von Martin Rehberg, Anna Zänker und Jasmin Genßler

Im Zentrum für Mikro und Nanotechnologie (ZMN) werden Technologien im Mikro und Nanobereich erforscht. Das ZMN ist eine zentrale Einrichtung der TU Ilmenau, in der das Zentrum für Innovationskompetenz (ZIK) integriert ist. Die Gruppe "Funktionalisierte Peripherik" gehört neben der Nachwuchsforschergruppe "Mikrofluidik und Biosensorik" zu einem von sechs vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ausgewählten Zentren für Innovationskompetenz in den neuen Ländern. Hier sollen wissenschaftliche und technische Grundlagen für Anwendungen in der Biosensorik und Hochleistungselektronik auf einer gemeinsamen Technologieplattform entwickelt werden. Die Nachwuchsforschergruppe "Funktionalisierte Peripherik" besteht aus zwei technischen Mitarbeitern, fünf wissenschaftlichen Mitarbeitern und einer Sachbearbeiterin. Geleitet wird dieses Projekt von Dr. Jens Müller. Die Forschungsinhalte der Forschergruppe "Funktionale Peripherik" sind vor allem an Marktanforderungen für Telekommunikationsentwicklungen ausgerichtet. Sie beschäftigt sich mit der Optimierung mikroelektronischer Funktionseinheiten. Im Fokus steht die Erweiterung des Einsatzspektrums für elektronische Baugruppenträger in der Datenkommunikation. Hierfür wird an der dreidimensionalen Strukturierung keramischer Träger mit integrierten modularen Mikrosystemen gearbeitet. Dies wird als "System in a Package" Technologie bezeichnet, das heißt, alle Funktionen in einem Baukasten.

Das Ziel der Forschungsgruppe ist es, Halbleitertechnologien immer kleiner, aber dabei noch leistungsfähiger zu gestalten. Allerdings ist der Mensch an eine Mindestgröße von Bedienelementen gebunden. Als Beispiel wird gern die Tastatur von mobilen Geräten wie z.B. beim Mobiltelefon angeführt, die heute oftmals die Mindestgröße des Gerätes bestimmt. Das Gehäuse von Schaltkreisen bzw. Funktionseinheiten stellt ein Bindeglied zwischen kleinsten Strukturen und der Makrowelt dar.

Die Arbeit der Forschergruppe zielt auf den hohen Bedarf an der Miniaturisierung von elektronischen Einheiten sowie deren kostengünstigen Herstellung ab. Die hier erforschte Mikroelektronik findet Einsatz in vielen Bereichen des täglichen Lebens. Der Fokus liegt hier auf der Weiterentwicklung von Materialien und Technologien um die heutigen Grenzen der Leiterplattentechnologie zu überschreiten. Die Schaltungen müssen die ständig wachsenden Anforderungen der Mikroelektronik erfüllen. Sie müssen vor allem zuverlässig sein, was z.B. durch den Einsatz von spezieller Keramik gewährleistet wird. Denn die LTCC- Keramiksubstrate, die hier verwendet werden, sind sehr robust und stabil. LTCC steht für Low Temperature Confired Ceramics, also Keramik, die bei besonders niedriger Temperatur gebrannt wird. Dies macht den Einsatz von bestimmten Edelmetallpasten erst möglich. Die Schaltungen sind fest in den keramischen Träger eingebrannt, so dass die Baugruppen geschützt sind. Das macht den Einsatz an Orten möglich, wo extreme Bedingungen herrschen. Durch das geringe Volumen der Platten liegen die Baugruppen auch viel näher zusammen, was sich positiv auf die elektrischen Eigenschaften auswirkt.

Neben der Erhöhung der Verdrahtungsdichte auf den keramischen Trägern spielt auch die Verbesserung der Strukturgenauigkeit für Hochfrequenzschaltungen und die Optimierung von Verbindungen für höchste Frequenzen eine wichtige Rolle. Dies wird durch die Reduktion der Strukturbreite verwirklicht. Diese feinsten Strukturierungen werden unter anderem durch Feinstleitersiebdruck oder Fotostrukturierung auf die Keramikplatten aufgebracht. Im Siebdruckverfahren können z.B. Leiterstrukturen entstehen, die halb so dick wie das menschliche Haar sind. Diese winzigen Bauteile finden unter anderem Anwendung in Abstandsradaren für Fahrzeuge, bei der Breitbandtelekommunikation, bei Hochgeschwindigkeits - WLAN, bei Flugradaren und in Personenscannern bei Sicherheitskontrollen auf Waffen und Sprengstoffe. Ein weiteres Projekt der Forschergruppe war das Optimieren einer Hochfrequenzschaltungsfunktion für Satellitenanwendungen. Bei dem Projekt "Keramis" konnte eine Hochfrequenzschaltung für einen Satelliten so optimiert werden, dass sie bei gleichen Funktionen nur noch ein Zehntel des ursprünglichen Gewichtes hatte.

