Intensiver Dialog zwischen Forschung und Anwendung

Intensiver Dialog zwischen Forschung und Anwendung

Traditionell findet die Deutsche IMAPS-Konferenz im Herbst an der Hochschule München statt. Dort wurden in diesem Jahr neue Technologien und zudem etliche neue Erkenntnisse zu Standardtechnologien vorgestellt und diskutiert.

Die Themen erstreckten sich von der Dünn- und Dickschichttechnik über Sintern und Bonden sowie neue Materialien bis hin zur Leiterplattenbasierten Aufbau- und Verbindungstechnik. Das Programm umfasste 19 Vorträge und eine von 15 Ausstellern bestrittene Tischausstellung sowie die Mitgliederversammlung und ein gemeinsames Abendessen. Die Konferenz, an der über 80 Personen teilnahmen, wurde von Prof. Dr. Martin Schneider-Ramelow, Fraunhofer IZM und erster Vorsitzender von IMAPS Deutschland, eröffnet.

iCampµs fördert Strukturwandel in der Lausitz

Über den Innovationscampus Elektronik und Mikrosensorik (iCampµs) - Strukturwandel in der Lausitz informierte Dr. Michael Scholles, Fraunhofer IPMS/BTU-CS. Ziele des vom BMBF geförderten Projekts sind, dass sich der iCampµs als regionaler Sensorik-Hub etabliert und zum Anlaufpunkt für Entwicklung von F&E-Projekten wird. Der Technologietransfer im Bereich Sensorik soll forciert und so die Wettbewerbsfähigkeit der Region gesteigert und Arbeitsplätze im Hochtechnologiesektor geschaffen werden. In der von 2022 bis 2026 laufenden Phase II werden basierend auf fünf Technologieplattformen spezifische Anwendungslösungen für vier Applikationsfelder entwickelt, wozu folgende Beispiele erläutert wurden:

  • Predictive Maintenance
  • Drohnen-Schwarmflug
  • Medizinradar
  • Ultraschall-Kamera

Weiterhin informierte Dr. Michael Scholles über die geplante Verwertung der Entwicklungsergebnisse und die iCampus Cottbus Conference 2024.

Low Pressure Assisted Sintern für die Herstellung hochfester Drucksensoren

Die Herstellung hochfester Drucksensoren mithilfe innovativer Silicium-Keramik Technologie (SiCer) beschrieb Cathleen Kleinholz, Technische Universität Ilmenau. Anstelle des bisher üblichen High Pressure Assisted Sintern (HPAS) wird hier das Low Pressure Assisted Sintern (LPAS) eingesetzt.

Dünnschichtstrukturierung auf LTCC-Substraten mittels Lift-Off-Verfahren

Über eine Technologiestudie zur Dünnschichtstrukturierung auf LTCC-Substraten mittels Lift-Off-Verfahren berichtete Uwe Ziegler, Technische Universität Ilmenau. Ausgehend von der Beschreibung des LTCC-Prozesses und der untersuchten Substrate wurden die damit gemachten optischen und elektrischen Evaluationen und deren Ergebnisse erläutert. Für hohe Auflösungen sind Glaspasten-beschichtete und polierte Substrate geeignet. Für geringere Auflösungen und kostengünstige Konfigurationen können geläppte, gesinterte Substrate eingesetzt werden. Die 3D-Oberflächenparameter und die realisierte Auflösung korrelieren.

Testmethoden beim Drahtbonden

Nach der Vorstellung der Aussteller und einer Kaffeepause gab Bernhard Rebhan, F&S Bondtec Semiconductor, Österreich, einen Überblick zu Testmethoden beim Drahtbonden. Die Qualität von Drahtbondverbindungen kann mittels Pulltest, Schertest, elektrischem Test, Mikroskopie und Elementaranalytik geprüft werden, die Zuverlässigkeit von Drahtbondverbindungen mittels Temperaturzyklen, aktivem Powercycling und dem Bondtec Accelerated Mechanical Fatigue Interconnect Testing (BAMFIT), einem beschleunigten Lebensdauertest. Nur durch mehrfaches Testen mit unterschiedlichen Methoden ist eine profunde Aussage möglich, denn kein einziger Test deckt alles ab. Bernhard Rebhan erläuterte die unterschiedlichen Testmethoden, wobei er besonders auf die Einflüsse der Testparameter auf die Ergebnisse einging. Automatische Tests sind vorteilhafter als manuelle. BAMFIT ist v. a. für eine schnelle Prozessentwicklung vorteilhaft.

