Lézermintázott fröccstermékek
A mûanyagok, mint az elektronikus kapcsolások hordozói* STRANSKY, REINHARD** okleveles mérnök
1. Bevezetés Számos iparágban a fejlesztési stratégia hajtóereje az alkatrészek egyesítése, miniatürizálása és a modulrendszerû felépítés. A folyamatos költségcsökkentési és észszerûsítési igény jellemzi a mûszaki alkalmazású termékek fejlesztését és gyártását is. Egyre több funkciót kell egyetlen termékbe egyesíteni, a gyártási mûveletek számát pedig a lehetséges mértékben csökkenteni. Ez utóbbi nemcsak a költségekre hat, hanem – és ez manapság egyre nagyobb jelentõségre tesz szert – az új termékeknek idõben történõ piaci megjelenését is elõsegíti. A mûszaki innováció területén egyre gyakrabban alkalmaznak mechatronikai rendszereket. Az elektronikus és finommechanikai összetevõkbõl ügyesen összehozott mûveleti egységek nagy szabadságfokot tesznek lehetõvé szerkezeti és funkcionális szempontból, de csökkentik a szükséges térigényt és súlyt is. A MID (Moulded Interconnected Devices) az elektronika és a mechanika összekötéséhez vezetõ újszerû út. A külön áramköri lapokat vagy hibrid építõelemeket alkalmazó hagyományos felépítési módszerrel szemben a MID technológia a vezetékeket és az elektronikus elemeket közvetlenül a mûanyag alkatrészek felületén alakítja ki. A fröccsöntés sokoldalú lehetõségeket nyújt és ezáltal olyan háromdimenziós kapcsolók alakíthatók ki, amiknek szinte nincsenek alaki korlátai. Így megvalósíthatók tipikus mechanikus funkciók befogók, vezetékek, billentyûzet, dugaszok, csatolóelemek vagy kábelek integrálásával. A mechatronikai alegységek fejlesztésénél a rendszer MID-szerû szemlélete újabb integrációs lehetõségekhez vezet, sõt egyes esetekben egészen új funkcionalitás érhetõ el. Ezek a háromdimenziós funkcióhordozók csökkentik az alkotóelemek számát és általában lerövidítik a mûveleti láncokat. Ezek az elektronikus elemcsoportok a miniatürizálásához is hozzájárulnak, ezzel az anyagok sokféleségét is csökkentik [1]. A MID technológia lehetséges alkalmazási területei közé tartozik az autóelektronika (1. ábra) és a telekommunikáció, amelyeknél különösen nagy szükség van a költségcsökkentésre. Az utóbbi idõben az ipari automatizálásnak is nõ a jelentõsége. Ezeken túl a számítástech-
1. ábra. Multifunkciós kormánykerék 3D-MID tanulmánya
nika, a háztartási gépek és az orvostechnika is számos alkalmazási lehetõséget kínál. 2. A feldolgozás-technológiák áttekintése A MID rövid története során, aminek kezdete a 90-es évek elejére tehetõ, több eljárás is kialakult: – a kétkomponensû fröccsöntés, – a melegprégelés, – a fröccsöntés fóliára, – a 3D lézer, illetve maszk eljárás és – a közvetlen lézermintázás. A mai piaci részarány és növekedés alapján a legfontosabb a melegprégelés, a kétkomponensû fröccsöntés és – jelentõs növekedési potenciálja alapján – a közvetlen lézermintázás. A kétkomponensû fröccsöntést leginkább a 3D huzalozásban alkalmazzák. Dugaszoló aljak elõállításánál is gyakran választják ezt az eljárást. A kétkomponensû fröccsöntésnél a vezetékstruktúra egyik komponense egy fémmel könnyen bevonható (metallizálható) mûanyag, pl. PA6, a másik pedig nem metallizálható anyag, pl. PA12. Az elõbbi komponens akár adalékolt szerkezeti anyag is lehet. Ennél az eljárásnál a legfontosabb elõny a térbeli kialakítási szabadság, aminek csak a fröccsöntés szabhat határt. Rétegek közti átvezetetések és sarkon átvezetett
