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KOA Europe GmbH

Low Temperature Cofired Ceramics
für Sensor- und Hochfrequenzanwendungen


Kundenspezifisch hergestellte LTCC-Substrate halten Einzug in vielfältige Applikationen. Der vorliegende Beitrag zeigt die besonderen Vorzüge der „Low Temperature Co-fired Ceramics“ (LTCC) und gibt einen Ausblick auf die weitere Entwicklung dieser Technologie.

Die Trends zur Miniaturisierung, der Steigerung der Zuverlässigkeit und zum Betrieb von Elektronik bei ho-hen Umgebungstemperaturen haben die Entwicklung keramischer Substrate und Gehäuse vorangetrieben.

Neben anderen technischen Lösungen haben die LTCC ihre überlegene Eignung in vielen Anwendungen unter Beweis gestellt. Darunter befinden sich Hochtemperatur-Automobilanwendungen ebenso wie beson-ders zuverlässige medizinische Applikationen und Hochfrequenzmodule zur drahtlosen Kommunikation. Ein stark wachsendes Anwendungsfeld ist die Herstellung von Gehäusen für Micro Electrical Mechanical Systems (MEMS).

Doch was genau sind LTCC und welche Eigenschaften dieses Substrates führen zu seiner Beliebtheit? Bei der Beantwortung der ersten Frage hilft ein Blick ins Internet auf die Seite von Wikipedia, der freien Enzyklopädie:

„Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC), (dt.: Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken) ist eine Technologie zur Herstellung von Mehrlagenschaltungen auf der Basis von gesinterten Keramikträgern. Es können Leiterbahnen, Kondensatoren, Widerstände und Spulen erzeugt werden. Die Elemente können durch Siebdruck oder photochemische Prozesse aufgebracht werden. Die ungebrannten Keramikfolien werden einzeln strukturiert, danach gestapelt und laminiert. Abschließend wird ein definiertes Sinterprofil mit einer Spitzentemperatur von ca. 850 - 900 °C gefahren.“

Der Begriff „Cofired“ verweist darin auf das Verfahren, Leiterbahnen gemeinsam mit der Glaskeramik zu brennen. Durch die moderaten Temperaturen beim Sintern sind niederohmige Edelmetallpasten mit Gold und Silber einsetzbar. Im Gegensatz dazu werden High Temperature Cofired Ceramics (HTCC) aus Aluminiumoxid hergestellt und bei Temperaturen um 1600 °C gebrannt, so dass als Leitersysteme nur hochschmelzende Werkstoffe wie Wolfram und Molybdän geeignet sind. Da ihre Leitfähigkeit im Vergleich zu Silber oder Gold geringer ist, treten höhere Verluste auf.

Durch die eigene Herstellung des keramischen Basismaterials für die LTCC-Produktion, der „Green Sheets“, stellt KOA eine maximale Flexibilität insbesondere in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften des Substrates sicher.

Bild 1 zeigt die wesentlichen Prozessschritte der Herstellung von LTCC-Substraten, ausgehend vom ungebrannten „Green Sheet“.

   Bild 1: Querschnitt eines LTCC-Substrates mit „vergrabenen“ passiven Bauelementen

Nach dem Zuschneiden der „Green Sheets“ werden zunächst die Löcher für die Durchkontaktierungen (Vias) gestanzt. Auch die Öffnungen für Vertiefungen (Cavities) werden zu diesem Zeitpunkt hergestellt.

Im nächsten Schritt erfolgt die Füllung der Vias mit leitfähiger (Silber-) Paste. Die Paste wird durch eine Maske mit Bohrungen an den Positionen der Vias eingebracht. Standard-Viadurchmesser sind 100, 150 und 200 μm. Anschliessend werden die Leiterbahnen im Siebdruckverfahren aufgebracht. Die minimale Breite und der minimale Abstand für die Leiterbahnen beträgt jeweils 60 μm.

Die bedruckten Schichten werden übereinander gestapelt, ausgerichtet und anschließend in einem mit Wasser gefüllten Drucktank isostatisch laminiert.

