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Fertigung von MID Bauteilen vom Rapid Prototyping bis zur Serie
mit innovativer LDS-Technologie
Nils Heininger
LPKF Laser & Electronics AG, Garbsen, Deutschland
Dr. Wolfgang John
I & T 3D Produktionsgesellschaft mbH, Siegendorf, Österreich
Hans-Jürgen Boßler
TRW Automotive Safety Systems GmbH, Aschaffenburg, Deutschland
Zusammenfassung Abstract
Spritzgegossene Schaltungsträger (Moulded
Interconnect Devices - MIDs) eröffnen die
Chance, Elektronik und Mechanik miteinander
zu verbinden. Neben der größeren Gestaltungsfreiheit
im Vergleich zu konventionellen
Schaltungsträgern bietet die MID-Technologie
zudem ein enormes Rationalisierungspotenzial
durch die Verkürzung der Prozesskette. Zudem
tragen 3D-Leiterplatten durch die Reduzierung
der Teileanzahl zur Miniaturisierung elektronischer
Baugruppen bei.
Wesentliche Einsatzgebiete für die MID-
Technologie sind die Automobilelektronik und
die Telekommunikation, daneben aber z.B.
auch Computer-, Hausgeräte- oder die
Medizintechnik.
Mit dem von LPKF entwickelten Laser-Direkt-
Strukturierungsverfahren (LDS) ist es möglich,
hochauflösende Schaltungslayouts auf
komplexen dreidimensionalen Trägerstrukturen
zu realisieren und damit die bisher getrennten
Einheiten Gehäuse und Leiterplatte funktionell
zu integrieren.
Die Grundlage des Verfahrens bilden dotierte
Thermoplaste, auf denen die zu realisierenden
Leiterbahnen mittels Laser gezielt aktiviert und
anschließend im chemischen Bad metallisiert
werden können.
Im weiteren werden die technischen, wie
wirtschaftlichen Vorteile dieses Verfahrens
angesprochen, so wie die Umsetzung von der
Produktentwicklung bis zur Serienproduktion
anhand einer konkreten Anwendung aus dem
Automotive-Bereich vorgestellt.
Moulded Interconnect Devices – MIDs present
the chance to combine electronic and mechanical
parts. Compared to conventional circuits, MID
technology offers a greater freedom of design
and, due to the shortened process chain, a
tremendous potential of rationalization. Moreover,
by reducing the number of required parts, threedimensional
circuit carriers contribute to the
miniaturization of electronic components.
Main application areas of MID technology are
automobile electronics and telecommunication,
but also computer technology, household
appliances, or medical technology.
With LPKF’s Laser Direct Structuring process
(LDS) it is possible to produce high-resolution
circuit layouts on complex three-dimensional
carrier structures, thus integrating casings and
circuit boards that previously were separate units
in one unit.
The process is based on doted thermoplastic
materials on which the tracks that are to be
realized are activated by means of targeted laser
radiation and then metallized in a chemical bath.
Further discussed are technical and economical
advantages of this process as well as the transfer
from product development to series production,
using a specific application from the automotive
area.

1 Einleitung
Fortschreitende Miniaturisierung bei zunehmender Komplexität der Formteile durch
Funktionsintegration sowie immer kürzer werdende Produkt-Lebenszyklen sind die
Herausforderungen denen sich Anbieter moderner, hochwertiger Funktionsbauteile
heute vor allem in der Elektro/Elektronik-, in zunehmendem Maße aber auch z.B. in
der Automobil-, Medizin- und Telekommunikationsindustrie stellen müssen.
Zusätzlich unterliegen die meisten Produkte einem ständig wachsenden
Wettbewerbsdruck nach immer höherer Performance bei gleichzeitig höherer
Zuverlässigkeit und niedrigerem Preis. Für den Automotive-, bzw. Automotive-
Zulieferer-Bereich gilt dies insbesondere. Bei modernen PKW der Mittelklasse
entfallen z.B. die Kosten mit steigender Tendenz auf elektronische und
mikrosystemtechnische Komponenten. Das jährliche Wachstum allein der
Halbleiterkosten an den Gesamtfahrzeugkosten betrug in den letzten Jahren 17% [1].
Nicht nur Abmessungen und Gewicht sowie der Energieverbrauch müssen reduziert
werden, sondern auch in der Fertigung müssen die Verfahren vereinfacht und
verkürzt werden um auch in lohnintensiven Ländern fertigen und gleichzeitig
wettbewerbsfähig sein zu können. Dazu ist die Zahl der Teile einschließlich Montageaufwand
deutlich zu reduzieren, wofür spritzgegossene Schaltungsträger (Moulded
Interconnect Devices - MID) in Kombination mit einer geeigneten Aufbau- und
Verbindungstechniken ideal geeignet sind. MIDs nutzen die große räumliche
Gestaltungsmöglichkeit des Kunststoffspritzgießens und integrieren mechanische
und elektrische Funktionalität in einem Modul. Typische mechanische Funktionen wie
Taster, Stecker- und andere Verbindungselemente sind z.B. gleichzeitig in ein, als
Schaltungsträger dienendes Funktionsbauteil integrierbar. Abhängig von der
Zielsetzung können sowohl einfache Leiterbahnen als Kabelersatz wie auch feinste
Schaltungen als z. B. Sensormodul oder als Chipgehäuse im Bereich des
Mikropackaging eingesetzt werden.
Mit dem von LPKF entwickelten Laser-Direkt-Strukturierungsverfahren (LDS) ist es
möglich, hochauflösende Schaltungslayouts auf komplexen dreidimensionalen
Trägerstrukturen zu realisieren und die oben angesprochenen Einheiten Gehäuse
und Leiterplatte funktionell zu integrieren. Die Grundlage des Verfahrens bilden
dotierte Thermoplaste, auf denen die zu realisierenden Leiterbahnen mittels Laser
gezielt aktiviert und anschließend im chemischen Bad metallisiert werden können.
Die Grundidee dieser Technologie besteht darin, dass bei Einwirkung der
Laserstrahlung spezielle metallorganische Substanzen im Kunststoff aktiviert werden
und diese aktivierten Keime eine nachfolgende stromlose Metallisierung ermöglichen.
Bei der Laserstrukturierung wird gleichzeitig die erforderliche Oberflächenstruktur an
der Grenzfläche Kunststoff-Metall erzeugt, die für eine hohe Haftung verantwortlich
ist.
Um die Lücke zwischen der Produktentwicklung und der Serienproduktion zu
schließen, können neben einer Reihe von Hochleistungsthermoplasten auch
Duroplaste mit entsprechenden metallorganischen Substanzen dotiert werden. Diese
werden als Harz-Härter-System für etablierte Prototyping-Verfahren eingesetzt, wie
z.B. das Vakuumgießen von Polyurethanharzen. Dadurch wird der Entwickler in die
Lage versetzt Prototypen von spritzgegossenen Schaltungsträgern herzustellen,
ohne vorab in ein kostenintensives Spritzgießwerkzeug investieren zu müssen.
Innerhalb kürzester Zeit können mit dem LPKF-LDS-Verfahren auf Basis von 3-D
CAD Volumendaten elektrisch funktionale Prototypen hergestellt werden. Im

