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Keramik Intelligente Lösungen für anspruchsvolles Packaging

| Autor / Redakteur: Shigeru Koyama * / Franz Graser

Im Zuge der Miniaturisierung werden die Anforderungen an Keramikgehäuse und -substrate in der Elektronik immer komplexer. Raffinierte technische Ansätze sind die Antwort darauf.

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Klein, aber oho: Ein winziger Quarz-Oszillator (1,2 Millimeter x 1 Millimeter) verschwindet fast auf der Fingerkuppe.
Klein, aber oho: Ein winziger Quarz-Oszillator (1,2 Millimeter x 1 Millimeter) verschwindet fast auf der Fingerkuppe.
(Bild: Kyocera Fineceramics)

Das Innovationstempo in der Halbleiterbranche ist seit jeher groß. Während der Anfangsjahre legte die Branche bei Keramikgehäusen und -substraten höchsten Wert auf Zuverlässigkeit und hermetische Dichte. Doch im Zuge der Miniaturisierung sind die Anforderungen an die verarbeitete Keramik komplexer geworden: Die Produkte werden immer kleiner, flacher und bieten mehr integrierte elektrische Funktionen. Bei Anwendungen im Bereich mobiler Geräte, in der Automobilindustrie und in der Mehrlagen-Substrattechnologie werden die aktuellen Entwicklungen bei der Verarbeitung von Keramikbauteilen besonders deutlich.

Keramikgehäuse für Mobilgeräte: Klein, robust und günstig

Insbesondere Mobiltelefone sind seit den Anfängen in den 1990er Jahren immer mehr zu handlichen Alleskönnern geworden. Die Entwicklung neuer mobiler Geräte wie Smartphones und Tablet-PCs schreitet rasant voran. Laut einem Bericht des Marktforschungsinstituts IHS iSuppli steigt der Verkauf von Smartphones so stark an, dass diese Geräte im Jahr 2013 voraussichtlich mehr als die Hälfte des Mobiltelefonmarkts ausmachen werden.

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Mit den Smartphones gewinnen auch der Mobilfunkstandard LTE (Long Term Evolution) für Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung und der Standard NFC (Near Field Communication) an Bedeutung. Außerdem sind für Funktionen wie Wi-Fi, Bluetooth und GPS, die zunehmend in Mobilgeräten integriert sind, eine Vielzahl elektronischer Bauteile – darunter Oszillatoren und SAW-Filter – von großer Bedeutung. Darüber hinaus werden Kameramodule, die bereits in mehr als 80 Prozent aller Mobiltelefone enthalten sind, eine noch größere Rolle spielen.

Für die Entwicklung der modernen Mobilgeräte sind kleine und flache Keramikgehäuse das A und O. Elektronische Bauteile mit Keramikgehäusen sollen die Geräte schützen und eine optimale Funktionsweise sichern. Quarzoszillatoren – auch Schwingoszillatoren genannt – haben die Aufgabe, durch ihre Schwingung elektronische Signale einer bestimmten Frequenz zu übertragen. Diese Bauteile benötigen im Inneren des Gehäuses sowohl einen Lufthohlraum als auch eine hermetische Abdichtung, um eine einwandfreie Oszillation zu garantieren.

Damit SAW-Filter ihre Funktion voll erfüllen können, werden kleinere und flachere Gehäuse mit einer höheren mechanischen Festigkeit benötigt. Entsprechend der kontinuierlichen Miniaturisierung elektronischer Bauteile steigen die Anforderungen an die Festigkeit des Gehäusematerials ständig. Im Falle des Quarzoszillators wird die Miniaturisierung durch eine immer geringere Stärke der Seitenwände – die gleichzeitig den benötigten Lufthohlraum zur Abdichtung des Oszillators darstellen – erreicht. Zudem muss die Wandung den Belastungen des Sealingprozesses standhalten. Bei Gehäusen mit Abmessungen kleiner als 2,0 x 1,6mm darf die Wand maximal 0,2mm dick sein.

Keramiken mit hoher Biegefestigkeit

Kyocera hat zu diesem Zweck eine Keramik mit einer Biegefestigkeit von 620MPa entwickelt – das ist 1,5 Mal so viel wie bei herkömmlichen Keramikwerkstoffen. Mit seinen großen Fertigungskapazitäten und dem hohen Produktionsvolumen für dieses Material steht Kyocera in der Branche unangefochten an erster Stelle. Mit Blick auf die anhaltend steigende Nachfrage plant das Unternehmen, seine Produktionskapazitäten weiter auszubauen. Von 2013 an soll ein neues Produktionswerk in Vietnam die bereits bestehenden Fertigungsstätten in Japan und China ergänzen.

Auch bei der Verwendung von Kameramodulen sind möglichst flache Produkte gefragt. In einem herkömmlichen Kameramodul mit einem Kunststoffgehäuse wird ein CMOS-Sensor auf dem Substrat befestigt, so dass die Entfernung zwischen CMOS-Sensor und Linse durch die Position des Sensors auf dem Material vorgegeben ist. Demgegenüber bietet ein Keramikgehäuse deutlich flexiblere Möglichkeiten der Anordnung, welche die eines Kunststoffsubstrats bei weitem übersteigen, wie beispielsweise im Fall von Lufthohlräumen und Rahmenbau. Dank dieser Flexibilität kann bei einem Keramikgehäuse der CMOS-Sensor in einer tiefer liegenden Position verarbeitet werden, wodurch das Profil des Kameramoduls flacher wird.

Die Verwendung von Keramikgehäusen in Mobilgeräten beschränkt sich jedoch nicht auf Quarzoszillatoren, SAW-Filter und Kameramodule. Mit der Weiterentwicklung hochfunktioneller und multifunktionaler Geräte wird auch bei Anwendungen wie LED-Blitzlichtern, Sensoren, Silicon Microphones und RF-Modulen verstärkt Keramik als Gehäusematerial zum Einsatz kommen.

Ein weiterer Vorteil der Keramikgehäuse liegt auf der Hand: Bauteile für Konsumgüter wie Smartphones erfordern neben robusten technischen auch kostengünstige Lösungen. Allein die Tatsache, dass die Installation mehrerer Keramikgehäuse in einem Gerät immer mehr Verbreitung findet, belegt, dass Keramikgehäuse auch dieser preislichen Anforderung gerecht werden.

Da immer mehr Menschen über ihre Mobilgeräte ins Internet gehen, nimmt der mobile Datenverkehr massiv zu. Für eine schnellere Datenkommunikation ist es erforderlich, dass die elektrischen Bauteile eine Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit und geringer Verlustrate gewährleisten. Mit seiner RF-Design-Technologie ist Kyocera in der Lage, Keramikgehäuse herzustellen, die den Marktanforderungen gerecht werden, indem sie eine hohe Wärmeableitung, hermetische Dichte und hohe Zuverlässigkeit garantieren.

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