Abschlussbericht FV-Nr.: 326 ZN - Institut für Mikro- und ...

Abschlussbericht
FV-Nr.: 326 ZN
Thema:
Heißprägen von Kunststofffolien zum
Aufbau von Low Cost Flexschaltungen
Kurzbezeichnung: HP-KSF
Auftraggeber: AiF
Projektleiter: Dr. Horst Richter (HSG-IMAT)
Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke (FAPS)
Prof. Dr.-Ing. Dietmar Drummer (LKT)
Bearbeitungszeitraum: 01.07.2009 bis 30.06.2011
Datum:
29.08.2011
HSG-IMAT • Hahn-Schickard-Gesellschaft • Institut für Mikroaufbautechnik
Allmandring 9 B • 70569 Stuttgart • Telefon: +49 711 685-83712 • Telefax: +49 711 685-83705
Institutsleiter: Prof. Dr. H. Kück
FAPS • Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik •
Universität Erlangen-Nürnberg
Nordostpark 91 • 90411 Nürnberg • Telefon: +49 911 58058-14 • Telefax: +49 911 58058-30
Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr. J. Franke
LKT • Lehrstuhl für Kunststofftechnik • Universität Erlangen-Nürnberg
Am Weichselgarten 9 • 91058 Erlangen • Telefon: +49 9131 85-29700 • Telefax: +49 9131 85-29709
Institutsleiter: Prof. Dr. D. Drummer
1

Inhalt
Seite
1 Zusammenfassung 3
2 Einleitung und Problemstellung 4
3 Anforderungsprofil, Material- & Prozessauswahl, Versuchsplanung 5
4
4.1
4.2
4.3
4.4
5
5.1
5.2
5.3
5.4
Entwicklung und Bereitstellung der Kunststofffolien
Kunststofffolientypen
Entwicklung und Bereitstellung von Mehrschichtfolien seitens LKT
Bereitstellung von Ein- und Mehrschichtfolien durch Industriepartner
Folienübersicht und Folienauswahl
Charakterisierung der Kunststofffolien
Thermisches Verhalten von Ein- und Mehrschichtfolien
Mechanisches Verhalten strahlenvernetzter Mehrschichtfolien
Thermisches Ausdehnungsverhalten von Ein- und Mehrschichtfolien
Temperaturbeständigkeit von Ein- und Mehrschichtfolien im Lötprozess
6 Konzeption und Layout zum Aufbau flexibler Schaltungen 31
7
7.1
7.2
7.3
7.4
Strukturierung der Folien durch Heißprägen
Voruntersuchungen
Herausforderungen beim Heißprägen von Kunststofffolien
Optimierung des Prägeprozesses
Herstellung heißgeprägter Flexschaltungen
8 Verfahrensentwicklung zur Realisierung von Durchkontaktierungen 41
9 Charakterisierung heißgeprägter Flexschaltungen inkl. Durchkontaktierungen 46
10 Aufbau von Testbaugruppen 49
11
11.1
11.2
11.3
Zuverlässigkeitsuntersuchungen an Testbaugruppen
Prüfplan
Messung des Durchgangswiderstands und Schertests
Bestimmung der Biegeermüdungs- und Knickfestigkeit
12 Kontaktierung von Testschaltungen mit der Peripherie 59
13 Ausarbeitung von Empfehlungen 61
14 Literatur 63
Danksagung 63
8
8
9
14
18
19
20
24
28
30
33
33
34
36
40
51
51
52
56
2

1 Zusammenfassung
Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung von Low Cost Flexschaltungen auf
der Basis technischer Kunststofffolien in Kombination mit Heißprägetechnik. Hierfür wurde
zunächst eine größere Anzahl möglicher Kunststofffolien ausgewählt und hinsichtlich ihrer
thermomechanischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften charakterisiert.
Wichtige Kenngrößen waren dabei das Spannungs-Dehnungs-Verhalten, das Schmelz- und
Kristallisationsverhalten, der Elastizitätsmodul, der Ausdehnungskoeffizient und die
thermische Belastbarkeit. Die Kunststofffolien wurden durch Heißprägen strukturiert, wobei
die Heißprägebedingungen den speziellen Eigenschaften der Folien angepasst und auf gute
Leiterbahnhaftung sowie möglichst geringen Folienverzug und -verwölbung optimiert wurden.
Anhand dieser Untersuchungen wurden zwei Kunststofffolien, eine Mehrschichtfolie vom Typ
ABA auf Polyamid-Basis und eine Einschichtfolie auf Polyphthalamid-Basis für die weiteren
Entwicklungsarbeiten ausgewählt. Zusammen mit den zwei eingesetzten Heißprägefolien,
einer ED- und einer Walzfolie, ergab sich daraus eine 2 x 2 – Matrix für die eingehenderen
Untersuchungen, welche die Verfahrensentwicklung von Durchkontaktierungen, den Aufbau
eines Demonstrators und Zuverlässigkeitsuntersuchungen umfasste.
Für die Durchkontaktierung zweiseitig strukturierter Folien wurde ein Verfahren entwickelt,
welches mit nur drei Prozessschritten auskommt und keine Verwendung von Nasschemie
erfordert. Durch die Prozessabfolge Laserbohren / Heißprägen / Widerstandsschweißen
lassen sich damit zweilagige Leiterstrukturen schnell und mit kleinen
Durchgangswiderständen realisieren. Eine Weiterverarbeitung der geprägten
Leiterstrukturen mit Standardprozessen der Aufbau- und Verbindungstechnik konnte
ebenfalls nachgewiesen werden. Hierbei sind Maßnahmen zu treffen, um den Verzug und
die Verwölbung der Schaltungen zu kompensieren. Bei den beiden ausgewählten
Folienmaterialien ist eine ausreichende Wärmeformbeständigkeit vorhanden, um eine
Kontaktierung elektronischer Bauelemente mit bleifreien SnAgCu-Loten durchzuführen. Für
die Entwicklung einer Kontaktierung zwischen Folienschaltung und Peripherie wurde ein
Demonstrator mit LED-Bestückung aufgebaut. Als geeignete Verfahren wurden die
Kontaktierung mittels Kabel durch Löten und Mikroschweißen erfolgreich erprobt. Feuchte-
Wärme- und Temperaturwechseltests zur beschleunigten Alterung von unbestückten und
bestückten Folienschaltungen zeigen die hohe Zuverlässigkeit der geprägten
Leiterstrukturen wie auch der Lötstellen. Bei den Biegewechsel- und Knicktests weist
insbesondere die Polyamid-Mehrschichtfolie vom Typ ABA in Kombination mit der Walzfolie
eine hohe Zuverlässigkeitkeit gegenüber den anderen Materialkombinationen auf.
3

Insgesamt zeigen die dargelegten Ergebnisse das Potenzial von heißgeprägten
Flexschaltungen als kostengünstige Ergänzung zu aktuell eingesetzten Polyimidschaltungen.
Die wesentlichen Prozesse zu ihrer Herstellung wurden erarbeitet und geeignete
Materialpaarungen aufgezeigt. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
2 Einleitung und Problemstellung
Flexible Schaltungen werden heute überwiegend auf der Basis von Polyimidfolien
hergestellt, da diese neben sehr guten thermischen und elektrischen Eigenschaften auch
eine gute Metallisierungshaftung [1] aufweisen. Für die Erzeugung des Leiterbildes wird
zunächst eine Kupferstartschicht ein- oder beidseitig auf die Polyimidfolie aufgebracht. Dies
kann entweder durch Laminieren einer Kupferfolie mittels eines Klebers oder durch
Vakuummetallisierung erfolgen. Für einseitige Flexschaltungen führen dann die Schritte
Fotoprozess, Ätzen der Leiterstruktur, Abdeckfolie(-lack) aufbringen und Herstellung der
Endschicht zur fertigen Schaltung. Bei zweiseitigen Flexschaltungen mit
Durchkontaktierungen erfolgt vor dem Fotoprozess noch die Erzeugung und
Durchkontaktierung der Bohrungen durch chemische Metallisierung und galvanische
Verstärkung.
Flexible Schaltungen haben im Vergleich zu starren Schaltungsträgern eine ganze Reihe
entscheidender Vorzüge wie u.a. ihre Biegbarkeit und damit die Möglichkeit zur optimalen
Anpassung an vorhandene Gehäuseformen. Ein weiterer Vorteil ist die Gewichtsreduktion
des Schaltungsträgers oder der Baugruppe. Weiter lassen sie sich in nahezu jeder
beliebigen Form anfertigen und bei Bedarf mit sehr feinen Leiterbahnen und/oder mit
mehreren Metallisierungsebenen (Multilayer) versehen. Neben vielen Vorzügen haben
Flexschaltungen auf Polyimid-Basis aber auch material- bzw. herstellungsbedingte
Nachteile. So sind Polyimidfolien relativ teuer. Ihre Strukturierung ist aufwändig und benötigt
umfangreiches Prozessequipment. Aufgrund der notwendigen Anlagen und des Verfahrens-
Know-hows ist die Herstellung flexibler Schaltungen praktisch nur in entsprechend
ausgestatteten Leiterplattenwerken möglich. Aufgrund der hohen Feuchtigkeitsaufnahme von
Polyimid müssen Trocknungsprozesse vor der weiteren Verarbeitung (Löten, Bauelementebestückung)
vorgeschalten werden. Insgesamt gesehen ist die Herstellung von Polyimid-
Schaltungen also relativ aufwändig und damit kostenintensiv. Daher ist es wünschenswert,
auf eine kostengünstige und einfach verfügbare Alternative zurückgreifen zu können.
Eine preisgünstige und schnelle Methode zur Herstellung der Leiterbahnen auf einem
thermoplastischen Schaltungsträger ist das Heißprägen [2, 3]. Bei der Heißprägetechnik wird
über ein beheiztes Prägewerkzeug, auf dem sich das Schaltungslayout befindet, spezielle
kupferbasierte Folie, welche kommerziell erhältlich ist, unter Hitze und Druck auf einen
thermoplastischen Werkstoff aufgebracht. Die Kupferfolie wird dabei beim Prägeprozess
4

ausgestanzt und verbindet sich mit ihrer aufgerauten Rückseite mit der aufschmelzenden
Kunststoffoberfläche. Auf diese Weise wird das Leiterbahnlayout direkt vom Prägestempel
auf den Schaltungsträger übertragen. Das Verfahren ist voll automatisierbar und wird
industriell zur MID-Herstellung (Moulded Interconnect Device) in hohen Stückzahlen
eingesetzt [15].
Trotz der einfachen Prozessführung und der Kostenvorteile hat die Anwendung der
Heißprägetechnik zur Herstellung flexibler Schaltungsträger bisher keine Verbreitung
gefunden. Ein entscheidender Grund hierfür ist die Tatsache, dass Versuche, konventionelle
thermoplastische Kunststofffolien mittels Heißprägetechnik mit einer Leiterstruktur zu
versehen, im Regelfall keine befriedigenden Resultate ergeben. Wird bei einer zu niedrigen
Temperatur geprägt, ist die Metallisierungshaftung auf dem Kunststoffsubstrat unzureichend,
wohingegen hohe Prägetemperaturen zu Formveränderungen oder darüber hinaus zur
Zerstörung der Kunststofffolie führen [4]. Um die beschriebene Problematik zu lösen, wurden
im Rahmen dieses Vorhabens u. a. Mehrschichtfolien für die Strukturierung mittels
Heißprägen untersucht. Diese Mehrschichtfolien sind so aufgebaut, dass eine in der Mitte
befindliche höher schmelzende Trägerschicht der Folie die notwendige mechanische
Stabilität verleiht, während die außen aufgebrachte thermoplastische Kunststoffschicht mit
einer im Vergleich niedrigeren Schmelztemperatur den Verbund zur Heißpräge-
Metallisierung gewährleistet. Vor dem Hintergrund möglichst kostengünstige
Flexschaltungen zu entwickeln wurden bevorzugt technische Thermoplaste untersucht.
Insgesamt wurden die Kunststofffolien so ausgewählt, dass sie für das Heißprägen wie auch
die Verarbeitung im bleifreien Lötprozess ausreichend thermisch belastbar und damit
möglichst mit den gängigen Prozessen der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT)
kompatibel sind. Entsprechende Folien wurden entweder von der Industrie bereitgestellt oder
vom Projektpartner LKT aus Kunststoffgranulat und Folienvorprodukten hergestellt.
3 Anforderungsprofil, Material- & Prozessauswahl, Versuchsplanung
Zu Projektbeginn wurde ein vorläufiges Anforderungsprofil (Tabelle 3.1) erstellt, bei welchem
alle wichtigen Eigenschaften und die Kriterien in Bezug auf das Heißprägen und Bestücken
der Kunststofffolien aufgelistet sind. Primär wurde davon ausgegangen, dass
Folienschaltungen hergestellt werden können, welche mit Standardloten (SnAgCu-Lot,
Sp = 217 °C) und -prozessen (Konvektionslöten, Tmax = 260 °C bzw. Dampfphasenlöten,
Tmax = 230 °C) weiter verarbeitet werden können. Als Alternative wurden niedrig
schmelzende SnBi-Lote (Sp = 138 °C) in die Tabelle aufgenommen für den Fall, dass die
Folienschaltungen thermisch nicht ausreichend belastbar sein sollten.
5

Aufbau der
Kunststofffolien
Temperaturbelastbarkeit
Schmelzverhalten
Folienmaterial
- Prinzipieller Aufbau der Mehrschichtfolien: B = Trägerfolie, A = Haftfolie
bzw. Haftschicht
- Zweischichtaufbau Typ AB oder Dreischichtaufbau Typ ABA für
einseitige flexible Schaltungen
- Dreischichtaufbau Typ ABA für zweiseitige flexible Schaltungen
- Kurzzeitig abhängig vom AVT-Prozess:
SnAgCu: (ca.60 sec) 260°C (Konvektionslötprozess)
SnBi-Lot: (ca.60 sec) 160°C (Konvektionslötprozess) (Fall back solution)
- Dauertemperaturbeständigkeit abhängig vom Anwendungsfeld (am Bsp.
Automobil): Motorraum: 125 °C / motornah: >150 °C / Innenraum: 85 °C
- Folie B sollte eine deutlich höhere Schmelztemperatur aufweisen als
Haftschicht A (Temperaturdifferenz z.B. 40-50 °C)
- Bevorzugt: Technische Thermoplaste wie z.B. teilaromatische PA
- Alternativ: Strahlenvernetzbare Thermoplaste (z.B. PA, PBT), Folien mit
Füllstoffen, High Performance Thermoplaste (PPS, PEI, PEEK)
Dicke der Folien - Gesamtdicke: 80 – 150 µm (Industrie) bzw. > 150 µm (LKT)
Mechanische und
thermomechanische
Eigenschaften der Folie
Heißprägbarkeit der
Kunststofffolien
Bohrbarkeit der
Kunststofffolien
Konfektionierung der
Folien
Lagerung der Folien
Zuverlässigkeitsuntersuchungen
an Folien
nach DIN
Charakterisierung der Folien durch:
- Spannungs-Dehnungs-Verhalten
- E-Modul, temperaturabhängig (DMA)
- Schmelz- und Kristallisationsverhalten (DSC)
- Ausdehnungskoeffizient (TMA)
- Verbundfestigkeit des Mehrschichtaufbaus und Reißfestigkeit
- Die Kunststofffolie soll beim Heißprägen keine strukturelle Änderung
(Verwölbung/Verzug) erfahren, welche die nachgeschalteten Prozesse
beeinträchtigt
- Die Haftung der Leiter auf der Folie sollte > 1 N/mm betragen (Peeltest)
- Die Restfolie sollte sich nach dem Prägeprozess leicht entfernen lassen
- Die Wulstbildung sollte < 80 µm sein
- Die Kunststofffolien sollten bevorzugt lasertechnisch für die Einbringung
von Bohrungen für die Durchkontaktierung strukturierbar sein
- Die Folien sollen für die Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung auf Arbeitsbreite
zuschneidbar sein
- Die Folien sollen für die Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung auf Pappkernen
wickelbar sein, ohne dass die Folie beim Wickeln verklebt
- Die Folien sollen bei Lagerung unter kontrollierten Bedingungen (T, rel.
LF, Licht) ihre Eigenschaften nicht verändern
- Die Lagerungszeit der Folien soll mindestens 12 Monate betragen
- Die Folienschaltungsträger sollen den Anforderungen der gängigen
Zuverlässigkeitstests (rascher Temperaturwechsel (EN 60068-2-14),
trockene Wärme (EN 60068-2-2), feuchte Wärme (EN 60068-2-67),
Vibration (EN 60068-2-27) und Biegezyklen-Tests (IPC/JPCA- 6202)
entsprechen
- Die Bedingungen der Zuverlässigkeitstests sind abhängig von der
geplanten Anwendung
ROHS-Konformität - Die Folienschaltungsträger sollen den VDE-Richtlinien hinsichtlich der
Schadstoffverordnung entsprechen (z.B. keine flammhemmenden
Zusätze auf Br-Basis)
Tabelle 3.1: Anforderungsprofil an die Kunststofffolien zu Projektbeginn
6