Ein großer Vorteil der Verwendung von Keramik in der Halbleitertechnologie ist, dass dieses mit den verschiedensten Materialien kombinierbar ist. Deshalb nennt man diese Schaltungen auch Hybridschaltungen.

Die bei der Produktion dieser Hybridschaltungen verwendeten Pasten weisen bestimmte Eigenschaften und Funktionen auf. Dickschichtpasten lassen sich durch ihre Bestandteile klassifizieren. Die Pasten, die in der Wirkphase eingesetzt werden bestimmen die spätere Funktion. Verwendung finden hier Edelmetalle wie Gold oder Platin für Standardleitpasten sowie Silber, Kupfer und Nickel für Polymerpasten. Pasten, die in der Matrixphase Verwendung finden, bestehen entweder aus Glasfritte oder bei Polymerpasten aus Phenolen, Epoxy oder Siliconen. Die letzte Klasse, die Hilfsstoffe, reguliert Druckfähigkeit und Fließverhalten. Benutzt werden hierfür Lösungsmittel und organische Bindemittel.

Der Herstellungsablauf einer Dickschichthybridschaltung besteht aus dem Layout, der Fertigungsvorbereitung, dem Schichtprozess und der Komplettierung sowie Hybridisierung. Das Layout beinhaltet die Anfertigung des Schaltplanes, die Berechnung der Schichtelemente, den Entwurf mit Hilfe spezieller 3D- Programme und die Herstellung der Fertigungsunterlagen für die Drucksiebe.

In der Fertigungsphase werden die Drucksiebe produziert, indem das Gewebe mit einer fotoempfindlichen Schicht überzogen wird. Auf diese lassen sich mittels UV-Bestrahlung die vorher entworfenen Fotovorlagen übertragen. Nach der Entwicklung in Wasser und des anschließenden Trocknens sind so die Layoutstrukturen durch geöffnete Maschen erstellt. Außerdem gehört die Substratvorbreitung zu dieser Phase. Dabei wird das Substrat gesäubert und auf die benötigte Größe gesägt. Im nächsten Schritt müssen die Pasten kontrolliert werden. Danach beginnt der Schichtprozess, indem der Siebdruck stattfindet. Die verwendeten Siebe bestehen aus einem Rahmen, der mit einem Kunststoff- oder Drahtgewebe bespannt ist, dessen jeweilige Eigenschaften die Schichtdicke bedingen. Beim Druck besonders dünner Linien finden Metallmasken Verwendung, die durch Lasern oder Ätzen bearbeitet wurden. Mit Hilfe spezieller Druckmaschinen wird nun die Paste auf das Substrat aufgetragen. Dabei dienen die offenen Maschen des Siebes als Schablone durch die mittels eines Rakels die Paste in 2 Stufen auf das Substrat gestrichen wird. Die verschiedenen Pasten werden in unterschiedlichen Ebenen aufgebracht, mit anschließendem Trocknen und Brennen des Materials. Dann findet der Endeinbrand bei ca. 850 °C statt. Bei der letzten Phase, der Komplettierung wird ein Widerstandsabgleich mit Hilfe von Lasereinschnitten durchgeführt, was die Fläche verändert. Danach können zur Vervollständigung der Schaltung durch Löten oder Kleben Einbaukomponenten wie zum Beispiel Kondensatoren montiert werden. Abschließend finden elektronische sowie optische Kontrollen unter anderem mit einem Ultraschallmikroskop und eventuell nötige Reparaturen statt. Außerdem bekommt der Schaltkreis noch Anschlüsse und ein Gehäuse, wird gekennzeichnet und unterliegt einer Endprüfung. Mit diesem Verfahren werden unter anderem Anwendungen für die Mobilkommunikation, Gbit-WLAN, Automobilelektronik, Medizintechnik oder auch Satellitentechnik optimiert und hergestellt.

Auf diesem Gebiet wurden also schon einige Erfolge erzielt, wie das bereits genannte Projekt "Keramis", bei dem die Schaltung um ein vielfaches verkleinert wurde. Hier arbeiten die Fachgebiete Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik und Elektroniktechnologie sowie die Nachwuchsforschungsgruppe "Funktionalisierte Peripherik" gemeinsam an der Lösung der Aufgaben. Bis zum Jahre 2010 soll ein Testsatellit zum Nachweis der Funktionalität starten.