DVS Berichte 301 Leseprobe

– DMA (Dynamisch-Mechanische Analyse), bei derdie Moduln durch Messung der viskosen und elastischenEigenschaften bestimmt werden.Die drei Messmethoden ergeben unterschiedlicheMessergebnisse, weshalb bei der Angabe eines T g -Wertes immer auch die Messmethode genannt werdensollte. Zudem sind auch die Aufheizrate und Probenpräparationentscheidend, um eine direkte Vergleichbarkeitvon Messwerten zu ermöglichen.Die gängigste Methode ist die DSC.Die TMA-Methode ermöglicht es, den T g -Wert überdie Änderung der Ausdehnung des Materials zu bestimmen.Bei Erreichen des Glasübergangs steigt diez-Achsenausdehnung des Materials stark an, welchesden T g -Bereich anzeigt.Bei der Messung mittels DMA wird über eine sinusförmigemechanische Beanspruchung der Probe derSpeichermodul ermittelt. Aus dem Maximum der erstenAbleitung dieser Kurve kann der T g -Wert ermitteltwerden.Alle Vorgänge, die während des Glasübergangs imBasismaterial auftreten, sind reversibel, sobald dieTemperatur wieder unter den T g -Wert abgesenkt wird.Im Gegensatz dazu werden bei Erreichen der ZersetzungstemperaturT d irreversible Vorgänge freigesetzt.Es kommt zu einem Gewichtsverlust der Probe, derdurch die Zersetzung der Harzmatrix verursacht wird.Die Zersetzungstemperatur wird über Thermogravimetrie(TGA) bestimmt, und wird laut IPC-4101 als 5% Gewichtsverlust definiert. Das Gewicht der Probewird dabei in Abhängigkeit der Temperatur aufgenommen(Bild 2).Bild 1: DSC-Messkurve eines Standard-T g -Materials.Bei einer DSC-Messung werden jeweils zwei Messläufedurchgeführt (Bild 1). Nach einem erstenMesslauf (T g 1) wird 10 min lang eine hohe Temperaturgehalten. Anschließend wird die Probe abgekühltund ein zweiter Lauf (T g 2) vorgenommen. Sind nochreaktive Gruppen im Harzsystem vorhanden, dannerfolgt während des ersten Messlaufs ein Nachhärtendes Materials. Bei der zweiten Messung wird in einemsolchen Fall ein Tg-Wert gemessen, der von demersten Wert abweicht. Aus der Differenz dieser beidenT g -Werte, dem UT g , kann also eine Aussage über denAushärtegrad eines Materials getroffen werden. Zubeachten ist, dass nicht nur der Aushärtegrad denUT g -Wert beeinflussen kann. Auch Feuchtigkeit imMaterial, oder die Degradation des Harzsystems könnenzu erhöhten UT g -Werten führen.Wie beschrieben kann durch Nachtempern eine unvollständigeAushärtung des Materials abgeschlossenwerden. Um zu unterscheiden, ob Feuchtigkeit imMaterial vorliegt, wird die Probe vor der Messung beiniedrigeren Temperaturen getrocknet (120 °C, 3 h)und erst anschließend vermessen. Wenn eine Degradationdes Materials vorliegt, kann dieser Zustandnatürlich weder durch Tempern, noch durch Trocknen,geändert werden. Der auffällige UT g -Wert wirdauch nach Durchführung dieser Maßnahmen weiterhinvorliegen.Bild 2: Typische Messkurve der Zersetzungstemperaturmittels TGA.Zersetzungstemperaturen von Basismaterialien werdenbislang annähernd nur während der Lötprozessebei der Leiterplattenherstellung erreicht. Sie liegen imBereich von 300 – 360 °C. Sie können vor allem alsVergleichswerte zur Beurteilung der thermischen Stabilitätvon Materialien herangezogen werden.Bei der Betrachtung der thermischen Stabilität einesMaterials sollte neben dem Faktor Temperatur auchimmer die Zeit betrachtet werden. So ist das Vermögeneines Materials, einer bestimmten Temperatur2DVS 301

