3D-MID Elektronické sestavy bez desek plošných spojů

Elektronické sestavy 3D-MID vyrobené procesem LDS (Laser Direct Structuring) mají za sebou již dvacet let úspěšné existence. Způsob jejich výroby umožňuje vytvořit elektronické sestavy rozmanitých tvarů a velikostí, aniž by k tomu byly potřeba klasické desky plošných spojů.

Před více než dvaceti lety byl v Německu vyvinut zcela nový způsob výroby plošných spojů na povrchu výrobků z plastu. Tento výrobní proces dostal název LDS (Laser Direct Structuring), protože v něm laser hraje klíčovou roli. Patenty na tuto technologii výroby přešly na firmu LPKF [1] (nyní LPKF Laser & Electronics AG), která se rozvoji metody výroby LDS stále věnuje, včetně výroby potřebných zařízení.

Obr. 1 Paprsek laseru definuje dráhu vodivého spoje a aktivuje přísadu v plastu, která potom umožní chemické pokovení a vznik vodivých spojů (zdroj: HARTING 3D-MID)

Základní myšlenkou technologie LDS je použití plastového materiálu určitých vlastností a potřebného tvaru, na jehož povrchu se pomocí laserového paprsku vytvoří dráhy budoucích plošných spojů, které potom vzniknou chemickým pokovením. Základem je tedy těleso vyrobené vstřikováním termoplastu, který navíc obsahuje nevodivé anorganické přísady. Paprsek laseru, který se pohybuje po jeho povrchu, definuje trasu budoucích plošných spojů i geometrii plošek a současně v místě osvícení plastu zanechává stopu s velmi jemnou strukturou, kde se aktivuje zmíněná přísada. Uvolněné kovové částečky přísady vytvoří zárodek pro následné chemické pokovení v měděné lázni. Tak vzniknou v osvícených místech elektricky vodivé spoje a plochy, zatímco okolní části zůstávají beze změny. Chemickým pokovením lze nanést také další tenké vrstvy materiálů, jako jsou například nikl nebo zlato.

Plastový díl s vodivými spoji může být potom osazen součástkami podobně jako deska plošných spojů (obr. 2), a dokonce i pájen metodou přetavením nebo v parách. Celý postup je jednoduše vysvětlen ve videu firmy LPKF dostupném na YouTube [2].

Obr. 2 Těleso 3D-MID s připájenými SMD součástkami (zdroj: HARTING 3D-MID)

Osazením výrobku součástkami a jejich připájením vzniká elektronická sestava nazvaná 3D-MID, kde zkratka MID odkazuje hned na tři výrazy − Mechatronic Integrated Device, Mechatronic Interconnect Devices a Molded Interconnect Device. Důraz na termín mechatronika je zde zcela na místě, protože mnohé 3D-MID sestavy mají současně jak elektrickou, tak i mechanickou funkci.

Minimální tloušťka spoje je obvykle 16 až 20 μm, zatímco jeho minimální šířka a mezera mezi spoji bývá 50 až 150 μm. Pokud jde vodivý spoj přes hranu tělesa, vyžaduje minimální rádius hrany 0,2 mm (viz obr. 2).

Dvacetileté zkušenosti s používáním sestav 3D-MID v řadě výrobků prokázaly jejich výhody i nevýhody v porovnání s klasickými deskami plošných spojů. Mezi výhody patří:

• velká variabilita tvaru tělesa,
• SMD součástky mohou být osazeny na všech dostupných plochách tělesa,
• změny v zapojení nebo rozměrech součástek nevyžadují výrobu nového tělesa (před aplikací laseru),
• snadnější miniaturizace a snížení hmotnosti,
• kratší doba osazení,
• menší počet výrobních kroků,
• embedded struktury spojů i součástek (antény, spínače, konektory, snímače).

Mezi nevýhody naopak patří:

• potřeba drahých anorganických přísad pro celý objem plastového tělesa,
• nezbytnost procesu chemického pokovení,
• poměrně drsný povrch pokovené vodivé cesty,
• obvykle pouze jedna vrstva vodivých cest, které se nekříží (i když via otvor lze také vytvořit),

3D-MID umožňuje vyrobit velmi kvalitní a spolehlivé elektronické sestavy, takže je lze nalézt například v automobilech, mobilních telefonech i medicínských zařízeních, ale zejména všude tam, kde je důležitá úspora místa. Na obr. 3 je bezpečnostní schránka platebních terminálů, u které jsou na vnitřní straně krytu vytvořeny metodou LDS velmi jemné meandrové spoje. Při pokusu o narušení prostoru jakýmkoliv způsobem dojde k přerušení vodivého spojení a k signalizaci.

