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Molded Interconnect Devices (MIDs) sind meist thermoplastische 3D-Substratmaterialien, die typischerweise zunächst Laserdirektstrukturiert (LDS) und danach außenstromlos mit Kupfer, Nickel und Gold metallisiert werden. Dabei fungiert das direkt auf dem Substrat befindliche Kupfer als elektrischer Leiter, während die Nickelschicht die Diffusionsbarriere zur Goldoberfläche darstellt. Letztere ermöglicht verschiedene Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT) für elektronische Komponenten wie z.B. Löten, leitfähiges Kleben und Drahtbonden, um schließlich komplexe Schaltungsträger mit einer hohen Integrationsdichte zu erhalten.

Die Zuverlässigkeit der metallischen Leiterbahnen auf LDS-fähigen Substratwerkstoffen ist eine wesentliche Grundvoraussetzung für die brachenübergreifende Anwendung von MIDs. Eine Befragung von Vertretern aus der Industrie zum Thema Zuverlässigkeit von MIDs ergab, dass Delamination sowie die Entstehung von Mikrorissen in den Leiterbahnen die häufigsten Ausfallursachen von MIDs darstellen. Daher ist das Bestreben groß diese beiden Ursachen weitmöglichst zu unterbinden, um so die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von MIDs deutlich zu steigern und deren Marktdurchdringung weiter voranzutreiben.

Herausforderung

Ausfallursache 1: Delamination
Die Wahl des Substratmaterials und der verwendete Laserparametersatz beeinflussen maßgeblich sowohl die Haftfestigkeit zwischen Substrat und Kupfer als auch die Differenz deren thermischer Ausdehnungskoeffizienten. Letzteres ist nicht nur für die Anwendung von MIDs bei erhöhten Temperaturen relevant, sondern spielt auch für die AVT, z.B. beim Löten, eine wesentliche Rolle.

Ausfallursache 2: Mikrorisse
Studien im Rahmen der IGF Vorhaben LDS-MID-ChaMP (16737N) und MetaZu (19754N) haben gezeigt, dass Leiterbahnrisse überwiegend in der Nickelschicht entstehen. Diese Mikrorisse weiten sich durch weitere Belastung aus und dringen in die Kupferschicht vor. Bei zu großer Belastung führen diese schließlich zum Ausfall der Leiterbahn und damit zum Versagen des Schaltungsträgers.

Lösungsansatz

Um die beiden genannten Ausfallursachen zu eliminieren werden im geplanten IGF Vorhaben NiMm3 drei aufeinander aufbauende Themen adressiert.
1. Wechselwirkung zwischen Substratmaterial und Kupfermetallisierung
Es werden verschiedene Substratmaterialien betrachtet. Zusätzlich zu Thermoplasten kommen Duroplaste und Keramiken für einen erweiterten Einsatzbereich von 3DSchaltungsträgern infrage. Durch Variation der Laserparametersätze wird Einfluss auf Rauheit und Haftfestigkeit, und dadurch auf die Zuverlässigkeit der Leiterbahn unter mechanischer und thermischer Belastung (Biegewechselfestigkeitstests und Umwelttests) genommen. Bildgebende Verfahren wie die Ultraschall-Mikroskopie (SAM) und die Untersuchung von Querschliffen mittels Rasterelektronenmikroskopie können weitere wichtige Erkenntnisse liefern.
2. Alternative, nickelfreie Schichtsysteme
Es werden verschiedene nickelfreie Schichtsysteme untersucht und mit dem etablierten Schichtsystem Cu/Ni/Au verglichen. Mögliche Varianten sind hierbei Cu/Ag, Cu/Sn, Cu/Pd/Au, Cu/Au sowie Cu/OSP (org. Passivierung). Auch hier werden Leiterbahnen u.a. unter mechanischer und thermischer Belastung betrachtet. Wobei nicht nur das Schichtsystem variiert wird, sondern auch die Schichtdicke der einzelnen Komponenten.
3. AVT und Einfluss des Lötprozesses
Die Bestückung mit elektronischen Komponenten ist in der MID Technologie ein wesentlicher Schritt hin zu hochintegrierten Schaltungsträgern. Daher wird abschließend die Korrosionsbeständigkeit und Lötbarkeit bzw. Bondbarkeit der verschiedenen Oberflächen-Finishes betrachtet, sowie der Einfluss des Lötprozesses auf die Haftfestigkeit der Metallisierung z.B. mittels Schertests und SAM untersucht.

