Dickschicht-Hybridtechnik

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Die Dickschicht-Hybridtechnik ist eine Aufbau- und Verbindungstechnik zur Herstellung elektronischer Schaltungen (Dickschicht-Hybridschaltung), bei welcher sowohl integrierte als auch diskrete Bauelemente verwendet werden. Die Dickschichttechnik wird allgemein auch zur Fertigung von darin integrierten oder diskreten Widerständen und Trimm-Potentiometern verwendet.

Hybridschaltung mit laserabgeglichenen Widerständen (schwarze Flächen), aufgelöteten integrierten Schaltkreisen und einem Elektrolytkondensator (gelb).

Verfahren

Geöffnete Dickschichtschaltung (mit drahtgebondeten Dioden und Transistoren).

Als Trägermaterial dienen meist Platten aus Aluminiumoxid-Keramiksubstrat (Al₂O₃) oder für die LTCC-Technologie (englisch Low Temperature Cofired Ceramics) auch niedrig sinternde Keramikfolien sowie Aluminiumnitrit-Keramiken (AlN) für Anwendungen mit hoher thermischer Bandbreite, da die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitrit noch einmal deutlich höher ist als die von Aluminiumoxid (AlN: 200 W/mK, Al₂O₃ 40 W/mK). Übliche FR-4 Leiterplatten aus glasfaserverstärktem Epoxidharz können wegen zu niedriger Temperaturfestigkeit nicht verwendet werden. Aluminiumoxidkeramik hat überdies einen niedrigeren dielektrischen Verlustfaktor und eine höhere Wärmeleitfähigkeit als FR-4 oder andere Platinenmaterialien, was oft ein Einsatzkriterium der Dickschichttechnik ist.

Die Leiterbahnen werden drucktechnisch im Siebdruckverfahren aufgebracht und dürfen sich – mittels Isolierschichten – auch kreuzen. Aufgrund des Siebdruckverfahrens ist die minimale Leiterbahnbreite, abhängig von der eingesetzten Metalllegierung, auf etwa 0,05 mm begrenzt. Leiterbahnen, Isolationsbahnen und Glasprotektionen werden in der Regel bei um die 800 °C eingebrannt, sie sind somit extrem stabil und robust. Ebenso werden elektrische Widerstände aufgedruckt und eingebrannt, welche gegebenenfalls nachträglich durch aktives (Zielwerte: Strom, Frequenz, Leistung) oder passives (Zielwert Widerstand) Lasertrimmen einem Feinabgleich unterzogen werden. Seltener werden auch Kondensatoren gedruckt – es sind jedoch nur kleine Werte (< 1 nF) herstellbar.

Der derart bedruckte Träger wird gebrannt, wobei die aufgebrachten Fritten (Pulvermischungen für Widerstände, Isolationen oder Leiterbahnen) zu sehr widerstandsfähigen und zuverlässigen Schichten verschmelzen. Jede Lage, egal ob Isolierung oder Leiterbahn, muss separat gebrannt werden. Gegebenenfalls müssen, um Höhenunterschiede auszugleichen, Fülllagen gedruckt und gebrannt werden. Für mehrlagige Dickschichtschaltungen werden daher schnell eine deutlich zweistellige Anzahl von Druck- und Einbrennvorgängen notwendig.

Diese Dickschichtschaltung kann dann mit weiteren, nicht drucktechnisch herstellbaren Bauteilen wie aktiven Bauelementen oder Elektrolytkondensatoren bestückt werden. Der Einsatz von Halbleiter-Chips ohne Gehäuse (Nacktchipmontage) bietet sich aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Trägersubstrats an. Die gebräuchlichsten Verbindungstechniken für die auf dem Trägermaterial angebrachten Bauteile sind das Reflow-Löten und das Chip- und Drahtbonden.

Technologisch bedingt sind die Bauteiltoleranzen ursprünglich hoch, Widerstände können jedoch nachträglich per Laser abgeglichen werden. Die Langzeitstabilität ist sehr gut, der Abgleich kann die Stabilität und Klimafestigkeit dann beeinträchtigen, wenn die Umgebungsstoffe Reaktionen mit dem Widerstandsmaterial eingehen können.

Vorteile

• Einsatz von Bauteilen verschiedener Fertigungstechniken möglich
• Substrat ist ein guter, verlustarmer Isolator
• Wärmemanagement -Verlustleistung wird gut über das Substrat abgeführt (annähernd gleiche Temperatur über die ganze Schaltung hinweg, hohe thermische Leitfähigkeit)
• drucktechnisch realisierbare Widerstände höchster Genauigkeit (Laserabgleich, besser als 0,1 %) in weiten Wertebereichen (Milli- bis Megaohm)
• Schaltungen können in Verbindung mit metallischen Deckeln (auch „Lids“ genannt) hermetisch dicht hergestellt werden. Hierzu werden die Lids unter Schutzgas wie Stickstoff aufgelötet.
• Aluminiumoxid und Aluminiumnitrit haben ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Silizium-Halbleiter. Durch diese angepasste Eigenschaft ist ein Einsatz in Anwendungen mit hoher Temperaturbandbreite möglich.
• Unbefugte Dritte können die Schaltung schwer kopieren.

Einsatzgebiete

Umgossenes Dickschichtmodul (braun), bestückt auf einer Leiterplatte

Dickschicht-Schaltungen können – je nach Applikation und Verwendungszweck – als Alternative für herkömmliche Lösung in SMD-Technik auf Leiterplatte sinnvoll nutzbar sein, vor allem wenn letztere technische Schwierigkeiten haben. Gerade hinsichtlich der Faktoren Miniaturisierung (zur Verfügung stehende Fläche für die Elektronik), Wärmeleitfähigkeit, höhere Betriebs- bzw. Umgebungstemperaturen und sonstigen extremeren Umgebungsbedingungen (z. B. Vakuum) sind die technischen Vorteile einer Hybridschaltung unbestritten. Insbesondere auch den genauen Abgleich von Widerständen lassen sich Messbrücken z. B. für Sensoren genaustens ausführen.

Dickschicht-Schaltungen werden unter anderem in folgenden Bereichen eingesetzt:

• Automobilelektronik: (Motor- und Getriebesteuerung, ABS, Laderegler etc.)
• Industrie- und Leistungselektronik
• Mess- und Regeltechnik
• Sensoren hoher Beanspruchung oder ungünstiger Umgebungsbedingungen (z. B. Lambdasonde, Drucksensoren, Luftmassenmessung, Tanksensoren)
• Militär- sowie Luft- und Raumfahrttechnik
• Telekommunikation
• Hochleistungscomputersysteme
• Unterhaltungselektronik (Niederfrequenz-Endstufen mittlerer Leistung)
• Hochfrequenz-Baugruppen (z. B. Antennenverstärker und kleine Sender)

Siehe auch

• Multi-Chip-Modul
• Dünne Schichten
• KME3

Weblinks

Commons: Integrierte Hybridschaltkreise – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien