NANOSIEB

Problemstellung
Der stetige Miniaturisierungsdruck in der Mikroelektronik führt zu steigenden Anforderungen an die Prozesstechnik und die Eigenschaften der eingesetzten Materialien, um die geometrischen Vorgaben einzuhalten. Bei keramischen Schaltungsträgern werden die Leiterbahnen, Widerstände, Dielektrika und Schutzglasuren als sog. Dickschichtpasten über ein Siebdruckverfahren auf ein keramisches Substrat aufgebracht und gesintert. Die so erzielbaren Strukturgrößen liegen gegenwärtig um 100 µm. Die Erzeugung feinerer Strukturen ist derzeit nur mit aufwändigen und damit kostenintensiven Technologien wie der Dünnschichttechnik oder Fotostrukturierung möglich. Die Weiterentwicklung der kostengünstigeren Siebdruck-Prozesstechnologie zu bis zu 10 µm feinen Strukturen würde eine erhebliche Steigerung der Integrationsdichte und damit der Leistungsfähigkeit ermöglichen.

Projektziele:
Hauptziel des geplanten Projekts war die deutliche Reduzierung der Strukturbreiten beim Bedrucken keramischer Schaltungsträger mittels Siebdruck. Dafür musste der Nachweis der Funktionsfähigkeit durch Einsatz beim Anwender unter den üblichen Produktionsbedingungen erbracht werden. Ein weiteres Teilziel betraf vor allem die Produktqualität der eingesetzten Pasten, die auch durch den Verständnisgewinn des Einsatzes numerischer Simulationstechniken optimiert werden konnten. Die Entwicklung und Systemoptimierung einer Siebbeschichtung mit daran angepassten Pasten mit dem Ziel signifikant reduzierter Strukturbreiten erforderte ein erhöhtes Maß an Vorentwicklung, wobei der Schwerpunkt der Entwicklungsarbeiten zum einen auf dem numerisch unterstützten Pastendesign und zum anderen auf der Entwicklung einer geeigneten Beschichtung lag. Aber auch auf der Anlagenseite waren aufgrund der angestrebten geringen Strukturbreiten Modifikationen der Druckmaschine erforderlich. Durch die Beschichtung sollte die Haftung der Paste am Sieb verringert werden, ohne dass das Anforderungsprofil an ein gutes Druckbild negativ beeinflusst wird. Die einzustellende Scherverdünnung wurde deshalb genau auf die Prozessdetails abgestimmt.

Vorgehensweise:
Um eine drucktechnische und damit kostengünstige Realisierung dieser und noch höherer Strukturauflösungen zu erreichen, war es notwendig, auf dem Gebiet der Siebdrucktechnologie neue Wege zu gehen. So wurden bisher bei der Weiterentwicklung der Siebdrucktechnologie immer nur Einzelaspekte betrachtet; eine kombinierte Optimierung der Gesamtsystems wurde bisher nicht durchgeführt. Um diese neuen nanotechnologischen Siebbeschichtungen effektiv nutzen zu können, mussten auch die vorhandenen Pastensysteme entsprechend angepasst und modifiziert werden. Um den Aufwand bei der Pastenentwicklung möglichst gering zu halten, sollte mittels numerischer Simulation des kompletten Druckvorgangs das Pasten- und damit das Druckverhalten vorhergesagt werden und direkt in die Pastenentwicklung einfließen.
Gegenüber kontinuumsmechanischen Ansätzen wies die im Projekt eingesetzte Partikelmethode deutliche Vorteile auf, da bei den angestrebten Strukturbreiten die einzelnen Teilchen der Paste nicht mehr als Kontinuum betrachtet werden konnten. Ein weiterer Punkt, der in der Entwicklung beachtet werden musste, lag in der abrasiven Belastung des Siebes durch die Metallteilchen in der Paste, die keinesfalls zu einem unerwünschten Materialabtrag führen durfte, in dessen Folge unerwünschte Fremdstoffe auf das Substrat gelangen und die elektrischen Eigenschaften der gedr
uckten Strukturen negagiv beeinflusst.

Verwertung und Anwendungspotential
Durch eine geeignete Beschichtung der Stahlgewebeoberfläche des Siebes konnte eine Minimierung der Pastenhaftung im Sieb während des Druckvorganges erzielt und damit die Auflösung des Druckbildes erheblich verbessert werden. Eine kostengünstige Siebdruck-Prozesstechnologie mit bis zu 25 µm feinen Strukturen würde eine erhebliche Steigerung der Integrationsdichte und damit der Leistungsfähigkeit ermöglichen. Die Erhöhung der Leistungsfähigkeit geht mit dem Einsatz eines kostengünstigen, innovativen und Ressourcen schonenden Fertigungsverfahren einher. Damit trägt kann sie zur Schaffung neuer Arbeitsplätze in Deutschland bei.
Die entwickelten numerischen Werkzeuge lassen bei der Material- und Prozessentwicklung anderer Fertigungsverfahren eingesetzen.

Entwicklung nanotechnologischer Siebbeschichtungen und daran angepasster Pastensysteme für den Fine-Line-Druck von keramischen Schaltungsträgern

Autor: Schwanke, D. et. al.

Verlag: Verlag Dr. Markus A. Detert, Templin

Erscheinungsjahr: 2010

ISBN: 978-3-934142-39-8

Beschreibung: Der stetige Miniaturisierungsdruck in der Mikroelektronik führt zu steigenden Anforderungen an die Prozesstechnik und die Eigenschaften der eingesetzten Materialien, um die geometrischen Vorgaben einzuhalten. Bei keramischen Schaltungsträgern werden die Leiterbahnen, Widerstände, Dielektrika und Schutzglasuren als sog. Dickschichtpasten über ein Siebdruckverfahren auf ein keramisches Substrat aufgebracht und gesintert. Die so erzielbaren Strukturgrößen liegen gegenwärtig um 100 µm. Die Erzeugung feinerer Strukturen ist derzeit nur mit aufwändigen und damit kostenintensiven Technologien wie der Dünnschichttechnik oder Fotostrukturierung möglich. Im Projekt wurde die kostengünstigere Siebdruck-Prozesstechnologie zu bis zu 10 µm feinen Strukturen weiterentwickelt.