Ziel der Entwicklung
Den Stand der Technik in Bezug auf das Packaging von opto-mechanischen Sensoranwendungen stellen seit Jahrzenten metallische TO-Gehäuse mit hermetischem Schweißverschluss dar. Zuverlässige Produktionsverfahren und hohe Toleranz gegenüber harschen Umgebungsbedingungen (Lösungsmittel, Strahlung, Temperatur) zählen zu den Vorteilen der TO-Kapselung. Vor allem im Bereich der opto-mechanischen Sensoren kann ein breites Spektrum an Einsatzgebieten bedient werden, bei denen verschiedene Messfenster die photonische Detektion vom Vakuum-UV- bis in den nahen Infrarot Bereich (nIR) erlauben. Zum Einsatz kommen vor allem Quarz, Saphir und Borosilikatgläser für UV und sichtbares Licht sowie Silizium oder Korund für IR-Anwendungen. Allerdings wird die diskrete zylindrische Bauweise und die in der Regel als Durchsteckbauteil ausgelegte Bauform mittlerweile als signifikanter Kostenfaktor bei Herstellung und Verarbeitung identifiziert: Eine zeit- und kostensparende Herstellung in Nutzenanordnungen ist nicht möglich und in den größtenteils für SMD-Bauteile (SMD = surface-mounted-device) ausgelegten Fertigungs-Strecken können TO-Gehäuse oft nicht mehr automatisch bestückt werden, was händische Nacharbeit notwendig macht. Keramische Bauteilsubstrate in SMD-Bauform können hier deutliche Vorteile einbringen. Ihr Aufbau aus keramischen Folien erleichtert eine kostengünstige Herstellung und Verarbeitung im Nutzen und bauformbedingt können die Einzelbauteile sehr leicht gegurtet und maschinell bestückt werden. Insbesondere die automatische Weiterverarbeitbarkeit gilt hierbei als Mindestvoraussetzung für zukünftige „Industrie 4.0“-Anwendungen. Weiterhin erleichtert die freiere Formgebung von Keramik-Grünkörpern die Skalierbarkeit der Bauform. Dies kann sowohl für eine weitere Miniaturisierung der Bauteile, als auch für eine höhere Integration von zusätzlichen Komponenten wie opto-mechanischen Elementen und elektrischen Schaltungen genutzt werden. Neue Trends wie der Einsatz von aufgedruckten oder flexiblen Leitungsträgern werden auf diese Weise erst ermöglicht.
Der Verkapselungsprozess von keramischen Substraten mit breitbandig optisch transparenten Messfenstern ist momentan allerdings eine technologische Herausforderung, die nicht mit den kostengünstigen und qualitativ hochwertigen Verschlusstechnologien (Entladungsschweißen) für TO-Gehäuse konkurrieren kann. In der Regel muss ein Kompromiss aus Belastbarkeit und Kostenaufwand eingegangen werden. Eine kostengünstige Verklebung des Messfensters durch Epoxidharze oder Silikone ist in der Regel nur bedingt temperatur-, strahlungs- und alterungsfest, neigt zum Ausgasen und bietet keinen hermetischen Verschluss. Andererseits führt eine stabilere Verlötung des Messfensters mit entsprechenden hermetischen und resistenten Eigenschaften bei vielen Materialien zu hohem Prozessaufwand, hohen Kosten und hohen Verarbeitungstemperaturen. Um die genannten Einschränkungen, sowohl von klassischen TO-Sensorgehäusen als auch von potentiell zukunftsfähigeren Keramik-SMD Verkapselungen zu überwinden, wird im folgenden Abschnitt die Zielstellung eines wirtschaftlich konkurrenzfähigen, hermetischen SMD-Verschlusses für extreme Umgebungsbedingungen formuliert.
