Integrierte Entwicklung neuer Produkt- und Produktionstechnologien für räumliche spritzgegossene Schaltungsträger (3-D MID)

dc.contributorFeldmann, Klaus
dc.contributorEhrenstein, G. W.
dc.contributor.advisorFeldmann, Klaus
dc.contributor.authorFranke, Jörg
dc.contributor.editorGeiger, Manfred
dc.contributor.editorFeldmann, Klaus
dc.date.accessioned2020-08-25
dc.date.available2020-08-24
dc.date.created1995
dc.date.issued2020-08-25
dc.description.abstractMolded Interconnect Devices are characterized by an intelligent combination of new materials, advanced manufacturing processes and innovative process chains in integrated product structures. By integrating mechanical and electrical functions and the associated reduction in the number of parts, electronic products can be significantly miniaturized and rationalized. This quantum leap in the design of electronic devices is revolutionizing the entire production chain: starting with the computer-aided design of the spatially designed electronic circuit, through processing and in particular the structured metallization of the appropriate thermoplastics to the assembly of the electronic components in three-dimensional circuit carriers, all conventionally used processes must be questioned or be replaced entirely. The resulting immensely complex technology field has not been scientifically worked on in its entirety. The aim of the present dissertation was therefore, based on a holistic view, to show the possibilities and limits of this new assembly technology, to analyze its manufacturing processes, to derive innovation potentials from them and to develop solutions for the detected problems. The processing of the purely technical questions is reflected with the help of the application and market potential analyzes carried out at the beginning of the work and the final economic assessment, also from a business perspective, thus underpinning the economic relevance of the MID technology. The previously unavailable availability of empirical knowledge about MID technologies and applications is equalized by the implementation of the hypertext-based MID information system MIDIS, in which over 100 different MID products are described in detail and almost all existing process steps and process chains for the production of MIDs have been stored in a structured manner . The structure of the work is therefore based on the process chain for the production of spatial injection molded circuit carriers. For each of the individual sub-steps, the current state of the art is presented, existing deficits are worked out and development work based on them is presented. A technically and economically interesting alternative to the previously used, material-inflexible and environmentally harmful wet chemical processes for metallizing plastics is shown by adapting physical coating processes to the requirements of electronic assemblies. The adhesive strengths achieved are in the field of galvanic processes, and options for simple structuring have been found. On the other hand, the variety of materials that can be metallized is much greater, the environmental compatibility is immensely higher and the process costs, especially for plastic pretreatment, are significantly lower. The possible recycling of the raw materials used is ensured by the evaluation of separation processes for plastic substrates and metallic coatings, which resulted in a separation of the individual fractions of over 95%. The increased complexity of production-oriented design, which results from the connection of circuit layout creation and injection molding process, in particular from the use of multiple injection molding processes, is made manageable by creating a catalog of design guidelines, which also takes into account the interdependencies between plastic processing and metallization. For the 3D mask exposure process, film materials and laser marking processes were optimized for use in series production. The work carried out allows structural finenesses of up to 150 micrometer as well as a significant improvement in the deep-drawing ability with the same blackening. The validation of conventional placement systems clarifies their application limits, which are already with simple 2.5 D-MIDs. For the assembly of more complex geometries of spatial electronic assemblies, placement systems have been designed that allow the placement of electronic components in all six degrees of freedom. The feasibility of electronic components on inclined process surfaces has been experimentally proven and the limits of the adhesiveness of the various connection media, solder paste, fixing and conductive adhesive, have been determined. Based on the evaluation of conventional mass soldering processes, alternative possibilities of connection technology for thermoplastic base materials were shown. The tests carried out on robot-guided selective soldering confirmed their suitability for MID use due to the low temperature loads on the plastic substrates. A