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Laseraktivierbares PEEK als Wafer-Material

Mikrostrukturen (Bragg-Gitter) auf einem Sensor. Das Compound Tecacomp PEEK LDS black 1047045 ist extrem temperaturresistent und verfügt über eine sehr gute Bindenaht- und Haftfestigkeit. Foto: Ensinger/IMPT

Mittels Laserdirektstrukturierung auf einem laseraktivierbaren PEEK lässt sich Silizium bei Wafern ersetzten. Die Fertigungskosten von Sensoren sinken.

In einer Forschungsstudie zeigte sich, dass laseraktivierbares Polyetheretherketon (PEEK) hochpreisige Wafer-Substrate wie Silizium ersetzen kann. Wafer bilden die Basis elektronischer Bauteile – dünne Scheiben, üblicherweise aus Silizium, auf denen Dünnfilme aufgebracht werden. Sie finden sich u.a. in zahlreichen Sensoren in der IT- und Telekommunikationsbranche, der Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie im Anlagen- und Maschinenbau.

Produktion von Silizium-Wafern sehr aufwendig

Die Produktion und Weiterverarbeitung von Silizium-Wafern ist sehr aufwendig und hochpreisig. Das Institut für Mikroproduktionstechnik der Leibnitz Universität Hannover (IMPT) hat daher in einer Forschungsstudie alternative Fertigungsmethoden für Sensoranwendungen untersucht. Für die Herstellung eines Demonstrators (Temperatur- und Magnetfeldsensor) im Spritzguss mit Laserdirektstrukturierung (LDS) kam der laseraktivierbare Kunststoff Tecacomp PEEK LDS black 1047045 zum Einsatz, ein Hochleistungscompound von Ensinger.

Substrate aus laseraktivierbarem PEEK spritzgießen

Die Produktion eines eingehausten Sensors, mit dem sich Leiterplatten in üblichen Prozessen bestücken lassen, umfasst mit dem LDS-Verfahren nur drei Fertigungsschritte:

  1. Die Substrate werden aus laseraktivierbarem Kunststoff im Spritzgussverfahren hergestellt. Vordefinierte Sensorstrukturen sowie vertikale elektrisch leitende Verbindungen (VIA) für Durchkontaktierungen werden dabei berücksichtigt.
  2. Laserbohren von Vertiefungen sowie Aktivierung des LDS-kompatiblen Polymers durch eine stromlose, selektive Abscheidung von Metallen.
  3. Mittels Kathodenzerstäubung wird eine unstrukturierte Sensorschicht aufgebracht. Die geforderten Strukturen werden dann im CMP-Verfahren (Chemisch-Mechanisches Polieren) freigelegt.

Diese Prozesskette reduziert die Komplexität der Herstellung erheblich. Anders als bei der klassischen Wafer-Herstellung auf Siliziumbasis sind eine Reinraumumgebung und Fotolithografie nicht erforderlich.

Magnetfeldsensor, hergestellt im Spritzguss und LDS-Verfahren. Als Wafer-Substrat wurde das laseraktivierbare Tecacomp PEEK LDS black 1047045 verwendet. Foto: Ensinger/IMPT

PEEK gewinnt in der Elektronik an Bedeutung

Die Verwendung von laseraktivierbaren Hochleistungspolymeren anstelle von Silizium als Substrat für die Wafer-Herstellung 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 Anwendung großes Potenzial: „In der Elektronikbranche gewinnt insbesondere das Polymer PEEK durch seine besonderen Eigenschaften an Bedeutung. Die Studie des IMPT hat gezeigt, dass 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.

Wirbelstromsensor, hergestellt im LDS-Verfahren mit Tecacomp PEEK LDS grey. Diese PEEK-Type erfüllt besonders hohe Oberflächenanforderungen. Foto: Ensinger/IMPT

PEEK als Wafer-Material für zahlreiche Sensoren

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.

LDS-Verfahren stellt hohe Anforderungen an das Polymer

Das LDS-Verfahren stellt bei der Herstellung von Mikrosystemen besonders hohe Anforderungen an das Polymer. Ensinger entwickelt hierfür thermoplastische Compounds und ist aktuell der einzige Kunststoffspezialist, der ein von LPKF Laser & Electronics 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 der Werkstoff einen sehr geringen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten auf, der näher an Metallen liegt als der vieler anderer Kunststoffe.

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