Durch die zunehmende Digitalisierung und die Entwicklung maschinenbaulicher Erzeugnisse hin zu Cyber-Physischen Systemen steigt der Bedarf an integrierten Funktionalitäten und einer stärkeren Vernetzung. Innovative Technologien, wie Mechatronic Integrated Devices (MID), schaffen durch die Integration von Mechanik und Elektrik/Elektronik vielversprechende Potenziale, resultieren jedoch auf Grund der hohen Produktkomplexität in einem herausfordernden Entwicklungsprozess. Die Produktentwicklung erfordert manuell aufwändige und hochiterative Optimierungen und Anpassungen. Naturanaloge Prinzipien zeigen vielversprechende Potenziale, werden jedoch aktuell vorwiegend in der Architektur, Kunst oder reinen Mechanik-Entwicklung angewendet. Um die Potenziale zu erschließen bedarf es eines Transfers mitsamt der Entwicklung und Integration softwarebasierter Unterstützungssysteme.

Ziel des Forschungsprojekts GoProMID ist die Erschließung der Potenziale biologisch inspirierter Methoden und Ansätze in der Produktentstehung von MID. Der Fokus liegt dabei auf dem Einsatz von Generative Design-Methoden, welche die Evolution von MID-Bauteilen auf Basis einer Produktspezifikation – ähnlich der genetischen Kodierung von Lebewesen – gestatten. Hierzu werden etablierte naturanaloge Ansätze (bspw. Genetische Algorithmen) hinsichtlich ihrer Eignung erprobt. Neben der maschinenverwertbaren Formalisierung des Designwissens werden erste Softwarebausteine prototypisch umgesetzt und im Rahmen aussagekräftiger Anwendungsfälle demonstriert

Obwohl sie selten ins Auge stechen, so sind resistive Sensoren, welche eine mechanische Belastung in ein elektrisch messbares Signal verwandeln, aus der Industrie nicht mehr wegzudenken. Sie kommen in der Wägetechnik, in der Spannungsanalyse, beispielsweise bei Bauwerken wie Brücken, oder zur Drehmomentmessung in Maschinen zum Einsatz. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Temperaturmessung. Der Sensor liegt dabei als fertige Komponente vor, welche noch in das zu überwachende System integriert werden muss. Gängige Bauformen sind halbleiterbasierte Sensoren mit hoher Sensitivität für geringe Belastungen oder metallbasierte, mittels Ätzverfahren hergestellte Widerstandssensoren aufgebracht auf Folien. Nachteile der bestehenden Technologie ist eine eingeschränkte Gestaltungsfreiheit auf 3D Geometrien und die typischerweise erforderliche Applikation der Sensoren in das System in einem zusätzlichen Montageschritt.

Ziel des Forschungsprojekts PreSens ist es diese Einschränkungen durch den Einsatz von Digitaldrucktechnologien für die Sensorfertigung, wie Aerosoljet-, Piezojet- und Inkjet-Druck, zu überwinden. Die Drucktechnologien ermöglichen einerseits die direkte Applikation der Sensoren auf unterschiedliche Trägersubstrate und Komponenten. Andererseits können die Sensoren in Multi-Achs-Drucksystemen, wie sie im Projekt verwendet werden sollen, direkt auf 3D Geometrien aufgebracht werden, wodurch auch komplexe Sensorgeometrien abbildbar sind.

Um die Machbarkeit und Eignung des Digitaldrucks für die Herstellung resistiver Sensoren zu qualifizieren, werden hierzu umfassende Drucktests durchgeführt und verschiedene Medien und Substratmaterialsysteme erforscht. Die gefertigten Sensoren werden hinsichtlich Ihrer Sensoreigenschaften, wie Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit vermessen, um geeignete Sensorprinzipien zu bestimmen. Als Sensoren werden Dehnungsmessstreifen und Temperatursensoren untersucht, welche zum Projektende in aussagekräftigen Technologiedemonstratoren verfügbar sein sollen.

Das IGF-Vorhaben 09739 der Forschungsvereinigung Räumliche elektronische Baugruppen wird über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Bearbeitung des Projekts erfolgt in Zusammenarbeit mit dem Labor für Aufbau- und Verbindungstechnik der Technischen Hochschule Nürnberg. Begleitet wird das Vorhaben von einem umfangreichen Industrieausschuss, bestehend aus 14 Unternehmen mit Material- und Anlagenherstellern, sowie Anwendern.

Auf Grund der generell anhaltenden Tendenz zur Miniaturisierung, Funktionsintegration und Erhöhung der Komponentendichte kommt gerade hochminiaturisierten Bauelementen immer größere Bedeutung zu. Bei der Verarbeitung der immer kleineren Bauteile kommt es zu Problemen beim Pastendruck von Lot durch verschmutzte oder verstopfte Schablonen sowie schlechtes Auslöseverhalten der Lotpaste auf Grund der ungünstigeren Wand-Flächen-Verhältnisse, sodass unzureichende Lötverbindungen entstehen können.