Die zu untersuchenden Kunststofffolien wurden einerseits am LKT hergestellt, wobei der LKT
auf Kunststoffgranulat sowie auf Folienvorprodukte der Industrie zurückgreifen konnte. Des
Weiteren wurden Kunststofffolien durch die Industriepartner zur Verfügung gestellt, wobei
neben kommerziell verfügbaren Produkten auf PET-Basis (Mitsubishi Polyester Film) vor
allem Versuchsprodukte auf PA-Basis (BASF, EMS-Chemie) aber auch PPS-Folien (Ticona)
eingesetzt wurden. Eine Übersicht der untersuchten Kunststofffolien ist im Abschnitt 4
enthalten.
Als Heißprägefolien wurden sowohl ED-Folien (electro deposited, galvanisch abgeschiedene
Folien) als auch Walzfolien eingesetzt. Da Walzfolien nicht direkt heißgeprägt werden
können, benötigen sie eine Vorstrukturierung der Leiterbahnstrukturen mittels Laser. Als
weiterer wichtiger Unterschied ist zu erwähnen, dass sie im Vergleich zu ED-Folien ein viel
feineres Rückseitentreatment aufweisen (Bild 3.1). Des Weiteren sind Walzfolien weitaus
weniger spröde als ED-Folien, was gerade im Bezug auf flexible Schaltungen ein
bedeutender Vorteil ist. Tabelle 3.2 zeigt die wichtigsten Eigenschaften beider Folientypen.
ED-Folie Walzfolie
Bild 3.1: REM-Aufnahmen des Rückseitentreatments und Querschliffe von ED-Folien und
Walzfolien im Vergleich
7

Eigenschaft ED-Folie [5] Walzfolie [6]
Foliendicke (µm)
Bruchdehnung (%)
Zugfestigkeit (N/mm²)
Knicktest
Reißtest (N)
Prägbarkeit
Folienoberseite (typisch)
Treatment Folienrückseite
Rauhigkeit Ra (µm)
Rauhigkeit RZ (µm)
Haftung (N/mm) auf PA6T/66Grivory HT2V-3H
25
2-4
400-600
1x
0,15
gut
Sn
Cu/CuO
2-5
20-30
> 2
Tabelle 3.2: Eigenschaften der ausgewählten Heißprägefolien im Vergleich
25
0-2,5
300-450
3x – 6x
0,3 – 0,35
gut nach Laservorschnitt
Cu (passiviert)
Cu/Zn
0,2-0,5
2-5
1,2
In der ersten Projekthälfte wurde ein breites Spektrum an Kunststofffolien auf ihre Eignung
zum Heißprägen untersucht. Nach diesem Screening wurde die Anzahl der in Betracht
kommenden Kunststofffolien stark eingeschränkt. Die verbleibenden Folien wurden
entsprechend dem Anforderungsprofil eingehender getestet, wobei auch weitere Kriterien
wie Verfügbarkeit und Preis berücksichtigt wurden. Letztendlich wurden zwei Kunststofffolien
ausgewählt („2 x 2 Matrix“, Abschnitt 7), mit welchen dann alle fortlaufenden Arbeiten wie die
Entwicklung von Durchkontaktierungen, Testschaltungen für Zuverlässigkeitsuntersuchungen
und Aufbau von Demonstratoren durchgeführt wurden.
4 Entwicklung und Bereitstellung der Kunststofffolien
4.1 Kunststofffolientypen
Bei der Herstellung wie auch der Bereitstellung thermoplastischer Kunststofffolien als flexible
Basismaterialien für den Einsatz in Low Cost-Flexschaltungen wurden verschiedene Ansätze
verfolgt.
Zum einen wurden Mehrschichtfolien aus zwei Kunststoffschmelzen mittels der Adapter-
Coextrusion im so genannten Chill-Roll-Verfahren am LKT hergestellt. Dieser
Verfahrensansatz wurde für artgleiche, technische Kunststoffe gewählt und insbesondere für
Kombinationen aus technischen Thermoplasten, deren maximale Temperaturdifferenz im
Schmelzepeak einen Wert von 40 °C nicht überschritten.
8

Bei höher schmelzenden Kunststoffen wie etwa aromatischen Polyamiden sowie
Hochleistungsthermoplasten wurden aufgrund der stark erhöhten Schmelztemperatur der
Weg über Einschichtfolien als zweiter Ansatz in der Herstellungsfolge zum flexiblen
Schaltungsträger gewählt. Die Einschichtfolien wurden seitens des LKT extrudiert
(Trägerfolien) bzw. konnten durch Industriepartner als Versuchsprodukte (Haft- und/oder
Trägerfolien) für das Projektvorhaben in jeweils kleinen bis größeren Umfängen zur
Verfügung gestellt werden. Die Einschichtfolien wurden unter anderem in die
Untersuchungen zur Strukturier- und Metallisierbarkeit durch Heißprägen (Abschnitt 7) sowie
zum Aufbau und zur Zuverlässigkeit von Testbaugruppen (Abschnitt 10) einbezogen.
Darüber hinaus wurden Vorprodukte von Haftfolien genutzt, um diese einerseits mittels
Heißpressens auf das höher schmelzende Trägerfoliensubstrat zu laminieren, zum anderen
um diese während des Extrusionsprozesses nach dem Düsenaustritt der Kunststoffschmelze
über ein Walzensystem zuzuführen. Ergänzend konnten zudem durch den Industriepartner
BASF gefertigte Mehrschichtfolien mit ABA-Schichtaufbau für das Projektvorhaben
unmittelbar genutzt werden.
4.2 Entwicklung und Bereitstellung von Mehrschichtfolien seitens LKT
Bei der Herstellung von Mehrschichtfolien wurde am LKT für preisgünstige, technische
Thermoplaste mit Schmelztemperaturen bis etwa 230 °C der Verarbeitungsansatz der
verfügbaren Adapter-Coextrusion verfolgt. Die Herstellung folienförmiger Halbzeuge erfolgte
dabei im Flachfolienextrusionsverfahren mit Chill-Roll.
Die verwendete und in Bild 4.2.1 gezeigte Flachfolienanlage des LKT bestand aus den
beiden Einschneckenextrudern Collin E30M der Firma Dr. Collin, Ebersberg, sowie Leistritz
LSM 30/34 GL der Firma Leistritz, Nürnberg, welche jeweils mit einer Schnecke des
Durchmessers 30 mm bei einem L/D-Verhältnis von 25 ausgestattet war. Für die
Zusammenführung der Kunststoffschmelzen besaß die Anlage einen Coex-Adapter der
Firma Dr. Collin, welcher zwischen die Extruder und eine Breitschlitzdüse von 250 mm Breite
integriert wurde. Die Kühlung, der Abzug sowie die Konfektionierung der extrudierten
Mehrschichtfolien auf Rolle wurde schließlich über eine Chill-Roll Anlage der Fa. Dr. Collin,
Typ CR136/350, realisiert.
9

Coex-
Feedblock
Bild 4.2.1: Flachfolienanlage zur Herstellung von Mehrschichtfolien mittels Coextrusion
links: Einschneckenextruder, Coex- Feedblock (Adapter) und Breitschlitzdüse
rechts: Chill-Roll Anlage mit vertikaler 3-Walzen-Einheit und Folienzuführung
Zur Herstellung von coextrudierten Mehrschichtfolien als Basismaterial für flexible
Schaltungsträger wurden aufgrund ihrer individuellen Vorteile verschiedene, technische
Kunststofftypen ausgewählt, Tabelle 4.2.1. Um deren Beständigkeit bei den im bleifreien
Lötprozess herrschenden Temperaturen bis etwa 260 °C kurzzeitig sicherzustellen, wurden
diese Kunststofftypen von der Firma PTS, Adelhofen, mit speziellen Monomeren versehen,
welche nach der Herstellung von Folien deren Strahlenvernetzung und damit Erweiterung
der thermischen Einsatzgrenze ermöglichen.
Kunststoff Bezeichnung Schmelzpunkt
[°C]
PA12-X
(Haftschicht)
PA12-X
(Trägerschicht)
V-CREAMID-
12H2*M807/05
V-CREAMID-
12H2*M807/13
PBT-X V-CREATEC-
B4HZC*M800/25
TPE-X V-UNIFLEX-
E25D/M*M800/20
Folienzuführung
(optional)
3-Walzen-
Einheit
max. Wasseraufnahme
[%]
Bestrahlungsdosis
[kGy]
177 °C 1,6 66
177 °C 1,6 66
220 °C 0,5 165
182 °C -- 165
Tabelle 4.2.1: Ausgewählte strahlenvernetzbare Kunststoffe für die Folien-Coextrusion;
Eigenschaften und optimale Bestrahlungsdosis nach Herstellerangaben
Polybutylenterephthalat (PBT) weist eine niedrige Wasseraufnahme auf, wobei die
mechanischen Eigenschaften des Materials durch diese Feuchtigkeit nicht beeinflusst
werden. Dies stellt einen deutlichen Vorteil gegenüber Polyamiden dar. Polyamid 12 (PA12)
10

enötigt zur Vernetzung nur eine geringe Dosis von 66 kGy. Dies birgt das Potential
kostengünstiger Vernetzung und somit wirtschaftlicher Vorteile. Darüber hinaus hat es
gegenüber anderen Polyamiden eine geringe Wasseraufnahme. Das Eigenschaftsprofil von
thermoplastischen Elastomeren (TPE) kann von gummiartig bis zum hochflexiblen
technischen Thermoplast reichen und lässt damit Vorzüge im Hinblick auf eine gute
Haftfestigkeit der Metallisierung auf der Kunststoffoberfläche erwarten.
Die in Tabelle 4.2.1 genannten strahlenvernetzbaren Kunststofftypen wurden im
Coextrusionsverfahren zu zwei Mehrschichtfolien des Schichtaufbautyps AB mit jeweiliger
Gesamtdicke von ca. 150 µm kombiniert
• eine Mehrschichtfolie artgleicher Kunststoffmatrix PA12, keiner Schmelz-
•
temperaturdifferenz und unterschiedlichem Vernetzungsmittelgehalts von 5%
(Haftschicht A) bzw. 13% TAIC (Trägerschicht B) sowie
eine Mehrschichtfolie, aufgebaut aus den Kunststoffmatrices PBT und TPE mit
Schmelztemperaturdifferenz von etwa 40 °C.
Die Verarbeitungsparameter der Folienextrusion wurden im Hinblick auf einen stabilen
hochviskosen Schmelzeaustrag, eine gute Oberflächenqualität sowie Dickenkonstanz über
den Folienquerschnitt eingestellt und sind in Tabelle 4.2.2 aufgeführt.
Im Anschluss an die Fertigung der beiden Mehrschichtfolientypen wurde deren
Elektronenbestrahlung im Rahmen des Projektes von der Firma Beta Gamma Service
(BGS), Saal a. d. Donau, mit einem 5 MeV Elektronenbeschleuniger durchgeführt. Die
jeweilige Dosis wurde dabei in Teilschritten von jeweils 33 kGy aufgebracht, um eine zu
starke Erwärmung der Proben zu vermeiden. Der Vernetzungsgrad wurde mittels
Gelwertanalyse ebenfalls von BGS bestimmt. Zur Charakterisierung der Effekte einer
Elektronenbestrahlung auf die coextrudierten Kunststofffolien kamen im Späteren DSC
(Schmelz- und Kristallisationsverhalten), Zugversuche (σ-ε-Verhalten) und Rotationsviskosimetrie
(Nachweis der Rest-Steifigkeit) zum Einsatz (Abschnitt 5).
Mit den beiden ausgewählten Materialkombinationen konnten Mehrschichtfolien des Typs AB
mittels der Adapter-Coextrusion auf Rolle hergestellt werden (Bild 4.2.2). Dabei zeigte sich
auch eine herrschende Schmelztemperaturdifferenz bis zu etwa 40 °C zwischen den beiden
Kunststoffschmelzen (Folie Nr. 4) als Prozessgrenze für die Fertigung von Mehrschichtfolien
im besagten Coextrusionsverfahren mit Coex-Feedblock (Adapter).
11

lauf. Nr. 3 lauf. Nr. 4
Schicht A B A B
Kunststoff PA12-X
(5% TAIC)
PA12-X
(13% TAIC)
Extruder Collin E30M Leistritz LSM
30/34 GL
TPE-X PBT-X
Collin E30M Leistritz LSM
30/34 GL
Zone 1 [°C] 235 235 200 260
Zone 2 [°C] 245 245 195 260
Zone 3 [°C] 250 250 195 255
Zone 4 [°C] 250 250 190 250
Zone 5 [°C] -- 250 -- 250
Drehzahl
[min -1 ]
8 40 11 60
Flansch [°C] -- 250 -- 250
Adapter [°C] 250 210 250
Coex-Feedblock
[°C]
Breitschlitz-
düse
250 240
Collin BS 250 mm Collin BS 250 mm
Zone 1 [°C] 250 250
Zone 2 [°C] 250 250
Zone 3 [°C] 250 250
Spaltweite [µm] ~ 550 ~ 600
Chill-Roll Collin CR136/350 Collin CR136/350
Walze, oben [°C] 80 80
Walze, unten [°C] 80 40
Abzug [m/min] 2,42 2,94
Schichtdicke
Mehrschicht [µm] ~ 150
A
B
~ 150
50 µm 50 µm
Einzelschicht [µm] ~ 30 ~ 120 ~ 30 ~ 120
Tabelle 4.2.2: Verarbeitungsparameter bei der Coextrusion von Mehrschichtfolien
A
B
12

Bild 4.2.2: Hergestellte Mehrschichtfolien des Typs AB im Coextrusionsverfahren
links: Mehrschichtfolie auf Basis artgleicher Kunststofftypen (PA12)
rechts: Mehrschichtfolie auf Basis von Kunststofftypen mit akzeptabler
Schmelztemperaturdifferenz (TPE/ PBT)
Bei höheren Differenzen im Schmelzepeak können sich hingegen infolge der eingestellten
Temperaturen im Coex-Adapter und in der Düse stark erniedrigte Viskositäten seitens der
Haftschichtmaterialien zeigen, während sich die Materialien der jeweiligen Trägerschichten
noch vergleichsweise höher viskos verhalten. Infolgedessen kommt es in der Düse zu
Schmelzeumverteilungen, wobei der niedrig viskosere Kunststoff der Haftschicht
vornehmlich durch den Verteilerkanal und nur in geringem Maße über das Drosselfeld
strömt. Daraus resultiert ein inhomogener Düsenaustritt der Haftschichtschmelze, so dass es
an den Folienrändern zu Masseanhäufungen kommt und sich zugleich nur wenig Material in
der Folienmitte ansetzt. Zudem lassen sich Abbauerscheinungen der Haftschichtmaterialien
aufgrund der erhöhten Verarbeitungstemperaturen erwarten. Diesen Sachverhalt
verdeutlichen exemplarisch durchgeführte Untersuchungen zur Coextrusion strahlenvernetzbarer
Kunststofftypen mit erhöhter Schmelztemperaturdifferenz. Bild 4.2.3 zeigt hierzu das
Ergebnis einer Oberflächeninspektion für eine exemplarische Kombination der Kunststoffe
PA9T (Schmelztemperatur Tm = 304 °C) und PA6 (Tm = 220 °C) und folgliche Differenz hierin
von über 80 °C.
13

Strahlenvernetzbare
PA 9T-Schicht
25 µm
Masseanhäufung des
strahlenvernetzbaren PA 6
Inhomogene Verteilung des
strahlenvernetzbaren PA 6 in
der Folienmitte
Bild 4.2.3: Oberfläche und Materialverteilung einer coextrudierten Mehrschichtfolie bei Aus-
wahl von Materialien mit zu großer Schmelztemperaturdifferenz
Aufgrund der dargelegten Sachverhalte ist es hier nicht möglich, mittels der Coextrusion
angemessene Mehrschichtfolien herzustellen. Separat durchgeführte Extrusionsversuche
belegen jedoch, dass sich das eingesetzte PA9T, Bezeichnung Genestar N1006C-H31 von
der Firma Kuraray (Beimischung von 5 Gew.-% Vernetzungsadditiv) mit einem entsprechend
abgestimmten Temperaturprofil ohne Weiteres zu einer einwandfreien Einschichtfolie
verarbeiten ließe.
4.3 Bereitstellung von Ein- und Mehrschichtfolien durch Industriepartner
Von der Firma BASF, Ludwigshafen, wurden zu Beginn des Vorhabens drei
Mehrschichtfolien auf Polyamid-Basis zur Verfügung gestellt. Es handelt sich dabei um
Versuchsfolien des Typs ABA. In Tabelle 4.3.1 sind die verwendeten Materialien und
wichtigsten Eigenschaften der Folien zusammengestellt. Aus den eingefügten
Querschliffbildern sind die Dicken der Einzelschichten ersichtlich.
14

