Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Prozesssichere Herstellung von keramischen 3D Schaltungsträgern (Prokeram3D)

Dreidimensional geformte Schaltungsträger bieten großes Innovationspotenzial in vielfältigen Bereichen und finden zum Beispiel in der Automobilindustrie oder Kommunikationstechnik weit verbreiteten Einsatz. Treiber dieser Entwicklung sind dabei unter anderem die zunehmenden Anforderungen bei der 3D Integration von Komponenten, fortschreitende Miniaturisierung sowie Rationalisierung der Produktion. Für polymerbasierte Schaltungsträger sind Verfahren wie die LPKF-LDS®-Technologie bereits Stand der Technik.

Um zukünftigen Herausforderungen an 3D Schaltungsträger, wie zum Beispiel hohe Temperaturbeständigkeit und geringe thermische Ausdehnung, verbesserte Wärmeleitfähigkeit, Chemikalienresistenz oder erhöhte Permittivität zu begegnen, gewinnen keramische Substratmaterialien immer mehr an Bedeutung.

Im geplanten Vorhaben sollen insbesondere die Erhöhung der Prozesssicherheit, z.B. bezüglich Metallisierungsselektivität und Metallschichteigenschaften, eine Prozessführung mittels industriell verbreiteter Anlagentechnik durch geeignete Dotierung der Keramik sowie die Erarbeitung einer Methode zum Prozessmonitoring bei der Herstellung von keramischen 3D Schaltungsträgern im Fokus stehen. Für die industrielle Praxis ist eine hoch reproduzierbare Prozessführung entscheidend für die Akzeptanz der Technologie sowie für den Technologietransfer.

Aufgrund des resultierenden grundlegend verbesserten Prozessverständnisses sowie einer mit industriell verbreiteter Anlagentechnik umsetzbaren Prozesskette, ergibt sich insbesondere für KMU, die üblicherweise keine tiefergehenden FuE-Aktivitäten durchführen können, jedoch stark an den relevanten Prozessen beteiligt sind, eine Einstiegserleichterung in eine zukunftsfähige Technologie. Anwender profitieren durch den Einsatz keramischer 3D-Schaltungsträger von einem signifikanten Wettbewerbsvorteil in wichtigen Zukunftsmärkten wie der Leistungselektronik, Medizintechnik und Kommunikationstechnik.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Projekts war die Entwicklung eines keramischen Werkstoffes, welcher prozesssicher mittels ns-gepulstem IR Laser aktiviert und selektiv metallisiert werden kann. Außerdem sollten Erkenntnisse zu Qualitätsmerkmalen, Prozessmonitoring und Messmethodik bezüglich Charakterisierung und Qualifizierung von dreidimensionalen keramischen Schaltungsträgern erarbeitet werden.

Um diese Ziele zu erreichen, wurde ein mit Cr2O3 dotiertes ZTA entwickelt, wobei der Dotierstoffgehalt, die Pulverzusammensetzung, die Sintertemperatur und Haltezeit systematisch variiert und hinsichtlich der Laseraktivierbarkeit und Metallisierung optimiert wurden. Außerdem wurde ein Laserparameterscreening zur Prozessoptimierung erarbeitet, mit welchem gleichzeitig die Charakterisierung der Metallschichteigenschaften wie Haftfestigkeit und Rauigkeit durchgeführt werden kann. Mit diesen Methoden konnte eine Materialkombination erarbeitet werden, welche sich zuverlässig mit dem ns-gepulsten IR Laser aktivieren und metallisieren lässt. Nach ersten Versuchen auf schlickergegossenen Proben wurde auf spritzgegossenen Substraten eine Laserbearbeitungsstrategie entwickelt, mit welcher Leiterbahnen bis zu 100 µm kleinster Breite zuverlässig herstellbar sind.

Parallel dazu wurden Methoden zur Kontur- und Oberflächenanalyse erarbeitet, mit denen die genaue Bauteilkontur nach dem Sinterschwund und die Oberflächentopografien entlang der Prozesskette charakterisiert werden können. Mit der erarbeiteten Konturanalyse wurde ein Reverse-Engineering Workflow zur konturgetreuen Laserbearbeitung erarbeitet, mit welchem abschließend funktionale 3D Technologiedemonstratoren hergestellt und aufgebaut wurden.

Mit den im Projekt erarbeiteten Richtlinien für die Herstellung spritzgegossener dreidimensionaler keramischer Schaltungsträger mittels ns-gepulstem IR Laser, welcher innerhalb der MID Prozesskette bei KMUs verfügbar ist, ist somit der Grundstein für eine breite industrielle Anwendung der Technologie gelegt.