LTCC-Dünnfilm-Polymer Kombination für GHz Radarsysteme

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1 LTCC-Dünnfilm-Polymer Kombination für GHz Radarsysteme. Dr.-Ing. Dieter Schwanke, GmbH & Co. KG, Berg, Deutschland. Dipl-Ing. Thomas Haas, GmbH & Co. KG, Berg, Deutschland. Dipl.-Ing. Mirco Harnack, GmbH & Co. KG, Berg, Deutschland. Dipl.-Ing. Achim Bittner, Lehrstuhl für Mikromechanik, Universität des Saarlandes, Saarbrücken, Deutschland Dr. Ulrich Schmid, Lehrstuhl für Mikromechanik, Universität des Saarlandes, Saarbrücken, Deutschland Dr. Ernst Feurer, Reinhardt Microtech GmbH, Ulm, Deutschland. Dipl.-Ing., Silke Hoyler, Reinhardt Microtech GmbH, Ulm, Deutschland. Dr. Bruno Holl, Reinhardt Microtech GmbH, Ulm, Deutschland. Kurzfassung In diesem Kurzvortrag wird zunächst die Low Temperature Cofire Ceramic Technologie vorgestellt. Es wird auf den Prozessablauf und die Möglichkeiten, die diese Mehrlagen-Keramik-Technologie bietet, eingegangen. Da sich die verschiedenen Materalsysteme im Hinblick auf ihre Hochfrequenzeigenschaften deutlich unterscheiden, wird das, für das angestrebte Radarsystem Verwendung findende Keramiksystem anhand seiner Eigenschaft vorgestellt. Die Möglichkeiten der derzeit erreichbaren Druckauflösung auf LTCC werden diskutiert sowie das Potential, das sich durch eine Kombination mit einer Dünnfilmtechnik direkt auf LTCC appliziert ergibt, wird anhand von Teststrukturen erläutert. Die Anbindung von Vias (Durchkontaktierungen in der Keramik) zu den Dünnfilm- Leiterzugstrukturen sowie die Anbindung von gedruckten und dünnfilmtechnisch realisierten Strukturen wurden mit positivem Ergebnis validiert. Es werden Beispiele für die Erweiterungsmöglichkeiten der Strukturauflösung durch die LTCC-Dünnfilm-Kombination anhand von Teststrukturen sowie anhand eines realen Bauteils gezeigt, das in dieser alternativen Technologie seine Funktionalität im Vergleich zum herkömmlich gefertigten Produkt bewiesen hat. Dieses Verfahren wurde in enger Zusammenarbeit zwischen den Firmen MSE und Reinhardt Microtech entwickelt und kann mittlerweile kommerziell unter dem Produktnamen Finebrid angeboten werden. Die Universität des Saarlands hat sich im Projektzeitraum ebenfalls mit der Dünnfilmstrukturierung auf LTCC befasst jedoch in einer anderen Prozessführung mit Ti/Ag Strukturen. Dabei wurden Leiterzugbreiten ähnlich wie bei Reinhardt Microtech von bis zu 10 µm erreicht. Parallel dazu wurden an der Uni Saar Untersuchungen durchgeführt, die sich mit dem reaktivsputtern von AlN beschäftigt haben. Diese Aktivitäten haben das Ziel Methoden zu evaluieren, die ein effizientes Aufbringen von nicht leitenden Heatspreadern auf die LTCC gewährleisten. Es konnte mit verschiedenen Analysemethoden nachgewiesen werden, dass sich das vergleichsweise gut Wärme leitende AlN in einer gewünscht senkrecht zur Oberfläche texturierten Struktur erzeugen lässt. Diese auf Siliziumoberflächen erhaltenen Ergebnisse konnten in ersten Vorversuchen auf auf LTCC- Oberflächen übertragen werden. Bei Reinhardt Microtech laufen derzeit Prozessentwicklungen zur Applikation von Dünnfilmstrukturen auf Polmerträgern und an der Universität des Saarlands (LMM) zusammen mit MSE werden Möglichkeiten zur LTCC-Dünnfilm-Polymer Kombination entwickelt, die sich jedoch noch in einem frühen Stadium befinden und deshalb noch keine Ergebnisse gezeigt werden können.

2 RADARAUGE BmbF gefördert LTCC-Dünnfilm-Polymer Kombination für GHz Radarsysteme D. Schwanke, Th. Haas, M. Harnack, A. Bittner*, U. Schmid*, E.Feurer**, S. Hoyler**, B. Holl** GmbH, Berg *Universität des Saarlands **Reinhardt Microtech GmbH, Ulm 1 LTCC Technologie Schematischer Querschnitt durch ein LTCC Substrat in Mixed Metal Technologie (Ag, AgPd, Au, AgPt etc.) Glaspassivierung Au - Leiterzug (drahtbondbar) Widerstände (7 Dekaden möglich) Ag - Via Ag - Leiterzug Transition-Via AgPd Transition-Via aufgrund von Diffusionsvorgängen notwendig; Vermeidung durch Plating-Verfahren möglich (Vereinfachung) AgPd - Leiterzug (für löt-oder klebbare Komponenten) 2

