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Mittwoch, 22 Dezember 2021 10:59

Substitution metallischer Gehäuse

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Geschätzte Lesezeit: 4 - 7 Minuten
Abb. 1: Demonstrator für Board Level Packaging [1] Abb. 1: Demonstrator für Board Level Packaging [1]

Elektronische Baugruppen werden in der Industrietechnik oder der Kraftfahrzeugtechnik häufig unter rauen Umgebungsbedingungen betrieben und müssen daher vor Umwelteinflüssen geschützt werden. Duroplastverkapselung elektronischer Baugruppen bietet eine Alternative zum metallischen Gehäuse.

Zu den Umwelteinflüssen, denen die Baugruppen ausgesetzt sind, zählen neben extremen Umgebungstemperaturen auch aggressive Medien. Das Eindringen von Medien bedingt durch Alterung oder Korrosion des Gehäuses kann zu Ausfällen elektronischer Baugruppen führen. Durch eine hermetische Kapselung kann die Einwirkung von Medien und die damit verbundene Schädigung unterbunden werden.

Metallische Gehäuse ermöglichen zwar eine hermetische Kapselung, das ist aber mit hohen Kosten verbunden. Kunststoffgehäuse stellen eine kostengünstige Alternative dar, erfordern allerdings auch eine genaue Bewertung von Zuverlässigkeitsaspekten in Bezug auf eine gegebene Anwendung.

Bei der Verkapselung elektronischer Baugruppen werden nach dem Stand der Technik Duroplaste eingesetzt. In der Regel werden bei der Herstellung standardisierter Chipgehäuse Moldmassen auf Basis von Epoxidharzen verwendet, die durch Transfer Molding verarbeitet werden. Da die Packaging-Dienstleister überwiegend in Asien angesiedelt sind, ist die Verfügbarkeit für den Transfer Molding-Prozess in Europa eingeschränkt. Dies gilt im Besonderen für Anwendungen mit kleinen und mittleren Stückzahlen.

Im Bereich des Second Level Packaging kann die Duroplastverkapselung auch zur Einhausung kompletter Baugruppen angewendet werden. Transfer Molding stellt über die Einhausung von Einzelchips hinaus auch eine Lösung für das Second Level Packaging dar. Der Prozess ist im Electronic Packaging gut etabliert, aber mit dem Einsatz hochreiner und damit teurer Moldmassen verbunden und in Europa wenig verbreitet.

Neben dem Transfer Molding kann potentiell auch das Spritzgießen von Duroplasten eine Lösung für das Second Level Packaging bieten. Das Spritzgießen ist in Europa ein verbreiteter Prozess für die Verarbeitung von Thermoplasten. Auch der Einsatz des Spritzgießens bei der Duroplastverarbeitung ist wieder im Kommen.

Das Spritzgießen von Duroplasten ist in der Elektronik weniger etabliert als das Transfer Molding, allerdings stehen kostengünstigere Materialien für den Duroplastspritzguss zur Verfügung, so dass eine Prüfung der Eignung dieser Materialien für das Second Level Packaging von Interesse ist. Bei der Verkapselung kompletter Baugruppen ist eine Reihe von Herausforderungen zu meistern.

Einerseits ist der Aufbau kompletter Baugruppen komplexer als bei Gehäusen für Einzelchips und lässt sich zudem kaum standardisieren. Die Zuverlässigkeit unter relevanten Umgebungsbedingungen muss somit für jede Anwendung individuell abgesichert werden. Andererseits stellt auch die periphere Kontaktierung von mediendicht verkapselten Baugruppen eine Herausforderung dar.

