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Freitag, 25 März 2022 11:00

Laserbearbeitung von Galliumnitrid-Substrat

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Geschätzte Lesezeit: 1 - 2 Minuten
Abb. 2: Der LPKF ProtoLaser R4 mit Pikosekunden-Laserpulsen ermöglicht die hochpräzise Strukturierung empfindlicher Materialien oder Metalle sowie das Schneiden von gehärteten oder gebrannten technischen Substraten Abb. 2: Der LPKF ProtoLaser R4 mit Pikosekunden-Laserpulsen ermöglicht die hochpräzise Strukturierung empfindlicher Materialien oder Metalle sowie das Schneiden von gehärteten oder gebrannten technischen Substraten

Zu den anspruchsvollen Elektronikanwendungen gehört die Laser-Bearbeitung von metallisierten, spröden GaN-Keramiksubstraten. Im vorliegenden Fall wurde dies mit einem ProtoLaser R4 von LPKF realisiert.

Abb. 1: Das Erprobungsmuster setzt neue Maßstäbe bei der Miniaturisierung von Musterausschnitten und der Auflösung beim Mikroätzen der Deckschicht. Die äußeren Ecken sind absichtlich abgerundetAbb. 1: Das Erprobungsmuster setzt neue Maßstäbe bei der Miniaturisierung von Musterausschnitten und der Auflösung beim Mikroätzen der Deckschicht. Die äußeren Ecken sind absichtlich abgerundetGalliumnitrid-Substrat (GaN) lässt sich in Leistungsschaltungen und Hochfrequenzelektronik für die drahtlose Kommunikation einsetzen. Zunehmend wird es bei der Entwicklung der Leistungselektronik bei Chips und Schaltungen anstelle von Siliziumsubstrat in Erwägung gezogen. Anwendungsgebiete sind beispielsweise 5G, militärische und zivile Luft- und Raumfahrt oder Satellitenkommunikation.

Metallisierte keramische Werkstoffe auf Galliumnitrid-Basis stellen für die Materialbearbeitung jedoch eine Herausforderung dar, wenn eine dünne metallische Leiterschicht auf einem dicken, spröden keramischen Substrat aufliegt und beides mit einer Maschine bearbeitet werden soll. Mit dem ProtoLaser R4 lässt sich das in Forschung und Entwicklung einfach umsetzen – sowohl im Prototyping als auch bei Kleinserien.

Um beide Materialschichten schnell und sauber zu bearbeiten – unabhängig von den stark unterschiedlichen Materialeigenschaften und geforderten Endspezifikationen – sind Genauigkeit, Anpassungsfähigkeit und Abstimmbarkeit eines Bearbeitungssystems erforderlich. Der R4 wurde für die Laserbearbeitung neuer und spezieller Materialien in der Forschung entwickelt.

Mit seinem Pikosekunden-Laser erlaubt er die hochpräzise Strukturierung empfindlicher Substrate sowie das Schneiden gehärteter oder gebrannter technischer Substrate und ist daher für GaN das passende Werkzeug. Quasi ohne Wärmeeintrag im benachbarten Material schneidet und ablatiert das System die gewünschten Materialien ,kalt', schonend und exakt.

Bei dem laserbasierten Prozess können zwei traditionell getrennte Herstellungsschritte – das Schneiden des Keramiksubstrats und das Ätzen der leitenden Schicht – durch einen einzigen kontaktlosen und chemiefreien Schritt ersetzt werden. Das haben Machbarkeitsstudien von Dr. Jaka Mur (Universität Ljubljana, Slowenien) erwiesen.

Der ProtoLaser R4 schnitt zunächst riss- und spanfrei das Keramikmaterial und führte direkt anschließend ohne weiteren Benutzereingriff die Mikrostrukturierung der obersten Schicht durch, die in diesem Fall aus Gold war. Laserleistung und Pulsenergie wurden dabei anwendungsspezifisch angepasst.

Dieser Prozess ist nur eine der vielen, wenn auch speziellen, Anwendungsmöglichkeiten. Der R4 ist mit hoher Präzision auch für das Schneiden, Bohren und Strukturieren von typischen Materialien für HF-Elektronik, PTFE, doppelseitigen flexiblen PCB-Laminaten, dünnen Metallschichten auf Glas, usw. geeignet.

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