Tabelle 4.3.1: Aufbau und Eigenschaften von Mehrschichtfolien auf PA-Basis (BASF)
Unter den in Tabelle 4.3.1 aufgelisteten Folien wies die Folie Nr. 6 die besten Eigenschaften
(Dicke Haftschicht, Schmelztemperatur Trägerschicht) auf und wurde daher in die
eingehenderen Untersuchungen einbezogen (siehe Abschnitt 7; „2 x 2 – Matrix“).
Darüber hinaus wurden von der Firma EMS-Chemie, Domat/Ems zum Ende der ersten
Hälfte des Projektvorhabens zwei Einschichtfolien auf der Basis von Polyphthalamid (PPA),
welche sowohl für den Einsatz als Trägerschicht in Mehrschichtfolien in Frage kommen
können wie auch für die direkte Beprägung mit Leiterbahnbildern mittels des Heißprägens,
und eine Einschichtfolie auf PA1010-Basis, vorgesehen für den Einsatz als Haftfolie für die
heißgeprägte Metallisierung (Tabelle 4.3.2), in verschiedenen Dicken zur Verfügung gestellt.
lauf. Nr. 8A lauf. Nr. 8B lauf. Nr. 9
Bezeichnung Grivory FE 8211 Grilamid XE 4019 Grivory FE 8215
Kunststoff PPA PA1010 PPA
Schmelztemp.
[°C]
260 198 268
Dicke [µm] 30 / 120 / 150 30 / 120 / 150 30 / 120 / 150
Tabelle 4.3.2: Aufbau und Eigenschaften von Einschichtfolien (EMS-Chemie)
An der Folie Nr. 9 wurde im Weiteren unmittelbar mit Untersuchungen zum direkten
Heißprägen auf der Folienoberfläche, zur Zuverlässigkeit sowie zum Aufbau von
Testbaugruppen begonnen. Zuschnitte der Folien 8A und 8B wurden am LKT für
orientierende Heißpressversuche mit einer 4-Säulen-Presse des Typs Blue Tiger Systems
ACU 100 HPV im Sinne der Herstellung der zweilagigen Folie 8 des Typs AB verwendet.
Hierzu kam ein beheizbares Stempelwerkzeug mit planer Oberfläche zum Einsatz. Die
15

Pressversuche wurden jeweils nahe der Schmelztemperatur des verwendeten
Trägersubstrats Grivory FE 8211 von 260 °C durchgeführt, wobei die Stempelkontaktzeit
(Wärmeeintrag, starkes Aufschmelzen der Haftschicht) wie auch der Pressdruck
(Verformung, Schmelzeaustrieb der Haftkomponente) aus den genannten Gründen äußerst
minimal gehalten werden mussten. Hierüber konnte eine zunächst äußerlich verbundfest
erscheinende Kombination der beiden isoliert gefertigten Folienschichten realisiert werden.
Im nachfolgenden Schritt des Heißprägens stellte sich unter erneuter Temperatur- und
Druckeinwirkung allerdings eine Delamination der Mehrschichtfolie in ihre beiden
Einzelschichten ein, weshalb diese Folie in weiterführende Untersuchungen nicht mit
einbezogen wurde.
Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen mit den Versuchsfolien der EMS-Chemie,
dass unter den gegebenen Randbedingungen des Heißpressens sich der Verbund aus
höher und niedrig schmelzenden Einschichtfolien nur vorübergehend realisieren lässt, wurde
unter Einsatz der Haftfolie PA1010 ein zusätzlicher Ansatz für die Herstellung von
Mehrschichtfolie gewählt. Hierzu wurde die Möglichkeit der Chill-Roll Anlage am LKT
genutzt, Folienbahnen kontinuierlich bzw. in Form von Zuschnitten vor der 3-Walzen-
Kühleinheit der Oberfläche des aus der Düse heiß heraustretenden Schmelzefilms
zuzuführen. Die Wärme der Schmelze wird dabei für ein Anschmelzen des
Haftfolienvorproduktes genutzt und dessen leichtes Andrücken durch eine Glättwalze lässt
einen haftfesten Verbund erwarten. Vor diesem Hintergrund wurde Einschichtfolie auf PPA-
Basis mit der Flachfolienanlage am LKT extrudiert. Eingesetzt hierfür werden konnte ein als
Granulat von der Firma Evonik, Marl, zur Verfügung gestellte PA10T-Kunststofftyp. Die
Parameter für die Folienextrusion sind in Tabelle 4.3.3 zusammengefasst.
Werkstoff PA10T (lauf. Nr. 10)
Bezeichnung Vestamid HTplus TGP 3521
Düsentemperatur [°C] 300
Kühlwalzentemperatur [°C] 120
Drehzahl Extruder [min -1 ] 60
Abzugsgeschwindigkeit
[m/min]
2,8
Foliendicke ohne
aufkaschierte Haftfolie [µm]
~ 150
Foliendicke einschl.
aufkaschierte Haftfolie [µm]
~ 170
Tabelle 4.3.3: Parameter zur Herstellung von PA10T-Folien
Der aus der Breitschlitzdüse extrudierte PA10T-Schmelzefilm wurde in die vertikale 3-
Walzen-Einheit der Flachfolienanlage eingefädelt. Dabei wurden in periodischen Abständen
16

Zuschnitte der Einschichtfolie PA1010 zugeführt, welche unter Temperatureinwirkung der
Schmelze bzw. dem Walzendruck haftfest mit dem extrudierten Trägersubstrat PA10T
verbunden werden konnte. Die über das Kaschieren von Kunststoffschmelze durch
vorgefertigte Folienhalbzeuge hergestellte Mehrschichtfolie des Typs AB konnte daraufhin in
die weiteren Untersuchungen eingebunden werden.
Weitere Folien aus dem Bereich der Hochleistungskunststoffe wurden seitens der Firma
Ticona, Oberhausen, bereitgestellt. Hierbei handelt es sich um vier Einschichtfolien auf PPS-
Basis, eine ungefüllte und drei mit Glasfaser bzw. Mineralstoffen gefüllte Varianten (Tabelle
4.3.4).
Bezeichnung Fortron 0320
(ungefüllt)
lauf. Nr. 11 lauf. Nr. 12 lauf. Nr. 13 lauf. Nr. 14
Fortron 1115L0 –
gefüllt 15% Gf.
(weiß)
Fortron 1120L0 –
gefüllt 20 % Gf.
(schwarz)
PPS
Entwicklungstyp
gefüllt 20 % Min.
Schmelztemp.
(°C)
115
220 270 -
Dicke (µm) 180 - 190 310 - 330 210 – 220 190
Tabelle 4.3.4: Aufbau und Eigenschaften von Einschichtfolien auf PPS-Basis (Ticona)
Insbesondere die Folie Nr. 14 zeigte bei den Untersuchungen eine gute Heißprägbarkeit und
hohe Haftfestigkeitswerte. Dennoch wurde diese Folie nicht in die weiteren Untersuchungen
einbezogen, da sie nur in Versuchsmengen zur Verfügung stand und durch Ticona nicht
mehr nachgeliefert werden konnte.
17

4.4 Folienübersicht und Folienauswahl
Nr. Folien-
typ
Material
A B
Hersteller
(Granulat)
Dicke
µm
Präg-
barkeit
Verfügbarkeit
Lötbeständigkeit
Dampf-
phase
1 ABC PET (Hostaphan RHS) Mitsubishi 85 + + - -
2 AB PC+ABS
(Makrolon 3103 MAS175 +
Bayblend T65)
3 AB PA12
(V-PTS-Creamid-12H2*M80/05)
4 AB TPE
(V-Uniflex-E25D/M*M800/20)
5 ABA PA6
(Ultramid B33L + 1% U180)
6 ABA PA66+PA6
(Ultramid A3401 +
25% Ultramid B33L)
PC
(Bayblend T65)
PA12
(V-PTS-Creamid-12H2*M80/13)
PBT
(V-Createc-B4HZC*M800/25)
PA66
(Ultramid A3401 + 1% Micronuk)
PA6/6T
(Ultramid TKR4531)
LKT
(Bayer)
LKT
(PTS)
LKT
(PTS)
150 - +
Kon-
vektion
150 - + + -
150 - + + -
BASF 130 + + -
BASF 130 + + + +/o
7 ABA PA66 (Ultramid A3401) PA6/6T (Ultramid TKR4531) BASF 120 + o +
8 AB PA1010 (Grilamid XE 4019) PPA (Grivory FE 8211) LKT
(EMS)
220 - + -
9 A PPA (Grivory FE 8215) EMS 110 + + + +
10 AB PA1010 (Grilamid XE 4019) PA10T
(PPA VESTAMID HTplusTGP3521)
LKT
150
(EMS+Degussa)
+ -
11 A PPS (Fortron 0320) Ticona 180 - -
12 A PPS (Fortron 1120L0) Ticona 320 - -
13 A PPS (Fortron 1115L0) Ticona 220 - -
14 A PPS (Entwickungstyp) Ticona 190 + - +
18

5 Charakterisierung der Kunststofffolien
Die in Abschnitt 4 hergestellten Ein- und Mehrschichtfolien bzw. die als Folienprodukt durch
Industriepartner bereitgestellten Kunststofffolientypen wurden primär hinsichtlich des
thermischen Gebrauchsverhaltens (Schmelz- und Kristallisationsverhalten) sowie des
mechanischen Verhaltens unter erhöhter Temperatur (thermische Ausdehnung,
Temperaturbeständigkeit) charakterisiert. Die im Folgenden dargestellten Untersuchungen
sowie die zur Generierung der Ergebnisse eingesetzten Analysemethoden sind in Tabelle
5.1 in einer Übersicht nach den Folientypen gegliedert dargestellt. Ergänzend zu den
konsistent an allen Folientypen durchgeführten DSC- und TMA-Untersuchungen wurden an
der Folie Nr. 1 des Typs ABC eine so genannte µTA (Mikro-Thermische Analyse)
durchgeführt, welche unter anderem Erkenntnisse über die Zusammensetzung sowie
Beprägbarkeit dieses Folientyps erbringen sollte. An den coextrudierten
strahlenvernetzbaren Mehrschichtfolien Nr. 3 und 4 wurde zusätzlich der Nachweis der Rest-
Steifigkeit über Kristallitschmelztemperatur (Temperaturbeständigkeit für bleifreie
Lötprozesse) durch Rotationsviskosimetrie sowie die Isotropie im Spannungs-Dehnungs-
Verhaltens in Zugversuchen ermittelt. An den in Abschnitt 4.4 gelisteten PPS-Folientypen
wurde aufgrund unzureichender Verfügbarkeit auf Analysen verzichtet.
Folientyp
lauf. Nr.
Werkstoff Foliendicke
[µm]
Dosis
[kGy]
Analyse-
methoden
1 PET 85 -- DSC, TMA, µTA
3 PA12 / PA12 150 66 DSC, TMA,
Rotationsviskosimetrie,
Zugversuch
4 TPE / PBT 150 165 DSC, TMA,
Rotationsviskosimetrie,
Zugversuch
5 PA6 / PA66 130 -- DSC, TMA
6 PA66+PA6 / PA6/6T 130 -- DSC, TMA
7 PA66 / PA6/6T 120 -- DSC, TMA
8A PA1010 30 / 120 / 150 -- DSC, TMA
8B PPA 30 / 120 / 150 -- DSC, TMA
9 PPA 30 / 120 / 150 -- DSC, TMA
10B PA10T 150 / 260 -- DSC, TMA
Tabelle 5.1: Übersicht der ausgewählten Untersuchungen und angewandten Methoden
19

5.1 Thermisches Verhalten von Ein- und Mehrschichtfolien
Die Folie Nr. 1, welche von der Firma Mitsubishi Polyester Film zur Verfügung gestellt wurde,
lieferte bereits zu Projektbeginn in orientierenden Vorversuchen am HSG-IMAT äußerst gute
Prägeergebnisse. Diese Mehrschichtfolie auf Basis von PET des Typs ABC wurde am LKT
einer Mikro-Thermischen Analyse (µTA) unterzogen, eine Analysentechnik, welche die
Möglichkeiten der Thermischen Analyse und der örtlich hochauflösenden Rasterkraftmikroskopie
verknüpft. Das Rasterkraftmikroskop mit Messsonde, welche sowohl als
Temperatursensor als auch als Wärmequelle dienen kann, ermöglicht neben der
Bestimmung der Oberflächentopographie der Probe auch eine Ermittlung der thermischen
Eigenschaften oberflächennaher Bereiche. Das Ergebnis der µTA an der PET-Folie zeigt Bild
5.1.1, wobei links die ermittelten Wärmeeigenschaften über den Querschnitt (Prägeseite
gekennzeichnet) und rechts die jeweilige Eindringtiefe des Temperatursensors (Messsonde)
an den ausgewählten Messpunkten ersichtlich ist. Zwischen der amorphen PET-Schicht
(Messpunkte 1 bis 3), auf die die Leiterstruktur geprägt wird, und der höher kristallinen
PET-Schicht (Messpunkte 4 bis 6) lässt sich eine Differenz von rund 220 °C im
Schmelzpunkt ermitteln. Während die amorphe Haftschicht aufschmilzt und den Formschluss
mit der Metallisierung eingeht, ist die hinreichende Temperatur- und Formstabilität
maßgeblich auf die Kristallinität der PET-Trägerschicht zurückzuführen.
Bild 5.1.1: Thermische Eigenschaften der Mehrschichtfolie auf PET-Basis (Mitsubishi
Polyester Film) bei einer zugrunde liegenden Heizrate von 10 K/s
Mit den Folien Nr. 3 und 4 wurden Mehrschichtfolien des Typs AB erstmalig qualitativ aus
den strahlenvernetzbaren technischen Thermoplasten PA12, PBT und TPE unter
Anwendung des Coextrusionsverfahrens erzeugt. Diese Folien mussten nach der
Herstellung durch den Schritt der Elektronenbestrahlung strahlenvernetzt werden, um eine
kurzzeitige Erweiterung der thermischen Einsatzgrenzen in für gängige AVT-Prozesse
20

charakteristische Temperaturbereiche, etwa bleifreies Löten mit Spitzentemperaturen bis ca.
260 °C, zu erzielen.
Die Bilder 5.1.2 und 5.1.3 zeigen die Ergebnisse von DSC-Untersuchungen zur
Charakterisierung des Einflusses der Bestrahlung auf das Aufschmelz- und Kristallisationsverhalten
der beiden coextrudierten Mehrschichtfolien. Die Kristallitschmelztemperatur sinkt
nach der Bestrahlung mit jeweils für den Werkstoff charakteristischer Dosis, was auf eine
Störung des kristallinen Aufbaus durch die energiereiche Strahlung zurückzuführen ist.
Bild 5.1.2: Aufschmelzverhalten der bestrahlten und unbestrahlten, mittels Coextrusion
hergestellten Mehrschichtfolien
links: Werkstoffkombination PA12 / PA12 (Folie Nr. 3)
rechts: Werkstoffkombination TPE / PBT (Folie Nr. 4)
DSC; Einwaage 3-5 mg; Heiz-/Kühlrate 10 °C/min; Spülgas Stickstoff
Bild 5.1.3: Kristallisationsverhalten der bestrahlten und unbestrahlten, mittels Coextrusion
hergestellten Mehrschichtfolien
links: Werkstoffkombination PA12 / PA12 (Folie Nr. 3)
rechts: Werkstoffkombination TPE / PBT (Folie Nr. 4)
DSC; Einwaage 3-5 mg; Heiz-/Kühlrate 10 °C/min; Spülgas Stickstoff
21