Produktentwicklungsprozess können die Entwicklungszeiten entscheidend verkürzt
werden. Ferner wird der Anwender in die Lage versetzt, zu einem möglicht frühen
Zeitpunkt entscheidende Weichen für den weitere Produktentwicklungsprozess zu
stellen, was oft bei der Fachbereichs-übergreifenden MID-Technologie, bei der
Elektroniker und Konstrukteure an einen Tisch gebracht werden müssen, nahezu
unerlässlich ist, jedoch mit den derzeit bekannten Technologien zur Herstellung von
MIDs nicht ohne weiteres in Einklang zu bringen ist. - Ein Hemmschuh, der u.a. viele
potentielle Anwender die MID-Technologie als zu risikoreich einstufen lässt [2].
Im Folgenden soll am Beispiel einer Anwendung aus dem Automotive-Bereich, die im
LPKF-LDS-Verfahren umgesetzt wird, demonstriert werden, dass es möglich ist,
innerhalb kürzester Zeit und ohne großes Entwicklungsrisiko eine MID-Anwendung
vom Prototyping bis zur Serienreife zu führen und dabei gleichzeitig den steigenden
Anforderungen, denen Automobil-Zulieferer heute gegenüberstehen gerecht zu
werden.
2 Das LPKF-LDS-Verfahren
Bislang wurden MID-Produkte mit echten dreidimensionalen Strukturen überwiegend
im Zwei-Komponenten-Spritzguss (2K-Technik) mit anschließender chemischer
Oberflächenaktivierung und selektiver Metallisierung hergestellt – einem Verfahren
mit hohen Initialkosten, das nur bei hohen Stückzahlen wirtschaftlich ist. Dagegen
bietet die MID-Herstellung unter Einsatz der Laserstrukturierung die Möglichkeit, auf
die 2K-Technik zu verzichten und den Schaltungsträger-Rohling mittels Ein-
Komponenten-Spritzguss zu fertigen.
Dabei zeichnet sich das additive LPKF-LDS-Verfahren im Vergleich zur subtraktiven
Laserstrukturierung durch eine sehr kurze Prozesskette aus. Die wesentlichen
Prozessschritte sind in Abbildung 1 dargestellt.
Bild 1: Prozessschritte des LPKF-LDS-Verfahrens

Die Laser-Direkt-Strukturierung bietet gegenüber konventionellen Verfahren weitere
Vorteile in der Erstellung extrem feiner Leiterbahnstrukturen. Außerdem bietet dieses
Verfahren eine hohe Flexibilität hinsichtlich des Leiterbildes, da sich Modifizierungen
leicht durch Änderungen der Strukturierungsdaten realisieren lassen. Eine
nachträgliche Anpassung des Leiterbahnentwurfs ist also nicht mit einer
Werkzeugänderung verbunden. Gerade diese Flexibilität erlaubt es dem Anwender,
die Laser-Direkt-Strukturierung für den Produktentwicklungsprozess einzusetzen, mit
der Gewissheit, in der Folge gleichzeitig einen Serienprozess zur Verfügung zu
haben, was eine aufwendige Überführung von der Prototypen- zum Serienfertigung
überflüssig macht.
Für den Serieneinsatz des LDS-Verfahrens stellen die bedarfsgerechte Auswahl und
die industrielle Verfügbarkeit von, in der Elektronikindustrie üblichen,
laseraktivierbaren Kunststoffen wichtige Voraussetzungen dar. Diese ist gesichert
durch intensive Materialentwicklung und entsprechende Lizenzverträge mit den
jeweiligen Kunststoffherstellern. So hat die Fa. LPKF mittlerweile Vereinbarungen mit
der BASF AG, der Bayer Material Science AG (seit 01.07.04 LANXESS), der
Degussa AG sowie der Ticona GmbH getroffen.
2.1 Wirkprinzip
Um die Nachteile der herkömmlichen MID-Verfahren [3-8] zu umgehen, werden die
thermoplastischen Werkstoffe derart modifiziert, dass eine metallorganische
Komplexverbindung gelöst, oder feinstdispergiert im Werkstoff vorliegt. Diese
spezielle chemische Verbindung lässt sich durch aufgebrachte Laserstrahlung derart
modifizieren, dass sie eine selektive Metallabscheidung in den bestrahlten Bereichen
für den folgenden Metallisierungsprozessschritt katalysiert.
Bild 2: Prinzipieller Aufbau eines Metallkomplexes
In Abbildung 2 ist der prinzipielle Aufbau eines derartigen Metallkomplexes
dargestellt. Vorzugsweise handelt es sich um eine Chelat-Komplex-Verbindung eines
Edelmetalls – entweder auf Palladium (Pd 2+ )- oder Kupfer(Cu 2+ )-Basis [9]. Der