Weiterhin sind die hochpräzisen, oftmals speziell beschichtet und zweistufigen Schablonen teuer in der Herstellung, werden meist extern gefertigt und verlängern damit die Lieferzeiten signifikant. Die Wettbewerbsfähigkeit verschlechtert sich damit gerade für die meist mittelständischen Elektronikfertiger (EMS) bei flexiblen Aufträgen mit kleinen Stückzahlen und kurzen Reaktionszeiten.

Im Projekt DigiTIMe wird ein Inkjet-Drucksystem auf einer hochpräzisen Kinematik mit höhenjustierbarem Druckkopf für planare Baugruppen aufgebaut, welches mittels modularer Druckköpfe alternativ niedrigviskose Leitkleber oder leitfähige Tinten verdrucken kann, um kleinste SMD-Komponenten auf klassischen Leiterplatten zu verbinden. Über umfangreiche Untersuchungen wird die Eignung des Verfahrens als Ersatz, beziehungsweise als Ergänzung für den Lotpastendruck dabei qualifiziert.

Hierbei wird der Aufbau einer Demonstratorleiterplatte unter der Verwendung von SMD Bauelementen der Größe 008004, 01005, 0201 (Imperial) sowie temperaturempfindlicher optischer Bauelemente angestrebt.

 

 

 

 

 

Die Ziele des Vorhabens OptiWiRE, mit den Verbundpartnern ElringKlinger AG und dem Lehrstuhl FAPS, sind eine Verbesserung der Prozesskette bei der Herstellung von Elektromotoren, in Bezug auf der in der Automobilbranche sehr hohen Anforderungen an Taktzeit, Qualität und Flexibilität der Fertigung. Ein wesentliches Ziel, zu dem dieses Projekt beitragen soll, ist die Übergang von der Prototypen-Fertigung zur Vorserienproduktion. Weiter zielt das Vorhaben auf eine Effizienzsteigerung der Elektromotoren ab um eine höhere Lebensdauer der Motoren zu erreichen und um auch den Energieverbrauch von E-Fahrzeugen und die damit verbundene Reichweite zu erhöhen. Hinsichtlich der Leistungsfähigkeit kritische Fertigungsprozessschritten wurden bereits in Voruntersuchungen identifiziert. Dabei konnten wesentliche Optimierungspotentiale bei der Wicklungsherstellung am Stator und bei der Magnetmontage im Rotor festgestellt werden. Für diese beiden Prozessschritte sollen im Rahmen des Projektes Verbesserungen hinsichtlich des Produktes E-Maschine und der Produktion durch die Adaption neuer Verfahren erzielt werden.

Innerhalb des Gesamtvorhabens OptiWiRE wird im Teilvorhaben “füllgradoptimierte, automatisierte Statormontage von verteilten Einzugswicklungen” vom Lehrstuhl FAPS der FAU die Prozesskette der Statorproduktion ausgehend vom Statorblechpaket bis zur Kontaktierung der Stern- und Phasenverbinder betrachtet. Auf Grund von höheren Automatisierungspotentialen soll im Bereich der Stator-Fertigung das Einziehwickelverfahren für den industriellen Einsatz mit dem Ziel weiterentwickelt werden, flexibel auf Varianten- und Stückzahländerungen reagieren zu können. Ein wesentlicher Ansatz ist es dabei, den Draht definierter abzulegen, um den Kupferfüllgrad im Stator zu erhöhen sowie die Taktzeit des Prozesses zu verringern. Dies soll durch die flexible Automatisierung der dem Wickeln vor- und nachgelagerten Prozesse realisiert werden. So sollen insbesondere bei der Handhabung und Prozessführung von losen Leiterenden und Drahtbündeln deutliche Verbesserungen erreicht werden, um höchste Qualität und kürzeste Taktzeiten bei steigenden Produktionsmengen realisieren zu können.