Sowohl Kristallisationsstart- und Kristallisationspeaktemperatur beim Abkühlen verschieben
sich mit der Bestrahlung zu niedrigeren Temperaturen. Dieser Effekt deutet auf eine
Vernetzung der Polymerketten hin. Dabei kann die durch die Vernetzungsstellen verminderte
Kettenbeweglichkeit die Kristallisation behindern.
Folie 3
1. Aufheizen Abkühlen 2. Aufheizen
Tpm [°C] ΔHm [J/g] Teic [°C] Tpc [°C] Tpm [°C] ΔHm [J/g]
Mehrschichtfolie (PA12 / PA12)
unbestrahlt 176,6 44,18 155,8 153,1
171,7 und 177,4
(Doppelpeak)
54,85
bestrahlt (2 x 33 kGy) 172,1 41,98 151,9 147,3 171,3 47,76
Haftschicht (PA 12 + 5 % TAIC)
unbestrahlt 176,3 46,52 155,3 151,5
171,0 und 177,2
(Doppelpeak)
54,34
bestrahlt (2 x 33 kGy) 171,4 46,74 149,7 145,1 171,3 50,33
Trägerschicht (PA 12 + 13 % TAIC)
unbestrahlt 176,4 46,06 155,9 153,2
171,9 und 177,2
(Doppelpeak)
55,47
bestrahlt (2 x 33 kGy) 171,8 43,64 152,1 147,5 171,0 50,05
Tabelle 5.1.1: Thermische Eigenschaften von Ein- und Mehrschichtfolie (Folie Nr. 3)
Tpm = Peaktemperatur des Schmelzens, ΔHm = Schmelzenthalpie,
Teic = Extrapolierte Anfangstemperatur der Kristallisation,
Tpc = Peaktemperatur der Kristallisation
Folie 4
1. Aufheizen
Tpm [°C] ΔHm [J/g]
Abkühlen
Teic [°C] Tpc [°C]
2. Aufheizen
Tpm [°C] ΔHm [J/g]
Mehrschicht (TPE / PBT)
unbestrahlt 219,8 27,00 199,0 195,1
214,9 und 223,2
(Doppelpeak)
33,91
bestrahlt (5 x 33 kGy) 216,4 30,10 197,5 191,0
214,2 und 219,3
(Doppelpeak)
34,28
Haftschicht (TPE)
unbestrahlt
W
H
1,3
182,7
14,41
12,60
-22,2
161,0
-34,4
139,7
-5,0
176,9
10,01
14,71
bestrahlt W -4,2 7,78 -22,5 -39,1 -1,1 8,15
(5 x 33 kGy) H 159,6 9,45 133,0 96,4 165,5 12,06
Trägerschicht (PBT)
unbestrahlt 218,7 35,15 198,9 194,7
213,2 und 221,9
(Doppelpeak)
40,22
bestrahlt (5 x 33 kGy) 216,0 29,88 197,1 189,9 215,2 35,55
Tabelle 5.1.2: Thermische Eigenschaften von Ein- und Mehrschichtfolie (Folie Nr. 4)
Tpm = Peaktemperatur des Schmelzens, ΔHm = Schmelzenthalpie,
Teic = Extrapolierte Anfangstemperatur der Kristallisation,
Tpc = Peaktemperatur der Kristallisation, W = Weichkomponente,
H = Hartkomponente
22

Die entsprechenden thermischen Kennwerte, wie sie für beide strahlenvernetzten Coex-
Folientypen sowie die Einzelschichten in DSC-Untersuchungen ermittelt werden konnten,
sind in Tabelle 5.1.1 und 5.1.2 zusammengefasst.
Die von der BASF zur Verfügung gestellten Mehrschichtfolien des Typs ABA auf Basis
unterschiedlicher Polyamide (PA6, PA66, PA6/6T) bzw. Polyamid-Blends (PA6+PA66), vgl.
Mikroskopieaufnahmen in Bild 5.1.4, wurden in DSC-Untersuchungen vorrangig in Bezug auf
ihre Aufschmelzcharakteristik hin untersucht. Die Ergebnisse der DSC zeigen dabei, dass
insbesondere die beiden mit PA6/6T in der Mittelschicht versehenen Folientypen eine
hinreichende Temperaturstabilität aufweisen, Bild 5.1.5.
200 µm 50 µm
50 µm
Bild 5.1.4: Mikroskopieaufnahmen von Querschnitten der Mehrschichtfolien auf PA-Basis
(BASF); Folie Nr. 5 bis 7 von links nach rechts
Im Vergleich zu Folie Nr. 5 erscheint Folie Nr. 6 infolge des Wärmestromverlaufs für
Prägeversuche interessant. Die für die eingesetzten Polyamidwerkstoffe charakteristischen
Kristallitschmelzbereiche treten in den verschiedenen Folientypen der Firma BASF in
unterschiedlichem Maße in Erscheinung.
Bild 5.1.5: Aufschmelzverhalten von Mehrschichtfolien auf PA-Basis (BASF)
23

Die Untersuchungen zum Aufschmelzverhalten der Kunststofffolientypen werden durch die
Ergebnisse der DSC an den von der Firma EMS-Chemie zur Verfügung gestellten beiden
Trägersubstrate auf PPA-Basis (Folie Nr. 8B und 9) sowie der PA1010-Haftfolie (Folie Nr.
8A) komplettiert, Bild 5.16. Zusätzlich ist hier als Ergebnis auch die Wärmestromkurve der
am LKT extrudierten PA10T-Einschichtfolie ersichtlich.
Bild 5.1.6: Aufschmelzverhalten von Trägerfolien auf Basis PPA (PA10T) sowie PA1010-
Haftfolie (EMS-Chemie, Evonik)
Anhand der für die PPA-Einschichtfolien ermittelten DSC-Kurven der 1. Aufheizphase lassen
sich grundlegende Effekte der Nachkristallisation belegen, welche in stark unterschiedlichen
Temperaturbereichen auftreten. Schmelzepeaktemperaturen können hierbei innerhalb eines
Bereichs von etwa 240 bis 270 °C detektiert werden. Für die Haftfolie, welche auf PA1010
basiert, zeigt sich in der DSC-Untersuchung ein erstes Erweichen im Temperaturbereich um
die 20 bis 60 °C und eine Peaktemperatur des Aufschmelzens bei ca. 200 °C. Für die
verbundfeste Erzeugung von Mehrschichtfolien bedarf es hierzu einer Temperaturdifferenz
von mindestens 40 bis 70 °C zu überwinden, um die oberflächennahe Anschmelzung der
Trägerfolie zu erzielen. Ein übermäßiges Aufschmelzen der Haftfolie, welches unter anderem
im Schmelzeaustrieb resultiert, ist dabei gleichzeitig kaum zu vermeiden.
5.2 Mechanisches Verhalten strahlenvernetzter Mehrschichtfolien
Das mechanische Verhalten vernetzter und unvernetzter Folien ist anhand von Speicherund
Verlustmodulkurven aus der Rotationsviskosimetrie in Bild 5.2.1 für die coextrudierte
Mehrschichtfolie PA12 / PA12 (Folie Nr. 3) und in Bild 5.2.2 für die Mehrschichtfolie TPE /
PBT (Folie Nr. 4) dargestellt.
24

Anhand des Oszillationsversuchs im Platte/Platte-Rheometer zeigt sich für die unvernetzte
Variante von Folie Nr. 3 in Bild 5.2.1 ab ca. 162 °C ein starker Abfall des Speichermoduls.
Bei 179 °C ist der Schnittpunkt zwischen Speichermodul und Verlustmodul zu erkennen, der
den Beginn des Fließens kennzeichnet.
Bild 5.2.1: Temperaturabhängiger Speicher- und Verlustmodul von unbestrahlter und
vernetzter Mehrschichtfolie auf der Basis von PA12
Platte/Platte-Rheometer (Oszillationsversuch); Heizrate 3 °C/min; Frequenz 1 Hz;
Strain 0,2 %
Dies korrespondiert mit dem im Rahmen der DSC-Untersuchung festgestellten
Schmelzverhalten. Dabei schmelzen die kristallinen Anteile des Materials vollständig,
wodurch der Bindungszusammenhalt der Makromoleküle verloren geht. Demnach besitzt die
unbestrahlte Folie keine Reststeifigkeit nach Einsetzen des Kristallitschmelzens, wodurch es
in einem Reflow-Lötprozess zum Fließen und damit zum Verlust an Formstabilität kommt. Im
vernetzten Zustand ist ein ähnlicher Verlauf des Speichermoduls festzustellen. Allerdings
erfolgt dabei zu keinem Zeitpunkt eine Kreuzung mit der Verlustmodulkurve, wonach die
strahlungsinduzierten Vernetzungspunkte der Folie im lötrelevanten Temperaturbereich bis
260 °C die erforderliche Reststeifigkeit verleihen und ein Fließen verhindern. Zwar
schmelzen auch im vernetzten Material die kristallinen Anteile ab etwa 172 °C auf, jedoch
gewährleisten die vorrangig in den amorphen Bereichen induzierten Vernetzungspunkte
auch oberhalb der Schmelztemperatur den lötrelevanten molekularen Zusammenhalt.
Daraus abgeleitet lässt sich bereits eine potentielle Eignung dieser strahlenvernetzten
Mehrschichtfolie für einen bleifreien Reflow-Lötprozess erwarten. Die Heißprägbarkeit der
Folie Nr. 3 gilt es allerdings in entsprechenden Versuchen nachzuweisen.
25

Der Schnittpunkt zwischen Speicher- und Verlustmodul liegt für die unbestrahlte
Mehrschichtfolie Nr. 4 bei 195 °C und kennzeichnet den Beginn des Fließens. Auch bei der
vernetzten Mehrschichtfolie muss entgegen der bislang für Strahlenvernetzung bekannten
Sachverhalte ein derartiger Schnittpunkt bei etwa 213 °C festgestellt werden, der auch hier
auf ein Fließen hindeutet. Da die Trägerschicht bei dieser Temperatur allerdings noch im
entropieelastischen Zustand vorliegt, könnte vielmehr das Kollektiv aus Temperatur und
Scherbeanspruchung in der Rotationsviskosimetrie zu einem Ablösen der TPE-Haftschicht
führen, was sich in den Messergebnissen schließlich fälschlich als Kreuzungspunkt der
Modulkurven darstellt. Anhand der am strahlenvernetzten Verbund vorgenommenen
Oszillationsversuche kann eine Erweiterung der thermischen Einsatzgrenzen infolge der
zusätzlichen Elektronenbestrahlung festgestellt werden. Dies wird unter anderem im
insgesamt höheren Niveau des Speichermodulverlaufs und im verzögerten Einsetzen des
Kurvenabfalls deutlich (Bild 5.2.2). Inwiefern diese Materialkombinationen nach der
Elektronenbestrahlung allerdings bei Temperaturen oberhalb der Kristallitschmelztemperatur,
im Bereich bleifreier Löttemperaturen von kurzzeitig mehr als 250 bis 260 °C, eine erhöhte
Reststeifigkeit behält, ist im realen Lötprozess zu verifizieren.
Bild 5.2.2: Temperaturabhängiger Speicher- und Verlustmodul von unbestrahlter und
vernetzter Mehrschichtfolie auf der Basis von PBT und TPE
Platte/Platte-Rheometer (Oszillationsversuch); Heizrate 3 °C/min; Frequenz 1 Hz;
Strain 0,2 %
Der Einfluss der Elektronenbestrahlung auf die mechanischen Eigenschaften der beiden
coextrudierten Mehrschichtfolien wird in Bild 5.2.3 anhand des Spannungs-Dehnungs-
Verlaufs dargestellt. Die Bestrahlung führt dabei insbesondere zu einer Erhöhung der
26

Streckspannung und zum Rückgang von Streck- und Bruchdehnung. Dies weist auf die
Vernetzung der Werkstoffe unter Einwirkung der energiereichen Strahlungen hin.
Bild 5.2.3: Spannungs-Dehnungs-Diagramme für unbestrahlte (links) und vernetzte
Mehrschichtfolien (rechts) , längs und quer zur Extrusionsrichtung
oben: Mehrschichtfolie auf der Basis von PA12
unten: Mehrschichtfolie auf der Basis von TPE und PBT
Zugversuch nach DIN EN ISO 527-1; Prüfklima 23 °C, 50 % rel. Luftfeuchtigkeit;
v(E-Modul) = 0,3 mm/min; v(σ-ε-Verhalten) = 15 mm/min; Wassergehalt < 0,2%
Die Zugfestigkeitswerte der beiden Folientypen werden hingegen von der
Elektronenbestrahlung nicht signifikant beeinflusst. Insgesamt können den Mehrschichtfolien
damit weitgehend isotrope mechanische Eigenschaften bescheinigt werden (Bild 5.2.4).
Geringfügige Unterschiede in den Festigkeits- und Dehnungskennwerten längs und quer zur
Extrusionsrichtung der Folien können durch Orientierung der Makromoleküle im
Extrusionsprozess hervorgerufen werden.
27

Folie Folie Folie Folie
Folie Folie Folie Folie
Nr. 3 Nr. 3X Nr. 4 Nr. 4X Nr. 3 Nr. 3X Nr. 4 Nr. 4X
Bild 5.2.4: Mechanische Kennwerte coextrudierter Mehrschichtfolien, längs und quer zur
Extrusionsrichtung (X = strahlenvernetzt)
links: Zugfestigkeit von Mehrschichtfolien vor und nach der Bestrahlung
rechts: Bruchdehnung von Mehrschichtfolien vor und nach der Bestrahlung
5.3 Thermisches Ausdehnungsverhalten von Ein- und Mehrschichtfolien
Die thermische Ausdehnung von Ein- und Mehrschichtfolien hängt maßgeblich von den
verwendeten Materialien, den Temperaturen, der Richtung (längs oder quer zur Extrusionsrichtung)
sowie von der zugrunde gelegten Foliendicke ab. Der thermische
Ausdehnungskoeffizient (CTE: Coefficent of Thermal Expansion) von Kunststoffen allgemein
und von dünnen, flächigen Kunststofferzeugnissen wie Folien im Speziellen stellt sich dem
von Kupfer mit 17 ppm/°C gegenüber stark erhöht dar (Bilder 5.3.1 bis 5.3.3).
Bild 5.3.1: Thermisches Ausdehnungsverhalten von coextrudierten Mehrschichtfolien des
Typs AB längs (links) und quer zur Extrusionsrichtung (rechts) vor und nach der
Elektronenbestrahlung
28

Bild 5.3.2: Thermisches Ausdehnungsverhalten von PA-Mehrschichtfolien des Typs ABA
längs (links) und quer zur Extrusionsrichtung (rechts)
Bild 5.3.3: Thermisches Ausdehnungsverhalten von PPA- und PA1010-Einschichtfolien
längs (links) und quer zur Extrusionsrichtung (rechts)
Sprunghafte Änderungen des CTEs sind hierbei insbesondere bei erhöhten Temperaturen
oberhalb der materialspezifischen Glasübergangstemperaturen gegeben, wenn die
Molekülbeweglichkeit deutlich zunimmt. Hieraus resultieren mehr oder minder stark
ausgeprägte Kontraktionsdifferenzen zwischen dem Kupfer und der Kunststofffolie während
dem Abkühlvorgang nach dem Heißprägen, sodass es zu einer Folienverwölbung kommt,
wie es im Bild 5.3.4 schematisch dargestellt ist.
29

