Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Selektive laserbasierte Metallisierung zur Direktkontaktierung von elektronischen Komponenten in duroplastischen 3D-Packages (Slimdup)

Zur Verkapselung von elektronischen und Sensorkomponenten kommt Duroplasten aufgrund deren Performance immer größere Bedeutung zu. Dabei ist die elektrische Kontaktierung der gehäusten Komponenten im Inneren des 3D-Package mit der Peripherie ohne die Möglichkeiten zur Miniaturisierung und 3D-Gestaltungsfreiheit einzuschränken besonders relevant. Aktuelle Studien prognostizieren einen zukünftig weiterhin anhaltenden Miniaturisierungstrend und den Bedarf zur erweiterten Funktionalisierung von Packageoberflächen.

Im Vorhaben soll ein Verfahren erarbeitet werden, mit dem 3D-Leiterstrukturen auf spritzgegossenen duroplastischen 3D-Packages mit integrierten elektronischen Komponenten erzeugt werden. Durch die selektive Metallisierung soll die 3D-Packageoberfläche für den Aufbau weiterer Schaltungselemente und zur Direktkontaktierung integrierter elektronischer Komponenten nutzbar gemacht werden.

Zur selektiven Metallisierung und zur Erzeugung der Durchkontaktierungen wird ein laserbasiertes Verfahren erarbeitet und werkstoffseitige Wirkzusammenhänge untersucht, um ein Optimum an Performance und Prozesssicherheit zu erreichen. Anhand von Testchips wird die Verkapselung mittels Duroplastspritzguss erarbeitet. Zur Bewertung der SMT Kompatibilität werden erste Untersuchungen zur Lötbarkeit der neuartigen 3D-Packages durchgeführt. Das erarbeitete Verfahren soll an Hand eines praxisnahen 3D-Technologiedemonstrators verifiziert werden, wobei auch erste Zuverlässigkeitsuntersuchungen durchgeführt werden. Abschließend werden Richtlinien zur Gestaltung von spritzgegossenen duroplastischen 3D-Packages mit integrierten elektronischen Komponenten erstellt.

Die Ergebnisse ermöglichen insbesondere KMU aus verschiedensten Branchen eine Erweiterung bestehender und die Erschließung zusätzlicher Geschäftsfelder abseits der klassischen Bereiche der Packaging- und Spritzgießtechnologie. Die gesamte Wertschöpfungskette ist im projektbegleitenden Ausschuss mit hohem Anteil an KMU abgebildet.

Ergebniszusammenfassung:

Auf 2D-Plattengeometrien aus duroplastischen Werkstoffen ohne laseraktivierbare Additive und mit unterschiedlichen Füllstoffzusammensetzungen wurde eine Prozesskette zur selektiven, volladditiven Metallisierung erarbeitet. Diese umfasst die Schritte Laserstrukturierung, Aktivierung, Spülprozess und außenstromlose Metallisierung. Mit individuell angepassten Prozessparametern konnte auf allen getesteten Substratmaterialien eine selektive Metallisierung mit ausreichender Haftfestigkeit erzeugt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden in Kombination mit Laserbohrungen elektrisch leitfähige Durchkontaktierungen und Blindvias hergestellt. In der letzten Iteration wurde ein 3D-Demonstrator entwickelt. Die Entwicklung umfasste dabei sowohl die Konstruktion, also auch Simulation, Werkzeugbau und Spritzgießen, sowie die zuvor erarbeiteten Prozessschritte. Hierbei wurde ein Siliziumchip im Spritzgießverfahren innerhalb eines 3D-Duroplastpackage verkapselt und über lasergebohrte Blindvias ankontaktiert, um so eine elektrische Verbindung zwischen dem verkapselten Chip und den 3D-Leiterbahnstrukturen auf der Oberfläche des Duroplastpackage zu generieren.

Auf Grund der speziellen Werkstoffeigenschaften ergeben sich neue potenzielle Anwendungsmöglichkeiten für MID-Bauteile auf Duroplastbasis. Die für Kunststoffe hohe Temperaturstabilität, chemische Beständigkeit und der geringe thermische Ausdehnungskoeffizient machen MID auf Duroplastbasis prädestiniert für die Herstellung robuster und zuverlässiger räumlicher Schaltungsträger. Die Fähigkeit zur Verkapselung und Ankontaktierung von elektronischen und mechatronischen Komponenten innerhalb komplexer, spritzgegossener Bauteile eröffnet die Möglichkeit zur Steigerung der Funktionsintegration und Miniaturisierung. Potentielle Anwendungsbereiche sind Automotive, Sensorik, Automatisierungstechnik, Medizintechnik sowie Informations- und Kommunikationstechnik.