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Ensinger: Lithografiefreie Fertigung von Sensoren und Mikrosystemen

Innovative LDS-Technologie ersetzt Siliziumwafer

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. Die Basis dieser elektronischen Bauteile bilden sogenannte Wafer – dünne Scheiben, üblicherweise aus Silizium, auf denen Dünnfilme aufgebracht werden. Die Produktion und Weiterverarbeitung von Siliziumwafern ist sehr aufwendig und hochpreisig. 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. Für die Herstellung eines Funktionsdemonstrators (Temperatur- und Magnetfeldsensor) im Spritzguss mit Laserdirektstrukturierung (LDS) kam der Werkstoff TECACOMP PEEK LDS black 1047045 zum Einsatz, ein Hochleistungscompound von Ensinger.

Spritzguss und Laserdirektstrukturierung: drei statt sieben Produktionsschritte

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 Spritzgussverfahren hergestellt. Vordefinierte Sensorstrukturen sowie vertikale elektrisch leitende Verbindungen (VIA) für Durchkontaktierungen werden dabei berücksichtigt. Der nächste Schritt ist das Laserbohren von Vertiefungen sowie die Aktivierung des LDS-kompatiblen Polymers durch eine stromlose, selektive Abscheidung von Metallen. Anschließend wird mittels Kathodenzerstäubung eine unstrukturierte Sensorschicht aufgebracht. Die geforderten Strukturen werden dann im CMP-Verfahren freigelegt (Chemisch-mechanisches Polieren).

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.

Bild 1: Magnetfeldsensor, hergestellt im Spritzguss mit Laserdirektstrukturierung (LDS). Das verwendete Substrat ist das Hochleistungspolymer TECACOMP PEEK LDS black 1047045 von Ensinger (Foto: Ensinger / IMPT).

Thermoplastische Kunststoffe ermöglichen kostengünstige Sensorfertigung

Die Verwendung von laseraktivierbaren Hochleistungspolymeren anstelle von Silizium als Substrat für die Waferherstellung kann neben einer Reduzierung der Prozessstufen auch deutliche Kostenvorteile in der Produktion bringen. Stefan Bur, Applikation Segment Manager MID/LDS bei Ensinger, sieht in dieser innovativen Anwendung großes Potential: „In der Elektronikbranche gewinnt insbesondere das Polymer PEEK durch seine besonderen Eigenschaften an Bedeutung. Die Studie des IMPT hat gezeigt, dass unser im Markt einzigartiges Compound TECACOMP 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 Einsparpotentiale von 90 Prozent.“ Ensinger ist zuversichtlich, dass zukünftig auch mittelständische Unternehmen in der Lage sein werden, mit Hilfe des LDS-Verfahrens kostengünstige Wafer für die Mikrosystemtechnik zu produzieren. „Aus diesem Grund investieren wir in eine Weiterentwicklung dieser Compounds. Unser neues Produkt, TECACOMP PEEK LDS grey, ist bereits für Anwendungen mit besonders hohen Oberflächenanforderungen optimiert“, erläutert Stefan Bur.

Einsatzbereiche

TECACOMP PEEK LDS Compounds können für Sensoren in der Elektrotechnik, im Maschinenbau und der Medizintechnik interessant sein. Mögliche Anwendungsfelder sind Positionssensoren (AMR- und GMR-Sensoren), Wirbelstromsensoren, Temperatursensoren für Messungen im Labor oder industriellen Prozessen (Thin-Film-PT-Sensoren) oder Gleichspannungswandler.

Eigenschaftsprofil: TECACOMP PEEK LDS black 1047045 Compound

Das LDS-Verfahren stellt bei der Herstellung von Mikrosystemen besonders hohe Anforderungen an das Polymer. Ensinger entwickelt seit vielen Jahren thermoplastische Compounds für die Laserdirektstrukturierung und ist aktuell der einzige Kunststoffspezialist, der ein von der LPKF Laser & Electronics AG für das LDS-Verfahren zertifiziertes PEEK anbieten kann. TECACOMP PEEK LDS black 1047045 ist mit mineralischen Füllstoffen optimiert. Der Werkstoff ist extrem temperaturresistent (dauerhaft bis 260°C), verfügt über eine sehr gute Bindenahtfestigkeit, eine gute Haftfestigkeit und zeigt eine hohe chemische Beständigkeit gegen Lösungsmittel. Darüber hinaus weist TECACOMP PEEK LDS einen sehr geringen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten auf, der näher an Metallen liegt als der vieler anderer Kunststoffe.

Weitere Informationen finden Sie hier.

Kontakt: Stefan Bur, stefan.bur@ensingerplastics.com

Bild 2: Wirbelstromsensor. Für die Herstellung im LDS-Verfahren kommt das Compound TECACOMP PEEK LDS grey zum Einsatz. Diese Entwicklungstype des Kunststoffverarbeiters Ensinger erfüllt besonders hohe Oberflächenanforderungen (Foto: Ensinger / IMPT)
Bild 3: Die Abbildung zeigt Mikrostrukturen (Bragg-Gitter) auf einem Sensor. Das von Ensinger hergestellte Compound TECACOMP PEEK LDS black 1047045 ist extrem temperaturresistent, verfügt über eine sehr gute Bindenahtfestigkeit, eine gute Haftfestigkeit und zeigt eine hohe chemische Beständigkeit gegen Lösungsmittel. Darüber hinaus weist der Werkstoff einen sehr geringen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten auf (Foto: Ensinger / IMPT)

Die Ensinger Gruppe beschäftigt sich mit der Entwicklung, Fertigung und dem Vertrieb von Compounds, Halbzeugen, Composites, Fertigteilen und Profilen aus technischen Kunststoffen. Zur Verarbeitung der thermoplastischen Konstruktions- und Hochleistungspolymere setzt Ensinger eine Vielzahl von Herstellungsverfahren ein, u.a. Extrusion, mechanische Bearbeitung, Spritzguss, Formguss, Sintern und Pressen. Mit insgesamt 2.700 Mitarbeitern an 35 Standorten ist das Familienunternehmen in allen wichtigen Industrieregionen weltweit mit Fertigungsstätten oder Vertriebsniederlassungen vertreten.

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Ensinger GmbH, 71154 Nufringen

Jörg Franke, Leiter Unternehmenskommunikation

Tel. +49 (0) 7032 819 202

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