Immer mehr Branchen entdecken in der Produktion von Industrieanwendungen eine neue Technologie als Alternative zur klassischen Leiterplatte. Die Revolution nennt sich 3D-MID (Molded Interconnect Devices oder Mechatronic Integrated Devices) – spritzgegossene Kunststoffbauteile, auf die mittels Laser-Direkt-Strukturierungs-Verfahren Leiterbahnen aufgebracht werden. Das Verfahren treibt den Miniaturisierungstrend in der elektronischen Industrie voran und gibt Produktentwicklern neue Gestaltungsmöglichkeiten.
Leiterbahnen auf verformbaren Kunststoffen verändern die Produktion
Ein plastisches Bild von den vielfältigen 3D-MID-Anwendungsmöglichkeiten erhält man aus den Projekten von Multiple Dimensions, einem der weltweit führenden Anbieter in diesem Bereich. Sie vereinfachen die Bedienung von Haushaltsgeräten, verbessern das Fahrerlebnis bei einer Servolenkung oder eröffnen neue Formen der Raumeinsparung, beispielsweise in der Sensorik oder Industrieelektronik. Wie feine, goldene Leiterbahnen auf verformbaren Kunststoffen die industrielle Produktion verändern, erklärt Johannes Schmid, Geschäftsführer von Multiple Dimensions. Basis jeder 3D-MID-Anwendung ist ein thermoplastischer Kunststoff: «Zunächst spritzgiessen wir das zur Anwendung des Kunden passende Bauteil. Dabei verwenden wir verschiedenste Thermoplaste, die ein laseraktivierbares Additiv beinhalten», erklärt Johannes Schmid das technologische Funktionsprinzip.
Thermoplaste müssen sehr robust sein
Ein Laserstrahl spaltet anschliessend die Oberfläche des Kunststoffs und aktiviert das Additiv. Das nachfolgende Kupferbad lässt die Leiterbahnschicht direkt auf dem jeweiligen Thermoplast entstehen. Je nach Einsatzgebiet müssen diese äusserst robust oder temperaturresistent sein. «Manche sind sogar säure- und schweissresistent, beispielsweise bei Anwendungen für Hörgeräte oder Kopfhörer», fährt Schmid fort. Zuletzt erfolgt das Aufbringen von Nickel als Sperrschicht und die Veredelung durch eine dünne Goldschicht, um für gute Löteigenschaften zu sorgen.
Was das Unternehmen vom Wettbewerb unterscheidet sind die fast schon mikroskopisch kleinen Dimensionen der Leiterbahnenproduktion: «Wir verfügen über eine weltweit konkurrenzfähige Produktionskompetenz, erkennbar insbesondere an unserer einzigartig geringen Leiterbahnbreite und am kleinen Abstand der Bahnen zueinander.»
Von der Waschmaschine bis zum Lenkrad
Die meisten Anbieter liegen beim Abstand der Leiterbahnen aktuell noch bei Werten von 300 bis 400 µm. «Bei Multiple Dimensions dagegen liegt die technologische Grenze bei Leiterbahnen mit einer Breite von 80 µm», so Schmid. «Diese feinen Strukturen werden aktuell sehr oft bei Point-of-Sales(POS-)Terminals zum Schutz eines Hacker-Angriffs verwendet. Die sehr feinen Leiterbahnen ermöglichen das Erkennen von Angriffen auf die Daten der Bezahlkarten.» Es ist diese Breite der Leiterbahnen und ihr Abstand zueinander, die in der neuen 3D-MID-Technologie die Spreu vom Weizen trennt. Sie ist ausschlaggebend für den Grad der Miniaturisierung und entscheidend für die Menge an Funktionen, die in einem Bauteil verdichtet werden können. Anwendungsbeispiele für den konkreten Einsatz der Technologie gibt es bereits viele: «Wir produzieren für die unterschiedlichsten Branchen. Sie kennen doch sicher den Drehschalter einer Waschmaschine, mit dem ich ein Programm auswähle. Dieser Schalter besteht in der Regel aus einer ganzen Reihe mechanischer Kleinteile – mit unserer 3D-MID-Technologie werden sie alle eingespart.»
