Laserstrahl-Glaslöten für schonendes und langzeitstabiles Packaging elektronischer Bauteile

Insbesondere das hermetische Packaging stellt die Fertigungstechnik vor besondere Herausforderungen, denen mit konventionellen Ansätzen wie Kleben und Löten nicht mehr begegnet werden kann. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT hat hierfür ein innovatives Packaging-Verfahren für Mikrobauteile und Elektronikkomponenten auf der Basis des Laserstrahl-Glaslötens für den Einsatz in der Massenproduktion entwickelt. Durch die Verwendung bleifreier Lote erfüllt es die strengen RoHS-EG-Umweltrichtlinien.

Präzisionsprodukte wie Halbleiter, Sensoren oder optische und medizintechnische Systemkomponenten enthalten hochempfindliche Elektronikelemente. Diese dürfen häufig nicht mit Wasser, Sauerstoff und anderen Elementen in Berührung kommen und müssen deshalb hermetisch verschlossen werden. Das gasdichte Packaging des komplizierten Innenlebens stellt eine große Herausforderung für den Fügeprozess der Mikrobauteile dar.

Ein gängiges Verfahren für das hermetische Verschließen von Bauteilen aus Silizium und Glas sind Hochtemperaturverfahren wie das anodische Bonden oder das Glasfrit-Bonden. Die zum Fügen notwendige Wärmeenergie wird dabei durch einen Ofenprozess bei Temperaturen von 300 bis 600°C in das Bauteil eingebracht. Da die temperaturempfindlichste Bauteilkomponente die Maximaltemperatur des Gesamtsystems bestimmt, scheiden diese beiden Verfahren für temperaturlabile funktionale Elemente aus. Beispielsweise sind sie für die Kapselung von OLEDs ungeeignet, da die funktionalen organischen Schichten bereits bei einer Temperatur von 100 °C zerstört würden.

Bislang werden temperaturlabile Komponenten in der Regel geklebt. Allerdings haben Langzeittests bei Halbleitern und OLEDs erwiesen, dass die Haltbarkeit der Klebeverbindung begrenzt ist. Nach und nach gelangen Sauerstoff und Feuchtigkeit in das Innere des Bauteils und beeinträchtigen so seine Funktion. Insbesondere für Bauteile im medizintechnischen Bereich sind die begrenzte Haltbarkeit und die Temperaturempfindlichkeit der Klebeverbindungen problematisch, da sie zum Beispiel Sterilisierungsprozessen im Autoklaven nicht standhalten. Elektronikbauteile wie Sensoren in Implantaten können häufig nur in Verbindung mit einem operativen Eingriff am Patienten ausgewechselt werden. Die Hersteller dieser und anderer Präzisionsbauteile suchen daher nach einer Lösung, die Haltbarkeit ihrer Produkte zu verlängern. Da Hochtemperatur- und Klebeverfahren den Anforderungen an das Fügen von Mikroelektronikbauteilen mit unterschiedlichen Materialien nicht genügen, fordern Hersteller nun ein zuverlässiges Niedrigtemperaturverfahren.

Eine geeignete Lösung bietet hier das laserstrahlgestützte Löten mit Glaslotwerkstoffen. Es handelt sich dabei um ein relativ junges Fügeverfahren, das sich durch eine minimale thermische Belastung des Gesamtbauteils auszeichnet. Forscher des Fraunhofer ILT entwickeln dieses Verfahren derzeit mit dem Ziel, es bald für die Serienfertigung einsetzen zu können. Bei dieser Fügetechnik wird zunächst das Lot aus einer Glaspartikelpaste mit Hilfe einer Printmaske präzise auf den Deckel des Bauteils aufgetragen. Im Ofen wird dieses Lot, je nach Art der verwendeten Glaspaste, bei einer Temperatur von 350 – 500 °C vorverglast, so dass die Bindemittel der Paste verdampfen. Nach der Abkühlphase des Lots wird das Elektronikbauteil mit dem Deckel zusammengeführt. Mit einer scannenden Beaufschlagung der Lotnaht mittels Laserstrahl erfolgt eine definierte und lokal begrenzte Temperaturerhöhung. Das restliche Bauteil bleibt von diesem Wärmeintrag unberührt. Aufgrund seiner hohen Scangeschwindigkeit von bis zu 10.000 mm pro Sekunde wird der Fügeprozess „quasisimultan“ gesteuert. Die gesamte Lotkontur wird gleichmäßig erwärmt, der Deckel kann in das flüssige Lotbad einsinken und wird so mit dem Bauteil hermetisch verbunden. Im Vergleich zum Klebeverfahren bietet das lasergestützte Verfahren eine erhebliche Erhöhung der Haltbarkeit des gesamten Mikrobauteils, die Permeabilität von Flüssigkeiten und Gasen liegt praktisch bei Null. Die Lotnaht ist zudem völlig blasen- und rissfrei. Gerade für den medizinischen Bereich bedeutet dies eine signifikante Erhöhung der Sicherheit. „Ein weiterer Vorteil des laserstrahlbasierten Glaslötens liegt darin, dass die Lotnaht mit 300-500 µm sehr schmal ist, während Klebnähte eine Breite von mehreren Millimetern aufweisen“, erklärt Heidrun Kind, Projektleiterin am Fraunhofer ILT. „Diese Tatsache gewinnt im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung von Präzisionsbauteilen an Bedeutung. Breite Klebenähte auf OLEDs zum Beispiel werden als optische Störelemente wahrgenommen. Bei Sensoren in Implantaten können sie die ganze Bauteilgeometrie nachteilig verändern. Auch im Hinblick auf den Umweltaspekt ist das Verfahren zukunftsfähig: Seit Neuestem sind wir in der Lage, völlig bleifrei zu löten. So genügt unser Verfahren der EG-Richtlinie RoHS zur Minimierung von Gefahrstoffen in Elektrobauteilen.“

Aufgrund der maximalen Flexibilität in Bezug auf die Bauteilgröße und -form eignet sich das Verfahren sehr gut für die industrielle Serienfertigung. Das Verschließen von Komponenten der Mikrotechnik ist ebenso möglich wie das Fügen von Großbauteilen mit Abmessungen von 200 x 200 mm2. Neben Glas/Glasbauteilen können auch mit MAM- oder ITO-Schichten versehene Substrate sowie Glas/Silizium-Komponenten hermetisch dicht miteinander verbunden werden.

Ansprechpartner im Fraunhofer ILT
Für Fragen stehen Ihnen unsere Experten zur Verfügung:
Dipl.-Ing. Heidrun Kind
Kompetenzfeld Abtragen und Fügen
Telefon +49 241 8906-490
heidrun.kind@ilt.fraunhofer.de
Dr.-Ing. Arnold Gillner
Leiter Kompetenzfeld Abtragen und Fügen
Telefon +49 241 8906-148
arnold.gillner@ilt.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen
Tel. +49 241 8906-0
Fax. +49 241 8906-121