standzuhalten, sehr stark abhängig von der Zeit, derdas Material dieser Temperatur ausgesetzt wird.Dieser Einflussfaktor wird in der Ermittlung der Zeitbis zur Delamination T260/T288 untersucht. Die Messungerfolgt mittels TMA (Thermomechanische Analyse).Dabei wird die Probe einer Temperatur von260 °C, bzw. 288 °C, ausgesetzt und die Zeit bis zurDelamination des Materials gemessen. StandardHarzsysteme erreichen bei der T260-Messung Zeitenvon 5 – 15 min. Der T288-Messung halten solcheSysteme nicht Stand. Dagegen können mit thermischBeständigen Harzen über 60 min im T260 und 15 –60 min beim T288-Test erhalten werden.Auch der thermische Ausdehnungskoeffizient ist fürdie thermische Beständigkeit eines Systems entscheidend.Es wird generell zwischen der Ausdehnungin x/y- und in z-Richtung unterschieden. Währendin x/y-Richtung die Ausdehnung des Materialsvom eingesetzten Glasgewebe stark beeinflusst wird,wirkt sich in z-Richtung alleine die Ausdehnung desHarzes aus.Wie bereits ausgeführt, ändert sich die thermischeAusdehnung des Basismaterials beim Glasübergangdrastisch. Über dem T g -Bereich zeigt das Harz eineviel höhere Ausdehnung, als unter dem T g -Bereich.Die Zugkraft, die auf Bohrhülsen ausgeübt wird, steigtdamit um ein vielfaches im Temperaturbereich überT g .Ein geringerer thermischer Ausdehnungskoeffizient inz-Richtung kann also die Zuverlässigkeit eines Systemsunter thermischer Belastung erhöhen.Der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE wird inder TMA bestimmt. Aufgenommen wird hierbei dieÄnderung des Volumens einer Probe in Abhängigkeitvon der Temperatur (Bild 3).Da der CTE in direkter Abhängigkeit vom T g -Wertsteht, ist es logisch, dass ein höherer T g -Wert beimVergleich absoluter Temperaturwerte niedrigereCTE z -Werte zur Folge hat (Bild 4).Bild 4: Verglich der thermischen Ausdehnung unterschiedlicherMaterialien bei einer absoluten Temperatur. DE104:Standard-T g /ungefüllt; DE117: Hoch-T g /ungefüllt; IS400:Mittel-T g /gefüllt; IS420: Hoch-T g /gefüllt.Demnach kann zunächst durch den Einsatz von Materialienmit höheren T g -Werten die thermische Ausdehnungin z-Richtung bei einer absoluten Temperatur imVergleich zu einem Standard-T g -Material erniedrigtwerden.3 Thermisch beständige HarzsystemeObwohl wir seit den Anfängen des Basismaterials inden 1950er Jahren immer noch von FR-4 Harzsystemenauf Epoxidharzbasis sprechen, gibt es nebenden Standard-Materialien mittlerweile ein großesSpektrum an temperaturbeständigen Materialien, dieimmer noch in dieser Kategorisierung erfasst werden.Diese Erweiterung des Basismaterialspektrums wirdgrundsätzlich durch zwei Variationen des Harzsystemsermöglicht. Zum einen ist es das Härtersystemund zum anderen der Einsatz von Füllstoffen.Die Harzchemie des Basismaterials beruht auf demAufbau von langen Molekülketten, die über kleinereMoleküle, die sogenannten Härter, untereinander zueiner Art von Netz verbunden werden. Es gibt grundsätzlichzwei Härtersysteme, die unter den Bezeichnungen„dicy“ und „Novolak“ bzw. „phenolischer“-Härter bekannt sind.Bild 3: Typische Messkurve der Ausdehnung in z-Richtung.Standard-FR-4-Materialien enthalten den dicy-Härter.Sie weisen eine geringere thermische Beständigkeitund relativ hohe CTE z -Werte auf. Bei Einsatz desNovolak-/phenolischen Härters erhöht sich die thermischeStabilität des Harzes. Die Bindung zwischenPolymerketten und Härter erfolgt im Falle von dicyüber Amine, während beim Novolak Etherbrückenausgebildet werden. Die Bindungsenergie derEtherbrücken ist höher als die eines Amins. Somitliegen beim Einsatz von Novolak im Vergleich zumdicy-Härter stärkere Bindungen zwischen Härter undPolymerketten vor. Zudem verfügt der phenolischeDVS 301 3

