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Keramische Hochleistungsverdrahtungsträger
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Keramische Werkstoffe

Keramische Hochleistungsverdrahtungsträger

Funktionskeramische Verdrahtungsträger kosten aktuell mehr als konventionelle Leiterplattenlösungen. Sind aber hohe Wärme- und Stromleitfähigkeit gefragt und/oder herrschen raue Einsatzbedingungen, rechnet sich die Technik – z.B. bei Energie- und E-Mobility-Anwendungen.

Damit empfiehlt sich diese Technologie z.B. für Leistungselektronik-Anwendungen und solchen, bei denen nicht nur der Preis der Einzelkomponente sondern der des Gesamtsystems betrachtet wird. Funktionskeramische Werkstoffe sind aber noch im Kontext zu einem weiteren Trend interessant: Mikrosysteme werden zukünftig nicht nur deutlich komplexer, robuster und kleiner, sondern sie werden durch erweiterte Funktionalitäten zunehmend direkt mit ihrer Umwelt interagieren. Daraus ergeben sich steigende Anforderungen an die Entwicklung kostengünstiger sowie zuverlässiger Werkstoff- und Fertigungslösungen für miniaturisierte Baugruppen. Diese Herausforderungen löst man am Fraunhofer IKTS durch eine integrierte Betrachtung von Material, Prozess und Systementwurf.

SMD-Bestueckung
SMD-Bestückung (Bild: Fraunhofer IKTS)

Für die Lösungen von heute und morgen ist es wichtig, das Feld der technischen Keramik von der grundlagenorientierten Vorlaufforschung bis zur Anwendung in seiner ganzen Breite abzudecken. Hierzu stehen am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS an den Standorten Dresden und Hermsdorf mehr als 140 Labore und Technik auf fast 20 000 m² Nutzfläche zur Verfügung. Die Entwicklung funktionskeramischer Werkstoffe, miniaturisierter Komponenten und Systeme sowie keramikbasierter Sensoren steht im Fokus der Abteilung „Hybride Mikrosysteme“. Die Anwendungen liegen in den Bereichen Materialentwicklung sowie Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) für Elektronik und Leistungselektronik, Sensorik sowie Energietechnik. Zudem verfügt man über die langjährige Kompetenz auf dem Gebiet der Entwicklung von Dickschichtpasten.

Für die strukturierte Abscheidung von pastenbasierten Funktionsschichten können neben der klassischen Siebdrucktechnologie weitere maskenbasierte (Schablonen- und Gravurdruck) und digitale Druckverfahren (Aerosol- und Inkjet-Druck), den Applikationserfordernissen entsprechend, eingesetzt werden. Diese können sowohl auf ebenen als auch tubularen Substraten zum Einsatz gebracht werden. Aktuell werden keramische Hybridsubstrate sowohl in Standard-Dickschicht als auch in Multilayertechnik (LTCC und HTCC) entwickelt und realisiert. Für den Aufbau kompletter Baugruppen im Labormaßstab und deren Systemintegration steht ein breites Portfolio typischer Kontaktierungstechnologien (Löten, Drahtbonden, Mikroschweißen sowie Montage- und Kontaktkleben) (Bild 1) zur Verfügung. Zur Charakterisierung der Kontaktierungen wird die erforderliche Analysetechnik (z.B. Mikrostrukturanalyse/Phasenbestand, Haft- und Scherfestigkeit) genutzt. Erweitert wird dieses Angebot durch Analysen unter Verwendung der zerstörungsfreien, aber auch der analytischen Prüfung. Für Alterungstests steht eine breite Palette an Möglichkeiten zur Verfügung. Bei der Umsetzung von Projekten greift man auf die technologischen Erfahrungen wie auch auf die umfangreichen Vorarbeiten des IKTS auf dem Gebiet elektrischer Spezialmessverfahren zurück. Diese umfassen ESD-Messungen, aber auch die Charakterisierung elektrischer Eigenschaften gedruckter Funktionsschichten wie z.B. die Bestimmung maximaler Verlustleistungsdichten oder der Stromtragfähigkeit. 

„Moderne Elektroniklösungen auf Basis von funktionskeramischen Werkstoffen erfordern einen ganzheitlichen Ansatz. Auf dieser Basis fallen die Kostenunterschiede zu Leiterplattenlösungen dann – bei gesteigerten Anforderungen – immer weniger ins Gewicht.“

Dr.-Ing. Lars Rebenklau

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