Da elektronische Systeme immer kleiner, schneller und funktionell integrierter werden, müssen sich auch die Verpackungstechnologien, die sie verbinden, weiterentwickeln. Herkömmliche Ansätze wie Leiterplatten, LTCC und lithografiebasierte Fertigung sind oft unzureichend, wenn es um die Verlegung komplexer elektrischer Pfade geht - insbesondere in kompakten 3D-Architekturen oder zwischen nicht ebenen Komponenten.
In einer kürzlich von HRL Laboratories durchgeführten Studie wurde ein neuartiger Ansatz vorgestellt: die Herstellung von keramischen Interposern mit Tausenden von gekrümmten und abgewinkelten Durchgangslöchern mit hohem Aspektverhältnis durch additive Fertigung. Diese Interposer wurden entwickelt, um gekrümmte Infrarotdetektoren (IR-Detektoren) mit flachen integrierten Ausleseschaltungen (ROICs) elektrisch zu verbinden und Arrays mit kleinem Raster in breitere Raster aufzufächern, wodurch neue Formfaktoren für fortschrittliche Bildgebungs- und Sensorsysteme möglich werden.
Hochpräzise additive Fertigung als Kernstück
Zur Realisierung dieser komplexen Geometrien setzten die Forscher den microArch® S230 von Boston Micro Fabrication (BMF) ein, einen Projektionsmikro-Stereolithographie-Drucker (PµSL), der eine Auflösung im Mikrometerbereich erreicht. Die Fähigkeit der Plattform, hochdetaillierte Merkmale mit wiederholbarer Genauigkeit zu produzieren, machte sie zu einem entscheidenden Faktor für den Erfolg des Projekts.
Unter Verwendung einer maßgeschneiderten präkeramischen Siloxanharzformulierung, die mit Siliziumdioxid-Nanopartikeln gefüllt ist, druckte das Team Zwischenschichten mit:
- Durchgänge mit einem Durchmesser von nur 9 µm, die bis zu 18 µm voneinander entfernt sind
- Seitenverhältnisse von bis zu 150:1 bei Komponenten im Zentimeterbereich
- Maßgenauigkeit innerhalb von ±2 µm für 90 % der Durchkontaktierungen - entscheidend für die Ausrichtung auf Pixelebene
- Schichtdicken von 5-10 µm, die sanfte Übergänge und gekrümmte Pfade ermöglichen
Nach dem Druck wurden die Teile durch Pyrolyse in Keramik umgewandelt und durch Schmelzinfiltration mit einer CuInTi-Lötlegierung metallisiert. Auf diese Weise entstanden Leiterbahnen mit einem elektrischen Widerstand von etwa 4 × 10-⁸ Ω-m - vergleichbar mit massivem Kupfer und geeignet für die Signalführung mit hoher Dichte.
Real-World Designs und Anwendungen
Es wurden zwei Interposer-Designs entwickelt, um das Potenzial dieses Herstellungsverfahrens zu demonstrieren:
- Gekrümmter-zu-Planar-Interposer: Diese Struktur wurde entwickelt, um einen halbkugelförmigen IR-Sensor mit einem planaren ROIC zu verbinden, und enthielt mehr als 75.000 gekrümmte Vias auf einem 16 mm × 16 mm großen Teil. Die Möglichkeit, die Pixelgeometrie vom Chip-Layout zu entkoppeln, ermöglicht Bildgebungssysteme mit größeren Sichtfeldern, besserer optischer Leistung und geringerer Größe und Komplexität.
- Fan-out-Interposer: Bei dieser Struktur wurden die Durchkontaktierungen von 30 µm auf 70 µm über das Bauteil verteilt, wodurch die Entwickler sowohl die Sensorauflösung als auch den ROIC-Footprint optimieren konnten. Herkömmliche Herstellungsverfahren können diese Art von Routing nicht ohne mehrere Schritte, kundenspezifische Werkzeuge oder erhöhte Kosten erreichen.
Diese Fähigkeiten sind besonders wichtig für Bereiche wie die heterogene 3D-Integration (3DHI), die Bildgebung im Verteidigungsbereich und in der Luft- und Raumfahrt sowie für Sensorsysteme der nächsten Generation, die ein kompaktes, leistungsstarkes Packaging mit engen Toleranzen erfordern.
Wie die Technologie von BMF es möglich gemacht hat
Der Erfolg der Studie hing von den mikroskaligen 3D-Druckfähigkeiten von BMF ab, die es den Forschern ermöglichten, komplexe Designs mit minimaler Vorlaufzeit und ohne Bedarf an kundenspezifischen Werkzeugen oder Masken zu prototypisieren und zu iterieren. Die microArch-Plattform hat dies ermöglicht:
- Ultrahohe Auflösung mit gleichbleibender Voxel-Treue
- Designfreiheit für den Druck beliebig gekrümmter oder abgewinkelter Vias
- Kompatibilität mit präkeramischen Materialien und Nachbearbeitungsabläufen
- Hohe Wiederholbarkeit bei Tausenden von kritischen Merkmalen
Diese Kombination aus Präzision, Flexibilität und Prozesskontrolle ermöglichte die Herstellung von Einlegeteilen, die über die Beschränkungen herkömmlicher Verpackungen hinausgehen.
Neues Potenzial in der Elektronikverpackung erschließen
Diese Arbeit unterstreicht, wie die additive Fertigung mit Mikropräzision lange bestehende Barrieren im Elektronikgehäuse durchbrechen kann. Für Anwendungen, die dichte Verbindungen, komplexes Routing und platzsparende Architekturen erfordern, bieten Plattformen wie die microArch von BMF eine leistungsstarke und skalierbare Lösung.
Die Technologie von BMF ermöglicht Designs, die früher als unmöglich galten - wie etwa gekrümmte keramische Interposer mit Tausenden von Leiterbahnen im Mikrometerbereich - und hilft Ingenieuren, die Grenzen des Möglichen bei der elektronischen Integration und der Miniaturisierung von Geräten zu erweitern.
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