Beschichtungstechniken Dick und dünn im Trend

Auf Aluminiumoxidkeramiken abgeschiedene Dick- und Dünnfilmbeschichtungen bieten eine kostengünstige Möglichkeit, Funktionen und Leistungsmerkmale präzise in Bauelemente zu integrieren.

Die Dickfilm-Beschichtungstechnik gibt es seit Jahrzehnten. Sie kam bisher jedoch kaum in Kombination mit der neuen Generation von Materialien aus Aluminiumoxidkeramik zum Einsatz, obwohl dickfilmbeschichtete Keramiken in einzelnen Bereichen und Anwendungen Vorteile zeigen. Lötbare Leiterbahnen oder dielektrische Bauteile und Widerstände lassen sich beispielsweise durch Dickfilmprozesse realisieren. Je nach Geometrie des Produktes eignen sich unterschiedliche Applikationstechniken, z. B. die Siebdrucktechnik oder das Streichen.

Für komplizierte Strukturen auf planaren Oberflächen eignet sich der Siebdruck. In diesem Fall begrenzt der Prozess die Komplexität. Der Auftrag mit einem Pinsel erfolgt auf runden Oberflächen. Durch die Verknüpfung der Dickfilm-Beschichtungstechnik mit Aluminiumoxidkeramiken entstehen festhaftende Überzüge auf den Oberflächen der Keramiken. Je nach Anwendung enthalten die Dickfilmschichten verschiedene Metalle oder Legierungen, beispielsweise Silber, Silber-Palladium, Silber-Platin, Kupfer oder Gold. Außerdem enthalten sie Widerstandspasten. Die Beschichtungen mit Schichtdicken im Bereich von 10 μm bis 12 μm werden bei rund +850 °C guthaftend eingebrannt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Materialien bleiben die durch Dickschichttechnik erzeugten Filme bei hohen Temperaturen (> +150 °C) stabil.

Dickfilmbeschichtungenwerden aufgedampft

Eine wichtige Anwendung der Dickfilm-Beschichtungstechnik ist das Drucken von elektrischen Leiterbahnen auf Keramiken. Diese sind stabil genug, um nachgeschaltete Lötungen oder Drahtbonden zuzulassen. Gedruckte Schaltungen finden sich häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Mikroelektronik, der Sicherheitstechnik und im Gesundheitswesen. Dort bieten sie Spielraum für komplexe Strukturen. Es werden oft mehrere Schichten aufgebaut, um multifunktionale Netzwerke auf kleinster Fläche zu realisieren. Bedruckte oder unbedruckte Keramiksubstrate lassen sich darüber hinaus mit einer Glasur zu hermetisch abgeschlossenen Baugruppen verbinden. Diese eignen sich für Umgebungen, wo es auf Beständigkeit gegenüber extremen Temperaturen, Feuchtigkeit, Korrosion und Thermoschock ankommt.

Morgan Advanced Materials stellt Bauteile mit komplizierten Geometrien und Formen her, die individuell an die Anforderungen des Kunden angepasst sind. Es stehen verschiedene Aluminiumoxidkeramiken zur Verfügung, z. B. »Deranox TM 975«. Außerdem sind weitere Aluminiumoxide für spezifische Anforderungen des Kunden erhältlich. Mit Dickschichttechnik beschichtete Oberflächen werden beispielsweise bei Geräteausstattungen, Steuer- und Leitsystemen sowie IR- und UV-Detektoren benutzt. Klare Glasuren, farbige Dielektrika oder galvanisch erzeugte Überzüge sind zusätzliche Optionen der Oberflächenbeschichtung. Die Dickschichttechnik ist ein vergleichsweise kostengünstiges Verfahren. Die Lieferzeit der Bauteile beträgt je nach Komplexität zwischen vier und sechs Wochen. Sie ist damit kürzer als bei vielen alternativen Methoden.

Dünnfilme

Außer der Dickfilm-Beschichtungstechnik bietet Morgan auch Dünnfilmbeschichtungen an. Diese sind üblicherweise nur zwischen einem und zwei Mikrometer dick. Sie werden für feine Leiterbahnen bei komplexen Schaltungen, in Zwischenräumen oder dort verwendet, wo Geometrien klein und komplex sind. Neben Gold und Silber kommen auch andere Metalle als Stoffe für die Beschichtung in Frage, etwa Titan, Nickel, Aluminium und Chrom. Diese lassen sich auf Piezokeramiken abscheiden. Die Dünnschichtfilme werden mittels PVD (Physical Vapour Deposition) aufgedampft. Trotz der höheren Kosten im Vergleich zur Dickfilmbeschichtung, ist die Dünnfilmtechnik für bestimmte Anwendungen unverzichtbar. Beispielsweise ist dies im Gesundheitswesen der Fall, wenn ein hoher Reinheitsgrad erforderlich ist, um das Risiko einer Kontamination auszuschließen.

Mit Hilfe der Dünnfilm-beschichtung lässt sich eine hohe Reproduzierbarkeit der keramischen Oberflächenbehandlung gewährleisten. Darüber hinaus können Profilstrukturen erzeugt werden, die Galvanotechnik ist möglich und mehrere Schichten können aufgebracht werden.

Die Dickschicht- und Dünnfilmtechnik bieten dem Kunden eine kostengünstige und Möglichkeit, viele Funktionen und Leistungsmerkmale in ihre Baugruppen zu integrieren. Bei den meisten Anwendungen bieten beide Techniken eine höhere Präzision als Alternativmethoden. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Multifunktionskomponenten, die ohne Effizienzeinbußen funktionieren und harten Umweltbedingungen standhalten müssen, wird diese Techniken in mehr und mehr Branchen Einzug halten. Die weitere Verbreitung beider Verfahren ist daher zu erwarten. (vw)

Über den Autor:

Oliver Ridd ist International Sales & New Business Development Manager bei Morgan Advanced Materials.

Was ist »Tonerde«?

Tonerde, besser bekannt als Aluminiumoxid, kommt in der Natur am häufigsten als »Korund« (alpha-Al2O3) vor. Neben der alpha-Phase sind auch die Phasen beta- und gamma-Al2O3 bekannt. Bei der technischen Darstellung von alpha-Al2O3 wird eine Phasenumwandlung von gamma-Al2O3 in alpha-Al2O3 bei +1200 °C induziert. gamma-Al2O3 kommt auf der Erde allerdings nicht natürlich vor. Die gamma-Phase wird beispielsweise aus gamma-Al(OH)3 (Hydrargillit) gewonnen.

Quelle: HoWi, Lehrbuch der anorganischen Chemie