*A
közleményt a BASF céget képviselõ, párizsi Heide Lavarde hirdetõ iroda bocsátotta folyóiratunk rendelkezésére. Fordította és sajtó alá rendezte László György okleveles gépészmérnök **Mûszaki mûanyagok, elektrotechnika és elekktronika projektmérnök, BASF AG, Ludwigshafen
368
2007. 44. évfolyam, 9. szám
kapcsolatok, valamint térbeli vezetékstruktúra kialakítása egyaránt lehetségesek. Az eljárás különösen nagy sorozatoknál gazdaságos. A kétkomponensû eljárásnak az összehasonlításban a nagy szerszámköltség és az a tény mond ellent, hogy a szerszám módosítása körülményes a huzalozás kiképzésének változtatásánál. A miniatürizálás lehetõségei is korlátozottak, ami elsõsorban a vezeték szélességére és azok távolságára vonatkozik. A melegprégelést a MID eljárások között fõleg a viszonylag egyszerûbb 3D fröccstermékek szelektív metallizálása esetében, valamint a nyomtatott áramkörök és a hasonló funkciójú termékek készítésénél alkalmazzák. Ez a módszer még dekoratív felületek kialakításánál és elektromágneses árnyékolásnál is használható. A melegprégelésre jellemzõ a prégelõ bélyeg viszonylag kis beruházási igénye és az eljárás nagy hatékonysága [2]. A fröccsöntés után a vezetékhálózatot egy mûveletben lehet elkészíteni. A felmelegített prégelõ bélyeg a vezetékhálózatot egy tekercsbõl bevezetett és a hátsó felületén optimális tapadóképességet biztosító- vagy rétegezett fémfóliából vágja ki és a mûanyag felületébe vagy felületére prégeli azt. A fóliamaradékot ezután teljesen el kell távolítani a felületrõl. A metallizáláshoz tehát semmiféle nedves vegyi eljárásra nincs szükség. Az eljárás szinte valamennyi hõre lágyuló mûanyagra alkalmazható. A vezetékhálózat rajzolatának változásánál a prégelõ bélyeget kell módosítani, míg a vezetékhálózat változtatásánál csak a prégelõ fóliát kell kicserélni. A prégelõ fólia rendszerint az FR4 nyomtatott áramkörtechnikából ismert, 35 µm vastagságú és különbözõ felületi nemesítésû rézfólia. A vegyi galvanikus rétegfelépítéssel szemben az eljárás elõnye, hogy a vezetõképesség növeléséhez szükséges nagy rétegvastagság további ráfordítás nélkül alakítható ki. A melegprégelés hátránya, hogy a rétegek közti átvezetõ kapcsolat csak utólagos mûszaki megoldással valósítható meg, pl. a furatok feltöltése vezetõpasztával. A geometria kialakításának korlátot szab, hogy a prégelõ bélyeg mozgása általában egytengelyû és a fémfóliák alakíthatósága behatárolt. Ezáltal a vezetékhálózat térbeli alakja csak bizonyos szögben (<45°) helyezkedhet el. A vezetékhálózat miniatürizálása, a huzal vastagságcsökkentése miatt, szintén korlátozott. A fóliára fröccsöntés különösen a nagyméretû és sík MID tárgyak elõállításánál használható. A felület kialakítás és metallizálás ennél az eljárásnál, a végsõ fröccsterméktõl függetlenül, két dimenzióban, tekercsrõl tekercsre, a nyomtatott áramköri fóliára a szokványos FR4 nyomtatott áramköri technikáknál ismert módon történhet. A vezeték képét hordozó fóliát termoformázással viszik fel a termékre, illetve hozzáillesztik a fröccsszerszám fészkéhez és a mûanyagot a fóliára fröccsöntik. 2007. 44. évfolyam, 9. szám