Obr. 3 Bezpečnostní schránka pro platební terminály, kde vysoce přesná a jemná struktura vodivých drah zaznamená jakýkoliv pokus o narušení

Pro osazování 3D-MID tělesa SMD součástkami se používají zařízení pro osazování ve 3D. Součástky mohou být na vodivé plošky připojeny pájením přetavením nebo v parách, přilepeny vodivým lepidlem apod.

Návrh fyzického propojení součástek daného obvodu na povrchu 3D tělesa nelze provádět v běžných programech pro návrh desek plošných spojů, které pracují pouze ve 2D. Návrhový program Nextra MID [3] od firmy Mecadtron je určen pro podobné úlohy, jako jsou sestavy 3D-MID. Z běžných programů pro návrh desek plošných spojů si načítá netlist čili informace o propojení mezi použitými součástkami, zatímco z 3D MCAD programů si bere informace o tvaru a rozměrech tělesa ve 3D. Výstupem programu jsou pak data pro výrobní zařízení procesu LDS včetně zařízení firmy LPKF. Výhradním prodejcem tohoto programu je společnost FlowCAD, německý distributor softwarové firmy Cadence.

Dalším softwarem používaným při LDS procesech je program CircuitPro 3D firmy LPKF, který je určen pro zařízení, která tato firma vyrábí.

Na jejím webu jsou uvedeny další podrobnosti o procesu LDS, jako je volba vhodného termoplastu, pravidla pro návrh layoutu a další. Je tam také uveden seznam autorizovaných výrobců, kteří proces LDS používají a řídí se při tom doporučeními firmy LPFK (použití doporučeného materiálu, výrobního zařízení apod.).

Na obr. 4 je vidět vnitřní část zařízení Fusion3D 1200 pro LDS proces od LPKF. Umožňuje malosériovou i hromadnou výrobu s pomocí jedné až tří procesních jednotek. Systém s LDS laserem je vybaven otočným stolem s aretací ve dvou polohách, který umožňuje současně pracovat a vkládat či vyjímat 3D objekty. Princip jeho činnosti je názorně předveden ve videu na YouTube [4].

Obr. 4 Zařízení Fusion3D 1200 pro LDS procesy od firmy LPKF (zdroj: LPKF)

Největším dodavatelem 3D-MID sestav mimo Asii je německá společnost HARTING, respektive její divize specializovaná na LDS procesy − HARTING 3D-MID AG. Je také autorizovaným výrobcem 3D-MID sestav s LDS procesem od LPKF.

Nabízí kompletní dodávky 3D-MID komponentů z jednoho zdroje, což zahrnuje vývoj, prototypování, vstřikování plastových dílů, LDS proces, pokovení, osazení součástkami i finální inspekci. Její výroba je zaměřena hlavně na automobilový průmysl, medicínskou techniku a obor snímačů.

Firma HARTING je jediným výrobcem 3D-MID na světě, který má laserový systém se třemi optikami pro výsledný paprsek 50 μm. To umožňuje vytvořit hustší síť vodivých drah.

Kromě toho nabízí řadu specializovaných úloh v souvislosti s LDS procesy. Tak například normálně lze pro LDS proces použít pouze vybrané a schválené termoplastické materiály.

Nicméně zákazník může požadovat určité úpravy jejich vlastností, které se řeší individuálně:

• Přidáním LDS přísady do materiálu, který není certifikovaný pro tento proces, se tento materiál stává kompatibilní s požadavky na 3D-MID.
• Použitím 3D-MID termoplastů a specifických barevných pigmentů lze získat různé barvy produktu.
• Vybráním vhodných přísad se také mohou uspokojit požadavky na VF charakteristiky v závislosti na kmitočtovém rozsahu.

V porovnání s konvenčními metodami je výroba prototypů použitím technologie LDS mnohem snazší. HARTING dokáže vyrobit základní plastové těleso 3D tiskem za použití materiálů, které jsou kompatibilní s LDS procesem. Může také zajistit vstřikování do formy s použitím prototypových nástrojů, které nejsou nijak drahé. Aby bylo možné realizovat výrobní procesy s co nejmenšími náklady, používá HARTING automatické robotické systémy jak u procesu LDS, tak i při vstřikování plastu do formy. Použití robotů zlepšuje opakovatelnost procesů a tím zajišťuje vyšší kvalitu.

Společnost HARTING také vyvinula nosiče SMD součástek (obr. 5), tzv. Component Carrier [6], které jsou vlastně samy o sobě malými 3D-MID sestavami. Používají se zejména pro získání potřebné výšky součástek nad montážní úrovní (typicky LEDky) nebo jako mezikus mezi klasickou deskou plošných spojů a součástkou umístěnou mimo desku (senzory, LED, antény atd.). Nosič s již namontovanou součástkou se může dodávat jako ostatní SMD součástky na pásce v cívce pro osazovací automaty.

Obr. 5 3D-MID nosiče součástek firmy HARTING