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Microelectronic Packaging
Varianten, Technologien, Anforderungen, Ausblick
Microelectronic Packaging Dresden GmbHGrenzstr. 2201109 DresdenWerner SchneiderTel.: 0351/2136 [email protected]
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Gliederung1. Überblick zum Microelectronic Packaging / Beispiele2. Technologien des Microelectronic Packagings
3. Unterschiede im Leiterplatteneinsatz für Standardreflow-montagen und Chip und Board - Technologien
4. Anforderungsprofile an Leiterplatten für das MicroelectronicPackaging
5. Stand und Ausblick
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1. Übersicht Microelectronic Packaging
- Alle technologischen Varianten zur Herstellung von mikroelektronischenEinzelbauelementen in Standardgehäusen (Keramik z.B. CQFP; CLCC;oder im Plastgehäuse PLCC, BGA) → Standardbauelemente-------------------------------------------------------------------------------------------------- Alle technologischen Varianten zur Herstellung von Sonderbauformen Aufbauten im Keramik-, Metall / Glas- Gehäusen, Module (Multi – Chip – Module; Aufbauvarianten
in den Varianten MCM – L (MultiChipModule auf ´Basis PCB), MCM –D; MCM – C)Drucksensormodule, Imagesensormodule Microelectronic
Sonderbauformen, - varianten: PackagingFlipChip; 3 D – Packaging; Wafer Level Packaging; …
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Charakteristik des Microelectronic Packagings
- Vielfalt der technologischen Varianten, keine Standardlösungen- Kundenwunschlösungen→ in Abhängigkeit von Kundenvorgaben und der technologischen Um-setzung
- Kaum vergleichbare Fertigungsstandardsd.h. das gleiche BE oder Modul kann in Abhängigkeit des Fertigers ganz unterschiedlich aussehen
- Stückzahlen von 1 … x Millionen / a- Die Vielfalt der technologischen Varianten bedingt auch unterschied-
liche Performance; Ausbeute und Zuverlässigkeit → Vielfalt der Lösungen
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Charakteristik des Microelectronic Packagings- Vielfalt der Packagingmaterialien Klebstoffe, Underfiller, Glob Top – Materialien, Substratmaterialien;Keramik, Glas, Silizium; Galliumarsenid, Moldmassen …
- Kurze Entwicklungs- und Realisierungszeiten- Vielfalt der Anwendungen
AutomotivMedizintechnikConsumer ↔ High Reliability – Anwendungen
Chip on Board Technologien
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Überblick Packagingaufbauten der MPD GmbHBeispiele• MEMS – Module (z. B. Drucksensormodule, mikroakustische Module)
COB - Technologie
Aufbauvariante MCM - L
ASIC Sensor
B – Seite: COB
L – Seite: SMD
Drucksensormodul
GehäustesModul
Carrier
BoardKappe
4 verschiedene Polymermaterialien im Einsatz
Carrier
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Originalgröße: 4,7 x 3,1 x 1,3 mm
• Mikroakustisches Modul
Kappe
Sensor ASIC
Aufbauvariante MCM - L
Board
4 verschiedene Polymermaterialien im Einsatz
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• Imagesensoren, optische Module
Unterschiedlichste Polymermaterialien im Einsatz
Photodioden
(opt. Glob Top)
Photodioden + LED`s
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• Imagesensoren, optische Module
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• Komplette Module (SMD / COB / Sensoren)
Die 27 x 27 mmFaseroptik
MCM
2 ASIC`s
Hallsensor
Imagesensor
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PD - Board
Flexmodul
Imagesensor
Photodiode mit Filterglas
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Starr / Flex – Modul
Modul bestehend aus 16 Einzeldice
MCM - SMD / COB
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2. Technologien des Microelectronic Packagings Wafersägen, Die - SortenChipmontage / Die - Bonding• Kleben (Hauptmontageverfahren)
Klebstoffe: elektr. leitfähig, isolierend,therm. leitfähig, anisotrop, …große Vielfalt
Klebstoffaufbringverfahren: Dispensen, Drucken, Stempeln, … neu Klebefolien
Klebstofftypen: warmhärtend, Rt – härtend, Licht - / UV – härtend, Standardhärtung bzw. Snap Cure Stressproblematik; ″stressfreie Technologien″
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Klebstoffarten: Epoxide, Acrylate, Silikone, Poly-urethane; Hybridklebstoffe
• Eutekt. Bonden (Au – Si)
• Anodisches Bonden (Verbindung Si – Glas)
• Lötmontagen (Weichlote, Sonderlote) Anwendung für Leistungselektronik, LED
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Drahtmontage / Wire – BondenVerbindung der Bondpads auf dem die mit der Peripherie; Gehäuse,Leadframe, PCB, alle Arten von Substraten
Dünndrahtbonden (Ø 17,5 – 38 µm)
US – Wedge / Wedge – Bonden; AlSi 1 – Draht; Al – Draht
→ Dickdrahtbonden (Ø > 50 µm)
TS – Ball / Wedge – Bonden; Au - Draht
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Verfahrensablauf US – Wedge / Wedge Drahtbonden
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Verfahrensablauf TS – Ball / Wedge - Bonden
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Anforderungen an Drahtbondkontakte:• hinreichend gute elektrische, thermische und mechanische
Eigenschaften• Beständigkeit gegenüber den nachfolgenden technologischen
Teilschritten der Montage des Bauelementes• Kompatibilität der verwendeten Werkstoffe untereinander hinsichtlich
der Zuverlässigkeit des metallischen Kontaktsystems• Sicherung höchster Zuverlässigkeitsanforderungen
Trends:Stetige Miniaturisierung!