Bild 5.3.4: Entstehung der Folienverwölbung aufgrund von Kontraktionsdifferenzen
zwischen Kupfer und Kunststoff während des Abkühlvorgangs
Liegt darüber hinaus eine Verformungsbehinderung vor, so kommt es zum Aufbau von
Wärmespannungen im mittels Formschluss kombinierten Verbund aus Kunststoff und Metall,
wie etwa Kupfer, das eine grundlegend andere Wärmeausdehnung zeigt. Infolge deren nichtlinearen
Verlaufs bei Kunststoffen mit der Temperatur kommt es zum Aufbau von
Spannungen, die besonders im grenzflächennahen Bereich als Schubspannungen wirken.
Aufgrund der Dehnungsbehinderung des Metalls werden im Kunststoffteil Druckspannungen
hervorgerufen, die wiederum als Zugspannungen auf die Metallschicht wirken. Vor diesem
Hintergrund sollte das verwendete Ein- bzw. Mehrschichtfoliensubstrat bei erhöhter Wärme
durch die möglichst geringe sowie isotrope Wärmeausdehnung gekennzeichnet sein.
Betrachtet man die in den Bildern 5.3.1 bis 5.3.3 gezeigten Ergebnisse der TMA-
Untersuchungen, so lassen diesbezüglich Folie Nr. 5 (maximaler CTE bis etwa 150 ppm/°C
bei erhöhter Temperatur) sowie die Folien 9 und 10 (maximaler CTE bis zu ca. 200 ppm/°C)
vielversprechende Prägeergebnisse erwarten.
Das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten längs und quer zur Extrusionsrichtung der
Folien, wie es sich anhand der TMA-Untersuchungen zeigt, kann dabei durch Orientierungen
der Makromoleküle im Extrusionsprozess hervorgerufen werden.
5.4 Temperaturbeständigkeit von Ein- und Mehrschichtfolien im Lötprozess
Für ein Screening wurden die bereitgestellten unbeprägten bzw. mit Standardparametern
geprägten Folien in den Lötprozessen untersucht. Im Vordergrund standen dabei das
Dampfphasenlöten sowie das Konvektionslöten für bleifreie Lote. Bei den Loten handelte es
30

sich um ein niedrigschmelzendes SnBi-Lot sowie ein Standard-SnAgCu-Lot, das in der
Elektronikproduktion als Ersatz für SnPb-Lote verwendet wird. Die Einstellungen
entsprachen weitestgehend den Standardprofilen für die Herstellung von Elektronikbaugruppen
auf Basis starrer FR4-Leiterplatten. Die Foliensubstrate wurden auf einen planaren
Träger aufgelegt und im Lötofen prozessiert und der Verzug sowie die Verwerfung vor und
nach dem Löten bewertet.
Für das SnBi-Lot mit einer Schmelztemperatur TLiquidus = 138 °C zeigten alle Folien außer Nr.
8 eine ausreichende Formbeständigkeit im Lötvorgang. Für das höherschmelzende SnAgCu-
Lot mit TLiquidus = 217 °C hingegen erzielte nur Kunststofffolie Nr. 9 eine akzeptables
Ergebnis.
Aufgrund der geringen thermischen Massen der Foliensubstrate war es allerdings möglich,
die Einstellungen der Heizzonen im Peakbereich des Konvektionsofens um 30 °C auf 260 °C
abzusenken. Ein zuverlässiges Umschmelzen der Lotpaste auf den Folien auch bei den
reduzierten Temperaturen wurde in Versuchen mit aufgebrachten Lotpastendepots bis zu
einem Volumen von ca. 0,22 mm³ nachgewiesen. Eine Temperaturmessung ergab eine
Peaktemperatur von ca. 230 °C. Bei diesen Ofeneinstellungen zeigte die Folie Nr. 6 zwar
eine leichte Verfärbung, die Formbeständigkeit gewährleistet allerdings eine ausreichende
Verarbeitbarkeit der Substrate in der Aufbau- und Verbindungstechnik. Hinsichtlich des
Dampfphasenlötens konnte die Auswahl aus den Versuchen am Konvektionsofen bestätigt
werden. Aufgrund der maximal auftretenden Temperaturen im Prozess von 230 °C, die durch
den Siedepunkt des verwendeten Mediums bestimmt wird [7], waren der Verzug und die
Verwölbung an den Probefolien vergleichbar mit den Ergebnissen einer Verarbeitung im
Konvektionslötprozess.
6 Konzeption und Layout zum Aufbau flexibler Schaltungen
Wie die Übersichtstabelle im Abschnitt 4.4 zeigt, wurde eine relativ große Anzahl von
Kunststofffolien auf ihre prinzipielle Eignung zum Heißprägen untersucht. Als
Bewertungskriterien wurden dabei im Wesentlichen Verzug und Verwölbung der
Kunststofffolie sowie die Haftung der Leiterstruktur herangezogen. Dies erfolgte an einem
Layout, welches neben diversen Einzelstrukturen beispielsweise für Widerstandsmessungen
(Abschnitt 9) oder Montage von Bauelementen eine Leiterbahnstruktur speziell für
Haftfestigkeitsmessungen aufweist (Bild 6.1).
Die Verfahrensentwicklung zur Realisierung von Durchkontaktierungen (Abschnitt 8) erfolgte
an einem einfachen Layout, welches beidseitig vier Felder aufweist, die über DurchkontaktierungenDurchkontaktierungen
miteinander verbunden werden (Bild 6.2). Durch das
Versetzen der Strukturen von Ober- zu Unterseite können dabei auch
Durchgangswiderstände leicht mit der Vierpunktmessmethode ermittelt werden.
31

Bild 6.1: Testlayout für Haftfestigkeits-
messungen
Bild 6.2: Layout für die Entwicklung von
Durchkontaktierungen
Für Zuverlässigkeitsuntersuchungen (Abschnitt 11) wurden zwei weitere Layouts
ausgewählt. Ein Layout weist streifenförmige Leiter mit einer Länge von bis zu 10 cm auf
(Bild 6.3). Die Streifenleiter wurden nach dem Heißprägen aus dem Gesamtschaltbild
herauspräpariert und für Biegezyklentests verwendet.
Für Umwelttests (Temperaturschock- und Feuchte-Wärme-Test) wurde eine Baugruppe mit
diskreten Widerständen in einer Daisy-ChainAnordnung ausgewählt (Bild 6.4). Die einzelnen
Widerstände sind dabei so ausgelegt, dass im Falle eines Ausfalls eine
Widerstandsänderung Aufschluss darüber liefert, an welcher Stelle der Ausfall erfolgt ist
(Abschnitt 10).
Bild 6.3: Layout mit Streifenleitern für
Biegezyklentests
Bild 6.4: Layout mit Widerständen für
Zuverlässigkeitstests
Zum Aufbau einer Testbaugruppe wurde eine Schaltung ausgewählt, welche mit LEDs und
weiteren Bauelementen bestückt ist. Bei diesem Demonstrator erzeugt das Anlegen einer
Spannung von 3 V ein wechselseitiges Aufleuchten der LEDs. Bild 6.5 zeigt das Layout der
32

Schaltung. Diese elektrisch funktionsfähige Testschaltung wurde auch herangezogen, um
Möglichkeiten der Kontaktierung der Folienschaltung mit der Peripherie zu untersuchen
(Abschnitt 12).
Bild 6.5: Layout für den Aufbau eines Demonstrators
7 Strukturierung der Folien durch Heißprägen
7. 1 Voruntersuchungen
Vor Projektbeginn wurde eine Recherche durchgeführt im Hinblick auf Mehrschichtfolien,
welche kommerziell erhältlich sind. Beispielsweise bietet die Fa. Mitsubishi Polyester Film
Mehrschichtfolien auf PET (Polyethylenterephthalat) – Basis an. Diese Folien werden
üblicherweise in der Verpackungsindustrie als sogenannte Heißsiegelfolien eingesetzt. Für
orientierende Untersuchungen wurde eine PET- Folie vom Typ ABC (Hostaphan RHS)
beschafft und auf ihre Heißprägbarkeit untersucht (vergleiche Übersichtstabelle im Abschnitt
4.4, lauf. Nr. 1). Wie der Querschliff der Folie (Bild 7.1.1) zeigt, weist die Folie eine ca. 10 µm
dicke Haftschicht auf einer ca. 70 µm dicken Trägerschicht auf. Rückseitig ist die Folie aus
Gründen der besseren Verarbeitbarkeit noch mit einer ca. 2 µm dicken Antiadhäsionsschicht
versehen.
→ Haftschicht A
→ Trägerschicht B
→ Antiadhäsionsschicht C
Bild 7.1.1: Querschliff durch eine Mehrschichtfolie auf PET-Basis (Dicke ca. 80 µm)
Diese Folie lässt sich bei einer Temperatur von 130 °C und kurzen Haltezeiten gut
heißprägen. Beachtlich ist hierbei, dass es weder zu einem Verzug noch zu einer
Verwölbung der Folie kommt und dass sich darüber hinaus mit ED-Heißprägefolien sehr gute
33

Haftfestigkeiten von bis zu 2 N/mm ergeben. Bild 7.1.2 zeigt einige Prägestrukturen und Bild
7.1.3 einen Querschliff durch einen heißgeprägten Leiter.
Bild 7.1.2: Heißgeprägte Leiterbilder in Nutzenform auf einem Streifen PET-Folie
Bild 7.1.3: Querschliff durch einen heißgeprägten Leiter auf PET-Folie
Die guten Prägeergebnisse hinsichtlich Verzug und Verwölbung sind dadurch zu erklären,
dass die Folie biaxial verstreckt wird und dadurch einen den Cu-Heißprägefolien
angepassten Ausdehnungsbereich aufweist (vergleiche Abschnitt 5).
PET-Folien sind natürlich bei weitem nicht ausreichend thermisch belastbar, um damit
Summenlötprozesse wie Dampfphasen- oder Konvektionslöten durchzuführen. Aus diesem
Grund wurde dieses Material im Rahmen des Projekts nur noch in so weit berücksichtigt, um
Materialeigenschaften mit denen anderer Thermoplasten zu vergleichen.
7.2 Herausforderungen beim Heißprägen von Kunststofffolien
Kunststofffolien, welche mittels Heißprägetechnik strukturiert und zu elektronischen
Schaltungen aufgebaut werden, können je nach Material, Verwendung und Einsatzgebiet
drei thermischen Belastungen ausgesetzt sein (Tabelle 7.2.1):
34

Prozess Thermische Belastung
Heißprägen Temperaturen bis ca. 250 °C / einige s (abhängig vom Thermoplast)
Lötprozess Reflowlöten im Durchlaufofen (Peaktemperatur 260 °C / ca. 60 s)
alternativ: in der Dampfphase (Peaktemperatur 230 °C / ca. 20 s)
Feldeinsatz Dauertemperaturbelastung bis 150 °C (z.B. im Motorraum eines
Automobils)
Tabelle 7.2.1: Thermische Belastungen für heißgeprägte Folienschaltungen
Wie aus Tabelle 7.2.1 ersichtlich ist, sind die thermischen Belastungen relativ hoch, was die
Auswahl an Kunststofffolien stark einschränkt. Prinzipiell kommen für derart hohe
Temperaturbelastungen bestimmte Polyamidtypen und Hochleistungskunststoffe wie z.B.
PEEK, PPS, PSU und PES in Betracht. Denkbar sind auch Kunststoffe wie PBT oder
Polyamide, welche durch Strahlenvernetzung eine höhere Wärmeformbeständigkeit
aufweisen.
Unabhängig von der Art der Kunststofffolie tauchten zu Projektbeginn bei allen Folien (außer
Folie Nr. 1) beim Heißprägen folgende Probleme auf:
- neben dem gewollten Wärmeeintrag im Bereich der Leiterbahnstrukturen wird die
Kunststofffolie durch die Strahlungswärme, die vom Stempel ausgeht, geschädigt. Es
kommt zum Verzug der Folie in unmittelbarer Umgebung der Leiterstrukturen.
- durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Cu- und Kunststofffolie
kommt es nach dem Prägevorgang zur Verwölbung.
Bild 7.2.1 und 7.2.2 zeigen typische Prägergebnisse.
Bild 7.2.1: Verzug der Folie in der
Umgebung der Leiterstrukturen
(am Beispiel der Folie Nr. 4)
Bild 7.2.2: Verwölbung der Folie
(am Beispiel der Folie Nr. 3)
35

Darüber hinaus zeigten sich beim Heißprägen weitere Probleme, die mit abnehmender
Folienstärke deutlich zunehmen:
- Das geringe Gewicht der Kunststofffolie führt dazu, dass diese beim Rückhub des
Prägestempels hochgezogen wird und dort kleben bleibt, was zu einer nicht
gewünschten längeren Wärmeeinwirkung auf die Folie führt.
- Je dünner die Kunststofffolie, desto schlechter ist der Folienschnitt der Heißprägefolie,
da der Einsinkweg des Heißprägestempels geringer wird.
All diese Probleme führten zu der Erkenntnis, dass der Heißprägeprozess nicht eins zu eins
von starren thermoplastischen Schaltungsträgern auf Kunststofffolien übertragen werden
kann, sondern dass der Heißprägeprozess verbessert und an die spezifischen Eigenschaften
von Folien angepasst werden muss.
7.3 Modifizierung des Heißprägeprozesses
Zur Verbesserung des Heißprägeprozesses für Kunststofffolien lässt sich im Wesentlichen
von zwei Seiten ansetzen; an der Auslegung des Prägestempels und am Aufbau der
Aufnahme, also der Gestaltung des Prägeambosses.
Temperaturmessungen unterhalb eines beispielsweise 225 °C heißen Prägestempels haben
ergeben, dass die Temperatur im Abstand von 0,4 mm noch 175 °C, im Abstand von 4,0 mm
hingegen nur noch 45 °C beträgt (Bild 7.3.1).
Bild 7.3.1: Beispiel für den Temperaturverlauf unterhalb eines Heißprägestempels
Um nun den Wärmeeintrag in die Kunststofffolie ausgehend vom Prägestempel zu
reduzieren, kann man die Prägestrukturen des Stempels höher aufbauen oder, falls dies aus
Geometriegründen nicht möglich ist, sie zumindest einzeln oder gruppenweise auf Podesten
platzieren. Auf diese Weise lässt sich die Strahlungswärme, die auf die Folie einwirkt,
deutlich reduzieren. Bild 7.3.2 veranschaulicht diesen Zusammenhang.
36

Bild 7.3.2: Heißprägestempel klassisch (links) und mit reduzierter Wärmeabstrahlung
(rechts)
Kunststofffolien, welche beprägt werden sollen, sind im Allgemeinen aufgrund ihrer in der
Praxis etablierten Konfektionierung und Bereitstellung auf Rolle nicht so plan wie starre
Substrate, sondern meistens leicht gewellt. Dies führt zu lokal unterschiedlichen Abständen
zwischen dem Stempel und der Folienoberfläche. Um dies zu vermeiden, kann man die Folie
auf dem Amboss fixieren. Dies geschieht vorteilhafterweise durch eine zu- und abschaltbare
Vakuumansaugung (Bild 7.3.3).
Bild 7.3.3: Foliensubstrat auf Amboss ohne (links) und mit Vakuumansaugung (rechts)
Durch dieses „Glattziehen“ der Folie wird sichergestellt, dass der Wärmeeintrag der
Prägestrukturen in die Folie an jeder Stelle gleich ist. Eine weitere Möglichkeit zur
Begrenzung des Wärmeeintrags in die Folie ist, den Amboss neben der Vakuumansaugung
noch mit einer Kühlvorrichtung auszustatten. Durch die gekühlte Ambossplatte wird dann die
in die Folie eingetragene Wärme nur auf der Folienoberfläche voll wirksam, nicht jedoch in
tieferen Schichten, da sie hier sofort Richtung Amboss abgeleitet wird. Bild 7.3.4 zeigt einen
entsprechenden Amboss mit x/y-Tisch zur Positionierung mit integrierter Kühlung und
Vakuumansaugung.
37

Kühlung ↓ ↓ Vakuumansaugung
Bild 7.3.4: Amboss mit x/y-Tisch mit integrierter Kühlung und Vakuumansaugung
Unter Verwendung des modifizierten Heißprägestempels sowie des oben beschriebenen
Ambosses konnten die Heißprägeergebnisse in Bezug auf Verwölbung und Verzug
entscheidend verbessert werden. Darüber hinaus ermöglicht die Kühlung des
Foliensubstrats eine Anhebung der Prägetemperatur, welche wiederum die Haftung des
Verbunds Kunststofffolie/Heißprägefolie erhöht. Dies wird in Tabelle 7.3.1 sowie den Bildern
7.3.5 und 7.3.6 am Beispiel der Kunststofffolien 6 und 9 (siehe Übersichtstabelle im
Abschnitt 4.4) veranschaulicht. Die Begriffe „vorher“ und „nachher“ bedeuten dabei vor und
nach der Optimierung der Prägebedingungen.
Heißprägefolie ED-Folie Walzfolie
=> Kunststofffolie Nr. 6 vorher nachher vorher nachher
Prägetemperatur 205°C 225°C 205°C 225°C
Haltezeit 0,2 s 0,2 s 0,2 s 0,2 s
Prägekraft 20 kN 20 kN 15 kN 15 kN
Ambosstemperatur undefiniert 7 °C undefiniert 7 °C
Haftfestigkeit 1,6 N/mm 1,7 N/mm 0,9 N/mm 1,1 N/mm
=> Kunststofffolie Nr. 9 vorher nachher vorher nachher
Prägetemperatur 225°C 257°C - 257°C
Haltezeit 0 s 0,2 s - 0,2 s
Prägekraft 15 kN 20 kN - 20 kN
Ambosstemperatur undefiniert 7 °C - 7 °C
Haftfestigkeit 0,2 N/mm 1,15 N/mm - 0,8 N/mm
Tabelle 7.3.1: Prägeparameter und Haftfestigkeiten vor und nach Optimierung der
Prägebedingungen
38

Haftung N/mm
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Kunststofffolie Nr. 6 Kunststofffolie Nr. 9
ED‐Folie
Walzfolie
vorher nachher
Bild 7.3.5: Haftfestigkeiten vor und nach der Optimierung der Prägebedingungen
Haftung N/mm
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
ED‐Folie
Walzfolie
vorher nachher
Beispiel: Kunststofffolie Nr. 6 heißgeprägt mit Walzfolie
Bild 7.3.6: Prägeergebnis nach Optimierung der Prägebedingungen
39