metallorganische Komplex hat diverse Anforderungen zu erfüllen. Die thermische
Stabilität muss den Verarbeitungstemperaturen der thermoplastischen Matrix
genügen und er muss sich beim Eintrag energiereicher Laserstrahlung definiert in
das Metallatom und die organischen Ligandenbruchstücke spalten lassen. Weitere
Kriterien sind:
o eine gute Verträglichkeit mit der Polymermatrix
o keine Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften
o eine ausreichende Löslichkeit, bzw. Verteilung in der Matrix
o keine katalytische Aktivität, die zum Abbau der Polymerketten führt
o Extraktionsbeständigkeit
o keine Toxizität
Eine wesentliche Größe für die Qualifizierung von elektronischen Baugruppen ist die
Haftfestigkeit der Leiterbahnen. Um zu gewährleisten, dass die Leiterbahnen auch
nach jeweiligen Umweltzyklen eine ausreichende Haftung auf dem Substrat
aufweisen, ist eine entsprechend hohe Ausgangshaftfestigkeit gefordert. Diese liegt
in der Leiterplattentechnik nach DIN IEC 326 zwischen 0,6 – 1,1 N/mm. In diesem
Zusammenhang kommt eine weitere wichtige Eigenschaft der eingesetzten
Laserstrahlung zum Tragen: Sie ist nicht nur in der Lage den Metallkomplex selektiv
und homolytisch zu spalten, sondern die Strahlung führt zu einer sog. Ablation der
Polymeroberfläche. Hierbei wird die Strahlungsenergie durch die Polymermoleküle
absorbiert. Die Moleküle werden angeregt und in Schwingungen versetzt. Beim
Erreichen einer Mindestenergie werden idealerweise die Bindungen zwischen den
Molekülketten aufgebrochen. In der Praxis führt die Einwirkung der Laserstrahlung
aber neben der rein photochemischen Ablation zu einer Relaxation und damit zu
einem thermischen Verdampfen des Materials (Abbildung 3). Dieser
Sublimationsprozess liegt insbesondere dann mehrheitlich vor, wenn langwellige
Laserstrahlung, wie z.B. die eines Nd:YAG Lasers (λ = 1064 nm) eingesetzt wird.
Bild 3: Prinzipielle Prozesse bei der Laserablation

Durch eine geeignete Modifikation des Polymers, mit nicht - oder nur schwer
ablatierbaren Füllstoffen (meist anorganischer Natur), entstehen durch die
Laserbestrahlung mikroskopisch kleine Kavernen und Hinterschneidungen, die ohne
aufwendige Nachbehandlungen eine gute Haftung zwischen Kunststoff und sich
darauf abscheidender Metallschicht ermöglicht. Die prinzipielle Wirkweise der
Laserstrahlung auf die Kunststoffoberfläche ist in Abbildung 4 verdeutlicht.
Bild 4: Prinzipdarstellung der Laserdirektstrukturierung
2.2 Modulares 3D-Lasersystem für das LDS-Verfahren
Der MicroLine 3D Industrial ist ein speziell für die Laser-Direkt-Strukturierung, von
spritzgegossenen Schaltungsträgern, entwickeltes Lasersystem. Ein wesentlicher
Vorteil der Lasermaterialbearbeitung liegt in der rückkopplungsfreien
Materialeinwirkung bei gleichzeitig hohen Prozessgeschwindigkeiten. Darüber hinaus
wird das Schaltungslayout durch die binäre Ansteuerung eines optischen
Bearbeitungskopfes erzeugt und ist nicht durch die Geometrie eines fixen
Werkzeuges (z.B. Prägestempel, 2K-Werkzeug) vorgegeben. Daraus resultieren
kürzere Vorlaufzeiten sowie eine hohe Flexibilität und Wirtschaftlichkeit.
Kern jedes LPKF Microline 3D Lasersystems ist der bereits angesprochene
Bearbeitungskopf mit drei optischen Achsen. Mit einer sehr schnellen Ansteuerung
und einer hoch exakten Optik können Strukturen kleiner 100 µm auf
dreidimensionalen Formteilen erzeugt werden. Der fokussierte Strahl eines
diodengepumpten Festkörperlasers der Wellenlänge 1064 nm wird durch Spiegel
nahe zu massenträgheitlos über die Oberfläche des Schaltungsträgers abgelenkt.
Dabei wird der Strahl von einer f-Theta-Linse in der Bearbeitungsebene fokussiert.
Ein Lineartranslator, ein Teleskop mit einer ansteuerbaren beweglichen Linse,
gestattet durch die gezielte Defokussierung des Teleskops den Fokushub in
longitudinaler Richtung. Die Kombination aus Teleskop und Spiegel-Ablenk-Einheit
ermöglicht es, den Laserstrahl entlang komplexer dreidimensionaler
Oberflächentopographien mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu
4000 mm s -1 zu führen (Abbildung 5).

Bild 5: Bearbeitungskopf mit drei optischen Achsen / LPKF MicroLine 3D Industrial
Neben der reinen Strukturierungsdauer, der sog. Hauptzeit bestimmt die Zu- und
Abführung der zu strukturierenden Bauteile die Zykluszeit und damit den Durchsatz
bei der Laser-Direkt-Strukturierung. Daher ist ein wesentlicher Augenmerk auf die
effiziente Gestaltung des Bauteilhandlings zu legen. Da spritzgegossene
Schaltungsträger die unterschiedlichsten Bauformen und –größen haben, wird in der
Regel das Bauteilhandling, auf die zu bearbeitende Bauteilgeometrie angepasst. Als
Basis steht ein Rundschalttisch mit Vision-System zur Bauteilantastung sowie eine,
als Durchlaufanlage konzipierte Variante mit einem Werkstückträgersystem zur
Verfügung (Abbildung 6).
Bild 6: Unterschiedliche Handlingvarianten am LPKF MicroLine 3D Industrial
2.3 Thermoplastmaterialien für den Serieneinsatz
Es stehen eine Reihe interessanter technischer Kunststoffe zur Verfügung, die in der
Elektronikindustrie eingesetzt werden. Für den Einsatz als MID ist das Portefeuille
jedoch deutlich eingeschränkt. Wesentliche Kriterien sind zum einen die

