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Jun 19, 2023

Panorama técnico de EIPC: nuevo láser

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“¡Se acabó el verano, ahora toca volver al trabajo!” Esta fue la frase de apertura de la invitación al 18º seminario web de instantánea técnica de EIPC, el 14 de septiembre, siguiendo el tema de los avances en la tecnología electrónica automotriz, presentado y moderado por el presidente de EIPC, Alun Morgan.

La primera presentación, titulada "El componente inteligente totalmente impreso: combinación de fabricación aditiva e impresión con sensores", estuvo a cargo de Jonas Mertin, especialista en procesamiento de películas finas del Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser.

Discutió cómo se pueden mejorar las propiedades y la funcionalidad de los recubrimientos aislantes y conductores en la electrónica impresa y los sensores integrados mediante el procesamiento de películas delgadas y describió dos enfoques: la modificación basada en láser de superficies de componentes ya recubiertas y la producción aditiva de películas mediante recubrimiento y Postprocesamiento térmico.

Considerando en detalle el segundo enfoque, ilustró la sucesión de pasos del procesamiento: pretratamiento de la superficie, deposición de soluciones químicas de sol-geles o dispersiones de nanopartículas, secado por láser y funcionalización por láser. Este procedimiento no implica procesos por lotes ni de vacío y es capaz de funcionar en línea de forma automatizada. Es eficiente en el uso de recursos, flexible y de bajo costo. El material funcional se puede aplicar en áreas selectivas del sustrato, lo que permite la individualización de productos en masa, y es posible trabajar en sustratos sensibles a la temperatura como láminas de poliéster.

La demanda de componentes con funciones integradas sigue aumentando. Mertin mostró varios conceptos de aplicación e integración para sensores impresos y se refirió al proyecto faro "Go Beyond 4.0" de Fraunhofer, que trabaja para combinar métodos de producción tradicionales con tecnologías orientadas al futuro y métodos de fabricación digital para desarrollar nuevas estrategias e innovaciones de procesos en áreas relevantes para el mercado. Áreas de aplicación como la producción de automóviles. En su ejemplo, se han integrado módulos digitales para impresión aditiva y ablación láser de materiales en procesos existentes para incorporar sensores piezoeléctricos de alerta temprana de impacto en la estructura de la puerta de un automóvil, utilizando estructuración láser para incrustar capas impresas, impresión y secado láser de capas de aislamiento dieléctrico, luego impresión y curado con láser de capas conductoras de electricidad sobre el aislamiento. Otros ejemplos fueron galgas extensométricas integradas y capas funcionales para electrónica de alta potencia. La impresión directa de funcionalidades en componentes semiacabados o terminados es un enfoque de fabricación fácilmente automatizado y también se puede utilizar para agregar varias funciones a los componentes impresos en 3D. No solo productos finales, sino también herramientas: el ejemplo final de Mertin fue una fresa impresa en 3D con galgas extensométricas impresas y sinterizadas con láser incrustadas detrás de las puntas de corte.

Christopher Rocneanu, vicepresidente de desarrollo comercial de IQ Evolution en Alemania, presentó un enfoque novedoso para la gestión térmica de los componentes de la electrónica de potencia, quien describió la producción y las aplicaciones de los disipadores térmicos refrigerados por líquido, impresos en 3D en acero inoxidable. ¿Por qué acero inoxidable en lugar de cobre o aluminio? La respuesta no es sólo su resistencia a la corrosión, sino también la capacidad de formar estructuras de paredes extremadamente delgadas mediante fusión selectiva por láser. El proceso de fabricación sin herramientas implica la fusión capa por capa de polvo de acero inoxidable mediante una máquina láser impulsada por un archivo CAD 3D. Se pueden lograr formas complejas y sin fugas con espesores de pared de 150 micras, mientras que las geometrías equivalentes en cobre o aluminio requerirán 800 micras o más.

El proceso no sólo permite la creación rápida de prototipos, sino que también es adecuado para la producción en masa. El polvo metálico se aplica en capas muy finas y se funde mediante un rayo láser, creando una estructura metálica homogénea en los puntos donde el láser funde el polvo. Las zonas restantes del polvo permanecen sin cambios y se eliminan al final del proceso. La geometría es función del diámetro del haz, el tamaño del grano del polvo, el espesor de la capa, la velocidad y potencia del haz láser y el paso seleccionado entre escaneos sucesivos. Los disipadores térmicos de acero inoxidable resultantes son capaces de disipar cargas térmicas sustanciales con una resistencia térmica muy baja.

Debido a la flexibilidad del proceso de impresión 3D, en la práctica no existe un producto estándar, pero demostró muchos ejemplos de diseños de refrigeradores comúnmente utilizados, en una variedad de aplicaciones industriales y automotrices.