particular focus is the development of integrated construction systems for mechatronic devices. The developed software interface for the coupling of the CAD systems for the mechanical and electronic design enables the computer-aided layout of all developable 3D circuits. For all more complicated geometries, a development environment was designed and implemented as an example, which integrates the two functional areas of the ECAD and the MCAD. Integrated CAD / CAM process chains have been set up for two key processes in MID manufacturing, 3D laser structuring and spatial assembly. Finally, the advantages of the MID approach are made transparent using the example of an automotive application. While the subject of this work was in particular the development of production processes, further work must also pay attention to the investigation of special functional elements in MID-based products. So, the scientifically sound answer to questions such as connector technology in MID, realization of spring properties by metallized plastic, resilience of conductor tracks with high electrical currents etc. is still pending for further scientific treatises. If the process-technical problems, which result in particular from the desire to use thermoplastic materials while preserving the conventional soldering methods, and the still open questions regarding product design, can be solved in the medium term, the technology of spatial injection-molded circuit carriers will establish itself in all electronic devices in the long term.en
dc.description.abstractMolded Interconnect Devices sind durch eine intelligente Verknüpfung neuer Werkstoffe, fortschrittlicher Fertigungsprozesse und innovativer Verfahrensketten in integrierten Produktstrukturen gekennzeichnet. Durch die Integration mechanischer und elektrischer Funktionen und die damit verbundene Reduktion der Teilezahl können elektronische Produkte signifikant miniaturisiert und rationalisiert werden. Dieser Quantensprung zur Gestaltung elektronischer Geräte revolutioniert die gesamte Herstellungskette: Beginnend bei der rechnergestützten Konstruktion der räumlich ausgebildeten elektronischen Schaltung, über die Verarbeitung und insbesondere die strukturierte Metallisierung der adäquaten Thermoplaste bis zur Montage der elektronischen Bauelemente in dreidimensionale Schaltungsträger müssen alle konventionell eingesetzten Verfahren in Frage gestellt oder völlig ersetzt werden. Das daraus resultierende immens komplexe Technologiefeld wurde in seiner Gesamtheit wissenschaftlich bisher nicht bearbeitet. Ziel der vorliegenden Dissertation war daher, basierend auf einer ganzheitlichen Betrachtung, die Möglichkeiten und Grenzen dieser neuen Aufbautechnologie aufzuzeigen, deren Herstellungsprozesse zu analysieren, Innovationspotentiale daraus abzuleiten sowie Lösungsansätze für die detektierten Probleme zu entwickeln. Die Bearbeitung der rein technischen Fragestellungen wird mit Hilfe der durchgeführten Applikations- und Marktpotential-Analysen am Beginn der Arbeit und der abschließenden wirtschaftlichen Bewertung auch aus betriebswirtschaftlicher Perspektive reflektiert, und damit die ökonomische Relevanz der MID-Technologie untermauert. Die bisher fehlende Verfügbarkeit von Erfahrungswissen über MID-Technologien und -Applikationen wird durch die Realisierung des hypertextgestützten MID-Informationssystem MIDIS, in dem über 100 verschiedene MID-Produkte detailliert beschrieben und nahezu alle existierenden Verfahrensschritte und Prozeßketten zur Herstellung von MIDs strukturiert gespeichert wurden, egalisiert. Die Gliederung der Arbeit orientiert sich demzufolge an der Prozeßkette zur Herstellung räumlicher spritzgegossener Schaltungsträger. Dazu wird für jeden der einzelnen Teilschritte der heutige Stand der Technik dargestellt, bestehende Defizite herausgearbeitet und daraus begründete Entwicklungsarbeiten vorgestellt. Zu den bisher eingesetzten, werkstoffunflexiblen und umweltbedenklichen naßchemischen Verfahren zur Metallisierung von Kunststoffen wird durch die Anpassung physikalischer Beschichtungsverfahren an die Anforderungen elektronischer Baugruppen eine technisch und wirtschaftlich interessante Alternative aufgezeigt. Die dabei erzielten Haftfestigkeiten liegen im Bereich der galvanischen Verfahren, Möglichkeiten zur einfachen Strukturierung konnten gefunden werden. Dagegen ist die damit metallisierbare Werkstoffvielfalt weitaus größer, die Umweltverträglichkeit ungemein höher und die Prozeßkosten insbesondere für die Kunststoffvorbehandlung deutlich niedriger. Die mögliche Wiederverwertung der eingesetzten Rohstoffe wird durch die Evaluierung von Trennverfahren für Kunststoffsubstrat und metallischer Beschichtung, die eine sortenreine Separierung der einzelnen Fraktionen von über 95% ergab, sichergestellt. Die gesteigerte Komplexität der fertigungsgerechten Konstruktion, die sich aus der Verbindung von Schaltungslayouterstellung und Spritzgußprozeß insbesondere aus dem Einsatz der Mehrfachspritzgußverfahren