Im kontaktierten Zustand werden gedruckte Widerstände durch Laserschnitt erhöht, bis der Zielwert erreicht ist.

Im kontaktierten Zustand werden gedruckte Widerstände durch Laserschnitt erhöht, bis der Zielwert erreicht ist. VIA Electronic

In die grüne Keramik werden Kanäle, Kavitäten und Konturen in beliebigen Formen mit CNC-Fräsmaschinen eingebracht.

In die grüne Keramik werden Kanäle, Kavitäten und Konturen in beliebigen Formen mit CNC-Fräsmaschinen eingebracht. VIA Electronic

Das Layout wird interaktiv in ein technisch geprüftes LTCC-Layout zur Freigabe durch den Kunden umgesetzt.

Das Layout wird interaktiv in ein technisch geprüftes LTCC-Layout zur Freigabe durch den Kunden umgesetzt. VIA Electronic

SMT-Labor mit Bestückungsplätzen und Reflow-Öfen für Musteraufbauten.

SMT-Labor mit Bestückungsplätzen und Reflow-Öfen für Musteraufbauten. VIA Electronic

Im kontaktierten Zustand werden gedruckte Widerstände durch Laserschnitt erhöht, bis der Zielwert erreicht ist.

Im kontaktierten Zustand werden gedruckte Widerstände durch Laserschnitt erhöht, bis der Zielwert erreicht ist. VIA Electronic

Das Stapeln und Laminieren erfolgt über Fanglöcher in Stapelwerkzeugen. Anschließend wird der Stapel bei etwa 70 °C und mit isostatisch mit 200 MPa verpresst.

Das Stapeln und Laminieren erfolgt über Fanglöcher in Stapelwerkzeugen. Anschließend wird der Stapel bei etwa 70 °C und mit isostatisch mit 200 MPa verpresst. VIA Electronic

Keramische Baugruppen werden bevorzugt dort eingesetzt, wo es auf extreme Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit ankommt, etwa in der  Satellitentelekommunikation, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt, Navigation oder Automatisierungstechnik.

Keramische Baugruppen werden bevorzugt dort eingesetzt, wo es auf extreme Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit ankommt, etwa in der Satellitentelekommunikation, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt, Navigation oder Automatisierungstechnik. VIA Electronic

Mit dem so genannten Postfiring in Durchlauföfen wird die Keramik endgültig bei einem typischen Temperaturpeak von 850 °C und einer 60-minütigen Durchlaufzeit endgültig „in Form“ gebracht. Dabei oxidieren Edelmetallpasten und Widerstände sowie inerte Kupfer- und Nickelpasten.

Mit dem so genannten Postfiring in Durchlauföfen wird die Keramik endgültig bei einem typischen Temperaturpeak von 850 °C und einer 60-minütigen Durchlaufzeit endgültig „in Form“ gebracht. Dabei oxidieren Edelmetallpasten und Widerstände sowie inerte Kupfer- und Nickelpasten. VIA Electronic

Im Zentrum des Thüringer Holzlandes zwischen Jena und Gera liegt Hermsdorf. Seinen Bekanntheitsgrad verdankt es unter anderem dem Hermsdorfer Kreuz. Hier kreuzen sich die Autobahnen Köln-Dresden (A 4) und Berlin-München (A 9). Hermsdorf ist auch Sitz vor auf LTCC-Produkte spezialisierten Via Electronic. Und das kommt nicht von ungefähr: Seit dem Jahr 1892 werden am Standort technische Keramiken produziert. Die Entwicklung des Delta-Glockenisolator von Robert Friese im Jahre 1897 galt zu seiner Zeit als ein revolutionäres Konstruktionskonzept für Hochspannungsisolatoren. In den 1930er Jahren wurde der Langstabisolator gefertigt. Dabei wurde Steatit als keramischer Isolationswerkstoff eingeführt.

Die vielseitigen Eigenschaften und die Weiterentwicklung der technischen Keramik führte im Laufe der Jahre zur Entdeckung neuer Werkstoff- und Produktgruppen wie den keramischen Schichtkondensatoren. Als Kombinat „Keramische Werke Hermsdorf“ wurde der Standort zu DDR-Zeiten auf bis zu 7.000 Mitarbeiter aufgebaut, zur Keramik kam die Elektronik hinzu und es erfolgte später die Produktion von 4 MBit großen Speicher-Schaltkreisen. Heute tummeln sich zahlreiche Firmen an dem Standort; denn die Keramik- und Elektronikindustrie blieben Hermsdorf erhalten. Neben Via Electronic und weiteren innovativen Unternehmen befindet sich auch ein Teil des Fraunhofer Instituts IKTS (Institut für Keramische Technologien und Systeme) in unmittelbarer Nähe.