Ezen eljárás segítségével bonyolultabb, finom struktúrájú és többrétegû elrendezések is megvalósíthatók. Mivel adott polimer ömledék csak korlátozott számú polimer fóliával fér össze, ezért a társításban résztvevõ anyagpárok között tapadásközvetítõre is szükség lehet. Az eljárás alkalmazásánál hátrányos a sok mûveleti lépcsõ és a rugalmas fólia nehéz kezelhetõsége. Az utóbbiak miatt, a termék geometriája szempontjából, a miniatürizálási lehetõségek korlátozottak. Ügyelni kell arra is, hogy a vezetékhálózat a hordozó fólia hõformázásánál csak kis mértékben alakítható. Manapság csak alárendelt szerepe van a 3D-s lézer vagy maszkos levilágítási eljárásnak. A metallizálás technológiája nagyon hasonlít az FR4 nyomtatott áramköri szubtraktív (vagyis anyag eltávolítására épülõ) eljáráshoz. A terméket a fröccsöntés után teljes felületén metallizálják, majd ezt követõen szubtraktív módon fotoreziszt technikával képezik ki a vezetékhálózat rajzát. Miután a vezetékhálózat struktúráját meg kell világítani, a térbeli kialakítás lehetõsége a maszkos eljárásnál igen korlátozott. Ezért az alkalmazás ésszerû lehetõsége csak sík szerkezeteknél áll fenn, de ott bonyolult rajzolatok kialakítását teszi lehetõvé. 3. Közvetlen lézermintázás A MID egyik új eljárása az ún. közvetlen lézermintázás (LPKF-LDS®), amelyet a garbeni LPKF AG fejlesztett ki (2. ábra). Itt a kisszámú mûveleti lépcsõ mellett az alkalmazott vegyi galvanizálásban elmarad a szokásos eljárás néhány kritikus lépése.
2. ábra. Közvetlen lézermintázott alkatrész
Az eljárásban a mûanyag mátrixhoz megfelelõ adalékot kevernek. Ezt a lézerrel bontható fémkomplex adalékot a granulátum elõállításánál kis mennyiségben adagolják az alapanyaghoz és az egyéb adalékanyagokkal együtt egyenletesen eloszlatják a mûanyagban. Az LDS® adalék elektromosan nem vezetõ, így a mûanyag elektromos szigetelõ tulajdonságát nem változtatja meg. A
369
5. ábra. A metallizálás eredménye az LPKF-LDS-nél (6–8 µm Cu, 4 µm Ni, 0,1 µm Au) (Forrás: LPKF AG)
tére gyakorlatilag három dimenzióban kerül rá. A lézerteljesítményt és az elõtolási sebességet úgy állítják be, szokásos feldolgozási hõmérsékleten stabil, a komplex hogy a polimerbõl bizonyos mennyiséget eltávolítanak csupán az 1064 nanométer hullámhosszúságú infravörös és ezzel egyidejûleg elegendõ LDS® adalékanyag bomlézersugárral kezelve bomlik fel, amikor elemi fém (ese- lik el. Az eljárás segítségével a felületen meghatározott tünkben réz) és egyéb melléktermékek képzõdnek. Az LPKF ehhez alkalmas lézerberendezést fejlesztett ki mikroszkopikus felületi finomság alakul ki beágyazott fém részecskékkel. A lézeres leválasztás (abláció) által MicroLine 3D 160i jelzéssel (3. ábra). Az LDS® anyagból szokványos fröccsöntéssel tet- létrehozott felületi érdesség az alámetszéseivel biztosítja szõleges alkatrészek állíthatók elõ. Az alkatrészek felü- a tapadást a késõbbi metallizálásnál. A fémbeágyazódáletét azokon a tartományokon, amelyek késõbb a vezetõ- sok kristályosodási csírákat képeznek, amelyek a késõbszalagot fogják hordozni, közvetlen lézermintázással ke- bi reduktív fémleválasztáskor lehetõvé teszik a tömör zelik (4. ábra). A vezeték struktúrája az alkatrész felüle- fémréteg