Molded Interconnect Devices (MID)

Molded Interconnect Devices: MID

Bericht von B.Eng. Ferdinand Schäfer, Vorlesung: Hybrider Aufbau von Prof. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Fritz J. Neff, Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft, 12.12.13

1. Einleitung

Bei Molded Interconnect Devices (MID) handelt es sich um spritzgegossene Formteile mit strukturiertem Leiterbild. Sie werden darüber hinaus auch als Mechatronic Integrated Devices bezeichnet; hiermit wird der Trend, diese Formteile auch aus anderen Materialien als aus Thermoplasten und anderen Verfahren als dem Spritzguss herzustellen, mit eingeschlossen.

Die MID-Technologie nahm in den 1970er Jahren ihren Ursprung in den USA und Europa und erfuhr insbesondere in den 1990er Jahren einen starken Aufschwung, z. B. mit der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e. V.. Branchen, die sie anwenden sind insbesondere der Automotive-Bereich, die Medizintechnik oder auch die IT- und Telekommunikation. Dabei werden Anwendungsfelder wie die Sensor-Technik, Antennen oder Steckverbindungen bedient.

Konzentrierte Fortschritte im Bereich der Substratmaterialien, der Schaltungsträgerherstellung, bestehend aus Strukturierung und Metallisierung, sowie der Verbindungstechnologien haben den Aufschwung der MID forciert. Bedeutende Fortschritte sind insbesondere in den optischen, fluidischen, mechanischen, elektrischen und thermischen Funktionalitäten zu nennen.

Im allgemeinen Kontext der strenger werdenden Anforderungen an die Funktionalität, Integrationsdichte, Zuverlässigkeit und Kosten elektronischer Baugruppen, konnte die MID-Technologie, welche mit hoher Gestaltungsfreiheit die Realisierung hochintegrierter Systeme in einer rationalisierten Produktion bietet, eine starke Entwicklung verzeichnen.

2. Definition und Grundprinzip

Unter MID versteht man:

- Molded Interconnect Devices: spritzgegossene Formteile mit strukturiertem Leiterbild.
- Mechatronic Integrated Devices: Formteile, die darüber hinaus auch aus anderen Materialien als Kunstoffen (z. B. Thermoplasten) und anderen Verfahren als dem Spritzguss hergestellt werden.

Die Begriff „ räumliche elektronische Schaltungsträger “ beschreibt wohl am treffendsten diese Technologie.

Die Abbildung 1 soll einen ersten Einblick auf die Entstehung eines MID aus einem Schaltungsträger, auch Substrat genannt, und dem Schaltungslayout, geben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Grundprinzip zur Entstehung eines MID (Franke, 2013)

Beweggründe für MID können sein:

- Gestaltungsfreiheiten im Spritzgies-Prozess und die strukturierte Metallisierung erlauben es in MID-Teile direkt mechanische und elektrische, aber auch andere, wie z. B. optische, fluidische und thermische Funktionalitäten einzuarbeiten
- Speziell bei der Erweiterung auf Mechatronic Integrated Devices kommt zur Geltung, dass durch innovative Substratmaterialien neue Strukturierungsverfahren eingesetzt werden können, die den Zugang zu weiterreichenden Funktionalitäten und Anwendungsbereichen eröffnen.

Für das Verständnis von MID muss man beachten, dass neben einer räumlichen Integration auch eine stoffliche Verbindung zwischen Komponenten erfolgt. Normale mechatronische Systeme werden in der Regel durch die Kombination von Einzelkomponenten, welche wiederum mit konventionellen Aufbautechnologien hergestellt werden, gefertigt. Diese Art funktionsintegrierter Baugruppen ist gegenüber den MID somit aus modularen Einzelkomponenten aufgebaut.

Auch ist ein MID nicht auf eine dreidimensionale Leiterplatte zu beschränken, da in seinem Entstehungsprozess eine Vielzahl an Funktionalitäten aus unterschiedlichen Disziplinen, räumlich integriert und stofflich verbunden, kombiniert werden können.

Für MID gilt eine spezielle räumliche Klassifizierung in die Kategorien 2D, 2,1/2D, n×2D und 3D. Dabei werden die Anordnung und die Form der strukturierten und bestückten Prozessflächen betrachtet, um Anforderungen an den Fertigungsprozess ableiten zu können. Sowohl die Montage elektronischer Bauelemente als auch die Applizierung des Leiterbildes kommt dabei zum Tragen. Es soll nochmals betont werden, dass MID sich gegenüber konventionellen Leiterplatten, die meist als reine Flachbaugruppen mit planen Prozessflächen zu betrachten sind, abgrenzen.

3. Potenziale der 3D-MID-Technologie

Die Potenziale der MID-Technologie werden durch die eng verknüpfte Innovation von Produkt und Prozess vorangetrieben. Vor allem die geometrische Gestaltungsfreiheit ist ein verbreitetes Argument für diese Technologie, das insbesondere durch Möglichkeiten zur selektiven Strukturierung und Metallisierung gestützt wird.