Einfluss der Geometrie auf die Lebensdauer von Bonddrahtverbindungen

Den Einfluss der Geometrie auf die thermomechanische Zuverlässigkeit von Aluminium-Bonddrähten leistungselektronischer Bauteile hat Borja Kilian, Robert Bosch, an einem diskreten SiC-MOSFET Package mittels APC-Test (aktivem Powercycling) und FE-Simulation untersucht. Die Analyse ergab als Ausfallursache der Bondverbindung das Abheben des Bonddrahts. FE-Simulationen mit unterschiedlicher Bondfußgeometrie, -drahtposition und -drahtrotation zeigten, dass Temperatureffekte im Vergleich zu Geometrieeffekten einen größeren Einfluss auf die Lebensdauer haben. Betrachtet man nur die Geometrie, so erwies sich die Fläche der Bondschnittstelle als bedeutendster Designfaktor, während die Drahtposition einen mäßigen und die Drahtrotation einen noch geringeren Einfluss hatte.

Mehrdomänen-Simulationsansatz für aktive thermische Zyklentests

Freerik Forndran, Vitesco Technologies Germany, informierte über das „Physics-of-Failure Based Lifetime Modelling of Silver Sintered Power Modules for Electric Vehicles by Experiment and Simulation“ und die dabei gewonnenen Erkenntnisse. Entwickelt wurden ein erstes Lebensdauermodell mit einem PoF-Rahmenwerk für ein komplexes Kfz-Leistungsmodul sowie ein erstes vollständiges Kriechmodell für gesintertes Silber unter Berücksichtigung des primären Kriechens. Zudem wurde ein Mehrdomänen-Simulationsansatz für aktive thermische Zyklentests entwickelt und dessen Anwendbarkeit erfolgreich nachgewiesen, so dass damit ein Design for Reliability ermöglicht wird.

Cu-Komplex-Tinten für das Niedertemperatur-Niederdruck-Die-Bonding

Über das 'Low Temperature Die-attach Bonding Using Cu Complex based Materials for Power Electronics’ berichtete Nihesh Mohan, TH Ingolstadt. Cu-Komplex-Tinten sind eine einfache und kostengünstige Alternative für die Die-Montage. durch die Zugabe von Inhibitoren wird das Wachstum von Cu-Nanopartikeln kontrolliert. Drucktechnologien wie Aerosol- und Tintenstrahldruck ermöglichen die Herstellung einer dünnen Cu-Schicht (1 µm - 2 µm) nach dem Vortrocknen. Da in der vorgetrockneten Cu-Schicht keine organischen Stoffe mit hohem Siedepunkt vorhanden sind, können Dies bei niedrigeren Temperaturen und Drücken gesintert werden. Bei einer Sintertemperatur von 225 °C und einem Sinterdruck von 15 MPa wurden Scherwerte von um die 25 MPa erzielt. Sehr dünne gesinterte Cu-Verbindungen (<5 µm) erreichten im Vergleich mit Lötverbindungen die gleiche thermische Leistung wie dicke AuSn- und Ag-Lötverbindungen. Damit sind Cu-Komplex-Tinten ein potenzielles Cu-Verbindungsmaterial für Niedertemperatur-Niederdruck-Die-Attach-Bonding-Anwendungen in der Leistungselektronik.

