Rückstandsfreies Schneiden von Galliumnitrid-Keramiksubstraten

In den Anwendungen der Leistungselektronik oder auch in Bereichen von Radar, 5G und der Satellitenkommunikation werden immer häufiger neue Materialien verwendet. Dies führt aktuell zu einer gestiegenen Nachfrage von Galliumnitrid-Keramiksubstrat (GaN-Keramik) zur Herstellung von Komponenten. GaN-Keramik ist zwar eine Alternative für den Einsatz von Silizium, allerdings ist das Material eine Herausforderung an die herkömmliche Materialverarbeitung, da es üblicherweise mit mikrometerdünnen Metallschichten, in der Regel aus Gold, beschichtet ist. Angesichts der stark unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien Gold und Keramik, umfasst die herkömmliche Verarbeitung das Schneiden des Keramiksubstrats und das Ätzen der Metallschichten in zwei getrennten Schritten. Allerdings gibt es auch maschinelle Lösungen, die beide Materialschichten schnell in einem einzigen berührungslosen, chemikalienfreien Prozess verarbeiten können.

Dabei handelt es sich um Laserschneidsysteme, die Toleranzen herkömmlicher Herstellungsschritte erreichen oder übertreffen, ohne dass eine endgültige Reinigung des Materials erforderlich ist. Das Ergebnis sind kürzere Verarbeitungszeiten für Kleinserien oder Einzelproben. Ein wichtiger Aspekt des Laserschneidens ist seine Effizienz und Genauigkeit. Der Bediener kann die Laserenergie für bestimmte Materialien sorgfältig einstellen und optimieren. Der erste Schritt umfasst das Schneiden des gewünschten Umrisses in der Keramik unter Verwendung von Hochleistungs-Laserbursts mit hohem Puls, wobei die oberen Goldschichten als Schutz gegen akkumulierte Wärme und ausgestoßenes Plasma dienen. Die Laserpulse bieten sowohl die höchste Verarbeitungsgeschwindigkeit als auch die geringste thermische Belastung des umgebenden Materials, das sogenannte „Kaltablationsregime“. Risse und Chips in der Keramik sind praktisch nicht vorhanden.

Nach dem Schneiden der Keramik wird das Substrat durch einen Vakuumtisch fixiert, während die Laserleistung reduziert und abgestimmt wird, um die obere Goldschicht zu entfernen. Durch den Einsatz einer Luftströmungskammer sowie die ultrakurze gepulste Ablation (die sehr kleine Partikel ausstößt) ermöglicht der Laser einen Prozess, ohne Rückstände.