Härter über mehr Bindungsstellen am einzelnenHärtermolekül, wodurch es, bildlich gesprochen, zurAusbildung eines engeren Netzes kommt, das wiederumbeständiger ist. Daraus ergibt sich also die höherethermische Beständigkeit von phenolisch gehärtetenSystemen, die sich vor allem in höheren ZersetzungstemperaturenT d und längeren Zeit zurDelamination T260/T288 wiederspiegelt (Tabelle 1).Tabelle 1: Vergleich von Kennwerten bei Einsatz vondicy- und Novolak-Härtern.Kennwert Dicy NovolakTg[°C] 130 – 170 130 – >170Td[°C] 300 – 315 340 – 370Neben den genannten Kennwerten, die zunächst nurdas Basismaterial charakterisieren, können auch weiterführendeTests durchgeführt werden, um die Beständigkeitund Zuverlässigkeit von Materialien nachzuweisen.So können Materialien in Reflow-Tests, beider Untersuchung der Lötbadbeständigkeit, in Temperaturlagerungstestsund den Temperaturwechseltestsunter extremen Bedingungen gestresst und geprüftwerden. Beachtet werden sollte, dass die Prüfung desBasismaterials und die erhaltenen Ergebnisse nichtdirekt auf einen Multilayeraufbau übertragen werdenkönnen. So kann das Basismaterial an sich bestimmtePrüfungen bestehen, bei denen dann ein Multilayer,der aus diesem Basismaterial aufgebaut wird, unterden gleichen Prüfbedingungen ausfällt. Hierbei spielender Lagenaufbau, die Lagenzahl sowie Kupferstärke-und belegung eine entscheidende Rolle. Diethermische Belastung in einem Multilayer kann aufgrundder genannten Faktoren viel höher sein, als imBasismaterial.Als Beispiel für ein solches temperaturbeständigesBasismaterial, dass speziell für die Hochleistungselektronikentwickelt wurde, wird die 185HR der Isolavorgestellt. Neben den thermischen Kennwerten, dieden Anforderungen eines temperaturbeständigenMaterials entsprechen, wurden unterschiedlicheMultilayer-Aufbauten den genannten Tests unterzogen(Bild 5).Dieses Material hat sich dabei als sehr geeignet erwiesen,um hohen Temperaturen, die durch Verlustleistungenauf der Leiterplatte generiert werden,standzuhalten.T260 [min] 10 – 15 ≥60T288 [min] ‐ > 15Der Zusatz von speziellen Füllstoffen zum Harzsystemführt zu einer Erniedrigung der thermischen Ausdehnungin z-Richtung. Diese Füllstoffe sind mineralische,chemisch inerte, unlösliche und elektrisch nichtleitende Salze, die die mechanischen Eigenschaftendes Harzes verändern. Neben dem positiven Aspektder Verminderung der Ausdehnung kommt es auchzur Absenkung der Kupferhaftung und einer Verschlechterungder Bohrbarkeit des Materials. Ausdiesen Gründen kann keine beliebige Menge an Füllstoffenzugesetzt werden. Vielmehr muss ein optimalesVerhältnis der Füllstoffkonzentration gefundenwerden, bei der die Ausdehnung gemindert wird undsich die negativen Aspekte nicht zu stark auswirken.4 Thermisch beständige MaterialienEs wurde ausführlich diskutiert, welche Kennwerte füreine hohe thermische Beständigkeit entscheidendsind, und wie ein Harzsystem modifiziert werdenkann, um diese hohe Resistenz gegen den StressfaktorTemperatur zu erreichen.4Bild 5: 185HR: Kennwerte der unterschiedliche Prüfungen.5 Wärmemanagement aus Sicht des BasismaterialherstellersNeben dem Einsatz von thermisch beständigen Materialien,die hohen Temperaturen standhalten können,gibt es auch die Möglichkeit auf der Leiterplatte durchEigenerwärmung entstehende Wärme abzuführen,und so die thermische Belastung zu vermindern. Esgibt unterschiedliche Technologien zur Umsetzungvon Wärmemanagement auf der Leiterplatte. So werdenu.a. Kupferdrähte, Kupferprofile oder Einlegeteilesowie Dickkupferkaschierungen verwendet.Der Basismaterialhersteller kann hierbei einen Beitragdurch den Einsatz von Materialien mit erhöhter Wärmeleitfähigkeitleisten. Dieser Lösungsweg ist eineHerausforderung, da das klassische FR-4-Dielektrikummit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,25W/m•K, z. B. im Vergleich zum Kupfer, ein sehrschlechter Wärmeleiter ist. Eben diese schlechteWärmeleitfähigkeit führt im Standardaufbau einerLeiterplatte zu einem Wärmestau, der eine Erwärmungdes Bauteils bewirkt und damit die Eigenerwärmungnoch verstärkt. Um eine erhöhte Wärmeleit-DVS 301

