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 […]
Magnetfeldsensor, hergestellt durch Spritzgießen mit Laserdirektstrukturierung unter Einsatz von Tecacomp PEEK LDS black 1047045. (Foto: 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. 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 PEEK hochpreisige Substrate wie Silizium ersetzen kann. Für die Herstellung eines Funktionsdemonstrators (Temperatur- und Magnetfeldsensor) durch Spritzgießen mit Laserdirektstrukturierung (LDS) kam der Werkstoff Tecacomp PEEK LDS black 1047045 zum Einsatz, ein Hochleistungscompound von Ensinger, Nufringen.
Drei statt sieben Produktionsschritte
Für die Herstellung dieses Wirbelstromsensors im LDS-Verfahren kommt Tecacomp PEEK LDS grey zum Einsatz. Diese Entwicklungstype erfüllt besonders hohe Oberflächenanforderungen. (Foto: 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 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 (chemisch-mechanisches Polieren) freigelegt.
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.
Thermoplastische Kunststoffe ermöglichen kostengünstige Sensorfertigung
Die Abbildung zeigt Mikrostrukturen (Bragg-Gitter) auf einem Sensor. (Foto: Ensinger/IMPT)
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 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.
Die Compounds Tecacomp PEEK LDS 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.
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 nach eigenen Angaben aktuell das einzige Unternehmen, das ein von LPKF für das LDS-Verfahren zertifiziertes PEEK anbieten kann. Tecacomp PEEK LDS black 1047045 ist mit mineralischen Füllstoffen optimiert. Der Werkstoff ist dauerhaft bis 260 °C temperaturresistent, verfügt über eine gute Bindenahtfestigkeit, eine gute Haftfestigkeit und zeigt eine hohe chemische Beständigkeit gegen Lösungsmittel. Darüber hinaus weist Tecacomp PEEK LDS einen geringen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten auf, der näher an Metallen liegt als der vieler anderer Kunststoffe.
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