Konventionelle Technologien auf Basis von Leiterplatten sind günstig, stoßen aber in vielen Bereichen an Grenzen. Insbesondere im Bereich der Miniaturisierung, thermischen Stabilität und im Bereich der Hochfrequenztechnik können die hohen Anforderungen nicht oder nur teilweise erfüllt werden. Substrate auf Basis der LTCC-Technologie erfüllen diese erhöhten Anforderungen in den meisten Fällen. Sie ermöglichen diverse Anwendungen im Bereich der HF-Technologie, den Aufbau von 2,5D-Elektronik, die Nutzung dieser bei Temperaturen bis zu 500°C und bieten viele weitere Vorteile.

Der Prozess der LTCC-Technologie.

Der Prozess der LTCC-Technologie. eCeramix

Standard-LTCC-Prozess

LTCC-Substrate werden aus mehreren Lagen, sogenannter Grünfolien, hergestellt. Sie können in verschiedenen Größen zugeschnitten oder direkt auf Rolle verarbeitet werden und bestehen aus einer Mischung von Keramik- und Glaspartikeln, gebunden in einer polymeren Matrix. Auf den einzelnen Grünfolien-Lagen lassen sich mittels verschiedener Technologien metallische Leiterbahnstrukturen oder Funktionselemente aufbringen. In den meisten Fällen werden diese Strukturen als Dickschicht mittels Siebdruck erzeugt. Für die Herstellung von 3D- und 2,5D-Elektronik verwendet man für die Kontaktierung der einzelnen Leiterbahnen in den verschiedenen Lagen sogenannte Vias. Dafür werden über einen Stanzprozess Löcher in den Grünfolien erzeugt und diese in einem weiteren Schritt mit metallischen Pasten gefüllt. Dabei ist ein Via auch nutzbar, um einen Wechsel zwischen diversen Materialien, wie Gold und Silber, zu realisieren. Zusätzlich zu den Vias lassen sich größere Bereiche für innere Hohlräume und außenliegende Kavitäten aus den Grünfolien entfernen.

Nach der Fertigstellung der einzelnen Lagen werden diese gestapelt und unter hohem Druck und erhöhter Temperatur zusammen laminiert. Dabei entsteht ein Verbund, das sogenannte Laminat. Dieses Laminat wird anschließend in einem Sinterofen mit hohen Anforderungen an Temperaturstabilität und Sinteratmosphäre bei 850°C gebrannt. Dabei entsteht das keramische Mehrlagensubstrat mit integrierter Schaltung. Zu beachten ist hier, dass es aufgrund des Ausbrands der polymeren Matrix und der Sintervorgänge im Substrat selbst zu einer Schrumpfung kommt, die schon im Design berücksichtigt werden muss. Zuletzt werden die einzelnen Bauteile separiert und wenn nötig bestückt. Dabei lassen sich fast alle Möglichkeiten der AVT nutzen.

Aber wo liegen die Grenzen der einzelnen Technologieschritte? Für den Siebdruck mit Standardverfahren gibt es eine Vielzahl an verschiedenen anwendbaren Pasten, jedoch ist die mögliche Auflösung, je nach Material und Pastenzusammensetzung, auf Leiterbahnbreiten und -abstände von 70 µm und größer be-schränkt. Das Stanzen von Löchern ist praktikabel bis zu einem Durchmesser von 75 µm möglich. Beim Stapeln der einzelnen Lagen kommt es zu einem Versatz der Lagen untereinander im unteren zweistelligen Mikrometerbereich.

Die Herstellung von Substraten auf Basis der LTCC-Technologie erfordert viel Erfahrung.

Die Herstellung von Substraten auf Basis der LTCC-Technologie erfordert viel Erfahrung. eCeramix

Auflösung steigern

Eceramix, eine Ausgründung aus der Technischen Universität Ilmenau, bietet nicht nur den Standard-LTCC-Prozess, sondern verschiedene Weiterentwicklungen. Dabei kann man in Kooperation mit der TU Ilmenau auf modernste Technologien und Analyseverfahren zurückgreifen. Um die Breite von Strukturen, insbesondere von Leiterbahnen, zu verringern, sind diverse Prozesse nutzbar. So können sogenannte Fine-Line-Siebe genutzt werden, welche mit einer zusätzlichen Plasma-Beschichtung Leiterbahnen mit Breiten bis zu 30 µm ermöglichen. Dafür braucht es allerdings spezielle Pasten und die Standzeit der Siebe verringert sich um ein Vielfaches. Vielversprechender ist die Strukturierung von siebgedruckten Dickschichten mittels UV-Pikosekundenlaser. Der größte Vorteil der Laserstrukturierung ist die einfache Integrierbarkeit des Prozesses in den LTCC-Herstellprozess selbst, was dessen Anwendung auch bei großen Serien gestattet.

Dieses Verfahren ermöglicht Leiterbahnen mit Breiten bis zu 10 µm und kleiner sowie Leiterbahnabstände von bis zu 13 µm, bei gleichzeitig sehr hoher Reproduzierbarkeit und Genauigkeiten kleiner 1 µm. Ein großer Vorteil ist, dass alle Schichten, unabhängig von Pastenmaterial, Schichtdicke und lateraler Geometrie, strukturiert werden können. Weiterhin ist die Strukturierung auch bei nicht gesinterten Dickschichten anwendbar, was miniaturisierte Schaltungen in inneren Lagen des LTCC-Substrats ermöglicht. Gleichzeitig werden die Reproduzierbarkeit und die Genauigkeit der Strukturen im Vergleich zum Siebdruck gesteigert. Als Grundlage dienen Dickschichten, die über günstige Standard-Siebdruckprozesse erzeugt und bei denen nicht benötigte Bereiche durch Laserablation entfernt werden. Durch den Einsatz des Pikosekundenlasers minimiert sich dabei die thermische und geometrische Beeinflussung des LTCC-Substratmaterial.

