3D-Pikosekunden-Laserablationsanlage
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die am Fachgebiet Elektroniktechnologie im Zentrum für Mikro- und Nanotechnologie der TU Ilmenau befindliche 3D-Pikosekunden-Laserablationsanlage wurde für die Strukturierung von Dick- und Dünnschichten für die Nutzung im Bereich der Mikroelektronik angeschafft. Insbesondere wurden mit dieser Anlage siebgedruckte Dickschichten auf niedrig sinternden keramischen Mehrlagensubstraten (Low Temperature Cofired Ceramics - LTCC) strukturiert. Die 3D-Pikosekunden-Laserablationsanlage eignet sich für diesen Anwendungsfalls besonders, da durch eine Pulsdauer von <10 ps und hohen Pulsenergien eine sogenannte "kalte Ablation" beim Abtrag stattfindet, wodurch eine thermische Beeinflussung des Substratmaterials minimiert wird. Mit dieser Technologie ist es möglich Schichten auf der Substratoberfläche zu strukturieren. Weiterhin kann eine Strukturierung von ungesinterten, ausschließlich getrockneten Siebdruckschichten auf einzelnen Tapelagen durchgeführt werden. Dadurch werden im keramischen Mehrlagensubstrat vergrabene, hochpräzise Strukturen ermöglicht. Die Strukturbreiten für siebgedruckte Dickschichten konnten auf <25 μm Linienbreite und -abstand verringert werden. Weiterhin wurden die bei kleineren Leiterbahnen notwendigen kleinen Durchkontaktierungen zu anderen Ebenen in der Mehrlagenkeramik entwickelt. Deren Durchmesser bis <35 μm ermöglicht eine erhebliche Steigerung der Kontaktierungsdichte. Im Vergleich zu alternativen Verfahren für die Mikrostrukturierung von Dickschichten auf LTCC (z.B. Resinat-Technologie, Fine-Line-Siebdruck) konnte die minimale Strukturbreite von Leiterbahnen nochmals verringert werden. Gleichzeitig können die Laserstrukturierungsprozesse einfach in die Standardprozesskette bei der LTCC-Fertigung integriert werden. Der Aufwand kann im Vergleich zu Alternativverfahren als äußerst gering angesehen werden. Die schonende und gleichzeitig sehr präzise Strukturierung von siebgedruckten Schichten im Bereich <25 μm auf ungesinterten LTCC-Grünfolien kann momentan als Alleinstellungsmerkmal der Pikosekunden-Laserablation angesehen werden. Andere vielversprechende Verfahren für sehr hochaufgelöste Strukturierungen siebgedruckter Schichten auf LTCC sind momentan erst in Erprobungsphasen sowie stark Abhängig von speziell angepassten Substratmaterialien und Siebdruckpasten. Die Laserstrukturierung mittels Pikosekundenlaser hingegen ist weitgehend unabhängig von den verwendeten Materialien, wodurch eine weite Verbreitung für Mikrostrukturierungsprozesse erwartet werden kann. Zur Überführung in industrielle Prozesse werden die and der 3D-Pikosekunden-Laserablationsanlage gewonnen Erkenntnisse einen entscheidenden Beitrag leisten. Zusätzlich flossen die Erkenntnisse und die daraus entwickelten Technologien in diverse Forschungsarbeiten mit ein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"High resolution LTCC laser processing in the green and fired state for future technologies" CICMT 2016
N. Gutzeit, T. Welker, K.-H. Drüe, J. Müller
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“High resolution patterning of LTCC based microwave structures for Q/V-band satellite applications” GeMiC 2016, German Microwave Conference (GeMiC ), Bochum, Germany, March 14 - 16, pp. 19–22, 2016
A. Schulz, N. Gutzeit, D. Stöpel, T. Welker, M. Hein, J. Müller
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„Hochpräzise Pikosekunden-Laserstrukturierung in LTCC“ 5. Nationale Konferenz Satellitenkommunikation in Deutschland, Bonn; 2016
N. Gutzeit, T. Welker, K.-H. Drüe, J. Müller
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„Laser-Processing an grünen und gesinterten Folien“ 2016 DKG-Herbstsymposium 2016 Keramische Mehrlagentechnik – Herstellverfahren und Anwendungen, 30.11.-01.12.2016, Heinrich-Lades-Halle, Erlangen
J. Müller, N. Gutzeit, T. Welker
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„Passive alignment of an optical fiber on a multi-layer ceramic module for radio-over-fiber applications” GeMiC 2016 10th German Microwave Conference 2016, GEMIC, Bochum, Germany, March 14 - 16, pp. 1– 4, 2016
S. Mathew, T. Welker, N. Gutzeit, S. Spira, R. Stephan, J. Müller, M. A. Hein
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"High-precision picosecond laser structuring on LTCC for silicon chip assembly with high electrical contact density"; EMPC 2017
N. Gutzeit, A. Schulz, T. Welker, Ch. Wagner, E. Schäfer, J. Müller
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"LTCC-Based Micro Plasma Source for the Selective Treatment of Cell Cultures"; EMPC 2017
Fischer, M.; Stubenrauch, M.; Naber, A.; Gutzeit, N.; Klett, M.; Singh, S.; Schober, A.; Witte, H.; Müller, J.
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“Enhanced Heat Spreading in LTCC Packages utilizing Thick Silver Tape in the Co-fire Process”; EMPC 2017 European Microelectronics and Packaging Conference, EMPC, Warschau, Polen, 10.-13. September 2017
Welker, T.; Gutzeit, N.; Müller, J.
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“Micro plasma source for the selective treatment of cell cultures”; Jahrestagung der Biomedizinischen Technik und Dreiländertagung der Medizinischen Physik 2017, Dresden, 10.-13. September 2017
Stubenrauch, M.; Fischer, M.; Naber, A.; Wiegand, C.; Hipler, U.-C.; Witte, H.; Müller, J.
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"Miniaturized laser structured components in LTCC for 5G applications"; CICMT 2018
N. Gutzeit, A. Schulz, J. Mueller, T. Thelemann