• Verringerung Bondpadgrößen / Bondpitch• Verringerung Drahtdurchmesser • Steigerung der Anschlusszahlen• Mehrreihige Bondpadanordnungen
Mischmontagen / SMD + COB
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Beispiele: US – Wedge / Wedge - Bonden
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Beispiele: TS – Ball / Wedge - Bonden
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Einflussgrößen beim Drahtbonden
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Gap – Bonden
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Spaltbreite : 0,4 mm; Tiefe 0,7 mm
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Stand der Drahtbondverfahren innerhalb der Packaging-Technologien→ herausragende Bedeutung→ in den 80 ziger Jahren totgesagt, heute aktueller denn
je→ enorme technologische Entwicklung→ schnell, preiswert, zuverlässig→ US – Bonden: 4- 6 Brücken / s
TS – Bonden: 12 – 15 Brücken / s
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Passivierung / Gehäuseverschluss
Ziel: Schutz der Halbleiteroberfläche vor mechanischen,chemischen und klimatischen Einflüssen. Sicherung einer weiterverarbeitbaren Form und Geometrie
Technologische Möglichkeiten:Schutz durch Abdecken mit Polymermaterialien Glob Topping, VergussSchutz durch Einsatz von Kappen (AuSn – Lot)Schutz durch spezielle Rahmen / Glas - Verbunde
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Glob ToppingEinsatz unterschiedlichster Polymermaterialien(Epoxy, Silikone, Urethane; Hard Top, Soft Top)optischer Verguss; Dam & Fill
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Schutz von COB – Aufbauten bzw. Keramik - / Plasthohlkörpergehäuse durch diverse Kappen
Rahmen / Glas -Verbund
Metallkappe
Filter
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SMD – Montagen (Löttechnologien)die meisten COB – Module enthalten hohen Anteil an SMD –Komponenten → Problematik SMD vor COB // COB vor SMD
4 x COB ca. 600 Drahtbondungen
SMD – Bereich / COB - Bereich
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SpezialtechnologienBallattach (BGA) mit Festlotballs
FlipChip - Montagen
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Elektr. Test; Vereinzelung, Versand
Elektr. / optischer Test entsprechend Kundenvorgaben; Überprüfung der Packagingleistung – Weiterverarbeitung z.B. Kalibrierung erfolgt beim Endkunden; Auslieferung im Nutzen odervereinzelt im Tray, GurtEndtest auch Dichtheitsprüfung (Grobleck, Feinleck)
Vereinzelungstechnologien – Rollentrennen (Brechen)FräsenSägen mittels Wafersäge
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Packagingtechnologien werden stark durch die Substratproble-matik beeinflusst.→ Keramik, Glas, Si, Leiterplatten
starr, starr/flex, semiflex, flex
LayoutproblematikAufbauvariantenWerkstoffproblematik
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3. Unterschiede im Leiterplatteneinsatz für Standard-reflowmontagen und Chip und Board Technologien
→ Boards für Lötmontagen• Standardanwendung → Weiterverarbeitung der PCB`s durchLötmontagen (Reflow-; Sonderlötverfahren), Einpresstechnik
• Einsatz qualifizierter SMD / THMD – Bauteile und Module; Bewertung der Lötergebnisse nach IPC A – 610 E
• Metallisierung der PCB`s geeignet für löttechnische Weiterverarbeitung• Temperaturbelastung beim Löten (max. 260°C/ 45 sec)• Lötmontage als letzter technologischer Prozessschritt• Im allgemeinen keine zusätzlichen thermischen und klimatischen Belastungen der bestückten PCB nach der Montage
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• Nur wenige ausgewählte zusätzliche Materialien im Einsatz (Reinigungsmittel, Verkappungsmaterialien)
• alle Typen von PCB`s geeignet für den Einsatz
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→ Boards für Chip on Board Technologien
• Weiterverarbeitung der Boards durch unterschiedliche Fertigungs-verfahren