Die Wahl des Waschgangs erfolgt über einen kapazitiven Schalter, d.h. gewissermassen berührungslos. Das hat weitreichende Folgen: Anders als bei mechanischen Lösungen entsteht keinerlei Abrieb, der die Teile verschleisst. «Unser Bedienelement ist um ein Vielfaches simpler in der Konstruktion, kostengünstiger in der Produktion und weist noch dazu eine höhere Lebensdauer auf», so Schmid. Für den Automobilbereich produzieren die Schweizer Sensoren, die das Drehmoment und die Lage des Lenkrads messen. «In Abhängigkeit von Position und Messwert wird die Servolenkung mehr oder weniger stark unterstützt. Je präziser die Messung ist, umso unmittelbarer wird das Fahrgefühl übertragen.»
Technologie spart Bauteile und Kosten
Ähnlich wie am Beispiel der Waschmaschine kommen bei herkömmlichen Lösungen zahlreiche mechanische Teile zum Einsatz. Im Zusammenspiel von diesen summieren sich allerdings Abweichungen und Toleranzen, die im Ergebnis das Fahrerlebnis beeinträchtigen. «Diese komplette Toleranzkette können wir mit 3D-MID eliminieren», erklärt Schmid. Die Technologie spart nicht nur Bauteile und Kosten ein, sondern macht die Anwendung auch präziser und effektiver. Nicht zuletzt steigert sie die Fahrfreude des Anwenders.
Höchste Funktionsvielfalt auf kleinstem Raum
Herausragende Funktionsintegration auf kleinstem Raum beweist Multiple Dimensions derzeit für einen Spielzeughersteller. Für ein besseres Spielerlebnis wurde in einem Kunststoffbauteil auf kleinstem Raum ein elektronischer Schaltkreis integriert – samt Batterie, kapazitivem Schalter und LED-Licht. «Für eine Leiterplatte wäre einfach nicht genügend Platz vorhanden gewesen. Auch hier ist das Bedienelement, also der kapazitive Schalter, absolut verschleissfrei, da kein mechanischer Kontakt besteht». In Zukunft wird die innovative 3D-MID-Technologie auch bei menschenähnlichen Robotern eingesetzt. Die Bieler Experten statten zurzeit die Fingerkuppen einer Roboterhand – ihre Grösse entspricht der eines Menschen – mit Leiterbahnen aus. Das Tastorgan des Roboters wird flächendeckend mit Sensoren bestückt, deren Drucksignale zentral auf einen Stecker geführt werden.
Trend der Miniaturisierung auch im Alltag immer relevanter
«Dank unseres 3D-Verfahrens können wir die benötigte Elektronik präzise anbringen – trotz der komplex zu bearbeitenden Rundung», stellt Schmid die Vorteile der dreidimensionalen Bearbeitung dar. Kunden von Multiple Dimensions profitieren auf vielen Ebenen vom Potenzial der neuen Technologie – auch auf finanzieller. «Unsere State-of-the-Art-Methodik bieten wir nicht nur mit einer weltweit einzigartigen Expertise an, wir liefern sie zusätzlich auch noch kostengünstiger als viele andere Unternehmen auf dem Markt.»
Alle Produktionsschritte finden vollständig automatisiert in-house bei Multiple Dimensions statt. Wir bilden die komplette Prozesskette ab – vom Spritzgussverfahren über den Laservorgang und das Galvanisieren bis hin zum Bestücken der Elektronikkomponenten. Das spart Transportkosten und besonders Zeit; Ersparnisse, die wir gerne an unsere Kunden weitergeben», erklärt Johannes Schmid. Der Geschäftsführer von Multiple Dimensions ist sich sicher, dass hinsichtlich des Entwicklungspotenzials der 3D-MID-Technologie das Ende der Fahnenstange noch längst nicht in Sicht ist: «Das Voranschreiten der Miniaturisierung in allen Bereichen unserer Industriegesellschaft, zusammen mit dem Trend zu intelligenten Steckverbindern für die Industrie 4.0, sorgt dafür, dass die innovative 3D-MID-Technologie künftig noch umfassender Verwendung finden wird.»
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