Als letzter Prozessschritt erfolgt das Sintern bei Temperaturen von bis zu ca. 850 °C. Das gebrannte Material verliert ca. 15 % an Länge und Breite und ca. 20 % an Höhe gegenüber dem ungebrannten Material im „grünen“ Zustand. Eine hohe Homogenität der keramischen Folie und eine präzise Temperaturführung bewirken eine hohe Reproduzierbarkeit des mit dem Sintern einhergehenden Schwindungsvorgangs. So können z.B. passgenaue Vertiefungen zur Aufnahme von Halbleiterchips realisiert werden.

   Bild 2: LTCC-Substrat mit Vertiefung für einen Halbleiter-Chip

Bild 2 zeigt den Querschnitt durch ein LTCC-Substrat, das eine Vertiefung (Cavity) zur Aufnahme eines Halbleiterchips hat. Der Vorteil der Vertiefung besteht vor allem darin, dass die Bonddrahtverbindungen vom Chip zum Substrat in einer Ebene und damit auf kürzestem Wege hergestellt werden können. Damit kann der Einfluß parasitärer Induktivitäten auf die Signalintegrität, insbesondere bei hohen Frequenzen, minimiert werden. Um Wärme vom Chip abzuleiten, können sogenannte thermische Vias verwendet werden.

Eine Vergleich der dielektrischen Verluste einer organischen FR4 Leiterplatte im Vergleich zu einem LTCC Substrat lässt erkennen, dass LTCC deutlich geringere HF-Verluste haben als FR4. Ein weiterer Vorteil der LTCC-Keramik ist ihre kleine Wärmeausdehnung, deren Wert näher an der Wärmeausdehnung von Si und GaAs liegt als der von FR4 oder der von Hochtemperaturkeramiken (HTCC).

Anwendungen sind z.B. Einrichtungen zur drahtlosen Nachrichtenübertragung und „intelligente“ Sensoren.

Vorteile der LTCC Technologie

• Eignung für Mehrlagenmodule bis zu 20 Schichten
• Feine Strukturen bis 60 μm Linienbreite und 60 μm Linienabstand
• Vergrabene Bauelemente (R, L, C) möglich
• Geringe Verluste bis 60 GHz
• Geringe mechanische Toleranz und hohe Reproduzierbarkeit
• Vertiefungen (Cavities) möglich
• Wärmeausdehnung ähnlich Halbleitermaterialien Si, GaAs
• Robust gegen Temperaturbeanspruchungen
• Kundenspezifische Lösungen bereits ab 5000 bis 10000 Stück

Ausblick

KOAs Herstellprozess erlaubt die Herstellung von Strukturen mit 60 μm Linienbreite bei einem Abstand von ebenfalls 60 μm. Die Hauptziele für die Weiterentwicklung der Technologie betreffen die weitere Miniaturisierung und die Steigerung der Effizienz (besonders für kleinere Stückzahlen). KOAs Forschungsschwerpunkt liegt daher auf der Verbesserung der Verfahren zur Herstellung leitfähiger Strukturen auf dem Mehrlagen-Substrat.

Einen wesentlichen Schritt in die Richtung hoch effizienter Herstellung ist die Anwendung der Tintenstrahl-technologie, um leitfähige Strukturen unmittelbar nach den Angaben aus einer Datei auf die „Green Sheets“ zu drucken. Neben der Zeiteinsparung lassen sich mit der Tintenstrahltechnologie zudem feinere Strukturen
erzeugen als mit dem traditionellen Siebdruckverfahren. In einem gemeinsam mit Seiko-Epson durchgeführten Forschungsvorhaben gelang es KOA, die Machbarkeit mit einem speziellen Tintenstrahlgerät zu demonstrieren.

Die Forscher stellten Strukturen mit einer Linienbreite von nur mehr 30 μm in einem Abstand von 30 μm her, indem sie eine „Tinte“ mit Silber-Nanopartikeln auf ein konventionelles Keramik-Basismaterial auftrugen.

Verfeinerungen der Herstellverfahren für Leiterbahnen (z.B. Leiterbahnen in Dünnfilmtechnologie) und Durchkontaktierungen (Mikro-Vias) werden zur weiteren Miniaturisierung der Substrate führen. Die Anzahl der mit LTCC-Lösungen erreichbaren Anwendungen wird in den nächsten Jahren stark ansteigen.

 

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