Vollständig dünnglasbasierte, hybride elektro-optische Leiterplatte – Neue Chancen undHerausforderungen, FertigungstechnikH. Schröder, St. Karaszkiewicz, L. Brusberg, Berlin, E. Krüger, Düren, N. Tolle, Lamspringe,Th. Wiegel, Grünenplan, K. Plat und L. Overmeyer, HannoverKern des neuen Ansatzes ist die Realisierung von mehrlagigen, elektrisch-optischen Leiterplatten (EOCB) mit Hilfevon in der Displaytechnik genutztem Dünnglas. Eine solche Technologie ermöglicht Produkte mit deutlich verbesserterPerformance, Zuverlässigkeit, geringeren Kosten sowie höherer Energieeffizienz herzustellen. DasDünnglas subsituiert das sonst gebräuchliche FR4 als Basismaterial. Anforderungen, Eigenschaften und Prozesstechnologiewerden vorgestellt und diskutiert.1 EinleitungSeit mehr als einer Dekade werden Entwicklungen zurIntegration von Dünnglas als neuartiges Basismaterialfür Leiterplatten durchgeführt. Ausgangspunkt war dieVerfügbarkeit von preisgünstigem Displayglas und dieAussichten auf Baugruppenträger mit herausragenderZuverlässigkeit, HF-Tauglichkeit und der Möglichkeit,optische Wellenleiter planar direkt in die Baugruppenträgerzu integrieren. Anhaltender Treiber für letzterenTrend ist der steigende Bedarf an zu übertragenderBandbreite auch innerhalb der Systeme aufgrund dersteigenden Prozessortaktraten (Bild 1).Signale von einer CPU auf einer elektro-optischenTochterkarte werden über eine optische Backplaneauf weitere Tochterkarten gesendet. Für heutige Multiprozessorkapazitätenim Bereich mehrerer Tbit/swären hunderte optische Wellenleiter pro Tochterkartenotwendig. Aufgrund des durch Systemstandardsbegrenzten Platzes erfordert dies eine Erhöhung derPackungsdichte der Wellenleiter [2]. Um die Kanaldichtezu erhöhen, könnte der Wellenleiterabstandverringert werden oder aber weitere optische Signallagenübereinander angeordnet werden [3,4,5].So wie die Leistung der Prozessoren und der optoelektrischenChips (VCSEL, PD, Verstärker, Treiber)steigt, werden auch die Anforderungen an das Basismaterialfür den Baugruppenträger höher. Die Innovationdes hier gezeigten neuen Ansatzes ist die ausschließlicheNutzung von Dünnglas als Basismaterial,auf epoxidglasfaserverstärkte, klassische Basismaterialienwird vollständig verzichtet. Das Resultat isteine „gläserne Mehrlagenleiterplatte“, deren Lagenmit polymeren Klebers verklebt sind. Die Vorteile desDünnglases werden dadurch konsequent genutzt:Bild 1: Im EU-Projekt „PhoxTrot“ erarbeitete Roadmap deraggregierten Bandbreite für Datenkommunikationssystembis 2022 [1]Hohe Störsicherheit, geringe Verlustleistung, Zuverlässigkeit,Skalierbarkeit, Leistungseffizienz bei geringemPlatzbedarf sind dabei – neben dem hohenBandbreite-Längen-Produkt – wesentliche Argumentefür optische Verbindungstechnik auf Baugruppenträgernin Systemen. Um beispielsweise High-End-Serveranwendungen mit symmetrischen Multiprozessorsystemenzu realisieren werden komplexe Architekturenbenötigt. Die elektro-optisch gewandeltenNNNNNNNNNhohe optische Transparenz/geringe optischeDämpfung der Wellenleitergestapelte optische Lagen möglichgeringer thermischer Ausdehnungskoeffizientexzellente dielektrische Eigenschaften für Hochfrequenzanwendungenkommerzielle Verfügbarkeitgeeignet für HochtemperaturapplikationenKombinierbarkeit mit PolymerleiterplattenÜbertragbarkeit von Technologien aus der Halbleiterfertigunghöhere AlterungsbeständigkeitBild 2: Schematische Darstellung eines dünnglasbasierten Schaltungsträgers mit elektrischen Lagen und optischen Wellenleiternsowie assemblierten Komponenten auf gläsernen Interposern6DVS 301

