title: Strukturen und Eigenschaften selektiv lasergesinterter Polyamid- und Polyamid-Kupfer-Systeme für Anwendungen in dreidimensionalen Schaltungsträgern
Creators: name: Balzereit, Sandra
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2021
Subjects: subject: Selektives Lasersintern
subject: Volumenenergiedichte
subject: kryogenes Mahlen
subject: Morphologie
subject: Polyamid 12
subject: Kupferpartikel
subject: Wärmeleitfähigkeit
subject: Laserdirektstrukturierung
subject: dreidimensionale Schaltungsträger
subject: 600
subject: 620

description: 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.