkeiten zur additiven Metallisierung eines räumlichen Keramiksubstrates und eine darauf abgestimmte zuverlässige Fügetechnik etabliert werden.

 

Abbildung 1: Schliffbild einer thermisch gesprühten Kupferschicht auf einem keramischen Substrat.

 

Eine Möglichkeit zur additiven Metallisierung stellen generative Direktbeschichtungsverfahren dar. Mit Hilfe dieser Beschichtungsverfahren lassen sich kontakt- und lösemittelfrei Strukturen aus pulverartigen Materialien, wie Metalle, auf verschiedenen Substraten (z. B. Kunststoffe, Keramiken, Halbleiter) aufbringen. Die Vorteile liegen in der hohen Auftragsgeschwindigkeit, einer variablen Schichtdicke zur optimierten Anbindung und der inline-Fähigkeit des Systems. Zentraler Gesichtspunkt der Anlage ist der Einsatz eines thermischen Atmosphären-Plasmas, das den Auftrag von kompakten Kupferschichten mit hohen elektrischen und mechanischen Kennwerten ermöglicht. Die Schichten werden mit Hilfe eines Pulver-Gas-Gemisches abgeschieden und die Herausforderung liegt in der Ausbildung und der Zuverlässigkeit des benötigten Stoffschlusses zwischen Substrat und generierter Schicht.

Die Silbersintertechnologie hat ihr Ursprünge in Anwendungen der Leistungselektronik, wo sie in den letzten Jahren zunehmend die bisherige Löttechnologie ablöst, da die Silbersintertechnologie der bisherigen auf Zinn-Silber-Legierungen basierenden Löttechnologie bei der elektrischen Leitfähigkeit, der thermischen Leitfähigkeit und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) überlegen ist. Silbersintermaterialien stellen eine innovative Fügetechnologie dar. Der hohe Schmelzpunkt von Silber ermöglicht im Vergleich zu konventionellen Fügematerialien höhere Einsatztemperaturen.


Da die Anbindung an die Substratmetallisierung beim Silbersintern durch die Diffusion von Silberpartikeln zu Stande kommt, haben die Silberpartikel und die Oberflächentopologie der Anschlussfläche und deren Material einen großen Einfluss auf das Fügeergebnis. Die Materialien und Prozessparameter müssen so gewählt und aufeinander angestimmt werden, dass es den Silberpartikeln möglich ist, mit den additiv erstellten Anschlussflächen zu einer festen Verbindungsschicht zu versintern. Die Fügeverbindung zwischen additiver Metallisierung und Silberpartikeln soll eine hohe Festigkeit erreichen und die Herstellung wirtschaftlich umsetzbar sein. Dazu muss die optimale Kombination der verschiedenen Parameter des Silbersinterns (Sintertemperatur, Prozesszeit, Druck, Prozessatmosphäre) ermittelt werden.

 

Abbildung 2: 3-Dimensionaler Demonstrator mit Kupfermetallisierung und gesinterter Sensorschaltung.

 

 

Abschließende Zuverlässigkeitsuntersuchungen sollen neben der Qualität der Anbindung auch die Einflüsse von planaren Substraten und 3D-Substraten auf den Gesamtverbund aufzeigen.

Der innovative Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse besteht zum einen in der Vereinigung der integrativen Möglichkeiten der räumlichen Schaltungsträger mit der Hochtemperaturverwendbarkeit der Keramik und des Silbersinterns. Dies bietet neue Potenziale zur Miniaturisierung und einen hohen Gestaltungsfreiraum bei der geometrischen Auslegung von Elektronik für Anwendungen im Hochtemperaturumfeld über den Anwendungstemperaturen gängiger Fügemedien der 3D-MID-Technologie.

Das IGF-Vorhaben 20132 N/1 der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V. wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.


Die Bearbeitung des Projektes erfolgt durch die Forschungsstellen Fakultät Ingenieurwissenschaften der Hochschule Aschaffenburg (Prof. Dr. Michael Kaloudis) und den Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (Prof. Dr. Jörg Franke) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Die Anzahl von 15 Unternehmen im projektbegleitenden Ausschuss zeigt das große Interesse der Industrie.

 

Kontakt

Christian Schwarzer, M. Eng.
Hochschule Aschaffenburg, Fakultät Ingenieurswissenschaften
Würzburger Straße 45
63743 Aschaffenburg
E-Mail: christian.schwarzer@h-ab.de
www.h-ab.de

Alexander Hensel, M. Sc.
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik – FAPS
Fürther Str. 246b
90429 Nürnberg
E-Mail: alexander.hensel@faps.fau.de
www.faps.fau.de

Philipp Bräuer

Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.
Fürther Str. 246b
90429 Nürnberg
E-Mail: braeuer@3dmid.de
www.3dmid.de

 

 

 


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