Im Teilvorhaben “Prozessentwicklung beim Rotorbau – Fixierung der Magnete” untersucht die ElringKlinger AG die Optimierung der Rotorbaugruppe des im Projekt verwendeten Elektromotors. Das Verkleben der Magnete stellt den Stand der Technik im Bereich der Magnetmontage dar. Dies hat den Umgang mit Chemikalien, langen Prozesszeiten und aufwendigen Temperiervorgängen zur Folge. Durch die stoffschlüssige Verbindung von Magnet, Klebstoff und Rotorpaket lassen sich diese Komponenten nach der Lebensdauer des Motors im Recyclingprozess kaum noch voneinander trennen. Beim Versuch die Seltenen-Erde-Magnete aus dem Rotorpaket zu lösen zerbrechen diese. Eine sortenreine Trennung von Magneten und Blechmaterial ist ebenfalls durch die stoffschlüssige Verbindung des Klebstoffes erschwert. Rückstände des Klebstoffes bleiben an den Bauteilen haften. Diesen Herausforderungen stellt sich die ElringKlinger AG durch Entwicklungen von innovativen Magnetfixierungsstrategien.

Mit der europäischen Zukunftsvision Flightpath 2050, die die EU-Kommission sowie die Luft- und Raumfahrtindustrie gemeinsam erarbeitet haben, sollen die Emissionen in der europäischen Luftfahrt bis 2050 deutlich reduziert werden. Dieses Ziel kann nur durch den Einsatz von elektrischen Antrieben im Luftfahrtbereich erreicht werden. Diese unterscheiden sich maßgeblich gegenüber herkömmlichen elektrischen Antrieben für industrielle und automobile Anwendungen in Bezug auf Leistungsdichte und Effizienz.

Das Forschungsprojekt TELEM wird im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms VI-1 des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert und im Verbund mit industriellen sowie wissenschaftlichen Partnern durchgeführt. Der Lehrstuhl FAPS beteiligt sich in diesem Projekt in den kommenden drei Jahren mit der Erforschung von Produktions- und Prüfverfahren für die Herstellung von luftfahrtgerechten elektrischen Antrieben. Hierbei liegt der Fokus auf Antrieben mit einer Leistung von bis zu 2.000 kW. Hierfür existieren zum heutigen Stand der Technik keine Fertigungsverfahren, die eine Erfüllung der luftfahrtspezifischen Anforderungen ermöglichen. Neben der reproduzierbaren und beschädigungsfreien Verarbeitung der Hochleistungswerkstoffe, muss eine durchgängige Prozesskontrolle sichergestellt werden, so dass die Robustheit, die Nachverfolgbarkeit und die Dokumentierbarkeit der neuen Prozesse gewährleistet ist. Nur so werden die hohen Qualitätsstandards eingehalten, so dass es im Betrieb zu keinen Ausfällen durch fertigungsbedingte Defekte der Komponenten kommt.

Um Autonomes Fahren auf dem Level 3 oder höher flächendeckend zu ermöglichen, ist es essentiell, die notwendige Sensorik, wie beispielsweise neuartige Ultraschallsensoren mit verbesserter Genauigkeit, in hoher Qualität, in großen Stückzahlen sowie für geringe Kosten fertigen zu können. Aufgrund der hohen Anforderungen an diese neuartigen Sensortypen wird eine innovative Prozessregelung entlang der gesamten Fertigungskette angestrebt. Ziel herbei ist es, die Ausbeute bei unveränderter Taktzeit zu maximieren und gleichzeitig die Fertigungskosten konstant zu halten.

Für das Erreichen dieser Zielsetzung soll im Rahmen des Forschungsprojektes ADeUSPro am eine Traceability- und Machine Learning-Infrastruktur entwickelt werden. Dafür müssen zunächst relevante Prozess-, Qualitäts- und Metadaten identifiziert und erfasst werden sowie eine Inline-Messung dieser in Echtzeit realisiert werden. Darauf aufbauend sollen Modelle entwickelt werden, welche die Produktqualität und Prozesssicherheit anwendungsorientiert überwachen und die Optimierung dieser unterstützen. Der Fokus liegt hierbei im Besonderen auf der Verknüpfung von Batch- und Einzelprozessen, der damit verbundenen korrekten Nachverfolgbarkeit einzelner Komponenten und der Untersuchung komplexer Wechselwirkungen. Die Infrastruktur soll dabei so konzipiert sein, dass auch die Übertragbarkeit auf weitere Fertigungslinien möglich ist.