Metallisierbarkeit, bzw. deren Haftfestigkeit und zum anderen die, bei der SMD-
Bestückung notwendige Temperaturbeständigkeit.
Oft ist die Auswahl an Thermoplasten zusätzlich durch das MID-
Herstellungsverfahren noch weiter eingeschränkt. So können z.B. beim Zwei-
Komponenten-Spritzgießen oft nur Thermoplaste mit speziellen rheologischen
Eigenschaften (z.B. niedrige Schmelzviskosität um feine Kavitäten zu füllen)
eingesetzt werden.
Die vorgenannten Beschränkungen gelten für die Materialien zur Laser-Direkt-
Strukturierung prinzipiell nicht. Die Verarbeitung erfolgt im Ein-Komponenten -
Spritzguss und erfordert daher keine besonderen Verarbeitungseigenschaften. Die
Aktivierung und die anschließende Haftung der Metallisierung wird durch das unter
2.1 beschriebene Oberflächentreatment (Wechselwirkung: Material – Laser) erzeugt.
Lediglich die für viele Anwendungen geforderte Temperaturbeständigkeit schränkt
das Portefeuille an zur Verfügung stehenden Werkstoffen ein. Wird jedoch nicht
gelötet und ist auch aus anderem Grund keine erhöhte Wärmeformbeständigkeit
gefordert kann prinzipiell jeder Thermoplast für die Laser-Direkt-Strukturierung
modifiziert werden. Die derzeit qualifizierten und zur Verfügung stehenden
Materialien sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Property Unit Ultramid®T
4381 LDS
Vectra®
E820i LDS
Vectra®
E840i LDS
Pocan
DP7102 LDS
Pocan
TP710-003
Pocan
DPT7140 LDS
Polymertype - PA6/6T LCP LCP PBT PBT PET/PBT
Mold shrinkage %
constrained
0,47
parallel/normal 0,3
/ 1,4
parallel/normal 0,1
/ 0,5
Post-shrinkage % - - -
parallel/normal
1,3/1,3
parallel/normal
0,1 / 0,3
parallel/normal
1,4 / 1,4
parallel/normal
0,3 / 0,3
parallel/normal
0,24 / 0,98
parallel/normal
0,05 / 0,22
Tensile strengh Mpa 110 116 102 55 51 110
Tensile modulus Mpa 9000 9000 9300 5600 5500 12000
Strain at break % 2,1 4 3,4 2 3,3 1,5
Charpy impact
strength
kJ/m² 40 19 19 25 40 25
Density g/cm³ 1,52 1,79 1,79 1,57 - 1,75
Melt volume-flow
rate (MVR)
Melting temp.
DSC
Deflection temp.
(HDT/A) 1,8MPa
Content of
material/filler
* = 280°C/2,16 kg
*² = 0,45MPa
cm³/10min - - - 10 5 16 *
°C 295 335 335 225 225 -
°C 265 *² 220 220 115 110 250 *²
% 35 40 44 25 25 40
Tabelle 1: Vergleich Materialkennwerte

2.3 LDS Prototyping
Mit dem LPKF-LDS-Verfahren ist es möglich, ein MID-Herstellungsverfahren bereits
sehr flexibel im Produktentwicklungsprozess einzusetzen, mit der Gewissheit, das
gleiche Verfahren für die Serienfertigung einsetzen zu können, wodurch eine
aufwendige Überführung von der Prototypen- zum Serienfertigung entfällt. Weitere
Vorteile des Einsatzes von Prototypen im Produktentwicklungsprozess sind:
o Marktvorsprung durch Verkürzung der Entwicklungszeiten
o Entwicklungs- Muster können innerhalb von Tagen bereitgestellt werden
o wesentliche Einsparung von Entwicklungskosten
o frühzeitige Überprüfung einzelner Funktionen des zu entwickelnden MIDs
o Änderungen der Bauform und des Schaltungslayouts sind frühzeitig erkennbar
Als besonders geeignetes Verfahren hat sich das Vakuumgießen von
Polyurethanharzen (PUR) erwiesen, bei dem auf Basis eines stereolithographisch
hergestellten Urmodells eine Silikongießform erstellt wird, in der anschließend bis zu
25 Polyurethan Prototypen im Vakuumgießverfahren erzeugt werden können.
Wie auch bei den Serienwerkstoffen (Thermoplasten) ist eine Dotierung mit den unter
2.1 beschriebenen Metallkomplexen notwendig. Da es sich beim Polyurethan um ein
duroplastisches Harz-Härter-System handelt, wird nur eine Komponente,
vorzugsweise das Harz modifiziert. Die daraus vakuumgegossenen Prototypen
können anschließend, genau wie im Serienprozess die Thermoplast-Bauteile, mittels
Laser aktiviert werden um eine anschließende selektive Metallabscheidung der
bestrahlten Bereichen im nachfolgenden Metallisierungsprozess zu ermöglichen.
PUR Vakuum-Gießharz
Eigenschaft Einheit Test / ISO
Biegefestigkeit N/mm² 108 178
Biegemodul / E-Modul N/mm² 2460 178
Zugfestigkeit N/mm² 64 R 527
Kerbschlagzähigkeit Kj/m² 5 180
Bruchdehnung % 17 R527
Wärmeformbeständigkeit C° 95 75
Tabelle 2: Eigenschaften von PUR Vakuum-Gießharz
2.4 Metallisierung der laseraktivierten Bauteile
Die in 2.1 beschriebene lasergestützte Spaltung der Metallkomplexe erzeugt eine
Keimbildung, die eine Metallabscheidung in eben diesen laseraktivierten Bereichen
katalysiert. Für diesen Prozess werden i.d.R. chemische Kupferelektrolyten
verwendet, die typischerweise 5...8 µm Kupferdicken erzeugen. Anschließend kann
ein entsprechendes Oberflächenfinish aufgebracht werden. In Tabelle 3 ist ein
beispielhafter Metallisierungsarbeitsgang dargestellt, der einem industriellen
Standardprozess entspricht. Zu beachten ist die verkürzte Prozesskette verglichen
mit Standard-Kunststoffmetallisierungen. Ökologisch bedenkliche Beiz- und

