Thermoplastische Leiterplatte

Ob Laptop, Smartphone oder die unzähligen Helferlein im Automobil – elektronische Produkte sind im heutigen Alltag ein unverzichtbarer Begleiter geworden. Ein Kernbauteil für diese Produkte bildet das Leiterplattensubstrat, welches die Basis für die elektronischen Schaltungen und Bauteile bildet. Diese Substrate werden vorwiegend diskontinuierlich gefertigt, indem z. B. Glasfasern mit Harzen imprägniert (z. B. FR4) und anschließend ausgehärtet, bzw. keramische Polymermischungen verpresst werden. Der ansteigende Bedarf nach Elektronikprodukten birgt allerdings auch seine Schattenseiten, welche anhand der Zahl von 40.000 Tonnen Elektronikschrot im Jahre 2013 beziffert werden können.

Dem Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe an der Universität Bayreuth ist es gelungen eine neue Klasse thermoplastischer Leiterplatten auf Basis von Hochtemperaturthermoplasten zu entwickeln. Diese Entwicklung wurde in enger Zusammenarbeit mit einschlägigen Vertretern aus der Wirtschaft, wie z.B. Continental, Würth oder LOEWE, durchgeführt. Thermoplastische Substratmaterialien weisen einige Vorteile gegenüber den traditionellen Leiterplattensubstraten auf. Insbesondere die kontinuierliche Verarbeitung eröffnet das Potential einen einstufigen, hoch automatisierten Prozess von den Rohstoffen bis hin zur beidseitig kupferkaschierten Leiterplatte zu entwickeln, wodurch eine deutliche Kostenreduktionen erreicht werden kann. Zudem benötigen thermoplastische Leiterplatten keine zusätzlichen Flammschutzmittel, wie z.B. das schädliche Tetrabrombisphenol, um die Anforderungen an die Flammbeständigkeit zu erfüllen, da sie inhärent flammwidrig sind. Sie sind außerdem aufgrund ihrer Chemie 100 %-ig werkstofflich recyclebar. Gegenüber FR4-, Hochtemperatur (HT) und Hochfrequenz (HF) Substraten sind sie somit deutlich umweltschonender, wie das Öko Institut in Freiburg innerhalb einer Studie festgestellt hat [1]. Somit können Richtlinien wie die WEEE oder die RoHs eingehalten werden. Zusätzlich bieten die thermoplastischen Leiterplatten die Möglichkeit einer dreidimensionalen Umformung, wodurch sich die Leiterplatte an den immer kleiner werdenden Bauraum anpassen kann.

Im Rahmen dieser Entwicklung wurden zwei unterschiedliche Generationen des thermoplastischen Leiterplattensubstrates entwickelt. Beide Substrate vereinen die zuvor aufgeführten Innovationen eines thermoplastischen Substrats mit individuellen, einsatzspezifischen Vorteilen. Die erste Generation, das geschäumte HTT-Board, weist aufgrund seiner enormen Dichtereduktion eine Gewichtsreduktion von bis zu 60 % im Vergleich zum FR4-Substrat auf. Gleichzeitig werden durch die isolierende Luft in den Schaumzellen die Hochfrequenzeigenschaften deutlich verbessert. Diese einzigartige Eigenschaftskombination bietet ein außerordentliches Potential, leichte und hoch effiziente Elektronikprodukte für die Unterhaltungs- oder Automobilbranche zu fertigen. Die zweite Generation, das hochgefüllte THP-Board, konnte durch geschickte Modifikation des Thermoplasten auf den Wärmeausdehnungs-koeffizienten (CTE) von Kupfer angepasst werden. Dies ermöglicht die Verarbeitung des Substrats in konventionelle Anlagen, die bei jedem Leiterplattenhersteller vorhanden sind. Insbesondere während des standardisierten Lötprozesses mit Spitzentemperaturen von bis zu 270 °C ist ein homogener CTE essentiell. Die Substrate können mit herkömmlichen Hochfrequenzsubstraten konkurrieren, weisen aber deutlich geringere Herstellkosten auf.

