Scientific Publications "Production Technologies"

Reconfigurable manufacturing systems (RMS) can be used to produce micro-assembled products that are too complex for assembly on flat substrates like printed circuit boards. The greatest advantage of RMS is their capability to reuse machine parts for different products, which enhances the economical efficiency of quickly changing or highly individualized products. However, often, process engineers struggle to achieve the full potential of RMS due to product designs not being suited for their given system. Guaranteeing a better fit cannot be done by static guidelines because the higher degree of freedom would make them too complex. Therefore, a new method for generating dynamic guidelines is proposed. The method consists of a model, with which designers can create a simplified assembly sequence of their product idea, and another model, with which process engineers can describe the RMS and the procedures and operations that it can offer. By combining both, a list of possible machine configurations for an RMS can be generated as an automated response for a modeled assembly sequence. With the planning tool for micro-assembly, an implementation of this method as a modern web application is shown, which uses a real existent RMS for micro-assembly.

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This project took place in cooperation with Organska Elektronika d.o.o. and the International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL). The company Organska Elektronika d.o.o. is developing a new system for the detection of myco-toxin in food i.e. milk. The main goals of this project were the development of a plastic catridge and the development of a portable incubator. The catridge was designed for its functionality with a simple microfluidic circuit. The middle part of the catridge can be produced by injection molding for high-volume production. Several sealing methods for the fluidic circuit were introduced. In addition a portable incubator was developed for the simultaneous use of four catridges.

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Thermoset materials offer a multitude of advantageous properties in terms of shrinkage and warpage as well as mechanical, thermal and chemical stability compared to thermoplastic materials. Thanks to these properties, thermosets are commonly used to encapsulate electronic components on a 2nd-level packaging prior to assembly by reflow soldering on printed circuits boards or other substrates. Based on the characteristics of thermosets to develop a distinct skin effect due to segregation during the molding process, the surface properties of injection molded thermoset components resemble optical characteristics. Within this study, molding parameters for thermoset components are analyzed in order to optimize the surface quality of injection molded thermoset components. Perspectively, in combination with a reflective coating by e.g., physical vapor deposition, such elements with micro-integrated reflective optical features can be used as optoelectronic components, which can be processed at medium-ranged temperatures up to 230 °C. The obtained results indicate the general feasibility since Ra values of 60 nm and below can be achieved. The main influencing parameters on surface quality were identified as the composition of filler materials and tool temperature.

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Ziel des Projektes „DigiPro“ war es die Erhöhung des Digitalisierungsgrades der Wirtschaft insbesondere bei KMU. Hierzu wurde am Beispiel einer innovativen digitalen Prozesskette das Verbesserungspotenzial gegenüber herkömmlichen Prozessabläufen gezeigt. Die Demonstration erfolgte anhand einer digitalen Prozesskette zur Herstellung individualisierter Mikrosysteme (iMST) auf Basis generativ gefertigter duroplastischer Spritzgusswerkzeuge. Dies ermöglicht die kostengünstige und schnelle Herstellung kleiner Losgrößen unter Verwendung der Spritzgusstechnologie, da die teure Herstellung metallischer Spritzgusswerkzeuge entfällt. Für die Umsetzung des Demonstrators wurde eine Idee aus der Industrie auserwählt und in sehr kurzer Zeit „rapid“ gefertigt. Der Demonstrator ist ein intelligenter Stecker, der Temperatur und Feuchtigkeit im Innenleben des Steckers, also am Ort des Geschehens, in Echtzeit auf ein mobiles Endgerät sendet. Im Rahmen von Praxisseminaren und Networking-Events wurden die Vorteile der digitalen Prozesskette den Interessenten aus der Wirtschaft nähergebracht. Darüber hinaus wurde ein Video erstellt, um die Vorteile auch online präsentieren zu können.

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Auf 2D-Plattengeometrien aus duroplastischen Werkstoffen ohne laseraktivierbare Additive und mit unterschiedlichen Füllstoffzusammensetzungen wurde eine Prozesskette zur selektiven, volladditiven Metallisierung erarbeitet. Diese umfasst die Schritte Laserstrukturierung, Aktivierung, Spülprozess und außenstromlose Metallisierung. Mit individuell angepassten Prozessparametern konnte auf allen getesteten Substratmaterialien eine selektive Metallisierung mit ausreichender Haftfestigkeit erzeugt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden in Kombination mit Laserbohrungen elektrisch leitfähige Durchkontaktierungen und Blindvias hergestellt. In der letzten Iteration wurde ein 3D-Demonstrator entwickelt. Die Entwicklung umfasste dabei sowohl die Konstruktion, also auch Simulation, Werkzeugbau und Spritzgießen, sowie die zuvor erarbeiteten Prozessschritte. Hierbei wurde ein Siliziumchip im Spritzgießverfahren innerhalb eines 3D-Duroplastpackage verkapselt und über lasergebohrte Blindvias ankontaktiert, um so eine elektrische Verbindung zwischen dem verkapselten Chip und den 3D-Leiterbahnstrukturen auf der Oberfläche des Duroplastpackage zu generieren.

Auf Grund der speziellen Werkstoffeigenschaften ergeben sich neue potenzielle Anwendungsmöglichkeiten für MID-Bauteile auf Duroplastbasis. Die für Kunststoffe hohe Temperaturstabilität, chemische Beständigkeit und der geringe thermische Ausdehnungskoeffizient machen MID auf Duroplastbasis prädestiniert für die Herstellung robuster und zuverlässiger räumlicher Schaltungsträger. Die Fähigkeit zur Verkapselung und Ankontaktierung von elektronischen und mechatronischen Komponenten innerhalb komplexer, spritzgegossener Bauteile eröffnet die Möglichkeit zur Steigerung der Funktionsintegration und Miniaturisierung. Potentielle Anwendungsbereiche sind Automotive, Sensorik, Automatisierungstechnik, Medizintechnik sowie Informations- und Kommunikationstechnik.

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PDF des Abschlussberichts 3DLKM

An ever-growing market demand for board (second) level packages (e.g., embedded systems, system-on-a-chip, etc.) poses newer challenges for its manufacturing industry in terms of competitive pricing, higher reliability, and overall dimensions. Such packages are encapsulated for various reasons including thermal management, protection from environmental conditions and dust particles, and enhancing the mechanical stability. In the due course of reducing overall sizes and material saving, an encapsulation as thin as possible imposes its own significance. Such a thin-walled conformal encapsulation serves as an added advantage by reducing the thermo-mechanical stresses occurring due to thermal-cyclic loading, compared to block-sized or thicker encapsulations. This paper assesses the encapsulation process of a board-level package by means of thermoset injection molding. Various aspects reviewed in this paper include the conception of a demonstrator, investigation of the flow simulation of the injection molding process, execution of molding trials with different encapsulation thicknesses, and characterization of the packages. The process shows a high dependence on the substrate properties, injection molding process parameters, device mounting tolerances, and device geometry tolerances. Nevertheless, the thermoset injection molding process is suitable for the encapsulation of board-level packages limiting itself only with respect to the thickness of the encapsulation material, which depends on other external aforementioned factors.

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