Bekeimungsschritte, die von der vollflächigen Kunststoffmetallisierung, bzw. dem
Zwei-Komponenten-Spritzguss bekannt sind, entfallen.
Arbeitsschritt Bad-Typ t / min T / °C
Reinigung Enplate MID Select 9005 - 70
Chemisch Kupfer Enplate MID Select 9070 30 - 45 44 - 45
Chemisch Kupfer Enplate Cu 872 60 47
Aktivieren (Pd) Enplate MID Select 9044 5 25
Chemisch Nickel Enplate MID Select 9065 30 60
Immersion-Gold Enthone Immersion Gold I 15 70
Trocknung Trockenschrank 60 100
Tabelle 3: Prozessfolge Metallisierung
Bild 7: Automatische Galvanik-Anlage mit Online-Analytik (I&T GmbH)
Typischerweise wird die Metallisierung per Gestell oder im Trommelverfahren
durchgeführt. Die Integration der LDS-Metallisierprozesse in serientaugliche
Anlagentechnik erfordert ein umfassendes Know-how zur Einhaltung vorgegebener
Prozessfenster und eine technisch gut gelöste Online-Analytik der
Metallisierbadparameter. Abbildung 7 zeigt eine automatische Serienanlage der Fa. I
& T mit integrierter Online-Badanalytik zur Metallisierung von MID-Teilen, in der alle
Metallisierungs-Prozessstufen für das LDS-Verfahren integriert sind.

3 MID-Anwendung aus dem Automotive-Bereich der Fa. TRW
Im gleichen Maße, wie die Verwendung von Elektronik, bzw. deren funktionelle
Integration im Fahrzeug zunimmt, wächst auch der Kostendruck auf die elektrischen
und mikrosystemtechnischen Komponenten. Als Automobilzulieferer sieht sich die
Fa. TRW einem ständig wachsenden Wettbewerbsdruck nach immer höherer Performance
bei gleichzeitig höherer Zuverlässigkeit und niedrigerem Preis ausgesetzt. Um
diesem Druck gerecht zu werden hat die Fa. TRW ein Konzept für ein
Multifunktionslenkrad erarbeitet, bei dem das MID eine zentrale Rolle spielt. Das
sogenannte Base-Line-Konzept soll in großen Stückzahlen umgesetzt werden und
aufgrund vergleichsweise niedriger Herstellkosten gerade in PKW der Mittel- und
unteren Mittelklasse zum Einsatz kommen. Besonderes Augenmerk wurde von
Anfang an darauf gelegt, durch Wahl eines geeigneten Partners, der über
serientaugliche Anlagentechniken und Erfahrungen als Zulieferer im Automotive-
Bereich verfügt, die Serienproduktion sicherzustellen. Dieser Aufgabe hat sich die
österreichische Fa. I & T 3D Produktionsgesellschaft mbH gestellt.
Kernidee des Konzeptes ist es, die Anzahl an notwendigen Einzelteilen auf ein
Minimum zu reduzieren und die gesamte Funktionalität in einem Bauteil zu
integrieren. Die gewählte Baugruppe „Multifunktionslenkrad“ verdeutlicht dies sehr
anschaulich, da bei der bisherige Konstruktion nicht nur die Montage einer ganzen
Reihe von Einzelteilen vorsieht, sondern auch eine Umverdrahtung zwischen der
linken und der rechten Seite der Lenkrad-Bedienung mit Kabeln verlegt werden
muss.
Bild 8: Umverdrahtung in einem konventionelles Multifunktionslenkrad (VW Pheaton)
Bei der Erarbeitung des MID-Konzeptes wurden im Vorfeld die allgemeinen
Kundenanforderungen wie z.B. das Design (Funktionalität, Qualitätseindruck), die
Haptik (Schaltgefühl, Oberfläche der Taster) und die Qualitäts, bzw.
Umweltanforderungen (Temperaturanforderungen, Lebensdauer), sowie die
Einhaltung aller Gesetzesanforderungen (Verletzungsgefahr durch lose Teile,
Glanzgrad, min. Radius nach ECE R12) als auch die Stabilität der Bauteile bei
außergewöhnlichen Belastungen wie z.B. Aufsetzen einer Parkkralle, panikartiges
Hupen und die Airbagauslösung, berücksichtigt.
Um der Forderung nach einer möglichst geringen Anzahl von Einzelelementen
gerecht zu werden, wird bei dem Base-Line-Konzept, die ehemals über Kabel gelöste