Eine solche Technologie ermöglicht Produkte mithöherer Performance, Zuverlässigkeit, geringerenKosten sowie höherer Energieeffizienz.Aus der Sicht der klassischen Baugruppentechnologieführt diese Integration von Technologien der AufbauundVerbindungstechnik über die Verwendung vonInterposern zu einer Auflösung der Grenze zwischenPackaging Level-1 und Level-2. (Bild 2). Die gläserneMehrlagenleiterplatte kann aus Silizium hergestellteoder gläserne Interposer hervorragend aufnehmen.Zudem können Glassubstrate durch ihre Formstabilitätund sehr guten Oberflächeneigenschaften bestensfür Fine-Pitch Prozesse verwendet werden und erfüllensomit auch zukünftig die Anforderungen der elektrischenAufbau- und Verbindungstechnik nach kleinerenAbständen und Dimensionen. Das Dünnglas wirdim Platinenformat für die Displayindustrie gefertigt,deshalb sind schon heute alle gängigen Leiterplattenformateverfügbar. Die Fertigung und das Prozessierender gläsernen Mehrlagenleiterplatte aufPlatinenformat und die anschließende Vereinzelungauf anwendungsbezogene kleinformatige Leiterplattengrößenoder Modulformaten (MCM, SiP) ermöglichtdie Produktion von großen Mengen und damitgeringen Kosten pro Einheit.Zum Aufbau derartig vollständig glasbasierter Mehrlagenleiterplattensetzt dieser Ansatz auf neueLaminationsverfahren, die von der Leiterplattenindustriemit bestehender Anlagentechnik umsetzbar sind.Insbesondere Handhabungsverfahren stellen beidünnen Folien eine Herausforderung dar. Der Herstellungsprozessfür optische Wellenleiter wird auf großformatigeFolien skaliert. Zur Einbringung von Bohrungenin den hybriden Aufbau wurden mechanischeBohrverfahren und Laserverfahren getestet.N Wärmestabilität durch hohen T g / ThermischeDauerbelastung für extrem veränderte EinbaubedingungenN Belastungsfestigkeit gegen Schwingungen undSchockN Resistenz gegen Schadstoffe und ChemikalienTabelle 1: Gegenüberstellung von Eigenschaften desSchaltungsträgersEigenschaft Epoxidharz Polyimid GlasHaftfestigkeit [N/mm] 1,8 1,1 0,7ε r (1 MHz) 4,8 4,2 6…8tan δ 0,035 0,01 6•10 -3Feuchtigkeitsaufn. [%] 0,1 0,27 0T g [°C] 130…200 250 + 600(Erw.)Elektr. Durchschlagsfestigkeit45 57[kV/mm]UL-VO (Brennbarkeit) Ja/TBBA Ja/TBBA JaCTE x [ppm/K] 12…16 16 5…7CTE y [ppm/K] 12 16 5…7CTE z [ppm/K] unter T g 45…60 55 5…7CTE z [ppm/K] über T g 220…300 150Die für die Anwendung und Zuverlässigkeit der Leiterplattenwesentlichen weiteren Eigenschaften imKupferverbund sind in der folgenden Tabelle gegenübergestelltund zeigen die hervorragende Eignungvon Dünnglas. Einzig die Haftfestigkeit ist relativ geringund muss durch besondere Maßnahmen erhöhtwerden.3 Eignung von Dünnglas als Basismaterial fürelektro-optische Schaltungsträger2 Anforderungen an neue Basismaterialien undAnwendungenDer wichtigste fertigungsrelevante Aspekt sind dieunterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten(CTE) von Glasfolien und der Verklebungsmaterialien.Deshalb ist es nötig, Leiterplattenmaterialienmit angepassten Werten auszuwählen und geeigneteMaßnahmen zur Stressvermeidung im Glas zu entwickeln.Die Voraussetzungen, welche ein neues Basismaterialmitbringen sollte, sind über die Anforderungenan die Miniaturisierung der Leiterplatten undihre Layouts definiert. Für den hier adressierten Fallsind dies:N Dicke der Innenlagen 30 bis 50 µm, um hochlagigeSchaltungen zu ermöglichenN Dimensionsstabilität von 50 ppm in der X-Y-Achse.Damit