3 LTCC Technologie LTCC Prozessablauf (MSE) Tape Blanking and Preconditioning AOI (opt.) Via Punching AOI Via Filling Sizing Laminating Stacking Rework AOI Cond. Printing Burn-out & Cofiring Postfiring Resistor Trimming AOI Electrical Test 3 LTCC Technologie Cavities & Windows circular stepped 4

4 LTCC Technologie Comparison: DP951-Tape vs DP943-Tape 0.00 Insertion Loss of 2-layer microstrip DP943 LTCC S21[dB/mm] DP951 LTCC freq, GHz 5 LTCC Technologie Fine-Line Druck bis 50 µm Linienbreite Mixer Struktur Fine-Line 50 µm Linenbreite Filter and Bond-Kompensator Strukturen 50 µm Linenbreite 6

5 Dünnfilmstruktur direkt auf LTCC Dünnfilmtechnik (DT)-Prozess Reinigen, Glühen der LTCC-Substrate bei 360 C für 3 h Sputtern (WTi-Au) Belacken, Belichten und Entwickeln Galvanisch Verstärken mit Au, Lack strippen, Ätzen Scotch-Tape-Test, Temperaturzyklen 7 Dünnfilmstruktur direkt auf LTCC Dünnfilm auf LTCC Viaanbindungen (Daisy-Chain) Schnitt Dünnschicht LTCC-Tape mit Filled Vias ( 132 µm) Verbindung zwischen den LTCC-Tapes LTCC-Tape blau: LTCC-Vias (132 µm), rot: Dünnfilmstruktur von oben Leiterbahnanbindung LTCC / DF LTCC-Leiterbahnen (blau; Breite 150 µm) mit Dünnfilmleiterbahnen (rot, Breite 50 µm) 8

6 Dünnfilmstruktur direkt auf LTCC Teststrukturen zur Verifikation der Strukturauflösung DF auf LTCC 10µm Anbindung von 132 µm-ltcc Vias mit Dünnschichtleiterbahnen Lange-Koppler LB: 26 µm, Spalt: 11 µm 20µm Test-Sonne Auflösung 13 µm 9 Dünnfilmstruktur direkt auf LTCC Beispiel für Dünnfilm auf LTCC DF-Feinst-Line Struktur auf LTCC Integrated 50Ω Resistor LTCC-Cavity with two MMICs RF-Line Coplanar Probe Pad Langekoppler NiCr-Widerstand Spalt: 15 µm +/-3µm Design und Layout EADS LTCC - Fertigung MSE Dünnfilm Reinhardt Microtech Verifikation und Test EADS Lange-Couplers Tx-Modulator Storage and Block Capacitors Ausgangsverstärker auf TX/RX Module 10

7 Dünnfilmmetallisierungen Ti/Ag auf LTCC Grundlegende Untersuchungen zur Sputterrate zur Strukturierbarkeit 30 µm Leiterbahn auf LTCC (50x) Flussrate: 80 sccm Ar, Kammerdruck: bar 10µm breite Dünnfilmstrukturen auf LTCC realisierbar 10 µm Leiterbahn auf LTCC (50x) Quelle: Uni Saar 11 Reaktiv gesputterte AlN-Dünnfilme (auf Si-Substrate) Untersuchungen an reaktiv gesputterten AlN-Dünnfilmen für einen möglichen Einsatz als nichtleitende Heatspreader Materialeigenschaften Grundlegende Fragestellungen zur Abscheideraten Textur Oberflächentopologie Mikrostruktur Ätzraten Piezoelektrische Koeffizienten Hochtemperaturstabilität. als Fkt. von Abscheideparametern und Substrat. 12

8 Reaktiv gesputterte AlN-Dünnfilme (auf Si-Substrate) Dicke [nm] Arbeitsvakuum [mbar] Abscheideraten als Fkt. des Vakuums Counts XRD Röntgendifraktometrie mbar 0.002mbar 0.003mbar mbar ,1 42,1 44,1 46,1 48,1 50,1 52,2 54,2 56,2 58,2 60,2 62,2 64,2 2 theta AFM Atomic Force Microscope (Rasterkraft- Mikroskop) gibt die Oberflächen- Struktur des AlN-Dünnfilms wieder AFM FIB FIB Focused Ion Beam den Querschnitt des texturierten AlN-Dünnfilms 13 AlN-Dünnfilme auf LTCC Stand der Technik Vorversuche auf LTCC 951 Lee et al., Mat. Res. Symp. Proc. Vol. 783, B5.10.1, Für eine hohe Wärmeleitfähigkeit muss die Textur ( ) Korngröße ( ) Sauerstoffgehalt ( ) kontrolliert werden. Quelle: Uni SAAR Reaktiv gesputtert Schichtdicke ca. 500 nm Einzelne Körner erkennbar 14