Ziel der Entwicklung

Im Zuge der Digitalisierung steigt spürbar der Bedarf an Schaltungen und Schaltungselektronik. Im gleichen Maße steigt somit das Anforderungsspektrum an die Schaltungsträger bzw. die Leiterplatten. In Abhängigkeit der Komplexität der Schaltung und der Einsatzbedingungen sind am Markt unterschiedliche Leiterplattentypen verfügbar. Die Typen unterscheiden sich im verwendeten Trägermaterial und im Lagenaufbau. Standard-Leiterplatten auf Basis von Verbundwerkstoffen, bestehend aus Epoxidharz und Glasfasergewebe, sind schon längst Massenware und in allen erdenklichen Ausführungen und Preisklassen erhältlich.
Ungeachtet dessen stehen zunehmend wachsende Ansprüche hinsichtlich der Zuverlässigkeit von Leiterplatten im Fokus der Anwender. Entscheidende Einflussgrößen sind neben dem Leiterplattenlayout vor allem die thermischen Eigenschaften vom Verbundmaterial, wie Glas-übergangstemperatur, Delaminationszeit, thermische Zersetzung und das Ausdehnungsverhalten in z-Richtung . Die Verwendung einer Standardleiterplatte auf Basis von Verbundmaterialien endet spätestens, wenn Hochleistungsbauelemente verschaltet werden sollen. Überdies stellen die hohen Anforderungen an den Brandschutz eine unüberwindbare Hürde dar.
An dieser Stelle kommen Metallkern- oder IMS-Leiterplatten (Insulated Metal Substrate) als bewährte Alternativen zu Standardleiterplatten zum Einsatz. Metallkernleiterplatten können große mechanischen Lasten aufnehmen und hohe Temperaturen abführen. Die hohe Wär-meleitfähigkeit des Metallkerns ermöglicht eine effektive Entwärmung der Leistungsbauteile und trägt somit erheblich zu einer hohen Ausfallsicherheit bzw. einer langen Laufzeit der Schaltungen bei. Typische Einsatzgebiete für diese Technologie sind Hochstrom-Anwendungen, Power-LEDs, SMD- und Power-Leiterplatten.
Bei Metallkernleiterplatten handelt es sich in der Regel um Leiterplatten mit einem Alumini-umkern. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt je nach Ausführung 1 – 7 W/mK. Bei einer schwer-entflammbaren Standardleiterplatte auf Basis von glasfaserverstärktem Epoxidharz (Typ FR4) beträgt die Wärmeleitfähigkeit ca. 0,3 W/mK.
Mit dem Aufbau von Leiterbahnstrukturen auf oberflächenmodifizierten Magnesiumsubstraten wird das Konzept der Metallkernleiterplatte aufgegriffen und weiterentwickelt. Das Vorhaben folgt dem Grundsatz der Ressourceneffizienz hinsichtlich Produkt- und Prozessgestaltung. Ziel ist es, durch die Kombination leistungsstarker Beschichtungsverfahren, auf einem Magnesiumsubstrat einen möglichst schlanken Schichtaufbau zu realisieren, der den Anforderungen an einen elektronischen Schaltungsträger gerecht wird. Im Fokus steht die Entwicklung einlagiger Leiterplatten, die für das Bestücken mit Leistungsbauelementen ausgelegt sind. Diese bieten als Metallkernleiterplatte ausgeführt eine sehr effektive Möglichkeit zur Entwärmung von Bauteilen über das Kernmaterial und sind zudem aufgrund der geringen Dichte von Magnesium außergewöhnlich leicht.
Besonders hervorzuheben ist, dass für die Beschichtung der neuartigen Schaltungsträger auf den Magnesiumlegierungen Technologien zum Einsatz kommen, bei der auf die Verwendung gesundheitsgefährdender Chemikalien verzichtet werden kann. Somit kann mit der Realisierung des Vorhabens ein wertvoller Beitrag zum Arbeitsschutz und zur Vermeidung von Sonderabfällen geleistet werden. Zusammengefasst soll ein Leichtmetallschaltungsträger entwickelt werden, der aufgrund seiner Produktmerkmale dem Zeitgeist der der Materialeffizienz und der Recycelbarkeit entspricht. Folgende Teilziele sind dabei gesteckt:
- Erzeugung haftfester, dielektrischer Schichten auf Magnesiumlegierungen mittels plasmachemischer Oxidation (PCO-Schicht)
- Optimierung der dielektrischen Eigenschaften der PCO-Schicht mittels Sol-Gel-Technik
-Erzeugung haftfester, lötbarer Kupfer-Schichten mittels Kaltplasmaspritzen
- Entwicklung einer prototypischen, einlagigen Magnesium-Metallkernleiterplatte, bestückt mit elektronischen Bauteilen