kialakítását. A metallizálás tapadási szilárdsága megegyezik a hagyományos FR4 nyomtatott áramköri lapok elõállításánál tapasztalt szilárdsággal (5. ábra). A mûanyagok ismert vegyi galván metallizálási eljárásaival szemben itt azok a lépések elmaradnak, amelyek részben agresszív vegyszerek alkalmazásával jár4. ábra. A közvetlen lézermintázás elve nak együtt. Ezekhez tartozik a feldurvítás, a duzzadás és/vagy a mûanyag felület maratása, az aktiválás, valamint a palládiummal való csíraképzés (6. ábra). Mindössze három lényeges eljárási mûveletre van szükség: a fröccsöntésre, a közvetlen lézermintázásra és 6. ábra. Egy vezetékhuzal csiszolata (Forrás: LPKF AG) az egyszerûsített vegyi gal3. ábra. Közvetlen lézermintázáshoz alkalmazott berendezés
370
2007. 44. évfolyam, 9. szám
re könnyen azonosítani tudja. Átvezetések is lehetségesek, pl. vékony alkatrészek a mintázás közben a lézersugárral átfúrhatók. A jelenlegi lézertechnika segítségével 220×220× 50 mm-es alkatrészek mintázhatók három dimenzió7. ábra. A közvetlen lézermintázás mûveleti lépései. 1 – fröccsöntés, 2 – lézermintázás, ban. Eközben csak a lézer3 – metallizálás sugár hozzáférése korlátozza a vezetékhálózat kialakítását. Ferdeségek és kiemelkedések 70°-os szögig a mintázandó tárgy elforgatása nélkül is kialakíthatók [3]. Csak ennél nagyobb szög esetében kell a tárgyat elmozdítani (8. ábra). 4. A közvetlen lézermintázáshoz használható anyagok A közvetlen lézermintázással elõállított MID alkatrészek sorozatgyártásához többféle mûszaki mûanyag is alkalmazható, amelyek az elektronikai iparban is használatosak. Több neves gyártó cég, mint a LANXESS, a vanizálásra (7. ábra). Mindemellett az LPKF-LDS® eljá- TICONA és a BASF is rendelkezik a megfelelõ kompaunrás nagy geometriai szabadságot biztosít és nagyon fi- dokkal PBT, LCP és poliamid bázison. A bázis polimenom, 200 µm-nél kisebb vonalszélességû struktúra meg- rek fõ tulajdonságai alapján különbözõ alkalmazások valósítását teszi lehetõvé. A fõ elõny az egyéb eljárások- igényei is kielégíthetõk. A mûanyag alkatrészt a klasszikus egykomponensû kal szemben a nagy rugalmasság a hálózati struktúra változtatásánál. A hálózat adatait a lézerberendezés szoftve- fröccsöntéssel állítják elõ. Ehhez az alapanyagnak nem kell különleges feldolgozhatósági 1. táblázat. tulajdonsággal Az Ultramid® T 4381 LDS tulajdonságai rendelkezni. Az Alapadatok 23°C-on Mérési szabvány Állapot Érték aktiválás és a Anyagjellemzõk fémréteg kapcsoJelölés ISO 1043 – PA 6/6T GF10M25 lódó tapadása a ISO 1183 – 1,522 Sûrûség, g/cm3 felületkezelés és a Viszkozitásszám (0,005 g/ml kénsav oldat), ml/g ISO 307 – 130 lézersugár kölSzín – – fekete csönhatása követVízfelvétel, telítettség 23°C-on, % ISO 62 – 4,2–5,2 keztében jön létre. Nedvességfelvétel, telítettség normál klímán 23°C-on, ISO 62 – 0,8–1,2 Csupán a számos 50% relatív nedvességnél, % alkalmazásnál Feldolgozás Olvadáspont, DSC, °C ISO 3146 – 295 megkövetelt hõálISO 1133 – 25 MVR, 325°C/5 kg, cm3/10 min lóság korlátozza a Anyaghõmérséklet tartomány, fröccsöntés/extrudálás, °C – – 325 rendelkezésre álló Szerszámhõmérséklet tartomány, fröccsöntés, °C – – 105–120 anyagok választéMechanikai tulajdonságok kát, különösen, ha Húzó rugalmassági modulusz, MPa