Second Level Packaging durch Duroplastspritzgießen

Die Eignung des Duroplastspritzgießens zum Board-Level-Packaging wurde bei Hahn-Schickard anhand eines Demonstrators validiert (Abb. 1) [1]. Dafür wurden verschiedene Bauelement-Typen (u. a. CR, CC, MLF, TSSOP, BGA und ElKo) auf einer Leiterplatte montiert und durch Duroplastspritzguss eingehaust. Verkapselte und unverkapselte Baugruppen wurden Temperaturschocktests bei den Temperaturniveaus +150 °C and -40 °C mit einer Haltezeit von je 15 min unterzogen [2]. Abbildung 2 zeigt bespielhaft das Ergebnis der End-of-Life-Tests für zwei Bauelement-Typen (CR1206 und MLF28).

Abb. 2: Verhalten verschiedener Bauelement-Typen beim Temperaturschock-Test, a) Keramikwiderstände vom Typ CR1206, b) Chipgehäuse vom Typ MLF28, E: verkapselt, O: nicht verkapselt [2]Abb. 2: Verhalten verschiedener Bauelement-Typen beim Temperaturschock-Test, a) Keramikwiderstände vom Typ CR1206, b) Chipgehäuse vom Typ MLF28, E: verkapselt, O: nicht verkapselt [2]

Für beide Bauelement-Typen wurde jeweils die Ausfallwahrscheinlichkeit für verkapselte und nicht verkapselte Baugruppen ermittelt. Dabei fällt auf, dass die Duroplastverkapselung bei den Keramikwiderständen zu einer Erhöhung der Lebensdauer im Vergleich zu unverkapselten Baugruppen führt, bei MLF-Gehäusen hingegen zu einer Erniedrigung der Lebensdauer. Dieses Ergebnis belegt, dass die bei einer spezifischen Anwendung eingesetzten Bauelementtypen individuell betrachtet werden müssen. Bei der Absicherung der Lebensdauer können neben experimentellen Zuverlässigkeitsuntersuchungen auch Simulationsmethoden sinnvoll eingesetzt werden [3].

Funktionalisierung von Packages

Abb. 3: Demonstrator für das Dichtumspritzen von Steckern [5]Abb. 3: Demonstrator für das Dichtumspritzen von Steckern [5]In der Regel dient die Verkapselung durch Duroplaste lediglich der Realisierung der Gehäusefunktion. Darüber hinaus ist es jedoch möglich, die Oberfläche von Packages zur Funktionalisierung zu nutzen und somit die Integrationsdichte zu erhöhen [4]. Dazu kann eine Prozesskette eingesetzt werden, bei der sich an den Moldprozess die Schritte Laserstrukturierung, Aktivierung, Spülen und außenstromlos chemische Metallisierung anschließen. Die Laserstrukturierung ermöglicht aufgrund der Aufrauhung eine selektive Metallisierung, ohne dass die verwendeten Duroplaste spezielle Additive enthalten müssen. Für die Aktivierung stehen kommerzielle Systeme auf Palladium-Basis zur Verfügung. Zum Nachweis des Potentials dieser Technologie wurde bei Hahn-Schickard in Zusammenarbeit mit dem Projektpartner FAPS ein Demonstrator aufgebaut, der mit Leiterbahnen auf dem duroplastischen Gehäuse sowie mit Vias zur Ankontaktierung des eingebetteten Chips ausgestattet ist (Abb. 3) [4]. Mit der gleichen Technologie können auch weitere Funktionen wie z. B. Antennen realisiert werden.

Dichtumspritzen von Steckern zur peripheren Kontaktierung

Für die elektrische Ankontaktierung von Systemen mit externen Quellen werden zuverlässige Lösungen benötigt. Einen möglichen Ansatz dafür stellt das Dichtumspritzen von Steckern dar. Die Eignung dieses Ansatzes wurde bei Hahn-Schickard durch einen Demonstrator evaluiert, bei dem eine Leiterplatte mit Kontaktierungselementen bestückt und durch Duroplastspritzguss in einem Prozessschritt verkapselt worden ist (Abb. 4) [5].

