Einzigartige Simulation von Pasten für kleinere Schaltungen und günstigere Fertigungsprozesse

Wenn es darum geht, das Fließen und Aufdrucken von honigähnlichen Pasten mit eingelagerten Partikeln zu simulieren, ist das IWM weltweit Spitze.

„Wir haben jetzt ein partikelbasiertes Simulationsverfahren entwickelt, mit dem wir das Verhalten aller möglichen Pasten realistisch nachstellen können“, sagt der wissenschaftliche Mitarbeiter am Fraunhofer IWM, Dr. Andreas Wonisch.

Das Verfahren sei deutlich flexibler und leistungsfähiger als die herkömmlichen Simulationsansätze. „Wir können damit die Herstellung von Solarzellen oder mehrschichtigen Elektronikplatinen aus Keramik billiger und schneller machen“, so der Physiker. Für seine innovative Arbeit hat er im April den Werkstoffmechanikpreis 2009 erhalten, der von der Plansee Group Reute gestiftet wurde.

Das Freiburger Fraunhofer IWM kann die gesamte Fertigungskette keramischer Elektronikplatinen simulieren und optimieren: vom Gießen der Keramikfolie, über das Bedrucken und Aufschichten mehrerer Lagen bis hin zum Sintern der Schichtsysteme. „Wir sind die Einzigen weltweit, die diese Simulationskette so anbieten können“, sagt Wonisch.

Diese so genannten keramischen Mehrlagenschaltungen sind in vielen Geräten zu finden, zum Beispiel in WLAN-Chips. Ideal geeignet sind die Platinen aus Keramik auch bei starker Hitzeentwicklung, wie sie in der Nähe von Motoren vorkommt. Leiterbahnen im Mikrometermaßstab, Widerstände und andere Komponenten stecken in den Keramikfolien, die dicht aufeinander gepackt sind. Da die Geräte immer kleiner werden, müssen auch die elektrischen Leitungen und Strukturen immer näher zusammen rücken. „Die Leiterbahnen können dünner als ein feines Haar sein: aktuell sind 25 Mikrometer möglich“, erklärt der 30-Jährige, der in Freiburg promoviert hat.

Die feinen Leiterbahnen werden durch Siebdruck auf die Platine aufgebracht. Auch um Sonnenenergie mit Solarzellen in Strom zu verwandeln, sind feine „Stromleitungen“ auf der Siliziumscheibe nötig. Das Verfahren ist das gleiche: Eine Paste, die wie Zahnpasta aussieht und feine Aluminium- oder Silberpartikel enthält, wird durch eine Schablone entsprechend der gewünschten Form auf eine Oberfläche gedruckt und danach bei einer bestimmten Temperatur fest gebrannt. „Wir können simulieren, wie die Paste durch die Sieblöcher fließt und sich auf dem Substrat absetzt“, erklärt Wonisch. Dies hilft den Forscherinnen und Forschern vom Fraunhofer IWM, die günstigste Siebmaschengröße, Zähflüssigkeit der Paste oder Druckgeschwindigkeit zu finden – ganz gleich bei welcher Anwendung. Zudem können sie nachstellen, wie sich das gesamte Gebilde bei den hohen Brenntemperaturen verhält.

„Die Pasten haben ein sehr komplexes Fließverhalten – das simulieren wir mit einer Methode, die ursprünglich für die Astrophysik entwickelt wurde“, sagt Wonisch. In der Partikelsimulation können unterschiedliche Material- und Prozessparameter verändert und angepasst werden. Seine Projektpartner aus der Industrie müssen ihm beispielsweise nur eine Paste liefern und ihre Druckmethode beschreiben.

Wonisch ermittelt einfacher und schneller als mit den üblichen „Versuch und Irrtum“-Methoden die kostengünstigste, ideale Produktion. „Wir können mittlerweile alle Prozesse, die mit komplexen Flüssigkeiten oder Pasten zu tun haben, optimieren“, erklärt der Wissenschaftler.