ISO 527-2 száraz 8700 forrasztásra is Szakítószilárdság (v = 5 mm/perc), MPa ISO 527-2 száraz 100 szükség van. Szakadási nyúlás (v = 5 mm/perc), % ISO 527-2 száraz 1.8 A kutatás soISO 179/1eU száraz 38 Charpy ütésállóság, kJ/m2 rán alapanyagTermikus tulajdonság ként a BASF UltLehajlási hõmérséklet 0,45 MPa terhelés alatt (HDT B), °C ISO 75-2 – 260 ® ramid T típusát Elektromos tulajdonság Kúszási út összehasonlító száma, CTI, A vizsgálat IEC 60112 nedves 600 választották. Ez 8. ábra. LDS alkatrész: elfordulási szenzor az automatizálási technikában (Forrás: Festo AG). Technológiai tanulmány az IMDAKT fejlesztési projekt keretében
2007. 44. évfolyam, 9. szám
371
egy nagy hõállóságú, részben kristályos, részben aromás poliamid 6/6T. A kaprolaktámból, tereftálsavból és hexametilén-diaminból álló Ultramid® T optimális kompromisszumot képez az olvadáspont növelése, a feldolgozhatóság javítása és a csökkentett vízfelvétel között. Ezt a különleges anyagot az elektronikában és az autóiparban akkor alkalmazzák, amikor magas a hõállósági követelmény. Az anyag használható ólommentes forrasztásnál is (1. táblázat). Az LPKF-LDS® eljáráshoz egy speciális tulajdonságokkal rendelkezõ, 30% üvegszálat tartalmazó kompaundot fejlesztettek ki, különös tekintettel a fémcsírák képzõdésére és a fémréteg tapadására. A metallizálás feldolgozási „ablakának” további növelésére (az egyéb tulajdonságok romlása nélkül) kifejlesztették az Ultramid® T 4381 LDS anyagot, amely a közvetlen lézermintázás erõsségeit még jobban kihangsúlyozza, különösen a rétegtapadás és a fémleválasztási sebesség javítása szempontjából. Ez az új típus 10% üvegszál erõsítésû és 25% ásványi anyaggal töltött. Az új Ultramid® T típus a MID eljárás szempontjából a magas, 295°C-os olvadáspontjával és a 0,45 MPa terhelés alatti 260°C-os hajlító hõmérsékletével tûnik ki. Terhelésmentesen 285°C-nak is ellenáll. Ez teszi alkalmassá az elektronikai alkatrészek felforrasztására. Az átállás az ipari szériagyártásról az ólommentes, magasabb hõmérsékletû Reflow forrasztási eljárásra problémamentesen megvalósulhat. A további, mint pl. a mechanikai, a vegyszerállósági, a kis vízfelvételi, a jó feldolgozhatósági jellemzõkkel az Ultramid® T 4381 LDS általánosan alkalmas anyagként áll rendelkezésre a 3D MID alkalmazásokhoz az LPKFLDS® eljárásoknál. A felhasználási spektrum az autóelektronikától az ipari elektronikán keresztül a szórakoztató elektronikáig terjed. Ez az Ultramid T típus különösen az autóelektronikában elégíti ki a merevségi és szilárdsági feltételeket, a kiváló szívósság, hõállóság és vegyszerállóság mellett. 5. A MID kilátásai A széleskörûen használható és innovatív eljárások ellenére a MID technika az utóbbi években csak nehézkesen terjedt a mechatronikai gyártmányok területén. Ennek ellenére a közeljövõben, különösen a közvetlen lézermintázási eljárás terjedése miatt, nagy növekedési rátával számolnak. Jelentõs elõrelépésre az autóelektronikában és az ipari elektronikában lehet számítani [4–8]. Az LPKF-LDS® technológia, mint a legfiatalabb eljárás, kiegészíti és szélesíti a fröccsöntött, 3D nyomtatott áramköri hordozók választékát. Vezetõ elektronikai cégek viszonylag nagy érdeklõdése e módszer iránt pozitív fejlõdést vetít elõre.