Die verkapselten Bauteile wurden einem Temperaturschocktest unterzogen und im Feuchte-Wärme-Schrank eingelagert. Die Haltetemperaturen beim Temperaturschocktest betrugen dabei -40 °C und +150 °C, die Wechselzeit 10 s und die Haltezeit pro Halbzyklus 15 min. Insgesamt wurden 1000 Temperaturwechselzyklen durchgeführt. Alle Bauteile haben den anschließenden elektrischen Funktionstest bestanden. Somit wurde gezeigt, dass die Kombination der Spritzgusstechnologie mit der Elektronikverkapselung durch duroplastische Formmassen die vollständige Verkapselung der Leiterplatten und der Steckverbinder in einem Prozessschritt ermöglicht [5].

Schlussfolgerungen & Danksagung

Abb. 4: Demonstrator für das Dichtumspritzen von Steckern [5]Abb. 4: Demonstrator für das Dichtumspritzen von Steckern [5]Die prinzipielle Eignung des Duroplastspritzgießens zur Verkapselung kompletter elektronischer Baugruppen (Second Level Packaging) wurde aufgezeigt. Für konkrete Anwendungen sind die Auswirkungen der Verkapselung auf die Lebensdauer in Bezug auf die verwendeten Bauelement-Typen zu beachten. Bei der Zuverlässigkeitsabsicherung können Simulationsmethoden einen Beitrag leisten.

Die Oberfläche von Packages kann durch das Aufbringen von Leiterbahnen oder Antennen funktionalisiert werden. Durchkontaktierungen zum darunterliegenden Package sind möglich.

Die Nutzung des Duroplastspritzgießens ermöglicht die Verkapselung von Leiterplatten und das Umspritzen von Steckverbindern in einem Prozessschritt.

Die IGF-Vorhaben 18253 N, 19758 N und 20288 N der Forschungsvereinigung Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e. V. wurden über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Referenzen:

[1] R. Kulkarni; P. Wappler; M. Soltani; M. Haybat; T. Günther; T. Grözinger; A. Zimmermann: An Assessment of Thermoset Injection Molding for Thin-Walled Conformal Encapsulation of Board-Level Electronic Packages, Journal of Manufacturing and Materials Processing, 3, 1, 18 (2019)
[2] R. Kulkarni; M. Soltani; P. Wappler; T. Günther; K.-P. Fritz; T. Grözinger; A. Zimmermann: Reliability Study of Electronic Components on Board-Level Packages Encapsulated by Thermoset Injection Molding, Journal of Manufacturing and Materials Processing, 4, 1, 26 (2020)
[3] R. Kulkarni; M. Soltani; S. Krafft; T. Groezinger; A. Zimmermann: Coupled simulations for lifetime prediction of board level packages encapsulated by thermoset injection moulding based on the Coffin-Manson relation, Microelectronics Reliability, 114, 113813 (2020)
[4] S. Petillon; F. Häußler; S. Weser; M. Haybat; W. Eberhardt; J. Franke; A. Zimmermann: 3D Conductive Tracks on Thermoset Packages for Advanced System Integration, International Congress Molded Interconnect Devices 14, 570–594 (2021)
[5] Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e. V., Integration von elektrischen Ankontaktierungen und Steckern im duroplastischen Verkapselungsgehäuse als 1-Shot-Prozess (DuroConnect), IGF-Vorhaben 20288 N

Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e. V.

Allmandring 9b, 70569 Stuttgart

Romit Kulkarni, Tel. +49 711 685-84780, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! (Second Level Packaging)
Simon Petillon, Tel. +49 711 685-83772, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! (Funktionalisierung von Packages)
Mehmet Haybat, Tel. +49 711 685-84809, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! (Dichtumspritzen)

 

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 12
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Romit Kulkarni, Simon Petillon, Mehmet Haybat, Tobias Grözinger, Andrea Knöller, Serhat Sahakalkan, Thomas Günther, Karl-Peter Fritz, Wolfgang Eberhardt, André Zimmermann

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