TU Chemnitz: Elektronik im Spritzguss

1965 traf Gordon Moore eine Voraussage, wonach sich die Anzahl an Transistoren auf Prozessorchips durch deren Verkleinerung alle zwei Jahre verdoppeln wird. Diese Faustregel hatte im Bereich der Mikroelektronik über 50 Jahre lang Bestand und steht exemplarisch für den branchenübergreifenden Trend zur Miniaturisierung technischer Bauteile. Denn ohne fortlaufende Miniaturisierung wären nicht nur elektronische Bauteile, sondern auch andere Gebrauchsgegenstände wie Fahrzeuge in ihrer heutigen Form nicht vorstellbar. 

Ein weiterer Schritt Richtung effektiverer und gleichzeitig ressourcenschonender Miniaturisierung ist die Vereinigung von Elektronik-Komponenten und Kunststoffbauteilen. Daran forscht aktuell die Professur Kunststoffe der Technischen Universität Chemnitz. Bisher werden elektronische Bauteile wie Schaltungsträger und Kunststoffbauteile separat voneinander gefertigt und in weiteren Schritten miteinander verbunden. Dies ist jedoch nicht nur zeitaufwendig, sondern läuft auch der für effektivere Bauteile notwendigen Miniaturisierung zuwider. Als Alternative existieren sogenannte MID-Bauteile (Molded Interconnect Devices, spritzgegossene Schaltungsträger), bei denen auf dem bereits gefertigten Kunststoffbauteil nachträglich elektrische Leiterbahnen aufgebracht werden. Das bisherige Herstellungsverfahren ist in seinem derzeitigen Ablauf jedoch äußerst teuer, denn neben zahlreichen zeitintensiven Teilschritten ist für eine derartige MID-Produktion ein großer energetischer und chemischer Aufwand notwendig. Trotz des großen technischen Potentials werden MID-Bauteile deshalb heute kaum eingesetzt.

Vom Spritzguss direkt auf die Bauteiloberfläche

Der Ansatz der Chemnitzer Kunststofftechniker besteht darin, die elektrischen Schaltungen direkt während der Kunststoffverarbeitung auf das Bauteil zu implementieren. Hierfür wird das Prinzip der gedruckten Elektronik mit dem Kunststoffverarbeitungsverfahren des Spritzgießens kombiniert. Die Besonderheit besteht darin, dass die Leiterbahnen zunächst auf die Werkzeugwand der Spritzgussmaschine appliziert und von dieser während der Kunststoffverarbeitung auf die Bauteiloberfläche übertragen werden. 

Mit der Herstellung des Kunststoffbauteils ist die elektrische Schaltung bereits einsatzbereit – ohne weiteren energetischen oder chemischen Aufwand betreiben zu müssen. Bei ihrer derzeitigen Entwicklung kann die Professur Kunststoffe hierbei auf vorangegangene Entwicklungsarbeiten zurückgreifen. Denn vor der Applizierung elektrischer Leiterbahnen stand insbesondere auch das farbliche Bedrucken (sogenanntes „Dekorieren“) von Bauteilen im Fokus der Wissenschaftler. Anstatt elektrisch leitfähiger Substanzen kamen hierfür in der Vergangenheit Dekorationsfarben zum Einsatz. Hintergrund des neuen Verfahrens ist daher unter anderem, eine höhere Wirtschaftlichkeit bei der Fertigung zu erreichen. 

Präsentiert wird das neuartige Verfahren zur Herstellung von MID-Bauteilen vom 27. Februar bis 1. März 2018 auf der Nürnberger Fachmesse Embedded World auf dem Gemeinschaftsstand „Forschung für die Zukunft“ (Halle 4, Stand 665). Mit im Gepäck haben die Forschenden unter anderem erste Demonstrator-Bauteile, welche das Prinzip der Kunststoffe mit integrierten Leiterbahnen verdeutlichen sollen.

Eingebettete Elektronik im Einsatz

Insbesondere in der Fahrzeugtechnik werden immer mehr Funktionen wie Sicherheits- oder Assistenzsysteme integriert. Der dafür im Fahrzeug zur Verfügung stehende Bauraum ist jedoch begrenzt. Um dennoch weiterhin leistungsfähigere und neue Funktionalitäten implementieren zu können, muss der vorhandene Platz effizienter genutzt werden. Neben der Miniaturisierung technischer Bauteile kommt deren Funktionalisierung daher eine bedeutende Rolle zu. Bei dieser werden Funktionen, welche sonst mehrere Teile erfüllen, von einem einzigen Bauteil übernommen. Im besten Fall in miniaturisierter Form.