verbunden ist die Realisierung von Line/Space von ≤ 50 µm und Restringgrößen ≤ 50 µmN CTE der Schaltung 6 bis 8 ppm, so dass das PadCratering verhindert wirdN Hochfrequenzeigenschaften für High-Speed –AnwendungenBild 3: Flexibles Dünnglas von SCHOTT, im EndlosverfahrenhergestelltIn der vorliegenden Arbeit wird ein Ansatz präsentiert,bei dem nur Dünnglas als Trägermaterial verwendetwird. Hierzu wird der Glastyp D263Teco der FirmaSCHOTT verwendet [6]. Das Glas ist in unterschiedlichenDicken verfügbar und besitzt hervorragendegeometrische, physikalisch-chemische und kosmetischeEigenschaften (Bild 3). Die Glasübergangstemperaturvon D263Teco liegt bei 557°C, womit es imVergleich zu Polymermaterialien deutlich stabiler ist.Aufgrund seines dielektrischen Verlustfaktors vontan δ + 6·10 -3 und einer Dielektrizitätszahl von ε r + 7ist es genauso wie Al 2 O 3 -Keramiksubstrate (ε r + 6) [7]DVS 301 7

für Hochfrequenzanwendungen geeignet. Wegenihres Na-Gehaltes sind in diesem Glas optische Multimode-Wellenleitermit Gradientenbrechungsindexdurch Metallionenaustausch aus der Salzschmelzeherstellbar.Die Herstellung von Dünnglas im Endlosverfahrenerfolgt mit der von SCHOTT entwickelten Down-DrawTechnologie. Bei diesem Verfahren wird die Glasschmelzenach dem Aufschmelzen und der Homogenisierungdurch eine Düse nach unten gezogen. Mitdieser Technologie ist es möglich, ein sehr breitesDickenspektrum von ca. 25 µm bis 1,1 mm zu erzeugen.Die Standardformate haben eine Größe von440 mm x 360 mm (L x B), sind aber auch kundenspezifischanpassbar. Für Glasdicken < 100 µm wirdGlas aufgerollt, was eine innovative und marktgerechteArt der Konfektionierung ermöglicht. Um die unterschiedlichenMarktanforderungen an die physikalischenund chemischen Eigenschaften erfüllen zukönnen (z.B. Coefficient of Thermal Expansion von7.2 ppm/K bei D263Teco oder 3.2 ppm/K beiAF32eco), fertigt SCHOTT mit diesem Verfahren unterschiedlicheGlastypen. Auf Grund der sehr hohenGlasqualität in Bezug auf geometrische und kosmetischeEigenschaften, wird das Down-Draw-Glas ineiner Vielzahl von Applikationen eingesetzt. So wirdes z.B. in der Elektronikindustrie als Glaswafer für dieHerstellung von MEMS Sensoren eingesetzt oderauch als Deckglas für Touchdisplays verwendet. Diezunehmende Miniaturisierung in der Elektronikindustrieerfordert immer dünnere Gläser, die im Down-Draw-Verfahren direkt auf Enddicke hergestellt werdenkönnen.der ausgetauschten Ionen. Im darauffolgenden zweitenProzessschritt, der ohne Maske in reinem Natriumsalzdurchgeführt wird, entzieht ein thermischerIonenaustausch dem Substrat Silberionen nahe derOberfläche als Folge des umgekehrten Diffusionsverhaltens.Das Brechungsindexprofil des Wellenleiterskann durch Prozessparameter wie der Temperaturund der Prozesszeit definiert werden. Das entstehendeBrechungsindexprofil eines mehrmodigen Wellenleitersist in (Bild 4) dargestellt. Aufgrund des thermischenDiffusionsprozesses kommt es zur Ausformungeines elliptischen Brechzahlprofiles unterhalb derGlasoberfläche. Der Brechungsindex beträgt 1,52 fürdas Glassubstrat und 1,534 für den Kern des Wellenleiters.Charakteristisch sind Ausbreitungsverluste von0.1 dB/cm bei 1310 nm Wellenlänge.Bild 4: Brechzahlprofil (λ = 6 78 nm).4 Integration optischer Wellenleiter in DünnglasAn der Verwendung von großflächigem Dünnglas fürdie Integration multimodaler optischer Wellenleiterwird erst seit wenigen Jahren gearbeitet. Die bishervorliegenden Ergebnisse sind bereits sehr vielversprechend[8,9]. Insbesondere der hohe Integrationsgradund die thermische Stabilität der Wellenleitersind für das System wichtig. Vorteile