Strukturen und Eigenschaften selektiv lasergesinterter Polyamid- und Polyamid-Kupfer-Systeme für Anwendungen in dreidimensionalen Schaltungsträgern

Titelangaben

Balzereit, Sandra:
Strukturen und Eigenschaften selektiv lasergesinterter Polyamid- und Polyamid-Kupfer-Systeme für Anwendungen in dreidimensionalen Schaltungsträgern.
Bayreuth , 2021 . - XIV, 208 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005241

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Abstract

Additive Fertigungsverfahren wie das selektive Lasersintern (SLS) bieten die Möglichkeit, Strukturen wie 3D-MIDs, werkzeuglos herzustellen. Erste dreidimensionale Schaltungsträger werden bereits durch das selektive Lasersintern hergestellt. Ein etabliertes Verfahren ist der LPKF-LDS-Prototyping Prozess. Anders als bei den herkömmlichen 3D-MIDs muss bei diesem Verfahren der additiv hergestellte Schaltungsträger jedoch nachträglich mit einer Metallverbindungen beinhaltenden Substanz beschichtet werden, um laserdirektstrukturiert werden zu können. Kommerzielle Materialien für spritzgegossene 3D-MIDs beinhalten schon vorab ein spezielles Additiv zur Laserdirektstrukturierung, welches lokal durch den Laser aktiviert werden kann. Daraus leitet sich der Bedarf an funktionalisierten Pulver-Verbunden für den selektiven Lasersinterprozess zur Gestaltung dreidimensionaler Schaltungsträger ab.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, notwendige wissenschaftliche Grundlagen für die Entwicklung laserdirektstrukturierbarer Pulver-Verbunde auf Basis von Polyamid 12 für die Fertigung dreidimensionaler elektronischer Schaltungsträger im selektiven Lasersinterprozess zu schaffen. Dazu wird nicht nur ein kommerzielles SLS-Pulver betrachtet, sondern auch über den kryogenen Mahlprozess hergestellte Pulver. Als Additiv werden Kupferpulver in verschiedenen Korngrößen und Füllstoffgehalten herangezogen. Diese Arbeit konzentriert sich dabei vorwiegend auf die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der untersuchten Materialien.
Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass durch kryogenes Mahlen hergestellte Pulver erfolgreich im SLS-Prozess verarbeitet werden können. Die Pulvermorphologie war durch eine scharfkantige Partikelgeometrie, eine geringe Schüttdichte und eine breite Korngrößenverteilung geprägt. Dies beeinträchtigte die Verarbeitung im SLS-Prozess hinsichtlich Pulverzuführung und -auftrag sowie die Prozessstabilität. Die resultierenden Bauteile zeigten eine geringere Oberflächengüte und niedrigere mechanische Kennwerte im Vergleich zum kommerziellen SLS-Pulver auf.
Die Polyamid 12-Kupfer-Verbunde wurden erfolgreich im SLS-Prozess verarbeitet. Es konnten zwei Modelle bezüglich des Einflusses von Kupferpulver auf Polyamid 12 differenziert werden. Für große Kupferpartikel sowie für kleine Kupferpartikelgrößen in geringen Füllstoffkonzentrationen konnte die Ausbildung stark poröser Bauteilstrukturen mit vermehrten Zersetzungsporen in den Bruchflächen festgestellt werden. Anders verhielt es sich bei Polyamid 12-Kupfer-Verbunden mit einer hohen Füllstoffkonzentration in kleiner Kupferpartikelgröße. Hier wurde die Ausbildung von Kupferleitpfaden und eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit der Verbunde festgestellt. Daraus resultierten im Bauprozess kompakte Bauteilstrukturen mit geringer Porenanzahl in den Bruchflächen. Mit Erhöhung der Volumenenergiedichte konnte eine Verbesserung der mechanischen Kennwerte im Vergleich zum Reinmaterial erzielt werden.
Die Untersuchung der schaltungsträgerspezifischen Eigenschaften zeigte jedoch, dass nicht alle untersuchten Polyamid 12-Kupfer-Verbunde laseraktivierbar waren und damit für die Herstellung von Schaltungsträgern geeignet. Die Polyamid 12-Kupfer-Verbunde auf Basis des kryogen gemahlenen Pulvers konnten aufgrund ihrer Oberflächenbeschaffenheit nicht erfolgreich metallisiert werden. Im Vergleich dazu können aus den Polyamid 12-Kupfer-Verbunden auf Basis des kommerziellen Polyamid 12-Pulvers funktionsfähige Prototypen realisiert werden. Sie stellen somit eine Ergänzung zu herkömmlichen 3D-MIDs dar.

Abstract in weiterer Sprache

Additive manufacturing, such as the selective laser sintering (SLS), provides the possibility to manufacture structures as 3D-MIDs tool free. The first three-dimensional circuit carriers are already manufactured by selective laser sintering. An established method is the LPKF-LDS-prototyping process. Different from conventional 3D-MIDs this process requires an ensuing coating of the additive manufactured circuit carrier with a metal compound containing substance to enable the direct structuring by laser. Commercially available materials for injection molded 3D-MIDs already contain certain additives for laser direct structuring, that can be activated by laser. Thus, the demand for functional powder compounds for the selective laser sintering process to design three-dimensional circuit carriers is mandatory.
Therefore, the aim of the present thesis is to establish the required scientific and technical fundamentals for the formulation of laser direct structurable powder compounds based on Polyamide 12 for the manufacturing of three-dimensional electronic circuit carriers by selective laser sintering. Thus, not only a commercially available SLS-powder but also by cryogenic milling produced powders are taken into consideration. Copper powders with different average particle sizes and in different filler contents are chosen as additives. The present thesis focusses on essential structure-property relationships of the investigated materials.
In the context of the present thesis, it was found that by cryogenic milling produced powders can successfully be processed by selective laser sintering. The powder morphology was characterized by a sharp-edged particle geometry, low bulk density and a broad particle size distribution. This affected the processing by selective laser sintering regarding the powder supply and powder application as well as the process stability. The resulting parts showed a lower surface quality and lower mechanical properties compared to the commercially available SLS-powder.
The Polyamide 12-copper-compounds could successfully be processed by selective laser sintering. Two different principles regarding the influence of copper powder on Polyamide 12 could be observed. Large copper particles as well as small copper particles in low filler concentrations led to highly porous part structures with increased appearance of decomposition pores within the fracture surfaces. This resulted in decreased mechanical properties compared to the neat polymer. A different behavior was identified for the Polyamide 12-copper-compounds with high filler concentrations of copper powders in small particle sizes. For these compounds the formation of copper paths and thus an increased heat conductivity were observed. This resulted in more solid part structures with low porosity within the fracture surfaces. An improvement of the mechanical properties compared to the neat polymer could be observed with increasing the volume energy density.
The circuit carrier specific investigations revealed, that not all investigated Polyamide 12-copper-compounds could be activated by laser and were thus not suitable for the manufacturing of circuit carriers. The Polyamide 12-copper-compounds based on the cryogenically milled Polyamide 12-powders could not be metallized successfully due to their low surface qualities. Compared to this, with the Polyamide 12-copper-compounds based on the commercially available SLS-powder functioning prototypes could be realized. Therefore, they can be considered as an additional option to conventional 3D-MIDs.