Helixantennen bestehen aus einem wendelförmigen metallischen Leiter und erlauben es, zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen zu senden und zu empfangen. Antennen für zirkular polarisierte Wellen haben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, z.B. WLAN Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (50 GHz), Automobilradar (77 GHz) sowie bildgebende Systeme (>120 GHz). Der klassische Aufbau von Helixantennen aus gewickelten Drähten stößt für höhere Frequenzen und damit kleineren Strukturgrößen an seine Grenzen.
Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht in der Erarbeitung eines additiven Herstellungsprozesses für Antennenarrays bestehend aus multifilaren Helixantennen. Die Einsatzfrequenz der späteren Anwendung erfordert eine Miniaturisierung der Einzelantennen, die mit klassischen Fertigungsverfahren nicht mehr möglich ist. Des Weiteren wird erforscht, wie MID-Technologien genutzt werden können, um die Einzelantennen zu Antennenarrays zusammenzufügen. Dabei wird ihre größere Gestaltungsfreiheit genutzt, um neue Lösungsmöglichkeiten für den Gesamtaufbau bestehend aus mechanischem Träger, Speisenetzwerk und Einzelantennen zu ermöglichen. Ein auf diese Weise hergestelltes, kostengünstiges Antennenarray bildet die Grundlage für zukünftige bildgebende Radarsysteme und kommende Kommunikationselektronik.

Die gegenwärtige Entwicklung elektrischer Antriebe fokussiert neben der Senkung der Herstellungs- und Fehlerkosten auch immer die Steigerung der Effizienz und Leistungsdichte. Letztere wird vor allem durch den Einsatz permanenterregter Maschinen erzielt, da diese auf Grund der Bauart ohne elektrische Erzeugung des Läufermagnetfeldes auskommen und somit die ohmschen Verluste wegfallen, was potentiell einen höheren Wirkungsgrad bedeutet. Einen erheblichen Einfluss auf die Qualität eines permanenterregten Synchronmotors hat das Luftspaltfeld, welches durch Rotor und Stator aufgebaut wird. Die Auswirkungen der Magnetfelder auf die wesentlichen Zielgrößen eines Antriebes im Hinblick auf optimale Leistungsdichte, Reduzierung von Rastmomenten, Vermeidung von Vibrationen und Verringerung von Lärmemissionen können im Herstellungsprozess jedoch nur begrenzt betrachtet werden.

Bereits bestehende Messsysteme zur Charakterisierung der magnetischen Komponenten erlauben die Prüfung des magnetischen Streufeldes im Rahmen von Entwicklungsprozessen. Die Bedienung dieser Messgeräte setzt jedoch eine besondere Expertise im Fachgebiet des Elektromaschinenbaus voraus und die Bewertung der Messergebnisse erfordert tiefgehende Kenntnisse im Bereich der Motorauslegung. Die Mess- und Auswertungstools bieten außerdem keine Möglichkeiten, Geometriebeschreibungen und Simulationsdaten zu importieren und in die Interpretation der erhobenen Messdaten einzubeziehen.

Im Rahmen des Projektes ExApeMo werden fehlende technische Bindeglieder zwischen Magnetfeldsimulation und Magnetfeldmessung von permanenterregten Motoren erarbeitet und eine Software zur Integration von Messdaten und zur Identifikation von Abweichungsursachen konzipiert und umgesetzt.

Der Einsatz von elektrischen Antriebssystemen ermöglicht eine drastische Reduzierung lokaler Schadstoff und Geräuschemissionen sowie eine Erhöhung der Effizienz von Luftfahrtsystemen. Die Anforderungen an die elektrischen Antriebseinheiten unterscheiden sich dabei maßgeblich von herkömmlichen Industriemotoren als auch von aktuellen Traktionsmotoren, die im Rahmen der Elektromobilität entwickelt wurden. Durch die Anwendung neuer Technologien entwickelt die Firma SciMo hochoptimierte Antriebssysteme, die den Anforderungen der Luftfahrt bzgl. Leistungsdichte und Effizienz gerecht werden.

Im Rahmen des von BMWi bzw. Deutschem Zentrum für Luft- und Raumfahrt finanzierten Vorhabens sollen in dreijähriger Zusammenarbeit von FAPS und SciMo ausgewählte Fertigungsprozessschritte dieser Motoren definiert und durch den Einsatz von Robotertechnologie weiter automatisiert werden, um eine wirtschaftliche Serienproduktion zu ermöglichen. Dabei bietet die Befähigung von Robotertechnologie die Chance, trotz wechselnder Produktausprägungen und Gestaltungen, automatisierte Prozesse bei der Produktion von elektrischen Motoren für die Luftfahrt einzuführen. Somit können für viele Anwendungen und Anforderungen jeweils hochspezifische Motorenauslegungen wirtschaftlich gefertigt werden.

Neben der Wirtschaftlichkeit stellen die strengen Zulassungshürden für im Flugverkehr eingesetzte Komponenten Fertigungsverfahren voraus, bei denen die Prozesssicherheit nachweisbar ist, die Produktionsdaten sicher dokumentiert werden können und das Gesamtprodukt so qualifiziert werden kann, dass eine Zertifizierung durchgeführt werden kann.