Dickschicht-Hybridtechnik

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

Die Dickschicht-Hybridtechnik ist eine Aufbau- und Verbindungstechnik zur Herstellung elektronischer Schaltungen<ref name="industri-Renaissa">{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|: }}{{#if:|{{#if:Renaissance der Hybridsiebe|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Renaissance der Hybridsiebe}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://epp.industrie.de/allgemein/renaissance-der-hybridsiebe/%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Renaissance der Hybridsiebe}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://epp.industrie.de/allgemein/renaissance-der-hybridsiebe/}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Renaissance der Hybridsiebe}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:epp.industrie.de2001-06-01{{#if: 2025-11-07 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Verfahren

Datei:STK5392 case opened.jpg

Geöffnete Dickschichtschaltung (mit drahtgebondeten Dioden und Transistoren).

Als Trägermaterial dienen meist Platten aus Aluminiumoxid-Keramiksubstrat (Al₂O₃) oder für die LTCC-Technologie ({{#invoke:Vorlage:lang|full|CODE=en|SCRIPTING=Latn|SERVICE=englisch}}) auch niedrig sinternde Keramikfolien sowie Aluminiumnitrid-Keramiken (AlN)<ref name="industri-Renaissa" /> für Anwendungen mit hoher thermischer Bandbreite, da die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitrid 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.<ref name="industri-Renaissa" /> 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<ref name="industri-Renaissa" /> 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,<ref name="industri-Renaissa" /> 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<ref name="spektrum-3021"/>
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 Aluminiumnitrid haben ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Silizium-Halbleiter. Durch diese angepasste Eigenschaft ist ein Einsatz in Anwendungen mit hoher Temperaturbandbreite möglich.<ref name="industri-Renaissa" />
Unbefugte Dritte können die Schaltung schwer kopieren.

Einsatzgebiete

Datei:Hybridcircuit.jpg

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:<ref name="industri-Renaissa" /> (Motor- und Getriebesteuerung, ABS, Laderegler etc.)
Industrie- und Leistungselektronik<ref name="industri-Renaissa" />
Mess- und Regeltechnik<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:P. Dullenkopf|P. Dullenkopf: }}{{#if:|{{#if:Thermische Stabilisierung von Meßschaltungen in Dickschicht-Hybrid-Technik|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Thermische Stabilisierung von Meßschaltungen in Dickschicht-Hybrid-Technik}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-7091-8821-7_10%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Thermische Stabilisierung von Meßschaltungen in Dickschicht-Hybrid-Technik}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-7091-8821-7_10}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Thermische Stabilisierung von Meßschaltungen in Dickschicht-Hybrid-Technik}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:link.springer.com1985{{#if: 2025-11-08 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Sensoren hoher Beanspruchung oder ungünstiger Umgebungsbedingungen (z. B. Lambdasonde, Drucksensoren, Luftmassenmessung, Tanksensoren)
Militär- sowie Luft- und Raumfahrttechnik
Telekommunikation<ref name="industri-Renaissa" /><ref name="ingenieu-2019-11-06">{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:Michael van den Heuvel|Michael van den Heuvel: }}{{#if:|{{#if:Feine Strukturen für den 5G-Mobilfunk|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Feine Strukturen für den 5G-Mobilfunk}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/elektronik/feine-strukturen-fuer-den-5g-mobilfunk/%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Feine Strukturen für den 5G-Mobilfunk}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/elektronik/feine-strukturen-fuer-den-5g-mobilfunk/}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Feine Strukturen für den 5G-Mobilfunk}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:ingenieur.de2019-11-06{{#if: 2025-11-07 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Hochleistungscomputersysteme
Unterhaltungselektronik<ref name="industri-Renaissa" /> (Niederfrequenz-Endstufen mittlerer Leistung)
Hochfrequenz-Baugruppen (z. B. Antennenverstärker und kleine Sender)

Siehe auch

Weblinks

[{{canonicalurl:Commons:Category:{{#if:Hybrid integrated circuits|Hybrid integrated circuits|Dickschicht-Hybridtechnik}}|uselang=de}} Commons: {{#if:Integrierte Hybridschaltkreise|Integrierte Hybridschaltkreise|{{#if:Hybrid integrated circuits|Hybrid integrated circuits|{{#invoke:WLink|getArticleBase}}}}}}]{{#switch:1

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Vorlage:Wikidata-Registrierung

Technische Universität Dresden, Dickschichttechnik, 2014 (PDF, 472 kB)

Einzelnachweise