Wissenschaftliche Publikationen "Fertigungstechnologien"

Im Wachstumsmarkt der “Gedruckten Elektronik” steigt der Bedarf an metallischen Tinten und Pasten kontinuierlich an. Neben Edelmetallen wie Silber (z.B. für Leiterbahnen), Gold (z.B. für medizintechnische Anwendungen) und Platin (z.B. für Temperatursensoren) werden druckbare Metalllegierungen (z.B. CuNiMn) für Dehnungs- und Temperatursensoren, für Heizstrukturen oder für hochgenaue druckbare Widerstände benötigt. Andere Metalllegierungen wie AgPd oder AgPdCu eignen sich z.B. bei Lotverbindungen zur Ankontaktierung von elektronischen Bauelementen.

Das Ziel des Forschungsvorhabens FOQus war die Entwicklung einer Methodik zur fertigungsbegleitenden bzw. Inline-fähigen Oberflächencharakterisierung von komplexen kunststoffbasierten mechatronischen Baugruppen, sowie die Optimierung aller Prozessschritte bei deren Herstellung, um den Ausschuss möglichst zu minimieren.

Fertigungsbegleitende Oberflächencharakterisierung zur Qualitäts- und Effizienzsteigerung bei der Herstellung komplexer kunststoffbasierter mechatronischer Baugruppen (FOQus)

Im Projekt „KonsDruckt“ wurden Prozesse für unterschiedliche Verfahren zur Kontaktierung gedruckter, leitfähiger Strukturen erarbeitet. Hierzu wurden zunächst durch Inkjet-Druck und anschließendes Sintern leitfähige Strukturen aus Silber, Kupfer und Gold auf unterschiedlichen Substraten hergestellt.

In diesem IGF-Vorhaben wurden gekapselte, diffraktive Kunststofflinsen erfolgreich mittels Spritzprägen hergestellt. Dazu wurde eine Prozesskette etabliert, welche die Herstellung einer gekrümmten, mikrostrukturierten Masterstruktur mittels Laserdirektschreiben auf einem UPMgefertigten Grundkörper, die galvanotechnische Replikation des Masters und den anschließenden Werkzeugbau zeigt. Der Werkzeugbau unterteilt sich dabei in die Konzeption und den Aufbau eines geeigneten Spritzprägewerkzeugs und dem passgenauen Einbringen einer galvanisch abgeformten Nickelstruktur in das Werkzeug.

Hybrid printed electronics combine the advantages of printed electronics and conventionally manufactured parts. Digitally printed conductive structures often need to be electrically connected to batteries, microcontrollers or other devices. A consensus of industry and research is, that hybrid printed electronics will play a major part in the future of printed electronics. To promote the technology of hybrid printed electronics, surface mount technologies for electronic components using isotropic conductive adhesives (ICA) and low melting tin bismuth solders on inkjet-printed silver structures on injection molded LCP substrates were investigated. The special needs for inkjet-printed electronics were considered as well as the reliability of assembled surface mounted devices (SMD) and their failure mechanisms. Connected 0603 and 1206 SMD-components achieved characteristic lifetimes of over 3500 cycles during thermal cycling at + 125 °C / - 40 °C and withstood over 1000 h under damp-heat atmosphere of + 85 °C / 85 % RH.  The coefficient of thermal expansion of the substrate and the adhesion of the inkjet-printed structures have major impacts on the reliability of the assemblies.