7.4 Auswahl der Kunststoff- und Heißprägefolien
Wie in Tabelle 7.2.1 dargestellt, ist neben dem Heißprägen ein Summenlötprozess zur
Bestückung der Folienschaltung mit Bauelementen ein weiterer Prozess, bei welchem die
Kunststofffolie einer hohen Wärmebelastung ausgesetzt wird. Um diesen Summenlötprozess
zu simulieren wurden die unbeprägten Kunststofffolien entsprechenden Wärmebehandlungen
unterzogen. Dabei stellte sich heraus, dass nur ein einziger Folientyp (Folie Nr. 9) einen
Konvektionslötprozess im Durchlaufofen unbeschadet übersteht. Folie Nr. 6 besteht zwar
das bei etwas tieferen Spitzentemperaturen stattfindende Dampfphasenlöten, verfärbt sich
hingegen beim Konvektionslöten infolge des thermooxidativen Abbaus bräunlich (Bild 7.4.1).
Zwar bestehen auch noch andere Folien die Wärmebehandlung entsprechend dem
Dampfphasenlöten, jedoch sind sie entweder nicht verfügbar (Folie Nr. 14) oder
delaminieren nach dem Heißprägen (Folie Nr. 8).
Ausgangszustand Dampfphasenlöten
(Tmax=230°C)
Folie Nr. 9
Folie Nr. 6
Konvektionslöten
(Tmax=265°C)
Bild 7.4.1: Folien vor und nach Wärmebehandlung entsprechend den Summenlötprozessen
Aufgrund der Ergebnisse zum Heißprägen und zur Wärmebelastbarkeit wurde die Folie Nr. 9
für alle weiteren Arbeiten als bester Kandidat gesehen. Weitere Vorteile sind ihre
Verfügbarkeit und ihr als technischer Thermoplast moderater Preis. Als weiterer Kandidat
wurde trotz der genannten Einschränkungen die Folie Nr. 6 ausgewählt. Mit diesen beiden
40

Kunststofffolien und den zwei ausgewählten Heißprägefolien (vergleiche Tabelle 3.2) wurden
alle nachfolgenden Arbeiten wie die Entwicklung von Durchkontaktierungen,
Testschaltungen für Zuverlässigkeitsuntersuchungen und der Aufbau von Demonstratoren
durchgeführt („2 x 2 - Matrix“, Tabelle 7.4.1).
Nr. 6 (PA-Folie)
+
ED-Folie
Nr. 6 (PA-Folie)
+
Walzfolie
Nr. 9 (PPA-Folie)
+
ED-Folie
Nr. 9 (PPA-Folie)
+
Walzfolie
Tabelle 7.4.1: Auswahl von Heißpräge- und Kunststofffolien („2 x 2 – Matrix“)
8 Verfahrensentwicklung zur Realisierung von Durchkontaktierungen
Das Heißprägen von Kunststofffolien ist insbesondere für ein- und zweilagige
Flexschaltungen von Interesse. Für die Herstellung zweilagiger Schaltungen ist jedoch die
Realisierung von Durchkontaktierungen eine notwendige Voraussetzung. Für die Herstellung
von Durchkontaktierungen in Kunststofffolien in Kombination mit Heißprägetechnik kommen
mehrere Möglichkeiten in Betracht. Bild 8.1 zeigt eine Auswahl.
Beprägen der Rückseite
Durchkontaktierung mittels
Widerstandsschweißen
Laserbohrungen zur
Durchkontaktierung
Beprägen der Oberseite
Lot dispensen
Beprägen der Rückseite
Lot aufschmelzen
Laserbohrungen
zur Positionierung
Beprägen der Oberseite
Laserbohrungen zur
Durchkontaktierung +
Entfernen des Blackoxid
Lot dispensen
Beprägen der Rückseite Beprägen der Rückseite
Durchkontaktierung mittels
Widerstandsschweißen
Lot aufschmelzen
1a 1b 2a 2b
Tabelle 8.1: Möglichkeiten zur Durchkontaktierung von zweilagigen Flexschaltungen
41

In Anbetracht des Anspruchs, mittels Heißprägetechnik möglichst preisgünstige
Flexschaltungen herstellen zu wollen, sind natürlich die Wege zu bevorzugen, welche ohne
Hilfsmittel und mit möglichst wenigen Zusatzschritten auskommen. Bezogen auf das
Flussdiagramm sind dies die Wege 1a und 2a. Da sich bei 1a eine nicht unterbrochene
Prozessabfolge mit den Schritten Laserbearbeitung / Heißprägen / Widerstandschweißen
ergibt und das Rückseitentreatment (schwarzes CuO bei ED-Folie, Cu/Zn bei Walzfolie) für
eine gute Schweißung kein Hindernis ist, wurde diese Methode favorisiert und eingehender
untersucht.
Hierzu wurde ein einfaches Layout ausgewählt, welches vier rechteckige
Heißprägestrukturen auf beiden Seiten aufweist, welche direkt übereinander oder auch
gegeneinander versetzt heißgeprägt werden können (Layout siehe Bild 6.2). Jeweils zwei
übereinander liegende Strukturen sind durch eine Bohrung miteinander verbunden, die durch
Lasertechnik oder im einfachsten Fall auch durch einen Stanzprozess in die Folie
eingebracht wird.
Der erste Schritt besteht aus dem Einbringen der Referenz- und Durchkontaktierungsbohrungen
in die Folie. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der Durchmesser der Bohrung
beim Heißprägen durch Materialverdrängung schrumpft, wobei das Ausmaß der
Schrumpfung abhängig ist von der Art und Dicke des Kunststoffs und den Prägeparametern.
Bild 8.1 zeigt exemplarisch die Schrumpfung des Bohrlochdurchmessers für die Folie Nr. 6
mit der Dicke 120 µm und den in Tabelle 7.3.1 beschriebenen Prägeparametern.
Laserbohrung Ø 0,9mm
gestanzte Öffnung Ø 0,9mm
beidseitig beprägte Folie
Heißprägefolie einseitig entfernt,
resultierender Ø 0,6mm
Bild 8.1: Schrumpfung des Bohrungs-Ø beim Heißprägen (Folie Nr. 6, Dicke 120 µm)
Im zweiten Schritt wird dann die Bohrung auf der Vorder- und Rückseite überprägt. Hier hat
sich bewährt, zunächst die Vorderseite zu beprägen ohne die Restfolie zu entfernen. Danach
wird die Rückseite beprägt und erst jetzt die Restfolie auf beiden Seiten entfernt. Auf diese
Weise wird verhindert, dass beim Beprägen der Rückseite durch die bereits strukturierte
42

Vorderseite über Stufen geprägt wird, welche im ungünstigsten Fall zu Rissbildung in den
Leitern führen können. Des Weiteren führen Stufen dazu, dass Leiterbahnstrukturen mit
unterschiedlichen Prägedrücken geprägt werden, was zu erheblichen Schwankungen der
Haftfestigkeitswerte führt. Bild 8.2 zeigt das Layout nach dem beidseitigen Beprägen sowie
nach der Herstellung der Durchkontaktierungen.
Folie beidseitig beprägt,
ED-Folie
Folie beidseitig beprägt mit Versatz,
Walzfolie, mit Durchkontaktierungen
Bild 8.2: Herstellung von Durchkontaktierungen (Folie Nr. 6, Dicke 120 µm)
Die Durchkontaktierung zwischen beiden Lagen erfolgt mittels Widerstandschweißen. Dabei
wird der Schaltungsträger zwischen zwei Punktschweißelektroden (Bild 8.3) ausgerichtet, die
Schweißelektroden mit einer definierten Kraft zusammengefahren und die Schweißung
mittels eines kurzen Strompulses durchgeführt. Anhand von Versuchsreihen wurden die
optimalen Schweißparameter für die jeweilige Heißprägefolie bestimmt. Zu berücksichtigen
ist dabei, dass die zu verschweißenden Oberflächen einmal schwarzes CuO (ED-Folie) und
zum andern eine Cu/Zn-Schicht (Walzfolie) sind. Eingesetzt wurden die Schweißelektroden
mit dem geringsten verfügbaren Durchmesser von 0,5 mm. Tabelle 8.2 zeigt die optimierten
Schweißparameter für den jeweiligen Folientyp.
43

Bild 8.3: Punktschweißkopf mit Detailausschnitt der Punktschweißelektrode
ED-Folie Walzfolie
Elektrode Ø 0,5 mm 0,5 mm
U max 1 V 1 V
I max 2,3 kA 1,5 kA
F Schweiß 30 N 35 N
t Schweiß 1,9 ms 1,5 ms
Tabelle 8.2: Optimierte Schweißparameter beim Punktschweißen von Heißprägefolien
Derart hergestellte Punktschweißverbindungen wurden charakterisiert durch Mikroskopaufnahmen,
Schliffbilder, Reißtests und Durchgangswiderstandsmessungen. Bild 8.4 zeigt
exemplarisch eine Querschliffaufnahme einer Schweißverbindung sowie eine Punktschweißung
in der Aufsicht. Wie in dem Querschliff deutlich erkennbar ist, zeigen die
verschweißten Flächen ein einheitliches Cu-Gefüge, eine Grenzschicht ist nach der
Schweißung nicht mehr erkennbar. Die Ausbildung einer perfekten Schweißverbindung wird
auch dadurch belegt, dass bei einem Reißversuch nie die Schweißstelle selbst getrennt wird,
sondern immer die Heißprägefolie in der Umgebung der Schweißverbindung reißt.
44

Kunststofffolie Nr. 6 + Walzfolie Kunststofffolie Nr. 9 +
Walzfolie
Bild 8.4: Querschliff und Aufsicht einer Punktschweißverbindung (Ø ca. 500 µm)
Neben der optischen Charakterisierung ermöglicht das gewählte Schaltungslayout auch die
elektrische Charakterisierung der Schweißverbindung. Gemessen wurde der Durchgangswiderstand
nach der Vierpunkt-Messmethode an je 20 Schaltungen je Materialpaarung. Wie
aus Bild 8.5 hervorgeht, liegt der Durchgangswiderstand bei allen Messungen unterhalb von
2 mΩ und kann damit als sehr gering angesehen werden.
Widerstand mΩ
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Folie Nr. 6 Folie Nr. 9
ED‐Folie
Walzfolie
Bild 8.5: Durchgangswiderstand von Durchkontaktierungen in Folienschaltungen
Insgesamt wurde mit den Herstellungsschritten Erzeugung der Bohrungen / Heißprägen /
Widerstandschweißen ein Prozess entwickelt, welcher es ermöglicht, mit einer minimalen
Anzahl von Schritten und ohne die Verwendung von Nasschemie zweilagige
Flexschaltungen schnell und kostengünstig herzustellen. Zu berücksichtigen ist lediglich,
dass der Durchmesser der Bohrung deutlich größer als der Durchmesser der
45

Punktschweißelektrode sein muss. Als Faustregel können die in Tabelle 8.3 aufgeführten
Werte dienen.
Bohrloch- Ø vor dem
Heißprägen
Bohrloch- Ø nach dem
Heißprägen
Ø Schweißelektrode
1,2 mm Bereich 1,0 – 0,7 mm 0,5 mm
Tabelle 8.3: Durchmesser von Bohrungen und Elektroden beim Widerstandsschweißen
9 Charakterisierung heißgeprägter Flexschaltungen
Neben den in Abschnitt 7 und 8 beschriebenen bereits nach der Herstellung der
Flexschaltungen durchgeführten Charakterisierungen wurden weitere 360 Testsubstrate (90
Schaltungen je Variante der „2 x 2 – Matrix“) für Prüfungen nach Umwelttests vorbereitet. Auf
den Testsubstraten befinden sich Strukturen für den Peeltest und für Widerstandsmessungen,
wobei die Strukturen für die Widerstandsmessung längs und quer zur
Extrusionsrichtung der Folie orientiert sind (Bild 9.1).
Bild 9.1: Testsubstrat für die Charakterisierung von Flexschaltungen nach Umwelttests
Als Umwelttests wurden 1000 Temperaturwechselzyklen im Bereich -40°C bis +85°C und
1000 h Feuchte-Wärme-Lagerung bei 85°C und 85% rel. Luftfeuchte durchgeführt. Bild 9.2
zeigt eine Übersicht über die durchgeführten Tests, die Aufteilung der Proben und die
Intervalle für die Zwischenmessungen.
46

Bild 9.2: Übersicht über durchgeführte Umwelttests an heißgeprägten Flexschaltungen
Für die Widerstandsmessung wurden je Materialpaarung 150 Strukturelemente vermessen.
Als Ausfall bei der Widerstandsmessung wurde neben einer Rissbildung im Leiter ein
gemessener Widerstandswert R > 8 mΩ definiert. Da bei der Widerstandsmessung bis 500
Zyklen Temperaturwechseltest und bis 500 h Feuchte-Wärme-Lagerung keinerlei Ausfälle zu
beobachten waren, sind in Tabelle 9.1 nur die Ergebnisse nach 1000 Temperaturwechseln
bzw. 1000 h Feuchte-Wärme-Lagerung dargestellt.
Kunststofffolie Nr. 6 Nr. 9
Test Temperatur-
Heißpräge-Folie
wechsel
Feuchte-
Wärme
Temperaturwechsel
Feuchte-
Wärme
ED-Folie 0 % 0% 1,3 % 0 %
Walzfolie 0 % 0 % 0 % 0 %
Tabelle 9.1: Ergebnisse der Widerstandsmessungen nach Umwelttests
Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, zeigen alle vier Materialpaarungen nach 1000 h Feuchte-
Wärme-Lagerung keine Ausfälle. Bei den Temperaturwechseltests zeigen drei
Materialpaarungen nach 1000 Temperaturwechselzyklen ebenfalls keine Ausfälle. Lediglich
47

die Paarung Kunststofffolie Nr. 9 / ED-Folie zeigt zwei Ausfälle, welches bei 150 Messungen
einer Ausfallrate von 1,3 % entspricht.
Für die Haftfestigkeitsprüfungen wurden zu Beginn der Umwelttests und entsprechend den
Intervallen in Bild 9.2 jeweils 10 Streifenleiter im Peeltest vermessen. Dabei zeigte sich, dass
die Temperaturwechsel nur geringen Einfluss auf die Haftfestigkeit haben. Bild 9.3 zeigt die
Haftfestigkeiten für die jeweiligen Materialpaarungen. Die Werte insgesamt sind für die Folie
Nr. 9 als gut und für die Folie 6 als akzeptabel zu bezeichnen.
Haftung N/mm
Kunststofffolie Nr. 6 Kunststofffolie Nr. 9
Bild 9.3: Haftfestigkeiten heißgeprägter Leiter nach Temperaturwechseltests
Haftung N/mm
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0 250 500 1000
ED‐Folie Walzfolie
Kunststofffolie Nr. 6 Kunststofffolie Nr. 9
0 250 500 1000
ED‐Folie Walzfolie
Bild 9.4: Haftfestigkeiten heißgeprägter Leiter nach Feuchte-Wärme-Test
Etwas anders stellt sich die Situation beim Feuchte-Wärme-Test dar. Hier zeigt sich bei der
Folie Nr. 6 eine tendenzielle Verschlechterung der Haftfestigkeit auf Werte, die so als nicht
mehr ausreichend betrachtet werden können. Folie Nr. 9 hingegen zeigt wie schon beim
Temperaturwechseltest gleichbleibend hohe Werte (Bild 9.4). Während, wie schon beim
Haftung N/mm
Haftung N/mm
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0 250 500 1000
ED‐Folie Walzfolie
0 250 500 1000
ED‐Folie Walzfolie
48