Umverdrahtung, zusammen mit der elektrischen Beschaltung und den zugehörigen
SMD Bauelementen auf einem Kunststoffträger, dem MID aufgebracht.
Die Schaltfunktion der Bedientasten ist über eine Silikonschaltmatte gelöst. Die
Notwendige Pad-Struktur ist direkt auf dem darunter befindlichen Schaltungsträger
integriert, ebenso wie der Steckverbinder für den Anschluss an den Daten Bus,
welcher zunächst zu einem Steuergerät führt, welches dann wiederum am den CAR
CAN Bus angeschlossen wird. In Abbildung 9 ist eine solche MID-Lösung für ein
Multifunktionslenkrad mit 4 Schaltfunktionen gezeigt.
Bild 9: Base-Line-Konzept
3.1 Verfahrensgerechte Konstruktion des MID
Das LPKF-LDS-Verfahren ermöglicht die Strukturierung entlang beliebiger
Oberflächentopographien, soweit keine Strahlabschattung vorliegt und die Flächen in
der Projektion erreicht werden. Innerhalb von Sekunden strukturiert der Laserstrahl
das Leiterbild direkt vom Rechner auf die Oberfläche des dreidimensionalen
Spritzgießformteils. Dabei erfüllt der Laser die unter 2.1 beschriebenen zwei
Aufgaben: Zum einen wird im Bereich des Leiterbildes der dotierte LDS-Kunststoff
aktiviert und zum anderen erzeugt der Laser eine mikroraue Oberfläche, die
wiederum eine ausreichende Haftung der Leiterbahnen gewährleistet. Die
dreidimensionale Laserstrukturierung nach dem LPKF-LDS-Verfahren setzt zum
einen voraus, dass die Fokussierung exakt entlang der Oberflächentopographie des
Bauteils geführt wird, zum anderen eine verfahrensgerechte Konstruktion eben
dieses Kunststoffbauteile, so wie die des zu strukturierenden Schaltungslayouts.
3.1.1 Layoutgestaltung
Das elektrische Leiterbahnlayout wird so gestaltet, dass es den maximalen
Arbeitsbereich von 200 mm x 200 mm in der XY-Ebene, sowie einen Fokushub in Z-
Richtung von maximal 25 mm nicht überschreitet.
Grundsätzlich lassen sich mit dem LPKF-LDS-Verfahren feinste Strukturen mit bis zu
150 µm Breite erzeugen. Für die vorliegende Anwendung sind jedoch lediglich
300 µm Leiterbahnen notwendig, die in den feinsten Bereichen ca. 500 µm Pitch
aufweisen. Dies liegt zum einen an der recht üppigen Bauteilgröße und der

vergleichsweise niedrigen Umverdrahtungsdichte, zum anderen ist eine mindest
Stromtragfähigkeit gefordert, die erst durch entsprechend breitere Leiterbahnen
gewährleistet ist, da die Kupferschichtdicken typischerweise im Bereich 5...8 µm
liegen. Es können auch Kupferschichtdicken > 8 µm erzeugt werden. Dies allerdings
nur elektrolytisch, d.h. stromführend. Das setzt wiederum voraus, dass das
Leiterbahnlayout zusammenhängend ist, bzw. Opferstrompfad in dem Layout
vorgesehen sind, die nach der Metallisierung wieder aufgetrennt werden müssen.
3.1.2 Bauteilgestaltung
Da man bei den derzeit für das LPKF-LDS-Verfahren erhältlichen Thermoplasten mit
einem Mehrpreis im Vergleich zu den undotierten Basisthermoplasten rechnen muss,
ist das Spritzgewicht bei der vorliegenden Anwendung minimiert worden. Bei der
vorliegenden Anwendung wurde das MID-Bauteil daher nur als Rahmen ausgeführt
um später in das tatsächliche Gehäuse eingeclipst zu werden.
Um die Laserstrukturierung im Rahmen des LPKF-LDS-Verfahrens ebenso
kosteneffizient zu gestalten ist die Zykluszeit pro Bauteil zu minimieren. Diese wird im
wesentlichen durch die Handlingzeit und die Strukturierungszeit bestimmt, die sich
wiederum proportional zur Layoutfläche verhält. Die Handlingzeit wir maßgeblich
durch die Anzahl der Positionen bestimmt, in denen das Bauteil gehandhabt werden
muss. Beides, Layoutfläche und Anzahl der Positionen ist durch entsprechendes
Design des Bauteils zu minimieren.
Mit dem LPKF-LDS-Verfahren können Schrägen, bzw. Flanken von maximal 75°
strukturiert werden (Abbildung 10). Es sind auch größere Flankenwinkel möglich,
jedoch muss gewährleistet sein, dass alle Flächen in der Projektion (unter Einhaltung
des max. möglichen Flankenwinkels) erreicht werden, andernfalls muss das Bauteil
in mehreren Positionen laserstrukturiert werden, was sich negativ auf die Zykluszeit
und damit auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt.
Bild 10: Zulässige Flankenwinkel bei der Laser Direktstrukturierung

3.1.3 Positioniermarken / Fiducials
Bei Verwendung des LPKF MicroLine 3D Industrial mit integriertem Vision System
besteht die Möglichkeit, eine automatische Korrektur der Strukturierungsdaten relativ
zu dem zu strukturierenden Bauteil vorzunehmen. Das Visionsystem erkennt die
Position des Kunststoffbauteils über frei definierbare Fiducials (Passermarken),
nimmt anschließend eine Online-Datenkorrektur vor und dreht, verschiebt oder
skaliert die Strukturierungsdaten entsprechend. Die maximale Größe der Fiducials
kann 7 mm x 6 mm betragen. Bei der vorliegenden Anwendung werden diese
idealerweise als Bohrung ausgeführt.
Bild 11: 3D-CAD Konstruktionsmodell des MID-Rahmens unter Berücksichtigung der
vorgenannten Konstruktionsrichtlinien
3.2 Aufbau der Prototypen
Wie unter 2.4 beschrieben, lassen sich mit dem LPKF-LDS-Verfahren seriennahe
Erstmuster durch bekannte Rapid-Prototyping-Technologien, wie z.B. dem
Vakuumgießen herstellen. Für die Funktions- und Einbautests, wie auch die
Konkretisierung der gesamten Prozesskette, sowie die Ermittlung der Herstellkosten
sind MID-Prototypen notwendig, um nicht zuletzt auch diese beim OEM als
Diskussionsgrundlage nutzen zu können.
Nachdem die unter 3.1 beschriebe, verfahrensgerechte Konstruktion abgeschlossen
ist, wird auf Basis der dabei erzeugten 3D-CAD Daten ein sog. Urmodell erzeugt.
Dazu wird in der Regel ein Stereolithographieverfahren (SL) eingesetzt, bei dem das
Bauteil schichtweise aufgebaut wird, indem ein UV-sensitiver Lack Schicht für
Schicht ausgehärtet wird. Die jeweilige Dicke der Schichten bestimmt die
Geometriegenauigkeit, bzw. Auflösung des erzeugten SL-Teils. Dieses Urmodell wird
anschließend dazu verwendet, um eine Silikonform zu erstellen, in der wiederum
mehrere Prototypen abgeformt werden können. Zuvor erfolgt jedoch ein Finish durch
z.B. Lackierung, um die o.a. Schichtkanten/-treppen zu nivellieren.

