3D-FUN - Funktionaler 3D Druck auf PCB und neuen flexiblen und dehnbaren Substraten

Abstract

Im Forschungsprojekt 3D-FUN verfolgten die Projektpartner Würth Elektronik und Notion Systems das Ziel, bestehenden Fertigungsprozess „Applikation von Lötstopplack“ zu optimieren und den Material-, Energie- und Chemikalieneinsatz deutlich zu reduzieren. Ausgangspunkt waren konventionelle Verfahren wie Vorhanggießen, Siebdruck und Sprühprozesse, die hohe Energie- und Materialverbräuche verursachen. Der Lötstopplack wird hierbei vollflächig aufgetragen, in langen Prozessstrecken verarbeitet und anschließend nasschemisch entfernt, was hohe Kosten und Umweltbelastungen erzeugt. Würth Elektronik strebte an, diese Prozesskette durch moderne Inkjet-Drucktechnologie zu ersetzen. Dadurch sollten Lötstopplack und Chemikalien signifikant eingespart, Prozessschritte verkürzt sowie der Energiebedarf gesenkt werden. Zur quantitativen Bewertung der Umweltwirkungen wurde das Öko-Institut e. V. mit einer orientierenden Ökobilanz nach DIN EN ISO 14040 beauftragt. Analysiert wurden u. a. Treibhauspotenzial, Primärenergiebedarf und Rohstoffverbrauch, um die Vorteile des additiven Druckverfahrens gegenüber dem konventionellen Prozess nachzuweisen. Ein Schwerpunkt des Projekts war die Entwicklung des „Minimal Design“-Ansatzes, bei dem der Lötstopplack ausschließlich selektiv auf Kupferstrukturen gedruckt wird. Untersuchungen konzentrierten sich auf die elektrische und mechanische Zuverlässigkeit sowie die Stabilität der freiliegenden FR4-Oberflächen nach dem Druckprozess. Zusätzlich wurde die Übertragbarkeit der neuen Prozesse auf flexible und dehnbare Substrate, insbesondere TPU, geprüft. Dieses Material ermöglicht niedrigere Verarbeitungstemperaturen und eröffnet Potenziale für energieeffizientere Folgeprozesse. Notion Systems verfolgte das Ziel, durch die Kombination aus präziser Anlagentechnik, angepasster Prozessführung und digitaler Datenintegration eine robuste und skalierbare Inkjet-Drucklösung für industrielle Prozesse zu entwickeln. Notion Systems entwickelte hierfür die drucktechnologische Basis, optimierte Druckparameter, Tropfenplatzierung und Schichtdicken. Würth Elektronik erzielte im Projekt wesentliche Fortschritte. Der Minimal Design Ansatz konnte erfolgreich umgesetzt werden, Material- und Energieverbräuche gingen deutlich zurück und die erforderlichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Leiterplatten blieben unverändert. Für dehnbare TPU-Folien wurden stabile Prozessparameter definiert und erstmals konnten 3D-Strukturen aus Lötstopplack erzeugt werden. Notion Systems schuf die methodischen Grundlagen für eine industrielle Integration des Inkjet-Drucks, identifizierte geeignete Prozessfenster und analysierte mehrere Lötstopplacksysteme. Künftige Arbeiten sollen Material- und Prozessstabilität weiter erhöhen sowie die Skalierung in die Produktion vorantreiben. Die Projektanalysen belegen klare ökologische Vorteile des Inkjet-Verfahrens gegenüber der Standardprozesskette. Einsparungen bei Energie, Chemikalien und Rohstoffen sowie geringere Treibhausgasemissionen zeigen, dass additive Druckprozesse sowohl ökologisch als auch wirtschaftlich vorteilhaft sind. Die Untersuchungen weisen zugleich auf Herausforderungen wie toxische Verbrennungsprodukte von FR4 hin und liefern wichtige Impulse für die Notwendigkeit der Weiterentwicklung nachhaltigerer Leiterplattensubstrate.