Temperaturwechseltest, die Haftfestigkeiten auf den beiden Kunststofffolien doch deutlich
abweichen, haben die Heißprägefolien nur einen geringen Einfluss. Dies überrascht, da sich
das Rückseitentreatment der Cu-Folien doch deutlich unterscheidet (vergleiche Tabelle 3.2).
10 Aufbau von Testbaugruppen
Für weiterführende Untersuchungen wurden im Rahmen des Projektes auf den
unterschiedlichen Foliensubstraten (2 x 2 – Matrix) beprägt mit dem Layout für Widerstände
(siehe Bild 6.4) zweipolige Keramik-SMD-Widerstände der Größe 1206, 0805 und 0603, wie
in Bild 10.1 dargestellt, aufgebaut. Für die Verarbeitung in der Aufbau- und
Verbindungstechnik erfolgte eine grundlegende Untersuchung der Fertigungsschritte Auftrag
der Lotpaste, Bestückung mit elektronischen Bauelementen sowie Kontaktieren im
Lötprozess. Hierfür wurden Standardfertigungsanlagen eingesetzt, die für eine Verarbeitung
von Folienschaltungsträgern angepasst wurden und auch eine Rolle-zu-Rolle Verarbeitung
ermöglichen [8].
Als größte Herausforderung für die automatisierte Fertigung ist in diesem Zusammenhang
die undefinierte Verwerfung der Folie nach dem Heißprägen zu nennen. Dadurch ergeben
sich werkstückabhängige Positionen für den Auftrag der Verbindungsmedien sowie für die
Bestückung mit elektronischen Bauelementen. Die Bildverarbeitung der Anlagen ist hierbei
auf exakte Relativpositionen zu Referenzmarken angewiesen, die ihrerseits nur in einem
eingeschränkten Suchfeld automatisch erkannt werden können. Da im Projektfortschritt der
Verzug der Folien durch optimierte Prägebedingungen allerdings erheblich reduziert werden
konnte, war eine Verarbeitung von geprägten Testschaltungen auf Standardanlagen der
Elektronikproduktion möglich.
Allerdings ist es, abhängig vom Layout der Metallisierung, auch bei den Substraten aus
optimierten Heißprägeprozessen erforderlich, den bestehenden Verzug und die Verwölbung
auszugleichen.
Während ein Leiterbild mit geringem Anteil an Oberflächenmetallisierung (beispielsweise
Layout zur Herstellung eines Demonstrators, siehe Bild 6.5) insgesamt einen geringeren
Verzug aufweist, ergibt sich bei dichtgepackten Leiterbildern, z. B. bei dem verwendeten
Layout mit Widerständen, eine stärkere Deformation. Dies kann einerseits durch einen
ausreichend leistungsstarken Vakuumtisch kompensiert werden, der in die Anlagen zum
Lotpastenauftrag und zur Bestückung integriert wird, um die Folien im Arbeitsraum zu
fixieren und eine weitestgehend planare Werkstückoberfläche zu ermöglichen. Als
Ergänzung bzw. Alternative eignen sich Werkstückträger mit baugruppenspezifischen
Niederhaltern, die die Folie einspannen.
Da ein gewisses Maß an Unebenheit auch nach Anwendung dieser Maßnahmen noch
vorhanden ist, war es bei den Testbaugruppen erforderlich, die Lotpaste sequentiell durch
49

einen Nadeldispenser (CAM/ALOT 1818) aufzutragen. Durchgeführte Tests im
Schablonendruck zeigten ein ungleichmäßiges Auslösen der Lotpaste. Da hier zwingend ein
Vakuumtisch verwendet werden muss und keine Niederhalter eingesetzt werden können,
liegt die Schablone nicht plan auf. Es bestehen beim Auslösevorgang teilweise größere
Nassklebekräfte zur Schablonenwandung als zur Anschlussfläche auf der
Folienmetallisierung. Die Paste verbleibt damit in der Apertur der Metallschablone. Dieser
Prozess sollte daher nur bei einfachen Layouts mit geringer Packungsdichte und damit
geringen Verzug eingesetzt werden.
Beim Pastenauftrag im Dispensprozess konnten hingegen sehr gleichmäßige Ergebnisse
erzielt werden. Durch eine Erhöhung der Lotpastendepotmenge um ca. 30 % zeigten die
Bauelemente im anschließenden Bestückprozess ein ausreichend gleichmäßiges Einsinken
in die Pastendepots. Damit wird vermieden, dass im Lötprozess der sogenannte Tombstone-
Effekt auftritt, die Bauelemente sich also durch die ungleichmäßig wirkenden
Benetzungskräfte an den Anschlüssen aufrichten. Eine elektrische Kontaktierung kann somit
nicht hergestellt werden. Außerdem ist in diesem Zusammenhang das Pastenvolumen
ebenfalls aufgrund des fehlenden Lötstopplacks zu erhöhen, um das Abfließen des Lotes
über die Leiterbahnen beim Umschmelzen auszugleichen. Bei einer Erhöhung der
Lotpastenvolumina um ca. 50 % gegenüber den Werten im Schablonendruck zeigte sich
hingegen bei einigen Testschaltungen eine verstärkte Bildung von Lotperlen, die wiederum
zu Kurzschlüssen in der Schaltung führen können.
Die Bestückung der Testschaltung erfolgte, wie oben beschrieben, mit einem Standard-
Bestückautomaten. Sowohl bei einer Vakuumansaugung als auch bei der Verwendung von
Werkstückträgern kann bei dem gewählten Layout eine zuverlässige Bestückung
vorgenommen werden. Um der Verwerfung der Folie in der Höhe zu kompensieren, wurde
eine Bestückkraftregelung eingesetzt, die ein Platzieren der Bauelemente auf
unterschiedlichen Höhen eingeschränkt erlaubt.
Für den Lötprozess fand das in Abschnitt 5.4 beschriebene Konvektionslötverfahren mit
reduzierter Ofentemperatur in der Peakzone Anwendung. Dabei waren die bestückten Folien
auf einen planaren Werkstückträger aufgelegt und verblieben während des Lötens bis zur
Abkühlung auf Raumtemperatur darauf. Beim Aufbau von je 20 Testschaltungen pro
Werkstoffkombination (2 x 2-Matrix) für die Zuverlässigkeitsuntersuchungen mit den
erarbeiteten Parametern und Anpassungen konnte so, bei 3832 von insgesamt 3840
Lötstellen, eine zuverlässige Ausbildung von Lotmenisken und damit eine sichere
Kontaktierung detektiert werden. Lediglich bei vier Bauelementen war ein Tombstoning zu
verzeichnen. Die heißgeprägten Low-Cost-Folien zeigen sich darüber hinaus unter
Berücksichtigung der erwähnten Anpassungen ebenfalls grundlegend für die Verarbeitung im
Rolle-zu-Rolle Prozess geeignet [9].
50

Schaltbild der Testschaltung Höhenprofil einer bestückten und gelöteten
Testschaltung
Bauelemente:
CR 0805 CR 0603 CR 1206
Bild 10.1: Testschaltung für die Zuverlässigkeitsuntersuchungen
11 Zuverlässigkeitsuntersuchungen an Testbaugruppen
11.1 Prüfplan
Für die Analyse der Baugruppenzuverlässigkeit wurden die aufgebauten Testschaltungen
sowie auch das Layout mit Streifenleitern (siehe Bild 6.3) elektrisch und mechanisch
charakterisiert. Zur Simulation der Baugruppenalterung erfolgte eine Lagerung gelöteter
Substrate im Temperaturschock- und im Feuchte-Wärme-Schrank. Der sich damit
ergebende Prüfplan ist in der Übersicht in Bild 11.1.1 dargestellt.
51

Belastungsart: Stufe:
Konvektionslöten
SnAgCu
Temperatur-
Schock
-40 °C / +85 °C
t(Umlagerung)
< 10 s
Wärme-Feuchte
Lagerung
85 °C / 85 % r.F.
250
Zyklen
500
Zyklen
750
Zyklen
1000
Zyklen
Charakterisierung
Layout mit Widerständen
(Bild 6.4) Layout mit Streifenleitern (Bild 6.3.)
Durchgangs
-widerstand
jeweils 16 BE pro Größe
und
Werkstoffkombination
jeweils 16 BE pro Größe
und
Werkstoffkombination
168 h jeweils 16 BE pro Größe
336 h
500 h
und
Werkstoffkombination
Bild 11.1.1: Prüfplan für die Zuverlässigkeitsuntersuchungen
11.2 Messung des Durchgangswiderstands und Schertests
Scherkraft
-messung Biegeermüdung Knicktest
4 Leiterbahnen pro
Werkstoffkombination
4 Leiterbahnen pro
Werkstoffkombination
4 Leiterbahnen pro
Werkstoffkombination
4 Leiterbahnen pro
Werkstoffkombination
Zu Charakterisierung der Baugruppen erfolgte eine elektrische Messung des
Durchgangswiderstandes über alle 24 Bauelemente pro Schaltung nach den jeweiligen
Stufen der Tests zur beschleunigten Alterung. Dabei zeigte sich ein näherungsweise linearer
Anstieg der Widerstandswerte. Die Ergebnisse nach den letzten Stufen der Tests sind in
Tabelle 11.2.1 dargestellt.
Anstieg des Durchgangswiderstandes
bei den Substratkombinationen
Test
Kunststofffolie Nr. 6 Kunststofffolie Nr. 9
1000 Zykl.
Temperaturwechsel
500 h
Feuchte-
Wärme
1000 Zykl.
Temperaturwechsel
500 h
Feuchte-
Wärme
ED-Folie 8,8 % 0,8 % 8,4 % 0,7 %
Walzfolie 2,7 % 0,7 % 1,8 % 0,7 %
Tabelle 11.2.1: Widerstandsmessungen an den gealterten Testschaltungen
52

Aus den Messungen wird wiederum der Einfluss der spröden ED-Metallfolie ersichtlich.
Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Fügepartner werden bei dem
verwendeten Layout neben der Lötstelle auch die Leiterbahnen zwischen den in Reihe
geschaltenen Widerständen bei Temperaturschwankungen stark belastet. Die entstehenden
Kräfte bewirken eine Materialermüdung, die besonders bei der ED-Folie in Form eines
erhöhten Durchgangswiderstandes messbar wird. Ein signifikanter Unterschied zwischen
beiden Kunststofffolientypen konnte in den Untersuchungen nicht erkannt werden.
Für eine weiterführende Charakterisierung der Lötstellenqualität wurden die benötigten
Kräfte zum Abscheren der Bauelemente mit einem Schertester der Fa. XYZ-Tech gemessen.
Dazu wurden die aus den Alterungstests entnommenen Folienschaltungen mit Epoxidharz
auf starre Träger aufgeklebt. Die Testbaugruppen konnten somit eingespannt und ähnlich
starrer Leiterplatten getestet werden.
Die gemessenen Scherkräfte für die jeweilige Bauelementgröße auf einer Baugruppe sind in
Bild 11.2.1 dargestellt.
Bild 11.2.1: Bewertung der Streuung am Beispiel der Kombination Kunststofffolie 9 +
Walzfolie
Eine Bewertung der Streuung ergibt, dass die Standardabweichung der gemessenen
Scherkräfte größer sind als bei Messwerten auf starren Substraten oder Polyimidfolien. Dies
ist einerseits durch die ungleichmäßige Ausbildung der Lötstellen aufgrund der
Substartverformung zu erklären. Andererseits wird durch die unterschiedlichen
Bauteilverkippungen der Einfluss von Messungenauigkeiten beim Schertest erhöht.
Bei den elektrischen Messungen wie auch bei den Schertests ergab eine Analyse der
Messwerte keine signifikante Abhängigkeit der Zuverlässigkeit der Kontaktstellen von der
Orientierung der Zweipoler zur Extrusionsrichtung der Folie (vgl. Abschnitt 5.3). Zwar ist
dieser Effekt auf starren Substraten bekannt [10], aufgrund fehlender (anisotroper) Füllstoffe
und der vergleichsweise geringen Dicke kann dieser Einfluss bei den Folienschaltungen
allerdings vernachlässigt werden.
53

Für einen Vergleich der Werkstoffkombinationen sind im Bild 11.2.2 die mittleren Scherwerte
nach den Temperaturschocktests dargestellt.
ED-Folie Walzfolie
Folientyp
Nr. 6
(PA)
Folientyp
Nr. 9
(PPA)
Bild 11.2.2: Ergebnisse des Schertests nach den Temperaturschockprüfung
Aus der Gegenüberstellung wird ersichtlich, dass die Scherkräfte bei der Walzfolie insgesamt
etwas stärker mit dem Bautgruppenalter abfallen, als auf der ED-Folie. Dies kann mit den
unterschiedlich ausgeprägten Geometrien der Lotmenisken aufgrund der verschiedenen
Oberflächenendschichten (galvanisch Sn bei ED-Folie, Cu bei Walzfolie) begründet werden.
Hieraus kann ein unterschiedliches Ermüdungsverhalten bei der Belastung mit thermisch
induzierten Spannungen entstehen. Hinsichtlich der beiden Kunststoffsubstrate ist,
betrachtet über alle Bauelementgrößen, allerdings kein signifikanter Unterschied zu
erkennen.
Auch zeigt eine Betrachtung der Versagensstelle beim Schertest, dass ein Bruch praktisch
ausschließlich in der Lötstelle bzw. zwischen Lot und Bauelement auftritt. Eine
unzureichende Metallisierungshaftung auf den Kunststofffolien konnte nur bei insgesamt
sechs Bauelementen bei einer Alterungsstufe ab 750 Zyklen festgestellt werden.
Im Vergleich hierzu sind die Ergebnisse aus der Scherkraftmessung nach der Feuchte-
Wärme-Lagerung in Bild 11.2.3 dargestellt. Die insgesamt geringere Abnahme der
Scherkräfte nach der Feuchte-Wärme-Lagerung im Vergleich zum Temperaturschocktest
korreliert mit den Messungen der Durchgangswiderstände. Ein signifikanter Einfluss der
unterschiedlichen Foliensubstrate ist, trotz der erwarteten höheren Wasseraufnahme bei
Kunststofffolie Nr. 6, nicht ersichtlich. Das Versagen im Schertest findet ebenfalls
54

vorwiegend im Bereich der Lötstelle bzw. zwischen Bauelement und Lot statt. Insgesamt ist
der Verlauf der Scherfestigkeit in den Zuverlässigkeitsuntersuchungen mit Werten auf
anderen flexiblen (Hochleistungs-)Schaltungsträgermaterialien vergleichbar [11, 12].
Folientyp
Nr. 6
(PA)
Folientyp
Nr. 9
(PPA)
ED-Folie Walzfolie
Bild 11.2.3: Ergebnisse des Schertests nach der Feucht-Wärme-Lagerung
Ergänzend zu den Schertests erfolgte eine mikroskopische Analyse der Fügestellen anhand
angefertigter Schliffbilder (Bild 11.2.4 und Bild 11.2.5).
Folientyp
Nr. 6
(PA)
Ausgangszustand nach 500 h Feuchte-Wärme-Lagerung
Bild 11.2.4: Schliffbilder am bestückten Probekörper Kunststofffolie Nr. 6 + ED-Folie
55

Folientyp
Nr. 9
(PPA
Ausgangszustand nach 1000 Zykl. T.-Schock-Lagerung
Bild 11.2.5: Schliffbilder am bestückten Probekörper Kunststofffolie Nr.9 + Walzfolie
Hier konnten sichtbare Schädigungen im Substrat, wie z. B. lokale Delamination oder
Lunkerbildung durch eine Nachkristallisation der Thermoplaste, weder nach den
Temperaturschock- noch nach den Feuchte-Wärme-Tests festgestellt werden.
11.3. Bestimmung der Biegeermüdungs- und Knickfestigkeit
Zur Bestimmung der mechanischen Belastbarkeit der Folien wurde die Folien in Anlehnung
an die Norm IPC/JPCA-6202 untersucht. Im Vordergrund standen hierbei die
Biegeermüdungs- sowie Knickbeständigkeit der geprägten Strukturen aus Bild 6.3. Der
grundlegende Aufbau der beiden Testverfahren sowie die ausgewählten Parametereinstellungen
sind in Bild 11.3.1 und Bild 11.3.2 dargestellt.
Parametereinstellungen Aufbau gemäß IPC/JPCA- 6202
� Biegeradius: 10 mm
� Verfahrweg: 25 mm
� Frequenz: 15 Hz
� Ausfallkriterium: Widerstandsänderung
> 30 %
Bild 11.3.1: Prüfung zur Bestimmung der Ermüdung durch Biegung
56

Parametereinstellungen Aufbau gemäß IPC/JPCA- 6202
� Knickwinkel: 270°
� Frequenz: 175 Knickzyklen
pro Minute
� Biegeradius: ca. 1 mm
� Folienvorspannung: 4,9 N
� Ausfallkriterium: Widerstandsänderung
> 30 %
Bild 11.3.2: Prüfung zur Bestimmung der Knickfestigkeit
Hierfür wurde im Rahmen des Projektes ein Prüfstand aufgebaut, mit dessen Hilfe die oben
beschriebenen Prüfabläufe an den heißgeprägten Folienschaltungsträgern durchgeführt
werden konnten. Der mechanische Aufbau ist in Bild 11.3.3 dargestellt.
Knickfestigkeit
CAD-Modell aufgebauter Prüfstand
Biegeermüdung
Bild 11.3.3: mechanischer Aufbau des Prüfstands für die Biege- und Knickfestigkeit
Für den Antrieb wurden zwei 16 W Gleichstrommotoren verwendet, die über einen externen
Motortreiber samt dSpace-Schnittstelle und einer in MATLAB-Simulink erstellten Regelungssoftware
betrieben werden können.
In den Prüfstand wurden die Proben mit dem Streifenleitern nach den unterschiedlichen
Belastungsstufen der Alterungstests eingespannt und mit den oben beschriebenen
Parametern geprüft. Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Biegeermüdungsfestigkeit sind
in Bild 11.3.4 dargestellt.
57