Zur Erstellung der Silikonform wird das gefinishte Urmodell in einem Gießrahmen
aufgehängt und die Angüsse, Steiger, sowie die Trennebenen der beiden
Werkzeughälften werden festgelegt. Anschließend wird der Gießrahmen mit Silikon
ausgegossen. Nach dem Aushärten wird die Form wellenförmig entlang der
Trennlinie aufgeschnitten und das Urmodell entformt. In dem so erzeugten
Silikonwerkzeug können bis zu 25 Abgüsse aus dem speziell dotierten Polyurethan
im Vakuumgießverfahren abgeformt werden.
Bild 12: Vakuumgießform mit Abguss aus dotiertem Polyurethan (KLM GmbH)
Die so hergestellten Polyurethan-Prototypen werden anschließend genau wie im
Serienprozess im LDS-Verfahren laserstrukturiert und metallisiert (vgl. 2). Da das
Polyurethan nur eine eingeschränkte Wärmeformbeständigkeit aufweist, erfolgt die
Bestückung der Musterbauteile manuell mit einem Handlötkolben.
Bild 13: Bestückter Base-Line-MID Prototyp aus Polyurethan

3.3 Werkstoffauswahl
Auf dem Schaltungsträger werden ca. 11 Widerstände und 5 Transistoren, sowie ein
SMD-fähiges Steckergehäuse aufgebracht (vgl. Abbildung 13). Gemäß den
Anforderungen an die Belastung und Zuverlässigkeit wurde ein bleifreier Reflow-
Lötprozess ausgewählt. Abbildung 14 zeigt ein typisches Temperaturprofil für ein
SnAg(Cu)-Lot welches ebenfalls für diese Anwendung ausgewählt wurde.
Aufgrund der sich aus dem Reflow-Profil ergebenden mindest
Wärmeformbeständigkeit, sowie der unter 3 beschriebenen Anforderungen an das
Base-Line-Konzept, wurde ein teilaromatische Polyamid (PA6/6T) der Fa. BASF,
sowie ein PET/PBT-Blend der Fa. Bayer/LANXESS als in Frage kommenden
Serienwerkstoffe ausgewählt (vgl. Tabelle 1).
Während der Prototypenphase, bzw. vor Beginn der Werkzeugkonstruktion sind
bereits erste Lötversuche an geeigneten Probekörpern durchgeführt worden, um sich
anschließend für einen der beiden Werkstoffe zu entscheiden und das
Serienwerkzeug entsprechend auszulegen.
Bild 14: Reflowprofil für bleifreie SnAg(Cu)-Lote (FAPS, Universität Erlangen)
An den erfolgreich gelöteten Testplatten sind anschl. eine Reihe von Umwelttests
durchgeführt worden, die zwar nicht die später notwendige Qualifizierung der
Serienbauteile ersetzen können, aus denen sich jedoch Tendenzen für das Verhalten
des spätere Bauteils ableiten lassen.
4 Zusammenfassung der Ergebnisse
4.1 Qualifizierungsergebnisse
Aus den unter 3 genannten Qualitätsanforderungen, die eine Funktion des
Baugruppe über der gesamten Lebensdauer unter allen Belastungsfällen
gewährleisten sollen, leiten sich folgende zu prüfende Anforderungen an das MID-
Konzept ab:

o Temperaturbereich –35°C bis +85°C
o Temperaturschock gemäß VW TL 80101
o Funktionsbelastung über Temperaturbereich gemäß VW TL 80101
o Vibrationen gemäß VW TL 80101
An den unter 3.3 beschriebenen Testplatten wurden bisher die
Ausgangshaftfestigkeit der Leiterbahnen erfolgreich geprüft. Die anschließenden
Klimatest als auch die mechanischen Belastungstests wurden bisher erfolgreich
durchgeführt. Geprüft wurden ferner die Abscherfestigkeit der gelöteten SMD-
Bauelemente (vgl. dazu Abbildungen 15 bis 17).
N/
m
m
1,60
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
Haftfestigkeit PA6/6T (SA0030)
0,00
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Pulsenergie [mJ]
P ulsüberlapp
Parametersatz
1,2
1
P ulsüberlapp 1,5
Parametersatz 2
Polynomisch (Pulsüberlapp 1,2)
Polynomisch (Pulsüberlapp 1,5)
Bild 15: Abschälkräfte auf PA6/6T in Abhängigkeit der Pulsenergie (Mechatronik
Projekt)
N/mm
1,60
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
Haftfestigkeit Pocan (SA 0030)
0,00
0 0,1 0,2 0,3 0,4
Pulsenergie [mJ]
Pulsüberlapp
Parametersatz 1,2 1
Pulsüberlapp
Parametersatz 1,5 2
Polynomisch (Pulsüberlapp 1,2)
Polynomisch (Pulsüberlapp 1,5)
Bild 16: Abschälkräfte auf PBT in Abhängigkeit der Pulsenergie (Mechatronik Projekt)

Bild 17: Auswertung der Scherfestigkeit auf PA6/6T (Mechatronik Projekt)
6.2 Ergebnisse der Konzeptbewertung
Durch Verwendung eines im LPKF-LDS-Verfahren hergestellten MIDs als
hochwertiges Funktionsbauteil, welches mechanisch und elektrische Funktionalität
integriert, ergeben sich eine Reihe von Design- und Kostenvorteilen:
o Einsparung von Bauteilen (Werkzeugkosten)
o Einsparung von Montage-, Logistik-, Prüf-, und Entwicklungskosten
o Signalführung über mehrere Ebenen – neue Möglichkeiten
o Bauraumoptimierung
o keine Kabelverlegung notwendig (kein „Kabelsalat“ mehr)
o höhere Funktionssicherheit durch weniger Schnittstellen
o Flexibilität – unterschiedliche Schaltungsvarianten machbar
o einfacherer Aufbau der Teile (Schalter ZSB)
o vorhandene elektr. Kontaktsysteme können eingesetzt werden
Neben den o.a. allgemeinen Vorteilen lassen sich anhand der unter 3.3
beschriebenen MID-Prototypen bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt relativ genau
die Kosten für die Herstellung der spätere Serienbauteile abschätzen. Derzeitigen
Kalkulationen zur Folge lassen sich durch das Base-Line-Konzept im vgl. zu
existierenden konventionellen Lösungen ca. 20% Kosten einsparen.