Das Besondere von LTCC

Der Geschäftsführer von Via Electronic ist Franz Bechtold, ein ausgebildeter Mineraloge. Von Siegert Electronic kommend, hat er sein fundiertes Wissen über die Dickschichttechnik weitergetragen und Via Electronic zu einem weltweiten Partner für Keramiksubstrate vorangetrieben. Der Kern der LTCC-Technologie (Low Temperature Co-fired Ceramic) sind bei niedrigen Temperaturen sinternde flexible Keramikfolien. Wobei niedrig eine deutungsvolle Bezeichnung ist; denn LTCC Keramik wird bei einer Temperatur von 900 °C gebrannt. Doch die Bezeichnung „niedrig“ ist auf keramische Sinterprozesse zu beziehen und relativ zu den dort herrschenden Temperaturen von bis zu 1.800 °C zu sehen. Basis sind stets „grüne“, das heißt, ungebrannte Folien. Diese Folien werden mechanisch strukturiert, in Dickschichttechnik bedruckt, laminiert und bei 900° C gesintert. Ein Multilayerboard, hochintegriert, dreidimensional vernetzt aus Keramik kann das Ergebnis sein. Daran schließen sich die weiteren Verarbeitungsprozesse an.

LTCC, der Trägerwerkstoff, besteht nicht nur aus Keramik, sondern enthält auch Glas. Wichtig hierbei sind die Vakuumdichtigkeit, niedrige dielektrische Verluste und Bleifreiheit. Seine Formbarkeit im ungebrannten Zustand eröffnet völlig neue Lösungen für Verbindungen und Bestückungen. Vertiefungen, Chip Carrier Strukturen, Fenster, komplizierte Außenkonturen und dreidimensionale Formen sind mit diesem Werkstoff zu realisieren.

Dass passive Komponenten in das Substrat eingebettet werden können ist ein klarer Vorteil dieser Technik. Meist handelt es sich um Kondensatoren, Induktivitäten und Widerstände. Damit lassen sich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen. Einmal reduzieren sich die Abmessungen der Schaltung gegenüber konventionellen Leiterplatten maßgeblich und die Verbindungen fallen wesentlich kürzer aus. Das zieht die erfreuliche Folge nach sich, dass parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten eindeutig geringer ausfallen. Mehrlagenschaltungen kennen kaum eine Begrenzung der Lagenzahl. Zusammen mit dem niedrigen Verlustfaktor des keramischen Dielektrikums sprechen die Fakten für hochfrequente Applikationen. Auch die Niederohmigkeit innen liegender Leiterbahnen trägt ihren Teil dazu bei. Dazu gesellen sich die robuste Konstruktion der LTCCs, die Unempfindlichkeit gegenüber Feuchte und Temperatur sowie die Tatsache, dass sich Schaltungen bereits mit wenigen externen Bauelementen aufbauen lassen. Außerdem besteht die Möglichkeit der 3D-Integration, die für Mikrowellenschaltungen besondere Vorteile aufweist. Die mögliche Kombination der LTCC-Technik mit der Dünnschichttechnologie erschließt weitere Anwendungsfelder auf dem Gebiet der Sensorik und Messtechnik.

Der Weg zur Keramikbaugruppe

Im engen Schulterschluss mit dem Kunden werden Details offengelegt, die relevant für die Fertigung sind. Denn Keramik ist nun mal kein FR4-Material und damit völlig anders zu handhaben. Liegt ein Schaltplan vor, prüfen die Techniker dessen Plausibilität und erstellen auf dieser Basis das komplexe Layout. Eine Abschlussdiskussion mit dem Kunden ebnet den Weg für den Auftrag. Aus dem Layout werden die Einzelaufgaben für den Produktionsprozess definiert: Daten für Werkzeuge, Programme und finale Tests. Nach dem Erstellen der Werkzeuge schließt sich die Herstellung der Prototypen an, die zur Freigabe der Serienproduktion erforderlich sind. Mit in den Prozess sind das Einbringen von Via-Holes, das Via-Filling und das Aufbringen der Leiterbahnen per Siebdruck inbegriffen. Die Via Holes stanzt eine CNC gesteuerte automatische Stanze mit bis zu 15 Hüben pro Sekunde, typischerweise mit einem Durchmesser von 200 µm. Halbautomatische Siebdruckanlagen inklusive Bilderkennung drucken das Leiterbild mit einer Auflösung von 200 µm und rund 10 µm Dicke. Die automatische optische Inspektion im Anschluss gewährleistet ein fehlerfreies Druckbild. Dem schließt sich das Zusammentragen und Laminieren der Einzellagen an. Lage gegen Lage wird über Fiducials und Registrierungswerkzeuge exakt ausgerichtet. Das gesamte Paket wird anschließend bei annähernd 70 °C isostatisch bei einem Druck von rund 200 MPa verpresst. Mit diesem Verfahren wird die Keramik porenfrei verdichtet.