Vorteile und Lösungen

In Vorbereitung auf die Erzeugung der dielektrischen Sperrschichten mit dem Verfahren der Plasmachemischen Oxidation (PCO), die den Metallkern von den leitfähigen Strukturen isolieren, wurde für die Magnesiumlegierung eine beschichtungsgerechte Vorbehandlung entwickelt. Die Untersuchungen ergaben, dass sich der chemische Vorbehandlungsprozess auf das Entfetten und Beizen reduzieren lässt. Der beim Beizen im sauren Medium entstehende Belag (Beizbast) hat keinen nachweisbaren Einfluss auf die Schichtbildung mittels PCO. Folglich kann das in der Literatur empfohlene Dekapieren im basischen Medium als Prozessschritt entfallen. Damit verkürzt sich die Prozesskette auf das Reinigen im Ultraschallbad und einer Aktivierung in Phosphorsäure.
Anders als ursprünglich angenommen spielt die mechanische Vorbehandlung der Oberfläche eine untergeordnete Rolle. Die Erzeugung einer definierten Rauheit bietet bezüglich der Haftung der der dielektrischen Sperrschicht bzw. der PCO-Schicht keine nennenswerten Vorteile gegenüber einer chemisch gebeizten Oberfläche. Zudem birgt die mechanische Bearbeitung von Bauteilen aus Magnesium ein erhebliches Gefahrenpotential. Das Ergebnis der chemisch vorbehandelten Oberflächen bietet einen hinreichenden Haftgrund für die nachfolgenden Beschichtungsschritte, sodass es keiner zusätzlichen mechanischen Vorbehandlung der Oberfläche bedarf.
PCO-Beschichtung: Auf den beschichtungsgerecht vorbehandelten Magnesiumoberflächen wurden mittels PCO erfolgreich dielektrische Sperrschichten bis zu einer Schichtdicke von 120 µm erzeugt. Untersucht wurde unter anderem der Einfluss des Phosphorgehaltes und des pH-Wertes des Elektrolyten auf die Schichtbildung. Um eine dielektrisch Sperrschicht mit einer mittleren Durchschlagsfestigkeit von 400 V zu erzeugen, muss die Dicke der Sperrschicht mindestens 60 µm betragen. Neben der Elektrolytzusammensetzung wird die Schichtbildung maßgeblich durch die elektrischen Parameter des PCO-Verfahrens beeinflusst, die Spannungsfestigkeit ließ sich durch Variation dieser Parameter aber nicht signifikant erhöhen.
Sol-Gel-Beschichtung: Ziel war es daher, die Durchschlagsfestigkeit mittels Sol-Gel-Technologie weiter zu steigern. Durch das Imprägnieren der PCO-Platten mittels Sol-Gel-Technologie wurden Schichtkombinationen mit Durchschlagsspannungen von über 1000 V erzeugt. Höhere Schichtdicken vergleichbarer Sole scheinen keinen direkt proportionalen Einfluss auf die Spannungen haben, womit die richtige Materialauswahl entscheidender ist als die Dicke der aufgetragenen Schicht. Die besten Ergebnisse zeigte dabei das modifizierte Sol SILRES MSE 100.
Kupfer-Beschichtung: Es wurden erfolgreich mittels Kaltplasmaspritzen flächige Kupfer-schichten auf dielektrisch verstärkten Magnesiumkernen erzeugt. Die Kupferschichten mit Schichtdicken von bis zu 80 µm wurden charakterisiert und bewertet. Die Schichtdicke ist abhängig von der Anzahl der Beschichtungsdurchläufe, der Plasmaleistung, dem Spritzabstand, der Partikelgröße sowie die Dosierung des Pulvers. Die Morphologie der Schicht, insbesondere die Porosität, hängt maßgeblich von der Prozessführung ab. Bei hoher Leistung und niedrigem Spritzabstand sind die erzeugten Kupferschichten kompakt. Die Haftfestigkeit hängt von der Beschaffenheit der Oberfläche ab. Grundsätzlich spielt hierbei die mechanische Verklammerung zwischen dem Substrat und der gespritzten Kupferschicht eine entscheidende Rolle. Dicke Kupferschichten (>80 µm) neigen unter Krafteinwirkung aufgrund der inneren Eigenspannungen zur Delamination. Wie die Untersuchungen zeigten, hängt die elektrische Leitfähigkeit der Kupferschicht, neben der Schichtdicke, vom Sauerstoffgehalt ab. Bei hoher Leistung der Plasmaquelle, heizt sich das Substrat stark auf, was die Ausbildung der Oxidschicht auf der Kupferoberfläche fördert. Hieraus ergibt sich eine verringerte Leitfähigkeit.
Demonstrator: Auf Grundlage der entwickelten Beschichtungstechnologien bzw. Kombinati-onsschicht wurde eine einseitig bestückte Metallkernleiterplatte konzipiert. Zudem wurden für die einzelnen Beschichtungsschritte Vorrichtungen konstruiert und gefertigt. Für die Herstellung der prototypischen Leiterplatten wurden Magnesiumplatten der Größe (50x50x1,5) mm geschnitten und anschließend mittels Plasmachemischer Oxidation und Sol-Gel-Technik dielektrisch verstärkt. Anschließend wurde eine prototypische Leiterplatte mit einem stark vereinfachten Schaltungslayout hergestellt und entsprechend der Vorhabensplanung charakterisiert. Die Leiterplatten wurden unter verschärften Klimabedingungen ausgelagert und anschließend einer Funktionsprüfung unterzogen. Es konnte gezeigt werden, dass sich die entwickelte Leiterplatte bzw. die für deren Herstellung entwickelte Beschichtungstechnologie grundsätzlich für den Aufbau von einfachen schaltfähigen Strukturen eignet.

