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M. Mündlein:
"Entwicklung eines Kontaktierverfahrens für einen humanmedizinischen Hautfeuchtigkeitssensor";
Betreuer/in(nen): J. Nicolics, R. Chabicovsky, G. Hanreich; Institut für. Industrielle Elektronik und Materialwissenschaften, 2000.

Bei einem in Dünnfilmtechnik hergestellten humanmedizinischen Hautfeuchtigkeitssensor besteht die Forderung nach einer planen aktiven Sensorebene, um den Sensor in unmittelbaren Kontakt mit der menschlichen Haut bringen zu können. Dies erfordert eine Zuführung der Anschlussdrähte durch das Sensorsubstrat und eine Unterbringung des gesamten Kontaktiervolumens in der Substratebene, ohne dass einzelne Verbindungselemente wie Draht oder Lot die aktive Sensoroberfläche überragen.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein Kontaktierverfahren entwickelt, welches auf der Herstellung trichterförmiger Löcher in einem keramischen Substrat mittels eines Lasers beruht. Die Trichterform ermöglicht die Abscheidung einer zur Kontaktierung nötigen, gut lötbaren Metallisierung (NiCr/Au-Zweischichtsystem) mit Hilfe der Dünnfilmtechnik, welche auch zur Herstellung der eigentlichen Sensorstruktur verwendet wird. Darüber hinaus dient der Trichter auch zur Aufnahme des Lotvolumens.
Die trichterförmigen Löcher wurden mit einem über einen mechanischen Shutter gepulsten Dauerstrich-CO2-Laser hergestellt. Auf den Substraten wurden dabei in konstanten Abständen auf kreisförmigen Bahnen einzelne Laserimpulse gesetzt. Die erzeugten Trichter bestehen dabei aus drei bis fünf Kreisen. Durch die Impulsdichte auf diesen Kreisbahnen wird die Tiefe des abgetragenen Materials und damit das Trichterprofil bestimmt. Es wurden 18 verschiedene Trichterformen hergestellt, welche sich in Durchmesser und Verlauf des Trichteröffnungswinkel unterscheiden. Der Außendurchmesser wurde zwischen ca. 600 µm und 1400 µm variiert. Die Dicke der Substrate betrug ca. 630 µm.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden zwei Technologien zur Kontaktierung des Sensors untersucht: Einerseits wurden die Drähte mit Hilfe leitfähiger Kleber montiert und andererseits durch Löten. Die Klebetechnologie hat insbesondere wegen ihrer Einfachheit und niedrigen Verarbeitungstemperatur im letzten Jahrzehnt an Bedeutung gewonnen. Die Kontaktkräfte beruhen hier jedoch lediglich auf Adhäsion und die Eignung der Kleber erfordert daher auf die jeweilige Materialkombination abgestimmte Zuverlässigkeitsprüfungen. Das Löten hingegen erlaubt das Herstellen von Kontakten auf der Basis der metallischen Bindung, die Kontaktstellen weisen jedoch im Allgemeinen eine deutlich niedrigere Elastizität gegenüber geklebten Kontakten auf.
Bei der Auswahl der Materialien wurde deren Toxizität und Hautverträglichkeit beachtet. So kamen silbergefüllte Epoxikleber und Zinn-Silber-Lote zum Einsatz. Als Lötverfahren wurden dabei Laserlöten und Dampfphasenlöten angewandt.
Die Qualitätsuntersuchungen der Verbindungen zeigten stark streuende und vergleichsweise hohe Kontaktwiderstände bei der Klebung. Mit Hilfe der gewählten Klebetechnologie konnten daher die geforderten Kontakteigenschaften nicht erzielt werden.
Bei Verwendung des Dampfphasenlötprozesses wurde die Metallisierung so stark ablegiert, dass es zu einer Entnetzung der Trichteroberfläche kam. Hervorragende Ergebnisse wurden hingegen mit Hilfe des Laserlötens erzielt.
Als Anschlussdrähte wurden Kupferlackdrähte mit den Durchmessern 80, 120 und 210 µm verwendet. Ihre Enden wurden auf einer definierten Länge mit Hilfe des Lasers abisoliert. Um die Drähte vor dem Kontaktieren in Position zu halten, wurden sie mit Kleber auf der Substratrückseite fixiert.
Zur Qualitätsbeurteilung wurden Zugversuche durchgeführt. Diese erfolgten ausschließlich bei lasergelöteten Proben. Die Krafteinwirkung erfolgte dabei so, dass die Substrat-Lot-Grenzfläche weitestgehend auf Zug und die Lot-Draht-Grenzfläche auf Scherung beansprucht wurde. Dabei kam es, bis auf einen Ausnahme, zu einem Abreißen des Anschlussdrahtes. Alle Proben hielten einer Zugkraft von mindestens 11,7 N stand. Im Vorfeld der Untersuchungen konnte keine so hohe Haftfähigkeit der Metallisierung auf der aufgeschmolzenen Trichteroberfläche erwartet werden. Zur Beurteilung der Benetzung im Innern der Trichter wurden metallographische Schliffe von den Proben hergestellt. Durch die Auswertung dieser Schliffbilder konnten Rückschlüsse auf den Laserlötprozess gewonnen werden.
Da die Herstellung der Trichter, das Abisolieren und Einlöten der Kupferlackdrähte und das Vereinzeln der Substrate auf der selben CO2-Laseranlage durchgeführt werden können, ist das entwickelte Kontaktierverfahren zumindest für den Laborbetrieb und für Kleinserien besonders gut geeignet.

For human skin humidity sensors absolute flat sensor surfaces are needed to bring the sensor into intimate contact with the skin surface. To fulfil this requirement a new bonding technique is presented which allows to perform contact pads not towering above the active sensor surface. As a new approach the developed method is based on drilling of funnel-shaped holes in a Al2O3-ceramic substrate using a CO2-laser. After plating the substrate’s surface with a solderable metallization (NiCr/Au), the funnel mouth serves as a reservoir for the lead-free solder paste. The contact wires are guided through the holes perpendicular to the opposite substrate surface. Subsequently, the CO2-laser is used to perform the soldering process and finally also for shaping and separating the respective single sensor units from the ceramic substrate. Combining all these production steps in a flexible numerically controlled laser micromachining process is an advantage particularly for small-lot fabrication and the rapid production of low cost prototypes.
Keywords: bonding technique, laser micromachining, laser soldering, human skin humidity sensor