Prozesssichere Herstellung von keramischen 3D Schaltungsträgern

Abstract

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, wurden zuerst mittels Schlickerguss Materialkombinationen von Al2O3 und ZTA mit Cr2O3 bzw. NiO Dotierung bezüglich ihrer Laseraktivierbarkeit untersucht. Hier-bei wurde der Dotierstoffgehalt, die Pulverzusammensetzung, die Sintertemperatur und Haltezeit systematisch variiert und hinsichtlich der Laseraktivierbarkeit und Metallisierung optimiert. 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 aus mit Cr2O3 dotiertem ZTA als vielversprechender und unbedenklicher Werkstoff identifiziert werden, welcher durch die Dotierung keine signifikanten Abweichungen der mechanischen und nur geringfügige Abweichungen der thermomechanischen Eigenschaften aufweist, und sich gleichzeitig zuverlässig mit dem ns-gepulsten IR Laser aktivieren und metallisieren lässt. Diese Materialkombination diente dann als Basis für den Spritzgussprozess. An spritzgegossenen Proben wurde eine systematische Untersuchung der Einflüsse aus der Substratherstellung und der Laserbearbeitung durchgeführt und die Parameter für das Sintern und die Laserstrukturierung wurden optimiert. Hiermit konnten Leiterbahnen bis zu 100 μm kleinster Breite zuverlässig hergestellt werden. Anhand der Ergebnisse der systematischen Untersuchung konnten Qualitätsmerkmale von keramischen Schaltungsträgern und ein Prozessmonitor definiert und hergestellt werden. 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 verschiedene, teils funktionalisierte 3D Technologiedemonstratoren in größerer Stückzahl 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. Die Projektziele wurden erreicht.