der optischenWellenleiter in Glas sind gegenüber solchen ausPolymer die große spektrale Transparenz sowie dasGradientenindexprofil des Brechungsindex (Bild 4).Letzteres ermöglicht eine geringere Dispersion unddaher eine höhere Bandbreite als bei Polymerwellenleitern[10,11].Für die Wellenleiterherstellung wird zuerst eine Aluminiummaske(Diffusionsmaske) auf die Glasoberflächeaufgebracht, welche den Bereich der lokalenBrechzahlerhöhung im Folgeprozess definiert. Dafürwird ein thermischer Ionenaustausch zwischen Glasund einer verdünnten Silbersalzschmelze durchgeführt.Silberionen aus der Salzschmelze diffundierenin das Glas und tauschen die Plätze mit Natriumionenaus der Glasmatrix. Der Brechungsindex erhöht sichaufgrund der Unterschiede in der elektrischenPolarisierbarkeit und den unterschiedlichen RadienBild 5: Mikroskopische Aufnahme multimodaler optischeWellenleiter in Dünnglas (stirnseitig von hinten beleuchtetund stirnseitig am Lichtaustritt aufgenommen, Pitch 250 µm)Bislang sind Wellenleiter im Panelformat 305 x 225mm² herstellbar. Der Prozess ist zuverlässig für Glasstärkenab 300 µm. Bei der Wellenleiterintegration indünneres Glas ergeben sich Schwierigkeiten beimProbenhandling und der Prozessausbeute. Erste erfolgreicheAnsätze mit Dünnglas der Stärke 145 µmsind bereits gelungen. In Bild 6 sind zwei Gläser nachdem ersten Diffusionsschritt zu sehen, die sich in derStärke (145 µm und 500 µm) unterscheiden. DieDünngläser mit optischen Wellenleitern werden in denMultilagenaufbau integriert.8DVS 301

Der Vorschub wurde mit einem galvanometrischenScanner realisiert. Ein Planfeld-Objektiv (F-Theta-Objektiv) mit einer Brennweite von 100 mm wurdeverwendet, welches einen Fokusdurchmesser von10 µm erzeugt.Bild 6: Dünnglas mit Aluminiummaske mit unterschiedlichenGlasstärken von 145 µm (links) und 500 µm (rechts) nachdem ersten Diffusionsschritt.Mit dem Lasersystem wurden geeignete Parameterfür den Entschichtungsprozess ermittelt. Bild 8 zeigtexemplarisch das Resultat eines Entschichtungsprozessesfür einen Linienabtrag. Dabei wurden dieKupfer- und die Chromschicht ohne Schädigung desdarunterliegenden Dünnglases abgetragen.5 Lasermaterialbearbeitung von DünnglasFür die Platinen-Herstellung werden Leiterbahnen undBohrungen durch Ätz- und Fräsverfahren erzeugt.Aufgrund der Materialeigenschaften ist die Bearbeitungvon Dünnglas im Gegensatz zu herkömmlichenpolymeren Werkstoffen, die in der Leiterplatte eingesetztwerden, eine Herausforderung.Im Forschungsprojekt GlasPCB wurde das konventionelle,mechanische Bohrverfahren mit dem Laserverfahrenverglichen. Die Untersuchungen ergaben, dassmit den konventionellen Fräs- und BohrverfahrenMikrorisse in der bearbeiteten Oberfläche eingebrachtwerden. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaftender Leiterplatte verschlechtert und dies kannzur Erhöhung der Bruchanfälligkeit der Leiterplatteführen.In Bild 7 wird dieses Problem verdeutlicht. Hier wurdenmechanische Bohrungen mit 300000 U/min miteinem z-Achsvorschub von 55 mm/s durchgeführt.Bild 8: Laserlinienabtrag, Material Dünnglas D263T eco145 µm mit 50 nm Chromschicht und 1 µm Kupferschicht,Pulsüberlapp 50 %; 13,5 µJMit dem optimierten Parametersatz wurde anschließendein Platinen-Layout strukturiert (Bild 9), ohnedass eine Schädigung des Glassubstrats auftrat.Bild 7: Mechanische Bohrungen in 145 µm dickem Dünnglas(IZM)Im Projekt wurde daher der Laser als Bearbeitungswerkzeugeingesetzt. Dieser bietet bei einer geeignetenProzessführung die Möglichkeit der präzisen undmaterialschonenden Bearbeitung.Dazu wurde die Eignung der Laserbearbeitung für dieStrukturierung der