En la electrónica de automoción existe un requisito general de que los disipadores de calor funcionen a presiones de refrigerante más bajas que sus equivalentes industriales, por lo que se han adaptado para permitir caudales sustancialmente más altos. Rocneanu mostró una serie de gráficos comparativos de rendimiento.

Un beneficio clave en aplicaciones automotrices es que estos refrigeradores de acero inoxidable de pared delgada ofrecen una reducción de peso significativa. Su ejemplar era capaz de disipar 1,5 kilovatios pero pesaba sólo 28 gramos. Y el material de acero inoxidable permitió el uso de soldadura o sinterización de cobre o plata para unirle módulos.

Un ejemplo extremo de ahorro de peso y espacio es un convertidor CC/CC para camión, con una potencia total de 210 kilovatios y una disipación de potencia de 4,4 kilovatios. Un cambio de placas frías convencionales a disipadores de calor impresos en 3D permite que el convertidor quepa en un volumen limitado con una reducción de peso del 97%.

La impresión de lo no imprimible utilizando tecnología de inyección láser sin boquillas fue el tema intrigante de la presentación final de Ralph Birnbaum, director de desarrollo comercial de ioTech Group en Israel, en un documento titulado “Fabricación digital masiva de productos electrónicos: rompiendo el molde”.

Repasó un desafío fundamental que limita las tecnologías actuales de fabricación aditiva. Debido a que los materiales aprobados y certificados para la fabricación de productos electrónicos son generalmente demasiado viscosos, la fabricación aditiva sólo se utiliza para la creación de prototipos.

Describió la técnica de deposición continua asistida por láser, basada en tecnología de transferencia directa inducida por láser y desarrollada para la fabricación aditiva, que ganó el premio a la innovación productrónica en 2021.

En principio se trata de recubrir material de cualquier viscosidad sobre una película soporte transparente, que se pasa bajo un láser con el lado revestido hacia abajo. Los pulsos cortos de energía láser enfocada que golpean el soporte desde arriba liberan gotas consistentes de material sobre un sustrato debajo, que luego se puede sinterizar o curar en línea.

La técnica permite la impresión de alta resolución de materiales industriales que de otro modo no serían imprimibles, como polímeros, siliconas, cerámicas, metales, soldaduras y adhesivos. Se pueden imprimir simultáneamente hasta cinco materiales, combinando polímeros, metales y cerámicas, a 7 millones de puntos por hora con una velocidad de línea de 1 metro por segundo.

Birnbaum mostró una larga lista de materiales que se han impreso con éxito con resoluciones tan bajas como 25 micrones y tamaños de relleno que van de 2 a 20 micrones. Las opciones de curado en línea son térmicas o UV, con sinterización por láser o ablación por láser disponibles para el acabado. Afirmó que la técnica ecológica ofrece la productividad de la serigrafía con la flexibilidad de dosificación y la precisión del chorro, con un bajo costo de propiedad, un mantenimiento sencillo y sin consumibles costosos.

Al analizar las aplicaciones en la fabricación de circuitos impresos y el ensamblaje de productos electrónicos, mostró una prueba de concepto de PCB de una sola capa sobre un sustrato FR-4, con pistas metálicas y una máscara de soldadura impresas en la misma estación. Demostró la unión de matrices con pasta de plata aplicada a más de 10 000 gotas por segundo (significativamente más rápido que la dosificación) y el ensamblaje SMT con impresión de alta resolución de pasta de soldadura a más de 2000 gotas por segundo, nuevamente significativamente más rápido que la dosificación.

Se puede imprimir una amplia gama de adhesivos con resoluciones de hasta 50 micrones, y se pueden generar diseños que antes no se podían imprimir superponiendo gotas igualmente distribuidas y completamente registradas con una precisión de 5 micrones. Se pueden incorporar múltiples adhesivos en un solo diseño si es necesario.

Además de la máscara de soldadura en PCB desnudas, la tecnología de deposición continua asistida por láser permite la deposición selectiva de múltiples materiales de recubrimiento y encapsulantes en conjuntos de PCB, con una precisión de 50 micrones.

El ejemplo de aplicación final de Birnbaum fue la formación de interconexiones conductoras en cavidades y sustratos no conformes, en anchos de línea de hasta 20 micrones utilizando pastas metálicas comerciales estándar, con sinterización láser en línea y combinando dieléctrico y metal si es necesario. Se pueden llenar vías tan pequeñas como 60 micras.

Al cerrar el acto, Morgan agradeció a los oradores por sus fascinantes presentaciones, a Kirsten Smit-Westenberg y Tarja Rapala-Virtanen por organizar y gestionar otro espléndido evento, y a todos los que asistieron.

La próxima instantánea técnica está programada para el miércoles 19 de octubre.

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