Schrumpfen keramischer Folien war gestern

Elektronische Schaltungen für die Automobilindustrie, die Unterhaltungselektronik oder die Telekommunikation müssen heute auf kleinstem Raum immer mehr leisten. Bei der Entwicklung komplexer, miniaturisierter Schaltungen spielen flexible glaskeramische Folien, so genannte LTCC-Folien („Low Temperature Cofired Ceramics“) als Trägermaterial eine entscheidende Rolle. Je effizienter die zur Verfügung stehende Fläche auf diesen Folien genutzt werden kann, desto günstiger können die Schaltungen in der Massenproduktion hergestellt werden.

Mit patentierten LTCC-Materialsystem HeraLock® hat der Geschäftsbereich Circuit Materials der W. C. Heraeus, ein Tochterunternehmen des weltweit tätigen Edelmetall- und Technologiekonzerns Heraeus Holding GmbH in Hanau, eine glaskeramische Folie entwickelt, die ohne zusätzliche Investitionen im Standardprozess verarbeitet werden kann und eine nahezu vollständige Ausnutzung der verfügbaren Größe der hergestellten Substrate ermöglicht. Und das liegt in erster Linie daran, dass die Folien beim Verarbeitungsprozess nicht schrumpfen – im Gegensatz zu den meisten bislang verwendeten Standard-LTCC-Folien.

Diese können zwar bereits bei niedrigen Temperaturen (850-900°C) gesintert, also verfestigt werden und ermöglichen so den Aufbau leitender Strukturen durch das Aufdrucken von Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt und geringem spezifischem Widerstand wie etwa Gold, Silber oder Kupfer. Die gängigen Folien hatten bislang jedoch einen Schönheitsfehler: Sie schrumpfen bei dem Prozess in x- und y-Richtung. Sie verlieren so erheblich an Fläche und können sich verbiegen, was wiederum die Herstellung präzise dimensionierter Substrate erschwert und unter Umständen später zu Kurzschlüssen führen kann.

„HeraLock® zeichnet sich dadurch aus, dass es beim Sintern statt der sonst bei Standard-LTCC-Systemen üblichen 15 Prozent nur um rund 0,2 Prozent schrumpft und damit die Herstellung großformatiger, präzise dimensionierter und mehrlagiger Substrate erheblich vereinfacht“, beschreibt Entwicklerin Christina Modes, R&D Manager bei W. C. Heraeus, die Vorteile des Materialsystems. Die neue Folie kann zu Einsparungen von Material und Zwischenschritten im Verarbeitungsprozess beitragen sowie zu einer größeren Produktionsmenge und deutlich niedrigeren Stückkosten. Heraeus stellt die glaskeramische Folie für die „Null-Schrumpf“-(„Zero-Shrink“)- LTCC-Technologie zunächst in den USA in Massenproduktion her.

Neue Möglichkeiten bei der Gestaltung komplexer Schaltungen
Der LTCC-Technologie kommt eine Schlüsselfunktion in der Herstellung neuer Hochfrequenzschaltungen zu, da sich mit ihr äußerst kompakte, dreidimensional aufgebaute Schaltungen realisieren lassen. David Malanga, Technical Service and Sales Manager bei Heraeus Inc., USA, sieht für die Neuentwicklung gute Perspektiven: „Mit HeraLock® können nun neue, noch weiter miniaturisierte Einsatzgebiete wie optoelektronische Module, Displays, Brennstoffzellen und biomedizinische Komponenten erschlossen werden.“

Die glaskeramische Folie von W. C. Heraeus ist flexibel in der Gestaltung. Mit einer Vielzahl von übereinander gelegten bedruckten Folienlagen können gezielt spezielle Baugruppen auch mit komplexen Verdrahtungen dreidimensional und quasi in einem Arbeitsschritt hergestellt werden.

Das Geheimnis liegt im speziellen Aufbau des keramischen Systems, welcher verhindert, dass beim Sintern ein Schrumpfen in x- und y-Richtung erfolgt. Bei der Verarbeitung werden die keramischen Folien zunächst zu Cupons (Sheets) geschnitten, anschließend kleine Löcher als Durchkontaktierung gestanzt – die mit Leitpaste gefüllt werden – und dann die metallischen Leiterbahnen aufgedruckt. Nach dem Trocknen fügt man mehrere Folien zu einem „Folien-Paket“ zusammen, im Fachjargon „laminiert“, und sintert es bei rund 850 °C zu einem Schaltungssubstrat. Danach wird das Substrat mit weiteren elektronischen Komponenten bestückt fertig ist eine sehr kompakte und zuverlässige Schaltung.

Innovation international ausgezeichnet
Ausgezeichnet ist die Neuentwicklung in jedem Fall: Bereits in der Entwicklungsphase wurde HeraLock® vom internationalen Branchenverband „International Microelectronics and Packaging Society“ (IMAPS) als Innovation Nummer 1 unter den keramischen Errungenschaften von 2002 ausgewählt. Im Dezember 2003 wurde die Produktneuheit außerdem mit einem Heraeus-Innovationspreis prämiert.

Der Geschäftsbereich Circuit Materials von W. C. Heraeus gehört zu den Weltmarktführern bei Materialien für die Leiterplattenbestückung, Keramik-Schaltungen und passive Bauelemente. Der Bereich entwickelt, produziert und vertreibt Materialien wie Lotpasten, Flussmittel und Leitkleber sowie Dickfilmpasten und keramische Folien (LTCC-Tapes).

W. C. Heraeus GmbH & Co. KG mit Sitz in Hanau verarbeitet mit weltweit mehr als 2.700 Mitarbeitern Edelmetalle wie Gold, Silber, Platin und andere Sonderwerkstoffe primär zu industriellen Produkten. Die Gesellschaften in Europa, Nordamerika, Asien und Afrika umfassen Fertigungsstätten für alle Stufen der Edelmetallgewinnung und -verarbeitung. Zudem verfügt W. C. Heraeus über eine in Jahrzehnten erworbene Kompetenz im industriellen Edelmetallhandel und nimmt in diesem Markt international eine herausragende Position ein.

Der Edelmetall- und Technologiekonzern Heraeus mit Sitz in Hanau ist ein weltweit tätiges Familienunternehmen in den Bereichen Edelmetalle, Dentalwerkstoffe, Sensoren, Quarzglas und Speziallichtquellen. Mit einem Umsatz von 7,6 Mrd. € und weltweit mehr als 9.200 Mitarbeitern (vorläufige Zahlen 2003) in über 100 Tochter- und Beteiligungsunternehmen gehört Heraeus seit mehr als 150 Jahren zu den führenden Unternehmen in den Bereichen Edelmetalle und Werkstofftechnik.

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