372
A MID eljárások eredményességi tényezõi lehetnek a mûveleti integráció és az optimalizálás. Az is fontos, hogy a gyártók a fejlesztés során viszonylag korán döntenek a MID eljárásokról, ami az ezekben rejlõ elõnyök jó kihasználását teszi lehetõvé. Miután különbözõ technológiákat alkalmaznak, ezért sokaknak kell együttmûködni abban, hogy a megfelelõ változásokra sor kerülhessen. A sorozatgyártásra való eredményes áttérés reménye akkor kedvezõbb, ha az egész folyamat egy kézben összpontosul, vagy legalábbis egy cégen belül van. A nagy sorozatú alkalmazást hátráltatja, hogy még hiányzik a három dimenzióban használható adagoló automatika, illetve maga az adagoló. Ez lehet az oka annak, hogy jelenleg csak egyszerû, néhány elektronikus alkatrészt tartalmazó kapcsolók készülnek MID eljárással. A mûveleti lánc megbízhatóságára és a MID alkatrészek élettartamára vonatkozóan még hiányoznak a tapasztalatok. 6. Összefoglalás Fröccsöntött, háromdimenziós mûanyag alkatrészek, amelyek felületére elektronikus kapcsolásokat visznek fel, számos elõnyt nyújtanak a konstrukció és az innovatív mechatronikai egységek gyártásában. A MID (Moulded Interconnected Devices), a közvetlen lézermintázás még fiatal eljárása a fröccsöntött, kapcsolt egységek gyártásánál a mûveletek számának csökkentésével és az egyszerûbb fémbevonással tûnik ki. Különbözõ, speciálisan módosított mûanyagok is használhatók ehhez a technológiához. A BASF újabban kifejlesztett poliamid 6/6T típusa megfelel a magas hõállósági követelményeknek és ebbõl az anyagból jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkezõ termékek állíthatók elõ. Irodalomjegyzék [1] Heininger, N: Fertigung von MID Bauteilen vom Rapid Prototyping bis zur Serie mit innovativer LDSTechnologie, www.lpkf.de/produkte. [2] Maschinenmarkt online. Schaltungsträger als 3D-Teile gefertigt (2.5.2003). [3] Heininger, N.: LPKF, verschiedene Konferenzbeiträge. [4] Gausemeier, J.; Peitz, T.: MID-Studie 2006. Forschungsvereinigung 3D-MID, Erlangen, 2006. [5] Kriebitzsch, I.: 3-D-MID-Technologie in der Automobilelektronik, Meisenbach Verlag, Bamberg, 2002. [6] Forschungsvereinigung 3D-MID, 3D-MID Technologie, Handbuch für Anwender und Hersteller, Carl Hanser Verlag, München, 2004. [7] Pöhlau, F.: Entscheidungsgrundlagen zur Einführung räumlich spritzgegossener Schaltungsträger (3-D-MID), Meisenbach Verlag, Bamberg, 1999. [8] Wißbrock, H.: Laser-Direkt-Strukturieren von Kunststoffen, Kunststoffe, 91/11 (2002).
2007. 44. évfolyam, 9. szám