LiDAR-Sensoren und LED

Den Nachmittag leiteten Marcel Kettelgerdes, TH Ingolstadt, mit einem Vortrag über den Hardware-in-the-Loop Prüfstand zur beschleunigten Alterung und Charakterisierung von Automotive LiDAR-Sensoren als Grundlage für eine Zustandsüberwachung im Feld sowie Mohd Zubair Akhtar, TH Ingolstadt, mit einem Vortrag zur LED Lifetime Prediction - Automatic Feature Extraction from FEA Data Using Convolutional Neural Network ein. Danach erläuterte Kurt-Jürgen Lang, ams OSRAM International, die speziellen Herausforderungen, die mit der Verarbeitung von LEDs in CSP-Form im SMT-Prozess verbunden sind.

Systemintegration – neue Packaging-Plattform und FATM

Dass Parylene, das sich als Schutzbeschichtung bewährt hat, auch als neues Material für die Systemintegration eingesetzt werden kann, zeigte Franz Selbmann, Fraunhofer ENAS, auf. Parylene ist dielektrisch, hydrophob, optisch transparent und biokompatibel sowie inert gegenüber Säuren, Basen und Lösungsmitteln. Damit eignet es sich zur Verkapselung. Hochkonforme Schichten aus Parylene werden durch Abscheidung aus der Gasphase bei niedrigen Temperaturen erzeugt. Durch Kombination mit anorganischen Schichten können die Barriereeigenschaften um bis zu vier Größenordnungen verbessert werden. Inzwischen wurde auch das Wafer- und Chip-Bonden mit Parylene demonstriert. Beim adhäsiven Bonden von Silicium, -dioxid, -nitrid, Glas und Metallen mit Parylene werden Zug- und Scherfestigkeiten von 38 MPa bzw. 85 Mpa erreicht. Parylene ist kompatibel mit Mikrotechnologien und mittels O2-Plasma und Laserablation strukturierbar. Parylene kann zudem mittels verschiedener Metalle und Technologien metallisiert werden (PVD, Aerosol-Jet, Siebdruck) und damit ultradünne flexible Elektronik (Gesamtdicke von <20 µm) mit eingebetteten Vias und Komponenten realisiert werden. Franz Selbmann beschrieb den Prozess im Detail. Die Parylene-Leiterplatte hat das Potenzial für eine neue Packaging-Plattform.

Wie individuelle Packages für Hochfrequenz-Anwendungen mittels Film Assisted Transfer Molding realisiert werden können, beschrieb Maximilian Barth, Hahn-Schickard-Institut.

Größere Löcher sind bei massiven Anschlüssen für den Lotdurchstieg günstiger

Um THT-Prozesse besser, schneller und robuster zu machen, wurde von Siemens und FAPS eine THT-Gap-Ratio-Studie durchgeführt, über die Dr. Reinhardt Seidel, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, informierte. Ziel der Untersuchungen zum fertigungsgerechten Auslegen der THT-Löcher war, sowohl die Lötqualität als auch die Prozessrobustheit zu steigern. Denn der Lotdurchstieg war bei massiven THT-Anschlussdrähten oftmals nicht ausreichend und zeigte zudem große Streuungen, wenn die Löcher entsprechend den gebräuchlichen Richtlinien designt waren. Die Analyse ergab, dass größere Löcher den Lotdurchstieg signifikant verbessern und dass der Lotdurchstieg bei größeren Löchern robuster ist, da bei diesen mehr Lot fließt und somit auch mehr Wärme verfügbar ist, sodass das Lot beim Durchsteigen nicht vorzeitig erstarrt. Der erste Konferenztag endete mit der Mitgliederversammlung, gefolgt von einem gemeinsamen Abendessen zum Networking.

Dickschichttechnologien – neue Pasten und Anwendungen

Über die Entwicklung von Widerstandspasten und -tinten für das Greentape 9k7 von Celanese im Rahmen des Förderprojekts R-Print berichtete Dr. Stefan Körner, Fraunhofer IKTS. Dabei standen die Materialauswahl und die Herstellung im Vordergrund. Die für Toplayer und Innerlayer geeignete Widerstandspaste bietet Widerstandswerte von etwa 20O hm/sq bis 130O hm/sq und einen TKR im Bereich 500 bis 600 ppm/K ohne Additive. Die Widerstandstinte ermöglicht glasfreie Innenlagenwiderstände. Die glashaltige Ausführung hat bis 250 µm Linienbreite keine Benetzungsprobleme.

