Sensoren und Mikrosysteme Lithografiefreie Fertigung ersetzt Siliziumwafer

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Produktion und Weiterverarbeitung von Siliziumwafern ist nicht nur aufwendig, sondern auch teuer. Forscher haben eine alternative Fertigungsmethode für Sensoren entwickelt. Ein erstes Funktionsmuster ist vielversprechend.

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Wirbelstromsensor: Für die Herstellung im LDS-Verfahren kommt das Compound TECACOMP PEEK LDS grey zum Einsatz. Diese Entwicklungstype des Kunststoffverarbeiters Ensinger erfüllt hohe Anforderungen an die Oberfläche.
Wirbelstromsensor: Für die Herstellung im LDS-Verfahren kommt das Compound TECACOMP PEEK LDS grey zum Einsatz. Diese Entwicklungstype des Kunststoffverarbeiters Ensinger erfüllt hohe Anforderungen an die Oberfläche.
(Bild: Ensinger/IMPT)

Wafer sind Basis von elektronischen Bauteilen. Auf den dünnen Scheiben werden Dünnfilme aufgebracht. Die Wafer selbst bestehen üblicherweise aus Silizium. Produktion und Weiterverarbeitung von Siliziumwafern ist nicht nur aufwendig, sondern auch teuer.

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 des Herstellers Ensinger.

Drei statt sieben: Weniger Produktionsschritte notwendig

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.

Kostengünstige Sensorfertigung

Magnetfeldsensor: Dieser wurde im Spritzgussverfahren mit Laserdirektstrukturierung (LDS) hergestellt. Das verwendete Substrat ist das Hochleistungspolymer TECACOMP PEEK LDS black 1047045 von Ensinger.
Magnetfeldsensor: Dieser wurde im Spritzgussverfahren mit Laserdirektstrukturierung (LDS) hergestellt. Das verwendete Substrat ist das Hochleistungspolymer TECACOMP PEEK LDS black 1047045 von Ensinger.
(Bild: Ensinger/IMPT)

Der Einsatz von laseraktivierbaren Hochleistungspolymeren anstelle von Silizium als Substrat für Wafer senkt die Anzahl der Prozessstufen und ist kostengünstiger. Stefan Bur, Applikation Segment Manager MID/LDS bei Ensinger, sieht hier 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, mithilfe 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.

Einsatz für Sensoren in der Elektrotechnik

Mikrostrukturen: oder auch Bragg-Gitter auf einem Sensor. Das Compound TECACOMP PEEK LDS black 1047045 bietet eine hohe Temperaturresistenz, verfügt über hohe Bindenahtfestigkeit, gute Haftfestigkeit und eine hohe chemische Beständigkeit gegen Lösungsmittel.
Mikrostrukturen: oder auch Bragg-Gitter auf einem Sensor. Das Compound TECACOMP PEEK LDS black 1047045 bietet eine hohe Temperaturresistenz, verfügt über hohe Bindenahtfestigkeit, gute Haftfestigkeit und eine hohe chemische Beständigkeit gegen Lösungsmittel.
(Bild: Ensinger/IMPT)

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

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

Exkurs: Wafer-Hersteller und ihre Marktanteile

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