3D-Druck Serienfertigung von dreidimensionaler Elektronikbauteilen im 3D-Druck

WZR Ceramic Solutions hat ein wirtschaftliches Verfahren zur Serienfertigung dreidimensionaler Low Temperatur Co-Fired Ceramics (LTCC) entwickelt. Dazu wurde der 3D-Druck soweit modifiziert, dass sich aus isolierenden Keramikpulvern und leitfähigen Tinten komplexe mikroelektronische Bauteile herstellen lassen.

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Low Temperatur Co-Fired Ceramics (LTCC) sind monolithische Elektronikkomponenten, bei denen eine Reihe passiver Mikroelektronik-Bauteile in einem keramischen Trägermaterial gekappselt sind. Inhalt und Umhausung werden bei Temperaturen von bis zu 900 °C zusammen gebrannt. Während die Herstellung solcher funktioneller Multilagen-Keramiken für zweidimensionale Strukturen jedoch längst Stand der Technik ist, war die Realisierung dreidimensionaler LTCC mit komplexen Innenleben bislang nicht optimal gelöst. Insbesondere die voranschreitende Miniaturisierung und der Trend zur Individualisierung mikroelektronischer Komponenten erfordern hier eine ebenso flexible wie wirtschaftliche Produktionsmethode.

Mit seinem patentierten 3D-Multi-Material-Druck – einer Weiterentwicklung des 3D-Drucks – präsentiert die WZR Ceramic Solutions GmbH nun erstmals ein Verfahren, mit dem sich dreidimensionale LTCC mit anspruchsvollen mikroelektronischen Strukturen in einem einfachen Prozess schnell und unkompliziert in kleinen und mittleren Stückzahlen herstellen lassen.

Mit dem Aufbau keramischer Träger mikroelektronische Strukturen einbauen

Der 3D Multi-Material-Druck des WZR ist ein additives Schichtbauverfahren, das keine Formwerkzeuge benötigt, da es alle Geometriedaten direkt aus den Datensätzen gängiger 3D-CAD-Programme bezieht. Wie aus dem konventionellen 3D-Druck bekannt, sprüht ein Tintenstrahldruckkopf einen Flüssigbinder auf ein vordeponiertes Keramikpulver und baut die dreidimensionalen Strukturen schichtweise auf. Darüber hinaus kann das neue Verfahren von WZR Tinten verarbeiten, die mit Partikeln (Metall oder Keramik) gefüllt sind. Hierdurch können zeitgleich mit dem Aufbau der keramischen Träger mikroelektronische Strukturen (Leitungen, Kondensatoren, Transformatoren, Widerstände, Schaltkreise) im Bauraum des Druckers „heranwachsen“. So entstehen in kurzer Zeit einsatzfertige integrierte LTCC wie sie beispielsweise für Automobilbau, Luftfahrt oder Consumer-Elektronik benötigt werden.

„Im Gegensatz zu bisherigen LTCC-Produktionsverfahren bietet unser neuer 3D-Multi-Material-Druck ab Losgröße 1 volle geometrische Freiheit und eine große Flexibilität bei der Individualisierung der Komponenten“, erklärt Wolfgang Kollenberg, der Firmenchef des WZR. Prozesstechnisch betrachtet ist das Verfahren einfacher und schneller als alle bisherigen Methoden der LTCC-Produktion, denn es reduziert sich auf lediglich zwei Stufen: Additiver Schichtbau und anschließendes Brennen. Es nutzt bekannte Keramikpulve, die verwendete Tintenstrahl- und Anlagentechnik ist marktüblich.“

LTCC-Bauteile von 25 mm × 15 mm × 5 mm additiv fertigen

Bisher ist WZR Ceramic Solutions das einzige deutsche Unternehmen, das den 3D-Multi-Material-Druck zur Entwicklung dreidimensionaler LTCC einsetzt. Basierend auf einem feinen Glaskeramikpulver und elektronischen Strukturen aus einer hochviskosen Silbertinte wurden bereits die ersten LTCC-Bauteile der Größe 25 mm × 15 mm × 5 mm gefertigt. „Insbesondere durch Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Tintenrezepturen und die Option, verschiedene leitfähige Tinten parallel – und im gezielten Wechsel sogar für unterschiedliche Schichten – einzusetzen, sehen wir hier ein großes Marktpotenzial“, berichtet Kollenberg.

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