Für die Zukunft ausgestattet

Elektronik per Laser

17. Januar 2022 Lasertechnik auf 3D-Komponenten

Nicht nur bei den Hochleistungsrechnern, sondern auch auf vielen anderen Feldern der Förderung wissenschaftlicher Geräte und Infrastrukturen hat die DFG in den letzten 70 Jahren viele Ziele erreicht. Viele Herausforderungen sind aber geblieben. Vieles gilt es zudem weiterzuentwickeln. Und manches vielleicht auch frühzeitig einzudämmen.

Leistungsteile eines 2-kW-Frequenzumrichters

Im Bereich der Lasertechnik zum Beispiel hat die DFG bereits 1980 das Potenzial der laserinduzierten Massenspektroskopie zur Bestimmung der Masse von Atomen oder Molekülen erkannt: eine Methode, deren Weiterentwicklung dann 2002 zum Chemie-Nobelpreis führte. Demgegenüber konnte die DFG durch eine Großgeräteinitiative für eine Studie zum Einsatz von „Herzlasern“ in kardiochirurgischen Kliniken in den 1990er-Jahren die Nutzlosigkeit der neuen Technik belegen – und damit nicht zuletzt auch der Forschung und Anwendung weitere Kosten und die Verschwendung von Ressourcen ersparen.

In Forschung und Anwendung gehören Laser inzwischen längst zum erfolgreichen Alltag. Bei der Laserdirektstrukturierung (LDS) zum Beispiel, bei der elektronische Leiterbahnen mit einem Laser auf spritzgegossene Kunststoffelemente „geschrieben“ werden. Das unter anderem für Handyantennen genutzte Verfahren ist nicht nur umweltschonend. Es verkürzt auch Montagezeiten und verringert Prozessschritte.Und es erlaubt, Bauteile bei einem hohen Grad an Gestaltungsfreiheit für das Leiterbahnenlayout zu verkleinern und ihr Gewicht zu reduzieren. Das macht LDS nicht nur für die Automobilindustrie interessant, sondern auch für eine ganze Reihe kleinerer und mittelständischer Unternehmen.

Darunter sind auch jene auf Industrieelektronik spezialisierte Unternehmen im Nordosten Nordrhein-Westfalens, mit denen die in Lemgo angesiedelte Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe (TH OWL) in mehreren Forschungsprojekten schon seit vielen Jahren zusammenarbeitet. Hier wurde das LDS-Verfahren vor knapp 25 Jahren erfunden, entsprechende Fertigungsanlagen sind schon lange vorhanden. Allerdings waren diese bisher nur auf zweidimensionale, flache Kunststoffbauteile ausgerichtet.

„Jetzt arbeiten wir intensiv an der Idee, dies auch für Elektronik auf dreidimensionalen metallischen Komponenten zu realisieren“, sagt Holger Borcherding vom Institut für Energieforschung (IfE) der TH OWL. Hierzu hat Borcherding gemeinsam mit André Springer vom Labor für Lasertechnik und Additive Fertigung (LLAF) beim Land NRW fünf Großgeräte beantragt, die die DFG im Programm Großgeräte der Länder“ 2020 positiv begutachtet hat. Durch die anschließende Bewilligung wird Lemgo bald die komplette Prozesskette für die Fertigung elektronischer Schaltungen auf 3-D-Konturen metallischer Bauteile abdecken können, was laut Borcherding einmalig ist.

Zum Portfolio gehören zwei Laseranlagen zur 3-D-Direktstrukturierung und zur Bearbeitung von Kupferwerkstoffen, die in der Elektronikfertigung aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit eine besondere Rolle spielen. Aber auch eine multifunktionale Bohranlage, ein 3-D-Bestückautomat und ein hochauflösendes Mikroskop zur dreidimensionalen Qualitätskontrolle der Leiterbahnstrukturierungen im laufenden Produktionsprozess. „Durch die gute Wärmeableitung der metallischen Bauteile ist es möglich, sehr viel höhere Ströme zu führen als bisher“, sagt André Springer. Somit schließt die 3-D-Integration jetzt eine wichtige Lücke. „Und es eröffnen sich neue Möglichkeiten, die Technologie in der Leistungselektronik, etwa im Bereich der Elektromotoren, einzusetzen.“

In rund fünf Jahren wollen Borcherding und Springer alle für die 3-D-Laserdirektstrukturierung von Metallbauteilen notwendigen Prozesse durchdrungen haben – um von hier aus einen Zeithorizont für eine mögliche industrielle Anwendung zu eröffnen. Wie bei den Batterieentwicklungen am CARL der RWTH Aachen, so braucht es auch nach 25 Jahren bei der LDS offenbar immer noch einen langen Atem. Und es gibt immer noch viel zu tun, wofür die beiden Forscher an der TH OWL nun allerdings bestens ausgestattet sind.