Vorteile und Lösungen
Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens war die Entwicklung einer hermetischen Verschlusstechnologie für kostengünstige opto-mechanische Sensoranwendungen mit breitbandig transparentem Messfenster, die Qualifizierung eines hermetischen Gehäuseverschlusses in keramischer SMD-Bauweise und die Quantifizierung der Wirtschaftlichkeit. Für den Aufbau eines langzeitstabilen Sensorgehäuses sind einerseits das werkstofftechnische Design und andererseits eine funktionsgerechte Fügestrategie von entscheidender Bedeutung. Ausgehend von kommerziell verfügbaren HTCC- oder LTCC-Materialien für den Aufbau des Gehäusegrundkörpers und der Auswahl eines kostengünstigen Messfensters aus Borosilikatglas wurden ausdehnungsangepasste Fügematerialien ausgewählt. Im Anschluss war eine abgestimmte Prozesskette zu evaluieren, welche die materialtechnischen Eigenschaften und Anforderungen der einzelnen Komponenten berücksichtigt. Hierzu zählen unter anderem die Bewertung der möglichen thermischen Degradation der innenliegenden Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT), die Sensorchips und die Verbindungsmaterialien, sowie die Untersuchung von Materialspannungen an der Fügestelle nach dem Abkühlen vom Fügevorgang. Es war ein auf die Materialien und Prozesse abgestimmtes Temperaturfenster zu ermitteln. Während HTCC- und LTCC-Keramiken sowie ausdehnungsangepasste Borosilikatgläser bis weit über 400 °C temperaturstabil sind, muss die verwendete Fügeverbindung mindestens die Temperaturbelastung bei typischen Reflow-Ofenprozessen (260 °C) tolerieren können. Die Temperaturbelastbarkeit der innenliegenden AVT wird in Sensoranwendungen in der Regel durch die Verwendung organischer Leitkleber begrenzt. Die Stabilität des Leitklebers ist von Temperatur und Einwirkdauer abhängig und soll durch eine Verschlusstechnologie mit minimierter Gesamtwärmebelastung gewährleistet werden. Das Messfenster soll breitbandige Transmission bieten, die sich vom UV-C Bereich bis über den sichtbaren Bereich erstreckt. Zwei oder mehr metallische Durchkontaktierungen mit Kleb- bzw. Bondpads im Sensorinneren sowie lötbaren Kontakten an der Sensoraußenseite sollen die elektrische Kontaktierung der Komponenten ermöglichen. Im Ergebnis wurden aus einer Vielzahl von Fügemöglichkeiten ein Metalllot (zum Ofenlöten) sowie ein Glaslot (zum Laserlöten) jeweils mit passenden Umgebungsmaterialien und Prozessparametern ausgewählt und die entstandene Verbindung qualifiziert. Dabei wurde die thermische sowie die mechanische Belastbarkeit festgestellt und die elektrischen Eigenschaften des verbauten Sensors gemessen. Dadurch konnten kostengünstige, Nutzen-basierte Fertigungsmethoden für mittlere Stückzahlen ermittelt und wirtschaftlich bewertet werden. Abbildung 1 zeigt einen Keramikträger mit einer Metall-Lötung im Nutzen. Abbildung 2 hingegen zeigt eine Laserlötung mit Glaslot.
Zielgruppe und Zielmarkt
Im Projekt wurde eine Löttechnologie zum hermetischen Verschließen von (keramischen) SMDs mit optisch transparenten Gläsern entwickelt. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse können nach Projektende für den Verschluss optischer Sensoren (und ggf. Emitter) angewandt und vermarktet werden. Das Marktvolumen für optische Sensoren betrug 2019 jährlich zwischen 1,7 und 3,1 Mrd. $ - abhängig von der Datengrundlage. Es wird dabei mit einem jährlichen Wachstum von acht Prozent bis 16 Prozent gerechnet. Die Vermarktung der hier gewonnenen Projektergebnisse erfolgt hauptsächlich durch Dienstleistungen auf dem Gebiet der Verfahrensentwicklung und weniger über den Verkauf von Produkten. Ganz allgemein ist festzustellen, dass sich der Markt für die entsprechenden Bauteile in ein eher hochpreisiges Segment mit zirka 50 bis 100 €/Stück und ein niedrig-preisiges Segment im Bereich von wenigen Euro aufteilt. Ersteres wird vor allem durch die TO-Bauweise abgedeckt, wobei hier in der Regel nur kleine Stückzahlen (einige Tausend pro Jahr) für hoch spezialisierte Anwendungen hergestellt werden. Der Einbau dieser Bauteile ist vergleichsweise aufwendig (Durchsteckverbindungen). Die Technik wird aber trotzdem nach wie vor angewendet, da die Bauteile hermetisch dicht, robust und vergleichsweise bestrahlungsstabil (UV bis IR) sind. Der Markt für SMD-basierte Bauteile hingegen ist stark umkämpft und durch ein hohes Maß an Automatisierung geprägt. Hohe Stückzahlen und günstige Verkapselungsformen lassen dabei sehr niedrige Preise zu. Die auf diesem Weg hergestellten Bauteile sind jedoch bauartbedingt nicht stabil genug, um sie in harschen Umgebungsbedingungen und für hohe Strahlendosen in messtechnischen Bereichen einzusetzen. So werden in harschen Umgebungen, beispielsweise zur Überwachung der Strahlungsleistung von UV-Lampen, zum Beispiel Trinkwasserentkeimung, bei erhöhten Temperaturen und unter Medien und Gaseinfluss weiterhin metallisch gehauste Komponenten verwendet. Im Projekt war eine Kapselung für opto-mechanische SMD Bauteile zu konzipieren, die sowohl langzeitstabil gegen Bestrahlung als auch transparent für einen breiten Spektralbereich sind, um somit Vorteile beider Bauformen zu vereinen.