Zielgruppe und Zielmarkt

Der Leiterplattenmarkt ist mit Blick auf die weltweiten Absatzmärkte von den 3 großen „C“ (Computing, Communication und Consumer) dominiert, bedient in Europa aber vorwiegend die Segmente Industrie, Automotive und Luftfahrt. Zu den Zielmärkten für Metallkernleiterplatten gehören dabei besonders Licht-, Werbe-, Wohn-, Automobil-, Verkehrs- und Gebäudetechnik sowie der industrielle und medizinische Bereich. Exemplarisch für den Endkundenmarkt im Bereich der privaten bzw. gewerblichen Endkunden sei an dieser Stelle auf die Verwendung als Schaltungsträger für sogenannte High-Power LEDs hingewiesen. Beleuchtung mit LEDs ist einer der großen Wachstumsmärkte dieser Zeit. Die Hochleistungstechnologie erfordert einen Kühlkörper und eine Leiterplatte mit Metallkern um sicherzustellen, dass die Sperrschichttemperatur nicht so hoch ist, dass es zu einem Wirkungsverlust, einer Verkürzung der Lebensdauer oder einer Farbverfälschung kommt. Metallkernleiterplatten, bestückt mit High-Power LEDs, werden unter anderem in Beleuchtungen, Displays oder DLP-Projektoren verbaut. Überdies haben sie sich in der Automobiltechnik als fester Bestandteil von LED-Schweinwerfern, Motorsteuerung und Servolenkung etabliert.
Angestrebte Anwender der etnwickelten Technologie sind auch spezialisierte Galvanikfirmen, welche für Gerätehersteller im Lohnauftrag zum Beispiel Eloxal beschichten. Da diese meist nicht auf ein einzelnes Verfahren festgelegt sind, sondern neben der Galvanik noch zum beispiel Lackierungen anbieten, sollten sie in der Lage sein neben Eloxalbeschichtungen auf Plasmachemische Oxidation oder Kaltplasmabeschichtungen in ihre Fertigungsabläufe zu intergrieren.