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Dünnste Schichten für die Medizin

Mikroelektronik und Substrate: Zukunftsweisende Technologien aus einer Hand
Dünnste Schichten für die Medizin

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Die Fortschritte in der Miniaturisierung und ein geringer Energiebedarf ermöglichen die Entwicklung drahtloser elektronischer Geräte wie Sensoren, intelligenter Herzschrittmacher, Cochlea-Implantate oder implantierbarer Defibrillatoren. Einen entscheidenden Anteil daran hat die Dünnschichttechnologie.

In der Mikroelektronik verwischen die Grenzen zwischen Dünnschicht- und Leiterplattentechnik immer mehr. Die Dünnschichttechnik arbeitet mit Materialien, Prozessen und Maschinen aus beiden Bereichen und erzielt damit große Fortschritte in der Miniaturisierung. Cicor ist nach Angaben der Cicor Management AG, Zürich, führend im Bereich der Dünnschichtschaltungen und kombiniert Leiterplatten- und Dünnschichttechnologien in einem Haus. Die global tätige Gruppe führender Unternehmen der Elektronikindustrie ist in zwei Divisionen organisiert: Advanced Microelectronics & Substrates (AMS) und Electronic Solutions (ES). Die Gruppengesellschaften bieten Outsourcing-Dienstleistungen und eine breite Palette von Technologien für die Fertigung von hochkomplexen Leiterplatten, 3D-MID Lösungen, Schichtschaltungen und elektronischen Modulen an.

Um die künftigen Bedürfnisse der Kunden aus dem medizinischen Bereich zu erfüllen, verfügt die Gruppe bereits über mehrere kombinierte Technologien und hat weitere in der Entwicklung. Ein Beispiel sind biokompatible Schaltungen, wie etwa implantierbare Antennenstrukturen, die direkt – ohne Verkapselung oder Verpackung in einem hermetisch dichten Gehäuse – implantiert werden können. Möglich wird dies durch eine Auswahl biokompatibler Materialien und der Kombination von Dünnschicht- und Leiterplatten-Produktionsprozessen.
Eine neue Schlüsseltechnologie ist die Entwicklung flexibler Schaltungsträger in Dünnschichttechnik. Dafür werden beispielsweise flexible Substrate mit Methoden aus der Dünnschichttechnik bearbeitet und daraus Strukturen erzeugt, die als Basis für innovative Systeme genutzt werden können. Zusätzlich sind auch Kombinationen verschiedener Materialien – starr und flexibel – sowie auch Kombinationen aus Keramik und organischen Materialien möglich.
Ein Beispiel dafür ist ein implantierbarer Augeninnendruck-Sensor. Für diesen wird Flüssigpolyimid auf einen Keramikträger aufgebracht und anschließend in Form der Spulenträger strukturiert. Lediglich kleine Inselflächen unter den Windungen der Spule halten die Träger in Position und gewährleisten damit die mechanische Integrität der Struktur. Dadurch wird ein zuverlässiges Vergießen mit Silikon und damit eine lange Haltbarkeit des Implantates erreicht. Die komplexen Funktionen des Sensors werden auf einem eigens entwickelten Asic-Chip vereint, der mittels Thermokompression auf das Substrat aufgebracht wird. Das strukturierte und bestückte Substrat wird vom Keramikträger gelöst und abschließend mit medizinischem Silikon verkapselt, um die Biokompatibilität zu gewährleisten. Dank dieses Aufbaus kann die Implantation des Sensorsystems in Mikroschnitttechnik erfolgen.
Für die Herstellung flexibler Schaltungsträger in Dünnschichttechnik stehen zwei unterschiedliche Methoden zur Verfügung. Je nach gewünschten elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Isolatormaterials kann das Substrat entweder sequenziell mit flüssigem Isolatormaterial aufgebaut werden, oder es wird Folienmaterial verwendet. Die minimal erreichbaren Strukturgrößen dieser Technologien liegen jeweils im Bereich von # 10 µm für Leiterbahnen und Abstand, bei minimalen Substratdicken von 12 µm und dünner.
Sehr nah an typischen Halbleiter-Produktionsmethoden ist die Herstellung flexibler Schaltungen unter der Verwendung flüssiger Spin-on-Polyimide. Dazu wird auf einem temporären starren Trägermaterial der Schaltungsstapel aufgebaut. Dieser besteht aus mindestens einer ersten isolierenden Schicht, der Trägerschicht der Schaltung. Weitere Isolationsschichten werden durch Aufbringen von flüssigem Polyimid mit Rotationsbeschichtungstechnik erzeugt. Diese erlaubt, jeweils gefolgt von einem Aushärtungsschritt, um das Material zu verfestigen, eine ausgezeichnete Steuerung der Dicke. Dabei gibt es zwei grundsätzliche Varianten: die Verwendung fotostrukturierbarer Polyimide, die ähnlich wie Fotolack lithografisch strukturiert werden, oder trockenätzbare Polyimide, bei denen die Strukturübertragung durch einen Plasmaprozess erfolgt. Durchgeführt in sauerstoffhaltigem Plasma ermöglicht dies eine ausgezeichnete Definition der geforderten Strukturen. Grundsätzlich stehen für jede Isolatorlage beide Varianten offen. Entscheidend sind erforderliche Auflösung und Schichtdicke. Für sehr genaue und feine Strukturen bei moderaten Isolatordicken muss jedoch Trockenätzen eingesetzt werden.
Bei vielen medizinischen Geräten spielen Gewicht und Größe eine wesentliche Rolle, wie zum Beispiel bei Hörgeräten. Für die Herstellung von Mehrlagenschaltungen aus ultradünnem Polyimid setzt Cicor Dünnschichtprozesse für das Strukturieren sowie einen Laminierprozess aus der Leiterplattentechnik ein. Damit ist eine höhere Schaltungsdichte erreichbar als mit Standard-Leiterplattentechnik.
Sollen Multilayer-Substrate für medizinische Anwendungen oder als Teil von Implantaten genutzt werden, gelten aber starke Einschränkungen bezüglich der verwendbaren Materialien. Als Metalle sind für die Dünnschichttechnik in diesem Fall nur Gold, Titan und Platin erlaubt. Titan übernimmt dabei die Rolle der Haftschicht und kann in Form von Titannitrid auch als Elektrodenmaterial dienen. Zum Erzeugen der Leiterbahnen wird in der Regel Gold, gesputtert oder galvanisch verstärkt, eingesetzt. Platin dient als Abschlussschicht oder als Elektrodenoberfläche. Dank der Kombination dieser Technologien können Schaltungen mit einer wesentlich höheren Funktionsdichte hergestellt werden, als dies mit Standard-Leiterplattentechnologien möglich wäre.
Dank der Konzentration der Dünnschichtfertigung an zwei Standorten konnte eine zusätzliche, auf hohe Genauigkeit und Flexibilität ausgerichtete Bestückungslinie mit Chipmontage sowie Drahtbondprozess eingerichtet werden. Mit der Inbetriebnahme der automatisierten Linie im Juli 2015 können kleinste anspruchsvolle elektronische Schaltungen im mittleren Stückzahlbereich bis etwa 200k Stück/Produkt im Jahr automatisiert und unter Reinraumbedingungen bestückt, gelötet oder geklebt werden. su
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