Alexander Schilling

Zusammenfassung

Microsystems and interconnect devices based on ceramic substrate materials are used in many high temperature and power applications due to their superior thermal properties. With the current state-of-the-art pro-cesses, such as direct-bonded copper or high/low temperature co-fired ceramics, only 2D or multilayer struc-tures can be realized. In this paper, we present a fully digital, selective and additive process chain based on direct laser-induced activation and subsequent autocatalytic metallization of injection molded Al2O3-based substrates to produce 3D-ceramic interconnect devices. In order to laser-activate the Al2O3, it has either to be sintered in H2 atmosphere or doped with Cr2O3. The resulting selective metallization shows an adhesive strength of up to 50 N/mm² and can be connected with common interconnection technologies, such as reflow soldering, wire bonding etc. Thus, the developed process chain offers new possibilities in ceramic circuit carrier design and the integration into complex microsystems.

Zusammenfassung

Die Herstellung von dreidimensionalen Schaltungsträgern aus spritzgegossenen Thermoplasten, welche mittels Laserdirektstrukturierung und anschließender außenstromloser selektiver Metallisierung funktionalisiert werden, ist mittlerweile Stand der Technik. Bei erhöhter thermischer und/oder mechanischer Belastung z.B. durch Steigerung der elektrischen Leistungsdichte, stoßen Thermoplaste jedoch an ihre Grenzen. Hier bieten keramische Substratmaterialien klare Vorteile. Die Herstellung von solchen keramischen Schaltungsträgern mittels laserinduzierter Direktmetallisierung wurde erfolgreich realisiert. Hierfür wurden zwei Unterschiedliche Varianten an Al2O3-Keramiken untersucht. In der ersten Variante erfolgte das Sintern der Al2O3-Keramiken in H2-Atmosphäre, in Variante 2 wurden die Al2O3-Keramiken mit Cr2O3 dotiert und an Luft gesintert. Anschließend erfolgte für beide Varianten eine Laserstrukturierung mit darauffolgender außenstromloser Metallisierung. Somit ließen sich 3D-Schaltungsträger mit hoher thermischer Belastbarkeit, einer geringen Wärmeausdehnung und einer guten elektrischen Isolation herstellen. Die abgeschiedenen Metallschichten zeigten vergleichbare und zum Teil bessere Eigenschaften als solche auf klassischen thermoplastischen 3D-Schaltungsträgern. Three-dimensional interconnect devices based on injection molded thermoplastics, which are laser direct structured and subsequently plated via selective electroless metallization are meanwhile the state-of-the-art. With increased thermal and or mechanical load, e.g. at high electric power densities, ceramic materials show superior properties compared to thermoplastic materials. The fabrication of ceramic interconnect devices based on laser-induced metallization has been successfully demonstrated. Therefore, Al2O3 has been used, which was either sintered in H2-atmosphere or doped with Cr2O3 and sintered in air, followed by laser structuring and electroless metallization. Thereby, 3D interconnect devices with high thermal robustness, low thermal expansion and good electric isolation could be manufactured. The metallization on ceramics showed similar or even better properties than on conventional thermoplastic substrates.