Beide Generationen des thermoplastischen Leiterplattensubstrats konnten anhand von Funktionsdemonstratoren ihren Nutzen und ihre Konkurrenzfähigkeit im Vergleich zu marktüblichen Substraten beweisen. Aufgrund ihrer thermoplastspezifischen Eigenschaften bieten diese Substrate eine innovative Möglichkeit umweltfreundliche Hochleistungselektronik für die Zukunft zu generieren.

[1]       Halogenfreie, flammgeschützte Materialien für die Elektronik der Zukunft: Entwicklung von thermoplastischen Leiterplatten, BMBF Projekt, September 2007, Abschlussbericht

Im Folgenden sollen nun 2 Generationen der neuartigen thermoplastischen Leiter­plat­ten­sub­­stra­te näher beschrieben werden:

Die geschäumte thermoplastische Leiterplatte (HTT Board)
Herstellungsverfahren: Schaumextrusion

Mit Hilfe von physikalischen und chemischen Treibmitteln werden die Hoch­tem­per­a­tur­ther­moplaste zu einem sehr leichten Substrat (Dichte < 0,8 g/ccm) extrudiert, das im Hin­blick auf den Leicht­bau­aspekt, z. B. im Luftfahrt- oder im e-Mobility Bereich ein ide­a­les Alternativmaterial zu FR4 (Dichte: 1,9 g/ccm) darstellt. Primäres Ziel während der Prozessentwicklung war es einen möglichst feinzelligen Schaum zu entwickeln (mittlere Zellgrößen < 30 mm), der für die Vermeidung von unerwünschten Kurzschlüssen nach der Galvanisierung von Durchkontaktierungen notwendig ist. Insgesamt weist dieses Substrat FR4-ähnliche Eigenschaften auf, wobei die dielektrischen Eigenschaften eher mit denen von Hochfrequenzsubstraten vergleichbar sind. Um den im Vergleich zu kon­ven­tionellen Substraten erhöhten thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der weiteren Verarbeitungskette zur fertigen Leiterplatte handhaben zu können, arbeitet der Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe zur Zeit zusammen mit namhaften industriellen Partnern an einer optimierten Anpassung dieser Schritte.

Die hochgefüllte thermoplastische Leiterplatte (LuVo Board / Heger Board)
Herstellungsverfahren: Extrusion

Anders als beim HTT Substrat bestand während des Entwicklungsprozesses des LuVo / Heger Boards die Zielsetzung, konventionelle Anlagen, die bei jedem Leiter­plat­ten­her­stel­ler vorhanden sind, ohne Modifikationen für das neuartige Substrat einzusetzen. Da insbesondere während des standardisierten Lötprozesses Spitzentemperaturen von bis zu 270°C auftreten könne, die zu einem Versagen von hybriden Bauteilen mit stark unter­schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten führen können (z. B. zwisch­en dem Kupfer und dem Hochtemperaturthermoplaste), bestand die Erfordernis, den ther­mischen Ausdehnungskoeffizienten der Hochtemperaturthermoplaste (ca. 50 ppm/K) auf Werte, vergleichbar mit Kupfer (17 ppm/K) zu reduzieren. Durch die Einarbeitung hoher Anteile keramischer Füllstoffe (bis zu 60 Gew.%) im Extru­sions­pro­zess konnten derart geringe Werte eingestellt werden. Im Folienextrusionsprozess können Substrate mit Dicken zwischen 0,1 mm und 1 mm hergestellt werden. Die Substrate können mit Hochfrequenzsubstraten konkurrieren, weisen aber einen deutlich geringeren Herstellungspreis auf. Zudem konnten erste 6 – lagige Multilayer auf Basis des LuVo Boardes entwickelt werden. Multilayer sind heutzutage im Bereich höchster Packungsdichten elektronischer Bauelemente nicht mehr wegzudenken.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Stefan Mörl
Telefon: +49 921 5574-72
Telefax: +49 921 5574-73
Email: stefan.moerl@uni-bayreuth.de

 

Aktueller Download: Die thermoplastische Leiterplatte

Vom Schaum zur thermoplastischen Leiterplatte
Multilayer auf Basis des LuVo Boardes