Die noch sogenannte „Grüne Keramik“ – weil ungebrannt – durchläuft anschließend mehrere Arbeitsstationen. Leistungsstarke CNC gesteuerte Fräsmaschinen bringen Kanäle, Kavitäten, Konturen in vielfältigen Formen und Größen je nach Aufgabenstellung ein. In temperaturgesteuerten Brennöfen werden die Keramiken mit exakt definierten Profilen unter oxidierender Atmosphäre gesintert. Während dieser Prozedur wird die noch grüne Keramik bei einer Temperatur um 900 °C gesintert. Und das je nach erforderlichem Brennprofil zwischen 6 und 24 h. Während des Sintervorgangs wird zunächst die Organik ausgetrieben und anschließend die Porosität und das Volumen deutlich verringert. Werden höchste Anforderungen an die Maßhaltigkeit gestellt, lässt sich dies durch zusätzliche Maßnahmen erzielen. Danach wird noch einmal „nachgefeuert“: Bei einer typischen Höchsttemperatur von 850 °C werden rund 60 min lang Edelmetalle und Widerstände in Luftatmosphäre eingebrannt. Unter einer inerten Atmosphäre kommen Nickel und Kupferpasten dazu. Nach dem Abkühlen folgt das Lasertrimmen. Gedruckte Widerstände werden auf ihren Wert ausgerichtet, also getrimmt.

Getestet wird nach jedem Prozessschritt. Übernimmt der Auftraggeber die weitere Verarbeitung der Platine, dann ist der Prozess mit den letzten finalen Tests beendet. Muss aber noch bestückt werden, folgt der nächste Prozessschritt mit dem Löten von Heatsinks, Leadframes und Ringframes unter hermetischer Vakuumatmosphäre. Bei rund 250 bis 320 °C werden diverse metallische Verbindungen wie Gold/Zinn, Blei/Zinn, Zinn/Silber und Zinn/Silber/Kupfer verarbeitet. SMT-Bauteile folgen in einem nächsten Prozessschritt. Bestückungsautomaten mit halbautomatischen Arbeitsstationen setzen die Bauteile auf. In einem Reflow-Einbrennofen werden die Bauteile mit dem Substrat verbunden. Finale Prüfungen wie elektrischer Test, optischer Inspektion und mechanische Tests, stellen Funktionalität und damit auch die garantierte Qualität sicher. Zur sicheren Rückverfolgbarkeit wird die gesamte Herstellung dokumentiert.

Multilayer und Spezialpackages

Werden extreme Einsatzbedingungen plus lange Lebensdauer plus maximale Funktionsdichte gefordert, dann kommen Keramik-Multilayer zum Einsatz. Aus gutem Grund: Denn ein Großteil der Schaltungsstrukturen wird von der Keramik hermetisch dicht verschlossen. Und die widerstehen damit auch extremen klimatischen Bedingungen. Gute Wärmeleitfähigkeit minimiert die Stellen mit Hot-Spot-Temperaturen. Hohe Temperaturwechselbeständigkeit und sehr Isolationsfähigkeit zeichnen sie ebenfalls aus. Zudem sind die Verbindungsstellen auf ein Minimum reduziert.

Mit der LTCC-Technologie lassen sich nach Franz Bechtold hochspezialisierte Packages herstellen. Dabei kommt dem Designer der dreidimensionale Aufbau in Sachen Flexibilität sehr entgegen. Da sind sehr flache Gehäuse ebenso möglich wie Produkte mit hohen Rahmen und extremer Kavität. Auch vor hochpoligen Anschlüssen schreckt die Technologie nicht zurück. Selbst im Gehäuserahmen und im Deckel lassen sich Verbindungen und Verdrahtungen unterbringen. Stapelanordnung und modulare Gehäusefamilien nach dem Baukastenprinzip werden Realität. Mehr noch: Die Integration mikromechanischer Komponenten und Sensoren wird Realität. Hinzu kommt, dass selbst Durchführungen für Flüssigkeiten und Gase integriert werden können.

SMT Hybrid Packaging 2016: Halle 6, Stand 211

Keramische multilayer

Die zunehmende Komplexität und Miniaturisierung macht ungewöhnliche aber wirtschaftliche Realisierungen hochintegrierter Schaltungsstrukturen erforderlich. Via Electronic verwendet für individuelle Kundenprojekte das entsprechende LTCC-Material und die zugehörigen Prozesse.