Elektronische Leiterplatte auf Dünnglasbasis

Doch die häufig verwendeten Epoxidharzglasfasergewebe (FR4) und Polyamide stoßen bei fortschreitender Miniaturisierung und extremer Beanspruchung der Platinen (printed circuit board, PCB) an ihre Leistungsgrenzen.

Insbesondere hohe Temperaturen führen dazu, dass sich die Kunststoffe verformen oder zersetzen. Aufgrund des thermischen Ausdehnungsverhaltens der eingesetzten Materialien besteht das Risiko von Rissen oder Brüchen in der dielektrischen Schicht. Dies kann z. B. zur Ausbildung von Kratern an der Oberfläche, dem Pad Cratering, führen.

In Hochtemperaturbereichen über 250 °C könnte Dünnglas jetzt die herkömmlichen Polymere als Basismaterial in den Platinen ersetzen, da es eine hohe chemische Beständigkeit sowie einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 7,2 * 10 6 K 1 besitzt. Ein interessantes Anwendungsfeld der neuen Dünnglas-Leiterplatten liegt in der Luft- und Raumfahrttechnik.

Das Laser Zentrum Hannover e. V. (LZH) entwickelt mit Projektpartnern die Fertigungsprozesse für Mehrlagen-Leiterplatten auf Basis von Dünnglas mit 145 µm Dicke. Der Trend zu Miniaturisierung und erhöhter Prozessgeschwindigkeit in der PCB-Industrie stellt hier eine besondere Herausforderung an den Fertigungsprozess dar. Den Mitarbeitern der Gruppe Glas aus der Abteilung Produktions- und Systemtechnik kommt im Projekt „GlasPCB“ die Aufgabe zu, zwei verschiedene Laserprozesse für die Bearbeitung der speziellen Materialien zu entwickeln:

Sie setzen den Laser einerseits zum Strukturieren der Metallschichten ein. Entsprechend einem vorgegebenen Platinen-Layout werden Leiterbahnen erzeugt, indem die überschüssige Metallschicht per Laserabtrag vom Dünnglas entfernt wird. Die Vorteile der Laserbearbeitung zeigen sich hier besonders in einer Ablation mit extrem feinen Strukturauflösungen ohne Schädigung des empfindlichen Materials.

Anderseits dient der Laser zur Erzeugung der Bohrungen (Vias), die es ermöglichen, Verbindungen zwischen den verschiedenen Leiterplattenebenen herzustellen oder konventionelle Bauteile zu verknüpfen. Dazu werden am LZH geeignete Laserparameter ermittelt, die das Material ohne thermische Schädigung vollständig durchbohren sowie eine hohe Qualität der Bohrungen bei kleiner Prozesszeit erzielen. Für ein optimales Ergebnis werden mehrere parallele Schnittpfade durch den Glasverbund geführt. Die von der Materialdicke und dem Platinenlayout abhängige Prozesszeit beträgt derzeit für die Bohrung eines Microvias von 0,2 mm Durchmesser durch 170 µm dickes Material ca. 2 s – Tendenz sinkend.

Vergleichende Untersuchungen des Projektpartners TU Berlin (Forschungsschwerpunkt Technologien der Mikropherik) zeigen zudem, dass das neue Materialsystem auf Dünnglasbasis einen Lasereinsatz für die Herstellung der Vias erfordert, da hier das derzeit übliche mechanische Bohren unerwünschte Mikrorisse erzeugt und darüber hinaus die Standzeit der Bohrer um den Faktor 40 reduziert ist.

Insgesamt sind am Kooperationsprojekt drei wissenschaftliche Einrichtungen und vier Unternehmen beteiligt. Während das LZH die Laserprozesse zum Strukturieren der Platinen-Layouts und zum Erzeugen von Bohrungen (Vias) entwickelt, stellen Industriepartner wie die Schott AG Dünnglasmaterial zur Verfügung. Als Leiterplattenhersteller untersucht die Hotoprint GmbH & Co. KG Produktionsverfahren für die Dünnglas-Leiterplatten und übernimmt das Galvanisieren. KCS Europe GmbH führt die Beschichtungstechnologie Sputtern von leitenden Metallschichten an Dünnglas durch. Weiterhin beteiligt ist die CCI Eurolam GmbH als Spezialist für Materialien zur Leiterplattenherstellung. Das anspruchsvolle Handling in der Fertigung von dünnen Glassheets bis hin zur Mehrlagenleiterplatte wird vom Institut für Transport- und Automatisierungstechnik der Universität Hannover (ITA) entwickelt.

Das Projekt „GlasPCB – Entwicklung einer Mehrlagenleiterplatte auf Dünnglasbasis“ wird durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) noch bis Mitte 2014 gefördert.