Jaroslaw Kita, Universität Bayreuth, stellte einen in Dickschichttechnik hergestellten Probenträger zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit, der Hall-Konstante und des Seebeck-Koeffizienten bis 800 °C vor und verglich dessen Eigenschaften mit früheren Lösungen. Nachgewiesen wurden die Funktion des Messaufbaus und die Reproduzierbarkeit der Messung des Seebeck-Koeffizienten mit geringen Abweichungen (unter ±10 %) zu den Referenzdaten sowie Kombimessungen von elektrischer Leitfähigkeit, Hall-Konstante und Seebeck-Koeffizient bei Temperaturen bis zu 800 °C.

Dickfilmpasten aus Basismetallen sind deutlich kostengünstiger als solche aus Edelmetallen. Über kostengünstige, unedle Dickschichtpasten für Sensoren und Energiewandler informierte Dr. Stefan Körner, Fraunhofer IKTS. Dabei ging er im Detail auf die Pasten- bzw. Tintenzusammensetzung sowie deren Eigenschaften und die damit erzielten Ergebnisse bei Testobjekten (Mikrothermoelementen, Mikrothermoelektrikgeneratoren) ein. So können Widerstandswerte von 0,5 bis 2O hm/sq und Temperaturkoeffizienten zwischen 500 und 1500 ppm/K realisiert werden. Die Leistung der Mikrothermoelektrikgeneratoren beträgt bis zu 650 µW.

Lynn Ratajczak, Fraunhofer IKTS, beschrieb, wie hochauflösende Leiterzüge unterhalb 50 µm Linienbreite durch Laserdirektschreibverfahren für mmWave-Anwendungen realisiert werden können. Hierzu sind allerdings Anpassungen der PI-Paste (u. a. Einsatz von Crosslinkern) sowie zusätzliche Maßnahmen wie eine Plasmareinigung des Substrats zur Haftungsverbesserung und eine Reduzierung der Oberflächenspannung durch Additive erforderlich.

PCB-Technologien

Janine Conrad, TU Berlin, verdeutlichte, dass die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Kupfer-Durchkontaktierungen in Leiterplatten mittels Zugversuch und Nanoindentation sinnvoll ist. Denn Cu-Zugproben alleine sind nur bedingt zur Charakterisierung des Materialverhaltens der Durchkontaktierungen geeignet, da dieses von der Bohrqualität beeinflusst wird. Zudem führen verschiedene Ansätze des plastischen Materialverhaltens zu großen Unterschieden in der Lebensdauerabschätzung. Deshalb wurde ein Lebensdauermodell für die Durchkontaktierung mit verschiedenen Bohrungsqualitäten entwickelt, bei dem zur Approximation des Materialverhaltens eine Kombination aus Zugversuch und Nanoindentation erfolgt, so dass die Fließspannung und Härte des Materials berücksichtigt wird.

Innovative Einbettungstechnologien zur Miniaturisierung und Leistungssteigerung elektronischer Systeme stellte Dincer Sirkeci, Fraunhofer IZM, anhand von Beispielen vor, die am Fraunhofer IZM realisiert wurden.

Mit dem Schlusswort von Prof. Dr. Martin Schneider-Ramelow und einem Ausblick auf die kommenden Veranstaltungen endete die Deutsche IMAPS-Konferenz 2024.

Impressionen von der Ausstellung und den Pausengesprächen

Impressionen von der Ausstellung und den Pausengesprächen
Impressionen von der Ausstellung und den Pausengesprächen
Impressionen von der Ausstellung und den Pausengesprächen

Impressionen von der Ausstellung und den Pausengesprächen

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