Bild 11.3.4: Ergebnisse des Biegeermüdungstests
Im ungelöteten Zustand halten alle untersuchten Kunststoff-/Metallfolienkombinationen einer
Biegebelastung von mehr als 25.000 Zyklen stand. Durch den Lötprozess wird das
elastische Verhalten der Baugruppe herabgesetzt. Dies liegt in der thermischen Alterung und
der damit verbundenen Versprödung der Kunststoffe begründet, die insbesondere beim
Kunststofffolientyp 9 erkennbar wird. Die Folie Nr. 9 auf PPA-Basis besitzt daher eine
geringere Widerstandfähigkeit bei Biegebelastung als die Mehrschichtfolie Nr. 6 auf
Polyamid-Basis. Ebenfalls wird in Bild 11.3.4 deutlich, dass die bruchempfindliche ED-
Kupferfolie eine geringere Zuverlässigkeit aufweist, als die duktilere Walzfolie. Eine Analyse
der Versagensart nach den Biegetests zeigt, dass bei den Kunststoff-Metallfolien-
Kombinationen vorwiegend ein Bruch des kompletten Schaltungsträgers, also der Folie
zusammen mit der Leiterbahn, festgestellt werden kann. Bei der Kunststofffolie 6 beprägt mit
Walzfolie sind bis zu 750 Temperaturschockzyklen hingegen vorwiegend Brüche nur in der
Metallisierung festzustellen. Als Referenz wurde eine kleberlose Polyimidfolie mit einer Dicke
von 100 µm und einer kleberlosen 18 µm Cu-Schicht getestet. Diese zeigte eine geringere
Biegeermüdung und erreichte auch nach 1000 Temperaturschockzyklen und 20.000
Biegezyklen das Ausfallkriterium nicht.
Auch bei den durchgeführten Untersuchungen zur Knickbelastung weist die
Polyimidschaltung eine hohe Zuverlässigkeit auf und versagt im gealterten Zustand im Mittel
erst bei ca. 260 Zyklen. Bei den thermoplastischen Folien fällt die Sprödigkeit der Folie Nr. 9
beim Knicktest sehr stark ins Gewicht, wie in Bild 11.3.5 ersichtlich wird.
58

Bild 11.3.5: Ergebnisse der Knick-Untersuchungen
Während ungelötete Substratfolien sowohl von Typ 6 als auch von Typ 9 mehr als 300
Knickvorgängen bei der Walzfolie und mehr als 200 Knickbelastungen bei einer
aufgeprägten ED-Folie widerstehen, sinkt der Wert nach dem Löten deutlich ab. Die
Substrate vom Kunststofftyp 9 brechen bereits nach 3 bzw. 4 Knickzyklen. Die Folie 6 ist hier
deutlich elastischer. Auch in diesem Test versagen Testschaltungen auf Basis der ED-Folie
früher als aus Walzfolie hergestellt Leiterbilder, so dass bei dynamischen Belastungen klar
dieser Kupferfolientyp zu bevorzugen ist.
12 Kontaktierung von Testschaltungen mit der Peripherie
Zur Bearbeitung dieser Aufgabe wurde eine elektrisch funktionsfähige Testschaltung
ausgewählt, welche für den Betrieb über zwei Anschlusskontakte mit der Peripherie
verbunden werden muss und bei welcher dann zwei LEDs im Wechsel blinken (vergleiche
Layout Bild 6.5). Insgesamt ist die Schaltung bestückt mit zwei LEDs, zwei Transistoren,
zwei Kondensatoren und vier Widerständen. Der Aufbau der Testschaltung erfolgte in allen
vier Materialpaarungen der „2 x 2 - Matrix“. Die Bauelementebestückung erfolgte durch
Dispensen von eutektischem SnAgCu-Lot, Platzieren der Bauelemente im feuchten Lot und
anschließendem manuellem Löten sowie auch Reflow-Löten in der Dampfphase. Bild 12.1
zeigt die Testschaltung nach dem Heißprägen und nach der Bestückung mit den SMD-
Bauelementen. Legt man an die beiden Kontakte der fertigen Baugruppen eine
Gleichspannung von 3 V an, beginnen die beiden LEDs im Wechsel zu blinken.
59

Bild 12.1: Flexible Testschaltung zur Entwicklung einer Kontaktierung mit der Peripherie
Bei der Kontaktierung der Flexschaltung mit der Peripherie ist prinzipiell zu unterscheiden
zwischen einer trennbaren und einer nicht trennbaren Verbindung. Zur ersteren gehören
beispielsweise Steckkontakte, zur letzteren Löt- oder Schweißverbindungen. Da der flexible
Schaltungsträger mit einer Dicke von ca. 110 µm im Gegensatz zu starren Substraten nicht
die nötige mechanische Festigkeit für die Einbringung von Stiftkontakten aufweist, wurden
nur Verfahren hinsichtlich nicht trennbaren Verbindungen untersucht.
Die wohl einfachste Methode zum Anschluss der Schaltung ist das Anlöten von Kabeln,
welche dann trennbar über Stecker mit einer Batterie verbunden werden. Das Anlöten der
Kabel erfolgte manuell bei ca. 260 °C wiederum unter Verwendung von SnCuAg-Lot (Bild
12.2).
Bild 12.2: Kontaktierung einer Baugruppe auf flexiblem Schaltungsträger
Eine weitere Methode zur Kontaktierung von Baugruppen mit der Peripherie ist das
Widerstandsschweißen. Es wird vor allem dann eingesetzt, wenn die Verbindungsstellen
thermisch hoch belastet werden. Während das Widerstandsschweißen auf starren
Substraten wie Leiterplatten oder MID weitgehend erprobt ist [13], ist über die Anwendung
dieses Verfahrens auf Flexschaltungsträgern bisher nichts bekannt.
60

Erste Untersuchungen haben ergeben, dass Widerstandsschweißverbindungen auch auf
Flexschaltungsträgern grundsätzlich herstellbar sind. Voraussetzung ist allerdings, dass
mindestens einer der Fügepartner eine Sn-Auflage aufweist, also entweder eine verzinnte
Heißprägestruktur oder ein verzinnter Anschlussdraht oder beides. Hat man jedoch eine
Heißprägefolie mit reiner Cu-Oberfläche und als Anschlussdraht eine Cu-Litze, erhält man
keine Schweißverbindung. Bild 12.3 zeigt ein Beispiel einer Schweißverbindung, bei welcher
beide Fügepartner eine Sn-Auflage aufweisen.
Bild 12.3: Schweißverbindung zur peripheren Kontaktierung eines flexiblen
Schaltungsträgers
Unter optimierten Schweißbedingungen wird keine Schädigung der Kunststofffolien-
Rückseite beobachtet. Beim 0° Zugversuch kommt es nicht zu einer Trennung der
Schweißverbindung, sondern es wird die Heißprägestruktur von der Kunststofffolie abgelöst.
Im vorliegenden Fall wurde beim 0° Zugversuch eine Scherkraft von ca. 15,5 N gemessen,
welche nur gering unter den Werten von Schweißverbindungen auf starren Substraten liegt.
13 Ausarbeitung von Empfehlungen
Aus den im Projekt gewonnenen Erkenntnissen lässt sich für das Heißprägen auf
Kunststofffolien eine Reihe von Empfehlungen ableiten.
Der ursprüngliche Ansatz, dass Mehrschichtfolien bestehend aus Trägerfolie B und
„Klebeschicht“ A benötigt werden, um gute Heißprägeergebnisse zu erzielen, hat sich nicht
umfänglich bestätigt. Zwar konnten mit der Kunststofffolie Nr. 6 auf PA-Basis (Typ ABA) gute
Ergebnisse beim Aufbau ein- wie auch zweilagiger Schaltungen erzielt werden, doch gleich
gute Prägeergebnisse wurden auch mit der Einschichtfolie Nr. 9 auf PPA-Basis (Typ B)
erreicht. In jedem Fall sollte die Dicke der Kunststofffolie größer sein als dies bei
Polyimidfolien, die oft eine Standarddicke von 50 µm aufweisen, üblich ist. Bewährt haben
61

sich Folien im Dickenbereich 100 + 20 µm. Werden dünnere Kunststofffolien beidseitig
beprägt, sind aufgrund des feineren Treatments und des angewendeten
Leiterbahnvorschnitts Walzfolien vorzuziehen. Damit sicher gestellt ist, dass die
Kunststofffolie beim Heißprägen im gesamten Prägebereich gleichmäßig beaufschlagt wird,
ist die Folie während des Prägevorgangs mittels Vakuumansaugung auf dem Amboss zu
fixieren. Bewährt hat sich dabei, dass der Amboss gleichzeitig eine definierte Temperatur
aufweist. So lässt sich durch Kühlung des Foliensubstrats die Prägetemperatur anheben und
dadurch die Haftung der Heißprägestrukturen auf der Folie erhöhen.
Für die Herstellung zweilagiger Schaltungen hat es sich bewährt, die Restfolie erst nach dem
beidseitigen Beprägen zu entfernen. Hierdurch wird vermieden, dass beim Beprägen der
zweiten Seite möglicherweise über „Stufen“ geprägt wird, welche dann zu Schädigungen der
Leiterstrukturen oder schlechten Haftfestigkeitswerten führen können. Bei der Herstellung
von Durchkontaktierungen mittels Widerstandsschweißen richtet sich die Bohrungsöffnung
für die Durchkontaktierung nach dem Durchmesser der Punktschweißelektrode. Weist diese
beispielsweise einen Durchmesser von 0,5 mm auf und berücksichtigt man, dass die lichte
Weite der Bohrung beim Heißprägen durch Materialverdrängung um ca. 20 – 40 %
schrumpft, sollte der ursprüngliche Bohrlochdurchmesser ca. 1,2 mm betragen. Für die
Herstellung zweilagiger Schaltungen ist aufgrund der geringsten Anzahl von Arbeitsschritten
und der nicht unterbrochenen Prozessabfolge der Herstellprozess Erzeugung der Bohrungen
/ Beidseitiges Heißprägen / Widerstandsschweißen zu favorisieren.
Für die Aufbau- und Verbindungstechnik können mit nur geringen Anpassungen
Standardprozesse und -anlagen aus der Elektronikproduktion für die heißgeprägten
Folienschaltungen eingesetzt werden. Um den Verzug der Schaltungen nach dem
Heißprägen zu kompensieren, müssen geeignete Vorrichtungen wie beispielsweise
leistungsstarke Vakuumtische bzw. angepasste Werkstückträger mit Niederhaltern
verwendet werden. In den Versuchen hat sich weiterhin eine Erhöhung der
Lotpastenvolumina bei den zweipoligen Bauelementen um ca. 30 % bewährt, um ein
gleichmäßige Benetzung der Anschlüsse zu erzielen und dem „Grabsteineffekt“ nach dem
Löten vorzubeugen. Für den Bestückprozess sollte zum Ausgleich der unterschiedlichen
Höhen der Landeflächen durch den Verzug der Folien eine Regelung der Bestückkraft
vorgenommen werden. Aufgrund der geringeren thermischen Massen der Foliensubstrate
können die Peaktemperaturen im Konvektionsprozess gegenüber starren Leiterplatten
reduziert und so die thermische Belastung der Kunststoffe verringert werden. Damit ist eine
Verarbeitung der Folien Nr. 6 und Nr. 9 mit SnAgCu-Lotpaste möglich. Alternativ bieten sich
das Dampfphasenlöten bzw. der Einsatz niedrigschmelzender Lote (z. B. SnBi) an. Im
Hinblick auf die Zuverlässigkeit der Baugruppen auf den Foliensubstraten kann festgehalten
werden, dass die Verwendung von Walzfolien aufgrund ihrer höheren Duktilität eine
62

interessante Alternative zu den ED-Folien darstellt. Insbesondere in Kombination mit der
Kunststofffolie Nr. 6 erscheinen aufgebaute Schaltungen geeignet für Einsatzgebiete, die
eine niedrige bis mittlere dynamische Belastung aufweisen. Beispielsweise sind dies
Anwendungen, die eine flexible Baugruppe zur optimalen Anpassung an den Bauraum
erfordern, ein Trend, der durch die wachsende Integration elektronischer Komponenten
zunehmend an Bedeutung gewinnt [14].
14 Literatur
[1] W. Reise und K. Ritz: Flexible und starrflexible Leiterplatten. Eugen G. Leuze Verlag,
Bad Saulgau, 2006.
[2] Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V. (Hrsg.):
3D-MID-Technologie. Herstellungsverfahren, Gebrauchsanforderungen,
Materialkennwerte, München, 2004.
[3] S. Stampfer: Heißprägen von spritzgegossenen Schaltungsträgern, Dissertation am
Lehrstuhl für Kunststofftechnik (LKT), Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-
Nürnberg, Erlangen, 1999.
[4] M. Fuchs, Z. Broka, E. Schmachtenberg: Heißprägen flexibler Kunststoffsubstrate
zum Aufbau funktionalisierter Mehrschichtverbunde. Proceedings zum Workshop
„Innovative Anwendungen in der MID-Technik“, S. 103-112, Stuttgart, 10.10.2007.
[5] www.bolta-gottmadingen.de
[6] H. Richter, H. Kappl, T. Booz, S. Lapper, K. Petrikowski, W. Eberhardt, M. Fenker, H.
Kück: New Developments in Hot Embossing MID Technology. Proc. 6 th Int. 4M
Conference, Oyonnax, France, Nov. 17 th -19 th , 2010,
[7] R. J. Klein-Wassink: Weichlöten in der Elektronik. 2. Auflage, Leuze-Verlag Saulgau,
1991.
[8] A. Reinhardt: Rolle-zu-Rolle-Produktion flexibler Schaltungsträger. In Produktion von
Leiterplatten und Systemen -PLUS; Leuze Verlag, Bad Saulgau, 2008.
[9] T. Bigl: Entwicklung, angepasste Herstellungsverfahren und erweiterte
Qualitätssicherung von einsatzgerechten elektronischen Baugruppen; Meisenbach
Verlag, Bamberg, 2007.
[10] F. Schüßler u. a.: Heißgeprägte MID-Baugruppen für erhöhte thermische
Anforderungen. In: Kunststoffe 99. Jahrgang, Ausgabe 11/2009, S. 96-101.
[11] P. Wölflick: Innovative Substrate und Prozesse mit feinsten Strukturen für bleifreie
Mechatronik-Anwendungen; Meisenbach Verlag, Bamberg, 2006.
[12] B. Balogh et. al.: Qualification and Reliability Tests of flexible Printed Circuits.
Electronics Technology, 30th International Spring Seminar on, pp.82-87, 9-13 May
2007.
[13] U. Keßler, P. Buckmüller, W. Eberhardt, H. Richter, H. Kück: Peripheral Connections
for MID. Proc. 9 th Int. MID Congress, Nuremberg-Fuerth, Germany, Sept. 29 th -30 th ,
2010,
63

[14] C. Goth, J. Franke, K. Feldmann: MOLDED INTERCONNECT DEVICES –
Progressive Approach for Mechatronic Products and Efficient Manufacturing
Processes. In: Proceedings of SMTA 2010 Pan Pacific Microelectronics Symposium
& Tabletop Exhibition, Kauai, Hawaii, 2010.
[15] Pojtinger A.: Erfahrungen in der Serienfertigung einer komplexen heißgeprägten MID-
Baugruppe, Proceedings Workshop „Innovative Anwendungen in der MID-Technik“,
S. 117-129, 05.10.2005, Stuttgart
Danksagung
Das IGF-Vorhaben 326 ZN der Forschungsvereinigungen Hahn-Schickard-Gesellschaft für
angewandte Forschung e. V. - HSG, Wilhelm-Schickard-Straße 10, 78052 Villingen-
Schwenningen und Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V., Nordostpark 91,
90411 Nürnberg, wurde über die AIF im Rahmen des Programms zu Förderung der
industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für
Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages
gefördert. Für diese Förderung sei gedankt.
Dem projektbegleitenden Ausschuss sei für die Unterstützung und die Hinweise aus den
zahlreichen Diskussionen gedankt. Namentlich sind dies:
- Herr Dr. Pojtinger, 2E mechatronic GmbH & Co. KG
- Herr Udo Biedermann, BGS GmbH
- Herr Wolfgang Binder, Binder Elektronik GmbH
- Herr Unger, Bolta Werke GmbH
- Herr Peter Borsch, Eaton Industries GmbH
- Herr Siegbert Gabriel, EMS Chemie GmbH
- Herr Lars Blassmann, Festo AG & Co. KG
- Herr Thorsten Hampf, GST GmbH
- Herr Jürgen Hornberger, Kombi Tec GmbH
- Herr Dr. Harald Heßberger, Mitsubishi Polyester Film GmbH
- Herr Thomas Booz, Schlenk Metallfolien GmbH
- Herr Dr. Michael Häußler, Schreiner Group GmbH
Besonderer Dank gilt den Firmen EMS-Chemie AG, Ticona GmbH, BASF SE, Evonik
Degussa GmbH, Mitsubishi Polyester Film GmbH, Schlenk Metallfolien GmbH und BGS
GmbH für die Bereitstellung von Materialien, die Durchführung von Versuchen und die
vielfältige Beratung in speziellen Fragestellungen.
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