5 Ausblick
Mit dem LPKF-LDS-Verfahren steht eine Technologie zur Verfügung, mit der es
möglich ist effizient und flexibel 3D-MIDs herzustellen. Gegenüber anderen
Herstellungsverfahren bietet die Laser-Direkt-Strukturierung die Möglichkeit, in nur
drei Prozessschritten (Spritzguss, Laserstrukturierung, Metallisierung)
thermoplastische Schaltungsträger herzustellen ohne layoutspezifische Werkzeuge
wie beispielsweise Spritzgießformen oder Prägestempel zu benötigen. - Die dadurch
gewonnene Flexibilität lässt sich ideal für den Produktentwicklungsprozess
einsetzen, wie es anschaulich am Beispiel des Base-Line-Konzeptes der Fa. TRW
demonstriert wurde.
Die Fa. TRW ist als Systemlieferant im Automotive-Bereich verantwortlich für die
gesamte Baugruppe „Lenkrad“, inkl. des dazu notwendigen Elektronikmoduls
(Steuergerät, Datenbus, Wickelfeder). Die Herstellung des MID, welches als
hochwertiges Funktionsbauteil Kernbestandteil des neuen, innovativen Konzeptes
ist, werden für die Serienproduktion von der österreichischen Fa. I&T als
Entwicklungs- und Fertigungspartner zugeliefert.
Die Fa. I&T besitzt neben ihrem Kerngeschäft – der Entwicklung und Produktion
automotiver Verkabelungssysteme auf Basis Flachleiter - langjährige Erfahrungen
auch auf dem Gebiet der Strukturierung und Metallisierung von MID-Baugruppen und
wird in Kürze mit der geeigneten Laseranlagentechnik der Fa. LPKF in der Lage sein,
die LDS-Prozesskette geschlossen darzustellen. Eine besondere Herausforderung
stellt dabei das stufenweise „Upscaling“ der Metallisierprozesse vom Labormaßstab
in die industrielle Großserienfertigung unter Berücksichtigung der Qualitäts- und
Stabilitätskriterien für technologische Prozesse im Automobilbereich dar. Hier bietet
die Fa. I&T mit einer hochentwickelten Anlagentechnik sehr gute Voraussetzungen.
Das Base-Line-Konzept wurde inzwischen von TRW anhand der Prototypen bei einer
Reihe von OEMs vorgestellt mit dem Ziel, noch in diesem Jahr ein echtes
Serienprojekt zu starten. Derzeit befinden sich weitere MID-Prototypen mit konkretem
Kundendesign von OEMs im Aufbau.

6 Literatur
[1] „Aufbau und Verbindungstechnik für Mechatronik-Anwendungen im Automobil“
[2] „Chancen und Grenzen für den Einsatz der Technologie MID“, Studie des
Heinz Nixdorf Institut, Universität Paderborn, Rechnerintegrierte Produktion,
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Gausemeier, Paderborn, 2003
[3] Scheel, W. (Hrsg.): Baugruppentechnologie der Elektronik, 2. erweiterte Ausg.,
Verlag Leuze, Saulgau, 1999
[4] Kunststoff-Metallisierung – Handbuch für Theorie und Praxis, Saulgau, 1991
[5] Ebneth, H.: Metallisieren von Kunststoffen, expert-Verlag, Renningen-
Malmsheim, 1995
[6] Steffen, H.: Kupfer in der Leiterplattentechnik. In: Kanani, N. (Hrsg.):
Kupferschichten, 1. Aufl., Leuze Verlag, Saulgau, 2000
[7] Jehn, H. A.: Galvanische Schichten, expert-Verlag, Ehningen, 1993
[8] Forschungsvereinigung Räumlich Elektronischer Baugruppen 3-D MID e.V.
(Hrsg.): „Herstellungsverfahren, Gebrauchsanforderungen und
Materialkennwerte Räumlicher Elektronischer Baugruppen 3-D MID“,
Handbuch für Anwender und Hersteller, 1. gebundene Ausg., Erlangen, 2004
[9] „Laserunterstützte, volladditive Metallisierung hochtemperaturbeständiger
Kunststoffe für 3D-MIDs“, R. Schlüter, J. Kickelhain, M. Hüske, Ulmer
Gespräche, 05/2002
[10] Naundorf, G., Wißbrock, H.: Neuartige Wirkprinzipien und Werkstoffe zur
lasergestützten Fertigung elektronischer Schaltungsträger, PLUS 3 (2000) 1 S.
1029-1304
[11] Naundorf, G., Wißbrock, H.: A fundamentally new mechanism for additive
metallization of polymeric substrates in ultra fine line Technology illustrated for
3D-MID, in: Proceedings of the 4. International Congress Molded Interconnect
Devices, Erlangen 27. u. 28. September 2000
[12] Naundorf, G., Wißbrock, H.: Feinstrukturierte Metallisierung von Polymeren –
Ein neues Wirkprinzip am Beispiel 3-D MID, Metalloberfläche 11/2000, 54.
Jahrgang
[13] Wißbrock, H.: Laser-Direkt-Strukturieren von Kunststoffen – Ein neuartiges
Verfahren im Spiegel eingeführter MID-Technologien, Kunststoffe 11/2002,
Vol. 92, S. 101-105