Intergrierter Überspannungsschutz für erhöhte Zuverlässigkeit von LTCC-Mikrosystemen

Die LTCC-Technologie (Low Temperature Co-fired Ceramics) bietet in der Elektronik viele Vorteile wie Miniaturisierung durch Mehrlagen-Schaltungen auf kleinstem Raum, thermische Stabilität, Robustheit in harschen Einsatzbedingungen oder die hohe Integrationsdichte verschiedener aktiver und passiver Komponenten. Der Schutz der Komponenten vor auftretenden Spannungsspitzen ist für die Zuverlässigkeit der in keramische Mehrlagensubstrate eingebetteten Schaltungen sehr wichtig. Bislang kann solch ein Überspannungsschutz nicht in die Mehrlagen-Schaltungen integriert werden. Sogenannte Varistoren (Variable Resistor) werden deshalb nur außerhalb der monolithischen Schaltung durch Aufbau- und Verbindungstechniken integriert. Sie gewährleisten bei Überschreiten einer kritischen Spannung das Ableiten des Stroms, ohne empfindliche Funktionselemente zu schädigen. Diese besondere Schaltfunktion wird durch Korngrenzeffekte in dotiertem Zinkoxid ermöglicht.

Am Fraunhofer IKTS ist es in Zusammenarbeit mit der VIA electronic GmbH gelungen, diese Funktionalität auch nach der Integration im Cofiring aufrecht zu erhalten. Der Varistor wird also vor dem Brennen auf das LTCC-Substrat aufgedruckt und mit der Schalteinheit gesintert. Die Herausforderung besteht dabei in den vielfältigen Wechselwirkungen zwischen glaskera­mischem LTCC-Substrat und den Bestandteilen des Varistorele­ments, die während des gemeinsamen Brennprozesses flüssige Anteile haben. Besonders die Bi2O3- und Sb2O3-haltige Flüssig­phase zwischen den halbleitenden Zinkoxidkörnen des Varis­tors reagiert bereits unterhalb der Brenntemperatur mit Phasen des LTCC-Substrats. Diese Bismut- und Antimon-haltige Schmelzphase steht für die Ausbildung von Potentialbarrieren an den Korngrenzen dann nicht mehr zur Verfügung und somit besteht kein Überspannungsschutz. Durch Optimierung der Varistorzusammensetzung und die Auswahl geeigneter Metal­lisierungen sind LTCC-Aufbauten entstanden, deren integrierte Varistorelemente das Cofiring ohne Funktionsverlust überste­hen. Im Gefüge des Varistors zeigt sich, dass auch nach dem gemeinsamen Brennprozess die entscheidenden Korngrenz­phasen erhalten sind (hell im Massekontrast Abb.3).

Auf dieser vielversprechenden Basis werden derzeit in der Abteilung »Hybride Mikrosysteme« Integrationen für verschie­dene Schaltspannungen erarbeitet. Für kleine Spannungen werden Varistor-Dicken zwischen 10 und 50 μm benötigt, die mittels Siebdruck eingebracht werden. Für größere Schaltspan­nungen stehen weitere Designs zur Verfügung. Die vielfältigen Möglichkeiten und die Zuverlässigkeit der LTCC-Technologie werden mit dieser integrierbaren Funktionalität deutlich berei­chert

Die Autoren danken dem BMBF für die Förderung im Rahmen der Förderinitiative RUBIN (FKZ: 03RU1U162E).