Für die Anwendung kleinster Leiterbahnen in LTCC ist auch die Kontaktierung dieser in andere Lagen notwendig und erfordert die Herstellung von Vias im gleichen Größenbereich. Diese können ebenfalls mit dem UV-Pikosekundenlaser erzeugt werden. Vias mit einem Durchmesser von 30 µm sind realisierbar, wobei hier der Viafüllprozess die weitere Miniaturisierung begrenzt. Durch die Kombination von sequenziellen Laminierprozessen und der Strukturierung mittels Pikosekundenlaser kann der Lagenversatz für Teile des LTCC-Substrats auf 2,5 µm und kleiner verringert werden. Dieser Prozess ermöglicht die Integration von miniaturisierten Spulen und Interdigital-Kondensatoren für die Anwendung dieser als konzentrierte Elemente in HF-Schaltungen für Bereiche größer 15 GHz.

Ein Vorteil der Technologie ist, dass alle Schichten unabhängig von Pastenmaterial, Schichtdicke und lateraler Geometrie strukturiert werden können.

Ein Vorteil der Technologie ist, dass alle Schichten unabhängig von Pastenmaterial, Schichtdicke und lateraler Geometrie strukturiert werden können. eCeramix

Geometrische Abmessungen verringert

Ausgehend von den Weiterentwicklungen im Bereich der LTCC-Technologie eröffnen sich im Bereich der HF-Technologie neue Anwendungsfelder. Bedingt durch die Steigerung der erzielbaren Auflösung mittels Laserstrukturierung bei gleichzeitig hoher Reproduzierbarkeit und geringem Lagenversatz können die geometrischen Abmessungen von elektronischen Bauelementen weiter verringert werden. Neben der erzielten Platzersparnis ermöglicht die Verwendung von kleineren Bauelementen in Hochfrequenzschaltungen, beispielsweise in elektronischen Filtern, Transformations- und Anpassnetzwerken, eine Steigerung der Einsatzfrequenzbereiche solcher Schaltungen. Anwendung finden diese Schaltungen zum Beispiel in der Kommunikationstechnik. Der Einsatz von höheren Frequenzen in Kombination mit großen Übertragungsbandbreiten bietet die Möglichkeit, die Datenübertragungsraten für zukünftige Kommunikationssysteme weiter zu steigern, um zum einen die zunehmenden Datenmengen bewältigen zu können sowie zum anderen für eine Übertragung in nahezu Realzeit zu sorgen. Beide Anforderungen an solche zukünftigen Systeme sind notwendig, beispielsweise für die Kommunikation oder Steuerung von autonomen Fahrzeugen über Mobilfunknetze.

Zusätzlich zu elektronischen Strukturen ist es möglich, innerhalb des Substrates Kanäle für Fluide zur Analyse oder auch  für Kühlzwecke herzustellen. Ebenso lassen sich metallische Kühlstrukturen über thermische Vias einfach integrieren. Die An-passung von thermischen Ausdehnungskoeffizienten der LTCC-Keramik, zum Beispiel an Silizium, ermöglicht den Aufbau von Packages mit sehr hohen Anforderungen an mechanische Stabilität bei gleichzeitig wechselnden Einsatztemperaturen.

Es sind Leiterbahnen mit Breiten bis zu 10 µm und kleiner sowie Leiterbahnabstände von bis zu 13 µm bei gleichzeitig sehr hoher Reproduzierbarkeit und Genauigkeiten kleiner 1 µm möglich.

Es sind Leiterbahnen mit Breiten bis zu 10 µm und kleiner sowie Leiterbahnabstände von bis zu 13 µm bei gleichzeitig sehr hoher Reproduzierbarkeit und Genauigkeiten kleiner 1 µm möglich. eCeramix

Schnelle Prototypenfertigung

Da die Herstellung von Substraten auf Basis der LTCC-Technologie viel Erfahrung benötigt und viele Schnittstellen zwischen Kunde, Designer und Fertiger existieren, scheuen immer noch viele Anwender die Umsetzung ihrer Ideen und Konzepte in LTCC. Hier kann der Anwender die Kompetenz von Eceramix nutzen. Ausgehend von der Idee des Kunden wird die komplette Entwicklung, die Fertigung der Prototypen und die gesamte Charakterisierung aus einer Hand angeboten. Besonders im Bereich der Simulation und Entwicklung von Bauteilen für HF-Anwendungen werden so die Hürden verringert. Für die Entwicklung, insbesondere im Bereich der LTCC-Technologie, ist die Verfügbarkeit von One-Stop-Shops wichtig. Die schnelle Weiterentwicklung von Ideen und Konzepten zu Lösungen mit höchster Performance und breiten Anwendungsfeldern, jenseits der aktuellen Grenzen konventioneller Elektronik, ist nicht nur ein großer Vorteil am Markt, sondern auch in Zeiten von Krisen Ausgangspunkt für zukünftige Ideen und Produkte.