Kunststoff ersetzt Siliziumwafer

Meinolf Droege,

Sensoren und Mikrosysteme lithografiefrei fertigen

Das Institut für Mikroproduktionstechnik der Leibnitz Universität Hannover (IMPT) hat alternative Fertigungsmethoden für Sensoranwendungen untersucht. In einer Studie zeigte sich, dass modifiziertes Polyetheretherketon (PEEK) hochpreisige Substrate wie Silizium ersetzen kann.

Magnetfeldsensor, hergestellt im Spritzgießverfahren mit Laserdirektstrukturierung (LDS). © Ensinger / IMPT

Der Markt für Sensoranwendungen ist groß: Mikrosysteme kommen in großen Stückzahlen in der IT- und Telekommunikationsbranche, der Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie im Anlagen- und Maschinenbau zum Einsatz. Basis dieser elektronischen Bauteile sind Wafer – dünne Scheiben, üblicherweise aus Silizium, auf denen Dünnfilme aufgebracht werden. Produktion und Weiterverarbeitung von Siliziumwafern sind aufwendig und teuer. Für die Herstellung eines Funktionsdemonstrators einem Temperatur- und Magnetfeldsensor im Spritzgießverfahren mit Laserdirektstrukturierung (LDS) wurde ein PEEK der Tecacomp-Reihe von Ensinger genutzt.

Drei statt sieben Produktionsschritte

Wirbelstromsensor aus einer PEEK-Variante für besonders hohe Oberflächenanforderungen © Ensinger / IMPT

Die Produktion eines eingehausten Sensors, der sich einfach in Leiterplatten-Bestückungsprozesse integrieren lässt, umfasst mit dem LDS-Verfahren drei Fertigungsschritte. Im ersten Schritt werden die Substrate aus laseraktivierbarem Kunststoff im Spritzgießverfahren hergestellt. Vordefinierte Sensorstrukturen sowie vertikale elektrisch leitende Verbindungen (VIA) für Durchkontaktierungen sind bereits eingearbeitet. Nächster Schritt ist das Laserbohren von Vertiefungen sowie die Aktivierung des LDS-kompatiblen Polymers durch eine stromlose, selektive Abscheidung von Metallen. Anschließend wird mit der Kathodenzerstäubung eine unstrukturierte Sensorschicht aufgebracht, die benötigten Strukturen dann im CMP-Verfahren (Chemisch-mechanisches Polieren) freigelegt.

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Diese Prozesskette reduziert die Komplexität der Herstellung und des Packaging erheblich. Anders als bei der klassischen Waferherstellung auf Siliziumbasis sind eine Reinraumumgebung und Fotolithografie nicht erforderlich.

Mikrostrukturen (Bragg-Gitter) auf einem Sensor. © Ensinger / IMPT

Das LDS-Verfahren stellt bei der Herstellung von Mikrosystemen hohe Anforderungen an das Polymer. Die varianten PEEK LDS Black 1047045 enthält mineralische Füllstoffe. Der Werkstoff ist dauerhaft temperaturresistent bis 260 Grad Celsius, bietet gute Bindenahtfestigkeit und Haftung sowie hohe chemische Beständigkeit gegen Lösungsmittel. Darüber hat das Material einen kleinen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten auf, der näher an Metallen liegt als der vieler anderer Kunststoffe.

Der Einsatz laseraktivierbarer Hochleistungspolymere anstelle von Silizium als Substrat für die Waferherstellung kann neben der Reduzierung der Prozessstufen auch deutliche Kostenvorteile in der Produktion bringen. In der Elektronikbranche gewinne besonders das Polymer PEEK dank seiner besonderen Eigenschaften an Bedeutung. Die Studie des IMPT habe gezeigt, dass das laut Ensinger im Markt einzigartiges Compound PEEK LDS als Wafer-Material verwendet werden kann. In ersten Anwendungen wies der Sensor rund 75 Prozent der Leistungsfähigkeit eines konventionell auf Silizium aufgebauten Sensors auf. Bei den Herstellungskosten zeigten sich, so das Unternehmen, Einsparpotentiale von 90 Prozent. Künftig könnten auch mittelständische Unternehmen in der Lage sein, mit Hilfe des LDS-Verfahrens kostengünstige Wafer für die Mikrosystemtechnik zu produzieren.

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