Process optimization and simulation of film insert molding for electronic applications

Titel in Übersetzung: Prozessoptimierung und Simulation des Folienhinterspritzens für elektronische Anwendungen

Martin Hubmann

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Das In-Mold-Elektronik (IME) Verfahren ist eine Technik zur Herstellung leichter dreidimensionaler Objekte mit elektronischen Funktionen. Dabei werden flexible Folien mit gedruckten Schaltkreisen und oberflächenmontierten Bauelementen (SMDs) wie Widerständen durch Spritzgießen mit einem thermoplastischen Kunststoff verschmolzen. Dadurch wird die Elektronik Teil der tragenden, schützenden und geometrisch bestimmenden Strukturen, anstatt über Kabel mit ihnen verbunden zu sein. Diese so genannten structural electronics sind neue Ansätze für die Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI). Es überrascht nicht, dass die Integration solcher Folien in Spritzgussteile eine Herausforderung darstellt. Beim Hinterspritzen herrschen aufgrund der viskosen Schmelze hohe Drücke, Schubspannungen und Temperaturen. Nach dem Hinterspritzen darf es nicht zu unzureichender Haftung zwischen Folien und Bauteilen, verzogenen Folien und/oder abgelösten Komponenten kommen. Ziel dieser Arbeit war es, ein tiefergehendes Verständnis für die treibenden Kräfte hinter diesen Problemen zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurden experimentelle Untersuchungen anhand von Fallstudien sowie Spritzgusssimulationen durchgeführt, um korrelierende Zusammenhänge zu finden. Die Auswirkungen der Spritzguss-Parameter auf die Haftung zwischen O2-Plasma behandelten Fluorpolymerfolien (THV), die mit Polycarbonat (PC) hinterspritzt wurden, wurde mit Peeltests bewertet. Die gemessenen Haftfestigkeiten wurden dann mit den Simulationen durch ein davon abgeleitetes Temperatur-Zeit-Integral korreliert (R²=85% ). Dabei wurden die Temperaturen an den PC-THV-Grenzflächen während des Spritzgießens untersucht. Es scheint, dass die Grenzfläche umso stärker wird, je höher und je länger die Temperaturen oberhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) des amorphen PC bleiben. Dies kann durch höhere Werkzeug- und Massetemperaturen und höhere Einspritzgeschwindigkeiten (viskose Dissipation) erreicht werden. Wie die Experimente, zeigten auch die Simulationen eine (leicht) verringerte Adhäsion mit steigendem Nachdruck. Dies wurde auf einen höheren Wärmeübergangskoeffizienten (HTC) zurückgeführt, der länger vorherrscht, wenn die Kavität unter Druck steht. Die Grenzfläche kühlt schneller ab und in Folge ist die Bindung schwächer. Als nächstes wurde die Deformierung von spritzgegossenen laminierten structural electronics untersucht. Dazu wurden Folien, die PC-Folien als äußere und thermoplastische Polyurethan (TPU)-Folien als mittlere Klebeschichten zur Ummantelung von flexiblen Leiterplatten (flexPCBs) enthielten, umspritzt. Die beobachtete Deformation an den Folien wurde mit den Simulationen korreliert, indem von ihnen ein Scherdeformationsfaktor abgeleitet wurde. Offenbar wird die Deformierung durch das Aufschmelzen der TPU-Schicht ausgelöst. Daher sind Spritzgusseinstellungen erstrebenswert, die ein Aufschmelzen der TPU-Schicht verhindern und gleichzeitig die auftretenden Schubspannungen während des Füllens reduzieren. Als nächstes wurde das Ablösen von SMD-Widerständen assemblierter Folien beim Hinterspritzen mit PC untersucht. Dabei wiesen Folien, die mit einem leitfähigen Klebstoff assembliert und in der dünneren Form bei niedrigeren Massetemperaturen überspritzt wurden, die meisten abgelösten Widerstände auf. In den Simulationen wurden Füllkräfte von 1 bis 7 N auf die Bauelemente berechnet. Diese lagen damit deutlich unter den experimentell ermittelten Bruchscherkräften von mindestens 20 N (leitfähiger Klebstoff). Diese Diskrepanz dürfte daher kommen, dass die Prüfung bei Raumtemperatur durchgeführt wurde, während beim Spritzgießen hohe Temperaturen herrschen (und das Verbindungsmaterial erweicht). Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Optimierung des komplexen IME-Prozesses mit Hilfe von Spritzgießsimulationssoftware möglich ist. Darüber hinaus kann durch eine solche virtuelle Betrachtung ein tiefer
Titel in ÜbersetzungProzessoptimierung und Simulation des Folienhinterspritzens für elektronische Anwendungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Berger-Weber, Gerald R., Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Schuecker, Clara, Mitbetreuer (intern)
  • Kukla, Christian, Beurteiler A (intern)
  • Lucyshyn, Thomas, Betreuer (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Spritzgießen
  • Spritzguss
  • Hinterspritzen
  • In-Mold-Elektronik
  • IME
  • structural electronics
  • Flexible Elektronik
  • Simulation

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