Fraunhofer ILT Gasdichtes Glas-Packaging

Im Vergleich zum Klebeverfahren führt das lasergestützte Verfahren zu einer deutlich höheren Haltbarkeit des gesamten Mikrobauteils, die Permeabilität von Flüssigkeiten und Gasen liegt praktisch bei Null.

Das hermetische Packaging stellt die Fertigungstechnik vor besondere Herausforderungen. Konventionelle Ansätze wie Kleben und Löten stoßen hier an ihre Grenzen. Die Forscher vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT haben nun ein neues Verfahren entwickelt.

Das neue Verfahren arbeitet auf Basis des Laserstrahl-Glaslötens, ist für den Einsatz in der Massenproduktion geeignet und erfüllt durch die Verwendung bleifreier Lote auch die RoHS-Richtlinien.

Hintergrund der Entwicklung ist, dass Präzisionsprodukte wie Halbleiter, Sensoren oder optische und medizintechnische Systemkomponenten häufig nicht mit Wasser, Sauerstoff und anderen Elementen in Berührung kommen dürfen. Deshalb müssen sie hermetisch verschlossen werden. »Das gasdichte Packaging des komplizierten Innenlebens stellt eine große Herausforderung für den Fügeprozess der Mikrobauteile dar«, erläutert Heidrun Kind, Projektleiterin am Fraunhofer ILT. »Ein heute gängiges Verfahren, um Bauteile aus Silizium und Glas hermetisch zu verschließen, sind Hochtemperaturverfahren wie das anodische Bonden oder das Glasfrit-Bonden.Die zum Fügen notwendige Wärmeenergie wird dabei durch einen Ofenprozess bei Temperaturen von 300 bis 600°C in das Bauteil eingebracht.«

Da die temperaturempfindlichste Bauteilkomponente die Maximaltemperatur des Gesamtsystems bestimmt, scheiden diese beiden Verfahren für temperaturlabile funktionale Elemente allerdings aus. Beispielsweise sind sie laut Kind nicht dafür geeignet um OLEDS zu verkapseln, weil die funktionalen organischen Schichten bereits bei einer Temperatur von 100 °C zerstört würden. »Bislang werden temperaturlabile Komponenten normalerweise geklebt. Allerdings haben Langzeittests bei Halbleitern und OLEDs erwiesen, dass die Haltbarkeit der Klebeverbindung begrenzt ist«, beschreibt Kind. Nach und nach gelangen Sauerstoff und Feuchtigkeit in das Innere des Bauteils und beeinträchtigen so seine Funktion. Insbesondere für Bauteile im medizintechnischen Bereich sind die begrenzte Haltbarkeit und die Temperaturempfindlichkeit der Klebeverbindungen problematisch, da sie zum Beispiel Sterilisierungsprozessen im Autoklaven nicht standhalten. Elektronikbauteile wie Sensoren in Implantaten können häufig nur in Verbindung mit einem operativen Eingriff am Patienten ausgewechselt werden.

Laserlöten bedeutet minimale thermische Belastung für das Gesamtsystem

»Die Hersteller von Präzisionskomponenten suchen aus den genannten Gründen dringend nach einer Lösung, die Haltbarkeit ihrer Produkte zu verlängern«, weiß Kind. »Weil Hochtemperatur- und Klebeverfahren den Anforderungen an das Fügen von Mikroelektronikbauteilen mit unterschiedlichen Materialien nicht genügen, fordern sie ein zuverlässiges Niedrigtemperaturverfahren.«

Eine interessante Lösung ist das laserstrahlgestützte Löten mit Glaslotwerkstoffen. Es handelt sich dabei um ein relativ junges Fügeverfahren, das sich durch eine minimale thermische Belastung des Gesamtbauteils auszeichnet. »Wir entwickeln dieses Verfahren derzeit mit dem Ziel, es möglichst bald für die Serienfertigung einsetzen zu können«, so Kind. »Bei dieser Fügetechnik tragen wir zunächst das Lot, bestehend aus einer Glaspartikelpaste, mit Hilfe einer Printmaske präzise auf den Deckel des Bauteils auf«, beschreibt Kind das Prozedere. »Im Ofen wird dieses Lot, je nach Art der verwendeten Glaspaste, bei einer Temperatur von 350 bis 500 °C vorverglast, so dass die Bindemittel der Paste verdampfen.« Nach der Abkühlphase des Lots führt man das Elektronikbauteil mit dem Deckel zusammen. Mit einem über die Lotnaht scannenden Laserstrahl erfolgt eine definierte und lokal begrenzte Temperaturerhöhung. Das restliche Bauteil bleibt von diesem Wärmeintrag nahezu unberührt. »Aufgrund der hohen Scangeschwindigkeit der Laserstrahlung von bis zu 10.000 mm pro Sekunde können wir den Fügeprozess ’quasisimultan’ steuern«, erläutert Kind. Die gesamte Lotkontur wird dabei gleichmäßig erwärmt, der Deckel kann in das flüssige Lotbad einsinken und verbindet sich hermetisch mit dem Bauteil.