microelectronic packaging - iavt: home · microelectronic packaging dresden schneider 21.06.2011...

Microelectronic Packaging Dresden Schneider 21.06.2011 Seite 1

SAET 22.06.2011

Microelectronic Packaging

Varianten, Technologien, Anforderungen, Ausblick

Microelectronic Packaging Dresden GmbHGrenzstr. 2201109 DresdenWerner SchneiderTel.: 0351/2136 [email protected]


SAET 22.06.2011

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


SAET 22.06.2011

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; …


SAET 22.06.2011

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


SAET 22.06.2011

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


SAET 22.06.2011

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


SAET 22.06.2011

Originalgröße: 4,7 x 3,1 x 1,3 mm

• Mikroakustisches Modul

Kappe

Sensor ASIC

Aufbauvariante MCM - L

Board

4 verschiedene Polymermaterialien im Einsatz


SAET 22.06.2011

• Imagesensoren, optische Module

Unterschiedlichste Polymermaterialien im Einsatz

Photodioden

(opt. Glob Top)

Photodioden + LED`s


SAET 22.06.2011

• Imagesensoren, optische Module


SAET 22.06.2011

• Komplette Module (SMD / COB / Sensoren)

Die 27 x 27 mmFaseroptik

MCM

2 ASIC`s

Hallsensor

Imagesensor


SAET 22.06.2011

PD - Board

Flexmodul

Imagesensor

Photodiode mit Filterglas


SAET 22.06.2011

Starr / Flex – Modul

Modul bestehend aus 16 Einzeldice

MCM - SMD / COB


SAET 22.06.2011

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″


SAET 22.06.2011

Klebstoffarten: Epoxide, Acrylate, Silikone, Poly-urethane; Hybridklebstoffe

• Eutekt. Bonden (Au – Si)

• Anodisches Bonden (Verbindung Si – Glas)

• Lötmontagen (Weichlote, Sonderlote) Anwendung für Leistungselektronik, LED


SAET 22.06.2011

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


SAET 22.06.2011

Verfahrensablauf US – Wedge / Wedge Drahtbonden


SAET 22.06.2011

Verfahrensablauf TS – Ball / Wedge - Bonden


SAET 22.06.2011

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


SAET 22.06.2011

Beispiele: US – Wedge / Wedge - Bonden


SAET 22.06.2011

Beispiele: TS – Ball / Wedge - Bonden


SAET 22.06.2011

Einflussgrößen beim Drahtbonden

SAET 22.06.2011


SAET 22.06.2011

Gap – Bonden

Cimg0053.mov

Spaltbreite : 0,4 mm; Tiefe 0,7 mm

Cimg0053.mov


SAET 22.06.2011

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


SAET 22.06.2011

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


SAET 22.06.2011

Glob ToppingEinsatz unterschiedlichster Polymermaterialien(Epoxy, Silikone, Urethane; Hard Top, Soft Top)optischer Verguss; Dam & Fill


SAET 22.06.2011

Schutz von COB – Aufbauten bzw. Keramik - / Plasthohlkörpergehäuse durch diverse Kappen

Rahmen / Glas -Verbund

Metallkappe

Filter


SAET 22.06.2011

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


SAET 22.06.2011

SpezialtechnologienBallattach (BGA) mit Festlotballs

FlipChip - Montagen


SAET 22.06.2011

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


SAET 22.06.2011

Packagingtechnologien werden stark durch die Substratproble-matik beeinflusst.→ Keramik, Glas, Si, Leiterplatten

starr, starr/flex, semiflex, flex

LayoutproblematikAufbauvariantenWerkstoffproblematik


SAET 22.06.2011

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


SAET 22.06.2011

• Nur wenige ausgewählte zusätzliche Materialien im Einsatz (Reinigungsmittel, Verkappungsmaterialien)

• alle Typen von PCB`s geeignet für den Einsatz


SAET 22.06.2011

→ 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


SAET 22.06.2011

• Geringe Entfernungen zwischen SMD - und COB – Montagen

• Sicherung der Bondfähigkeit – eine neue Anforderung an PCB`S

• Therm. Belastung der PCB`s deutlich erhöht


SAET 22.06.2011

Leiterplatte wird zum Funktionselement, Träger eines eigenständigen Moduls


SAET 22.06.2011

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


SAET 22.06.2011

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


SAET 22.06.2011

- 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


SAET 22.06.2011

Vergleich von Anforderungen an díe Strukturierung von Leiterplatten

SMD

COB


SAET 22.06.2011

Die hohe Kunst der COB – Technik!

4 – reihige

Bondinselanordnung


SAET 22.06.2011

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


SAET 22.06.2011

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


SAET 22.06.2011

Layouterstellung für COB – Technologien: (spezielle Layoutregeln – Abstimmung zwischen Layouter, PCB – Fertiger, und Packagingtechnologie)

Auszug MPD Richtlinien

Chipbondpad

Lötstoppdamm

Drahtbondkontakte


SAET 22.06.2011

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))

microelectronic packaging - iavt: home · microelectronic packaging dresden schneider 21.06.2011...

Documents