Die Abbildung 2 soll die zentralen Stärken des Produkts MID aufzeigen, wobei sich insbesondere drei Kategorien herauskristallisieren lassen, die im Anschluss erläutert werden sollen:

- 3D-Anordnungen erlauben definierte Winkel zwischen Bauelementen, das Stapeln und präzise Positionieren von Chips und auch die Erzeugung von Kavitäten.

- Die Flexibilität beim Layout gestattet die integrierte Darstellung von MID Strukturen: Kontaktflächen zur Realisierung von Schalter, Sensoren, passive elektrische Funktionen (Kapazität, Induktivität oder Widerstand) und Antennen zum Senden oder Empfangen von EM-Wellen.
- Ähnlich hierzu können auch spezielle Gehäusefunktionen erreicht werden: Durch partiell vollflächige Metallisierung können z. B. EM-Abschirmungen, Kühlflächen zur Abführung elektrischer Verlustleistung oder Befestigungselemente abgebildet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Potenziale des Produkts MID (Franke, 2013)

Über die geometrische Vielfalt mit der Funktionsintegration hinaus sind die Miniaturisierung und Gewichtsreduzierung nennenswerte Pluspunkte des Produkts.

Auf Seiten des Prozesses, lässt sich ein enormes Rationalisierungspotenzial erkennen, das durch eine fertigungsoptimale und funktionsorientierte Produktentwicklung vorangetrieben wird: Eine geringere Teileanzahl und insbesondere die Reduzierung der Schnittstellen durch die Systemintegration, verkürzt die Prozesskette und vereinfacht die Herstellung, wodurch auch die Zuverlässigkeit des Produkts gesteigert werden kann.

4. MID-Herstellung und –Referenzprozess

Für MID wurden seit den Ursprüngen und dem Aufschwung in den 1990er Jahre zahlreiche Herstellungsverfahren entwickelt. Als Leitfaden ist der sogenannte MID-Referenzprozess zu nennen.

Alle Verfahren sind von dem Referenzprozess, wie er in Abbildung 3 aufgezeigt ist, abgewandelt. Dieser definiert drei Prozessstufen zur Herstellung des unbestückten MID-Formteils und eine weitere Prozessstufe als Verbindungsverfahren zur Komplettierung der Baugruppe.

Die verbreiteten Verfahren zur Herstellung des Formteils sind dort einzusehen, wobei die Wichtigsten hervorgehoben wurden. Auch wird eine Übersicht zu den Verbindungsverfahren gegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: MID-Referenzprozess und Verfahren (Franke, 2013)

5. Entscheidungshilfe zur MID-Technologie

Es gilt an dieser Stelle zu sagen, dass die Entwicklung räumlicher Schaltungsträger (MID) besonderen Herausforderungen unterliegt. Der spezielle Anspruch zur optimalen Nutzung der technologisch-ökonomischen Potenziale der MID-Technologie liegt in einem integrierten Produkt-, und Gestaltungsansatz. Eine Vielzahl an Einflussfaktoren macht den Entscheidungsprozess schwieriger als bei „herkömmlichen“ Technologien. Dadurch, dass der Prozess gekoppelt als Einheit abläuft, stauen sich Entscheidungskriterien. Eine gleichzeitige Berücksichtigung der technischen Anforderungen (Stromtragfähigkeit, chemische und thermische Beständigkeit) als auch der Materialien und die Vielzahl an MID-Herstellungsprozesse bergen komplexe Wechsel-wirkungen.

Soll mit MID auf Basis spritzgegossener Schaltungsträger eine elektronische Baugruppe realisiert werden, sind sowohl die Materialauswahl als auch ein anforderungs-gerechtes Strukturierungsverfahren entscheidend. Prinzipiell muss der Substratwerkstoff den Einsatzbedingungen gerecht werden und mit der Verbindungstechnologie im Prozess kompatibel sein. Eine haftfeste Metallisierung ist für die Langzeit-Zuverlässigkeit der Baugruppe unabdingbar.

6. Beispiel-Produkt: Smartphone Mehrband-Antenne

Branche/Anwendungsgebiet: Telekommunikation/Antenne

Firma: TE Connectivity

Serienstart: 2012

Produktionsanzahl: 30 M/Jahr

Träger-Material: PC(Polycarbonat)/ABS(Acrylnitril-Butadien-Styrol)

Formteilherstellung: 2K-Spritzgießen

Rundfunk-Funktionen: zelluläre (GSM/UMTS) und komplementäre (WLAN/GPS) Netze

Technologischer Hintergrund: Trotz der Restriktion in der Höhe des Smartphone, muss für ein gutes Frequenz-Verhalten der Antenne eine große Ausdehnung möglichst nahe der Hülle gewährleistet werden. Um zu gleich möglichst platzsparend zu sein, muss das gesamte Antennenmodul mit einer Dicke von 0,8 mm für Formteil und metallisierbare Komponente zusammen gefertigt werden. Eine Durch-Kontaktierung ist mit inbegriffen.

Quellen:

Räumliche elektronische Baugruppen (3D- MID), Jörg Franke, Hanser Verlag, 2013

http://www.3d-mid.de

http://www.lpkf.de/newsletter/rapid-pcb-prototyping/999/1026/index.htm

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