Leiterbahnen durch einenEntschichtungsprozess und zum Bohren von Vias miteinem Pikosekundenlaser mit einer Pulsdauer von7 ps und einer Wellenlänge von 515 nm untersucht.Bild 9: Laserstrukturierung von 145 µm dickem Dünnglasmit MetallbeschichtungFür die Entwicklung eines Bohrprozesses inunbeschichtetem Dünnglas wurden die geeignetenLaserparameter ermittelt. Bild 10 zeigt exemplarischdie REM-Aufnahme einer durchgängigen Laserbohrungmit einem Durchmesser von 4 mm in 145 µmdickem Dünnglas. Die Detailaufnahme bestätigt, dassdie Schnittkante frei von Rissen ist.Weiterhin wurden mit dem Laser Bohrungen in beidseitigkupferbeschichtetes Dünnglas eingebracht,DVS 301 9

welches in Bild 11 dargestellt ist. Auch hier kann dieBohrung ohne das Einbringen von Rissen erzeugtwerden.100 µm2 mmBild 10: Laserbohrung in 145 µm dickem DünnglasBild 12: Zweilagige (transparente) DünnglasleiterplatteBild 11: Laserbohrung in 145 µm dickem Dünnglas, beidseitigmit ca. 10 µm Kupfer beschichtetDerzeitig können Laserbohrungen mit einem Durchmesservon 200 µm in beidseitig beschichtetem Materialmit einer Gesamtdicke von ca. 170 µm in wenigerals zwei Sekunden schädigungsfrei realisiert werden.Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen die Eignungdes Pikosekundenlasers mit einer Wellenlänge von515 nm zum Entschichten und Laserbohren inunbeschichtetem und metallbeschichtetem Dünnglas.Dabei können Prozesszeiten realisiert werden, die füreine industrielle Umsetzung des neuentwickeltendünnglasbasierten Platinen-Konzeptes notwendigsind.6 MultilayeraufbauDer Glasmultilayer ist im Wesentlichen wie eine herkömmlicheMehrlagenschaltung aufgebaut, jedochwird das Dielektrikum durch ein dünnes, von Schottentwickeltes Dünnglas substituiert. Dieses Glas wirdbeidseitig mit Kupfer beschichtet. Die spezifischenEigenschaften des Glases erlauben, einen sehr geringenIsolationsabstand zu wählen. Damit könnenGläser um die 100 µm Dicke verwendet und somithochlagige Glasmultilayer von geringer Stärke hergestelltwerden. Je nach Anforderung werden die gängigenKupferstärken auf den Glasinnenlagen realisiert.Für die Verfüllung der Strukturen im Verpressungsprozesswird ein epoxifreier Spezialkleber eingesetzt.Die speziellen Eigenschaften des Glases setzen eineProzessentwicklung auf dem Gebiet der Multilayerlaminationvoraus, um das Material nicht zu zerstören.Die eingeschränkte Elastizität ist bereits eine Herausforderungbei der Konfiguration des Pressbuches.Bild 13: Spezieller Pressbuchaufbau (Laminationsprozess)Hier werden Ausgleichselemente eingesetzt, um eineoptimale Verteilung des Druckes zu bewirken. DieParameter Druck, Temperatur und Zeit müssen aufden epoxyfreien Spezialkleber adhäsiv angepasstwerden. Im Verpressungsprozess wird darauf geachtet,dass nur geringe Materialspannungen auftreten.So wird versucht, Cracks im Pressverbund zu vermeiden.Schädigungen des Materials sind u.U. schwierigzu erkennen. Nach dem Verpressungsprozess besitztder Verbund eine höhere Steifigkeit und ist somit wenigerbruchgefährdet. Anschließend werden die Außenlagengebohrt, metallisiert und strukturiert.7 ZusammenfassungErgebnis der vorgestellten Arbeiten ist die Entwicklungeiner auf Dünnglas basierenden Mehrlagenleiterplatte,die auch die Integration von optischen Übertragungsstreckenin die Leiterplatte ermöglicht, sodass ein hybrider elektrisch-optischer Baugruppenträgerentsteht. Es werden neue, großflächige Baugruppenträgermit Glasfolien als Basismaterial vorgestellt.Dafür wurden zu industriell eingeführter Fertigungstechnikkompatible Technologien für die Funktionalisierung,Strukturierung und das Fügen von Glas entwickelt.10DVS 301