ergeben, wird durch die Erstellung eines Konstruktionsrichtlinien-Kataloges, der auch die Interdependenzen zwischen Kunststoffverarbeitung und Metallisierung berücksichtigt, beherrschbar gemacht. Für das 3D-Maskenbelichtungsverfahren wurden Folien-Materialien und Laserbeschriftungsprozeß für die Anwendung in der Serienproduktion optimiert. Die durchgeführten Arbeiten gestatten Strukturfeinheiten von bis zu 150 Mikrometer sowie eine deutliche Verbesserung der Tiefziehfähigkeit bei gleichbleibender Schwärzung. Die Validierung konventioneller Bestücksysteme verdeutlicht deren Einsatzgrenzen, die bereits bei einfachen 2,5 D-MIDs liegen. Für die Montage komplexerer Geometrien räumlicher elektronischer Baugruppen wurden Bestücksysteme konzipiert, die eine Platzierung elektronischer Komponenten in allen sechs Freiheitsgraden ermöglichen. Die Realisierbarkeit elektronischer Komponenten auf schrägen Prozeßflächen wurde experimentell nachgewiesen und die Grenzen der Haftfähigkeit der verschiedenen Verbindungsmedien Lotpaste, Fixier- und Leitkleber ermittelt. Aufbauend auf der Evaluierung herkömmlicher Massenlötverfahren wurden alternative Möglichkeiten der Verbindungstechnik für thermoplastische Basismaterialien aufgezeigt. Die durchgeführten Versuche zum robotergeführten selektiven Löten bestätigten durch die geringen Temperaturbelastungen der Kunststoffsubstrate ihre Eignung für den MID-Einsatz. Ein besonderer Schwerpunkt stellt die Entwicklung integrierter Konstruktionssysteme für mechatronische Geräte dar. Die entwickelte Software-Schnittstelle für die Kopplung der CAD-Systeme für den mechanischen und den elektronischen Entwurf ermöglicht das rechnergestützte Layout aller abwickelbaren 3D-Schaltungen. Für alle komplizierteren Geometrien wurde eine Entwicklungsumgebung konzipiert und exemplarisch implementiert, die die beiden Funktionsbereiche des ECAD und des MCAD integriert. Für zwei Schlüsselprozesse der MID-Fertigung, der 3D-Laserstrukturierung und der räumlichen Bestückung, wurden durchgängige CAD/CAM-Verfahrensketten aufgebaut. Abschließend werden am Beispiel einer Automobil-Anwendung die Vorteile des MID-Ansatzes transparent gemacht. Während Gegenstand dieser Arbeit insbesondere die Entwicklung von Produktions-Prozessen war, muß in weiterführenden Arbeiten die Aufmerksamkeit auch der Untersuchung von speziellen Funktionselementen in MID-basierten Produkten gewidmet werden. So steht die wissenschaftlich fundierte Beantwortung von Fragestellungen wie Steckverbindungstechnik in MID, Realisierung von Federeigenschaften durch metallisierten Kunststoff, Belastbarkeit von Leiterbahnen mit hohen elektrischen Strömen etc. noch für weitere wissenschaftliche Abhandlungen aus. Können die prozeßtechnischen Probleme, die sich insbesondere aus dem Wunsch nach Anwendung thermoplastischer Kunststoffe bei gleichzeitiger Bewahrung der herkömmlichen Lötverfahren ergeben, und die noch offenen Fragen bezüglich der Produktgestaltung mittelfristig gelöst werden, wird sich langfristig die Technologie der räumlichen spritzgegossenen Schaltungsträger in allen elektronischen Geräten etablieren.de
dc.format.extent196 Seiten, 86 Bilder, 4 Tabellen
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.25593/3-446-18448-1
dc.identifier.isbn3-446-18448-1
dc.identifier.opus-id14461
dc.identifier.urihttps://open.fau.de/handle/openfau/14461
dc.identifier.urnurn:nbn:de:bvb:29-opus4-144618
dc.language.isode
dc.publisherCarl Hanser
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.de
dc.subject.ddcDDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 60 Technik :: 600 Technik, Technologie
dc.subject.ddcDDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 62 Ingenieurwissenschaften :: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
dc.titleIntegrierte Entwicklung neuer Produkt- und Produktionstechnologien für räumliche spritzgegossene Schaltungsträger (3-D MID)de
dc.typedoctoralthesis
dcterms.publisherFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
local.date.accepted1995-04-10
local.notesOpusNach Rechteübertragung des Meisenbach-Verlags auf die FAU digitalisiert und online gestellt durch Geschäftsstelle Maschinenbau und Universitätsbibliothek der FAU im Jahr 2020. Koordination der Reihe: Dr.-Ing. Oliver Kreis. Für weitere Informationen zur Gesamtreihe siehe https://mb.fau.de/diss
local.publisherplaceMünchen ; Wien
local.sendToDnbfree*
local.series.id32
local.series.nameFertigungstechnik - Erlangen
local.series.number50
local.subject.fakultaetTechnische Fakultät / Department Maschinenbau
local.subject.fakultaetTechnische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)
local.subject.gndIngenieurwissenschaften
local.subject.gndMaschinenbau
local.subject.gndProduktionstechnik
local.thesis.grantorFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) Technische Fakultät
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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 50
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