Reflowlöten SMD / THMD – MontageReflowlöten Ball Attach (BGA – Anwendung)Chipbonden Kleben, LötenDrahtbonden (US – Wedge / Wedge; TS Ball / Wedge)Glob ToppingEncapsulation (Häusung)
- unterschiedlichste Verfahren auf engstem Raum- enorm hohes Anforderungspotential
z.T. völlig neue Anforderungen an die LeiterplattentechnikBondfähigkeit; Sauberkeit; Homogenität
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• Geringe Entfernungen zwischen SMD - und COB – Montagen
• Sicherung der Bondfähigkeit – eine neue Anforderung an PCB`S
• Therm. Belastung der PCB`s deutlich erhöht
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Leiterplatte wird zum Funktionselement, Träger eines eigenständigen Moduls
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Damit durchläuft das Board eine Reihe Belastungen in den einzelnenProzessschritten(bedeutend mehr als ein Standardboard)
Ball Attach - Bottom Seite SMD - Top Seite Die – Bonden (Kleben mit thermisch härtenden Klebstoff)Wire – BondenKleben Rahmen / Glasverbund TestVereinzelung (z. B auf Wafersäge aus dem Nutzenverband)SMD – Montage beim Endkunden
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4. Anforderungsprofile an Leiterplatten für das Micro-electronic Packaging
Durch die direkte Montage eines Halbleiterdice (Abmessungen von 0,3 x 0,3 mm für LED`s bis zu großen Bildsensoren 40 x 100 mmwerden größte Anforderungen an die Boardqualität gestellt:
- Werkstofftechnische Eignung der Boardmaterialien; Hoch Tg, Cav.Basismaterial, Lötstopp, Metallisierungen ENIG - Standard
ENIPIG / ENEPIGchem. Ag; ASIG
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- geometrische Eigenschaften Verwindung, Verwölbung ↓
Toleranzen (z.B. Boarddicke +/- 40 µm); Strukturierungsgenauigkeit
- neue Technologievarianten HDI, Laservias, Lasercavity,
- Sauberkeit; keine Verunreinigung durch Fertigungsrückstände;Epoxypartikel, Glasfaserpartikel, Lötstopppartikelkeine Verschmutzungen aus Fertigung und Handling(Flussmittel; Lotreste)
- Homogenität - Sicherung der Drahtbondfähigkeit
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Vergleich von Anforderungen an díe Strukturierung von Leiterplatten
SMD
COB
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Die hohe Kunst der COB – Technik!
4 – reihige
Bondinselanordnung
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Langjährige Erkenntnis und Erfahrung:
Eine Leiterplatte ist (fast) immer lötbar, die Eignung für Chip on Board Technologien ist da schon schwieriger!
COB Chip & Wire die klassische DrahtbondtechnikFlipchip – Technologie3 D - Packaging
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Sicherung höchster Zuverlässigkeitsforderungen
Temperaturwechselbeständigkeit (- 40°C /+ 125 °C; bis zu 3000 TW)
Therm. Beständigkeit (150°C / 1000 h)
Klimabeständigkeit (85°C/ 85 % r. F.; 1000 h)
Moisture Level – Anforderungen
Sauberkeit (Reinstraumtauglichkeit)
………Drehmomentensensorboard
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Layouterstellung für COB – Technologien: (spezielle Layoutregeln – Abstimmung zwischen Layouter, PCB – Fertiger, und Packagingtechnologie)
Auszug MPD Richtlinien
Chipbondpad
Lötstoppdamm
Drahtbondkontakte
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5. Stand und Ausblick
• Microelectronic Packaging erfordert in hohem Maße das inter-disziplinäre Zusammenwirken von Werkstoff und Technologie.
• Microelectronic Packaging zeigt starkes Wachstumspotential durch vielfältige neue Anwendungsgebiete wie Imagesensorik, OLED –Technologien, …
• Microelectronic Packaging hat im weltweiten Wettbewerb gute Chancenfür den Standort Deutschland (wissenschaftliche Grundlagen, Verfüg-barkeit von Partnern (FhG, TUD, …;) Know How, Ausrüstungsbasis,Anwendungstechnik (Automobilindustrie, optische Industrie, keramischeIndustrie))