BMBF Verbundprojekt MikroBo: Mikroelektronik für permanente, nichtinvasive Blutdruckmessung im Ohr - Teilvorhaben: An Otoplastik angepasster Leiterbahndruck und AVT-Prozesse (OLA)

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss der Montage eines CMOS-integrierten Sensorsystems auf das Sensorverhalten untersucht. Hierzu wurden Sensorchips einerseits mittels eines epoxidbasierten Klebstoffs und andererseits durch reaktives Fügen auf Zugproben aus Edelstahl befestigt, und es wurde der Einfluss des Fügeprozesses auf die Spannungsverteilung im Sensorchip untersucht. An einer Zugprüfeinrichtung wurden für beide Fügevarianten die Sensorkennlinien aufgenommen. Beide Varianten zeigen ein lineares Sensorverhalten, wobei der reaktiv gefügte Sensorchip eine ca. 2,5- fach höhere Empfindlichkeit aufweist. Zur Ermittlung der Dehnungs-Kopplung wurde für beide Fügevarianten die tatsächliche Chipdehnung mithilfe von Dehnmessstreifen ermittelt und in Relation zur Dehnung der Zugprobe gebracht. Der auf diese Weise ermittelte Kopplungsfaktor beträgt beim geklebten Chip etwa 0,18, beim reaktiv gebondeten Chip liegt er mit 0,43 deutlich darüber.

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Aim of this work is to improve the bond between a strain sensor and a device on which the strain shall be determined. As strain sensor, a CMOS-integrated chip featuring piezoresistive sensor elements was used which is capable of wireless energy and data transmission. The sensor chip was mounted on a standardized tensile test specimen of stainless steel by a bonding process using reactive multilayer systems (RMS). RMS provide a well-defined amount of heat within a very short reaction time of a few milliseconds and are placed in-between two bonding partners. RMS were combined with layers of solder which melt during the bonding process. Epoxy adhesive films were used as a reference bonding process. Under mechanical tensile loading, the sensor bonded with RMS shows a linear strain sensitivity in the whole range of tested forces whereas the adhesive-bonded sensor has slightly nonlinear behavior for low forces. Compared to the adhesive-bonded chips, the sensitivity of the reactively bonded chips is increased by a factor of about 2.5. This indicates a stronger mechanical coupling by reactive bonding as compared to adhesive bonding.
 

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Spritzgegossene Schaltungsträger (MID – Molded Interconnect Device oder Mechatronic Integrated Devices) ermöglichen komplexe 3D-Funktionsintegration auf minimalem Bauraum und qualifizieren sich dadurch für diverse Anwendungen in Bereichen wie Automotive und Medizintechnik sowie Kommunikations- und Informationstechnik.

Elektronische Baugruppen werden in der Industrietechnik oder der Kraftfahrzeugtechnik häufig unter rauen Umgebungsbedingungen betrieben und müssen daher vor Umwelteinflüssen geschützt werden. Zu diesen Umwelteinflüssen zählen neben extremen Umgebungstemperaturen auch aggressive Medien.

Die Herstellung von dreidimensionalen Schaltungsträgern aus spritzgegossenen Thermoplasten, welche mittels Laserdirektstrukturierung und anschließender außenstromloser selektiver Metallisierung funktionalisiert werden, ist mittlerweile Stand der Technik. Bei erhöhter thermischer und/oder mechanischer Belastung z.B. durch Steigerung der elektrischen Leistungsdichte, stoßen Thermoplaste jedoch an ihre Grenzen. Hier bieten keramische Substratmaterialien klare Vorteile. Die Herstellung von solchen keramischen Schaltungsträgern mittels laserinduzierter Direktmetallisierung wurde erfolgreich realisiert. Hierfür wurden zwei Unterschiedliche Varianten an Al2O3-Keramiken untersucht. In der ersten Variante erfolgte das Sintern der Al2O3-Keramiken in H2-Atmosphäre, in Variante 2 wurden die Al2O3-Keramiken mit Cr2O3 dotiert und an Luft gesintert. Anschließend erfolgte für beide Varianten eine Laserstrukturierung mit darauffolgender außenstromloser Metallisierung. Somit ließen sich 3D-Schaltungsträger mit hoher thermischer Belastbarkeit, einer geringen Wärmeausdehnung und einer guten elektrischen Isolation herstellen. Die abgeschiedenen Metallschichten zeigten vergleichbare und zum Teil bessere Eigenschaften als solche auf klassischen thermoplastisch