Chipmontage auf MID (Molded Interconnect Device) – Ein Weg zu ...

T e c h n o l o g i eDr. Werner HunzikerChipmontage auf MID (Molded Interconnect Device) –Ein Weg zu Chipmodulen höherer FunktionalitätDie MID (Molded Interconnect Device) – Technologieerlaubt die Erzeugung von nichtplanaren Chipmontagesubstraten.Diese können nicht nur als mehrdimensionaleChipträger agieren, sondern auch noch weitereFunktionen beinhalten, und z.B. einen direkten Bestandteildes Gehäuses oder Steckers darstellen. Fürdie Chipmontage auf diese speziell geformten Kunststoffträgerwerden nun, basierend auf den Technikenfür planare Substrate, Prozesse entwickelt, welcheeine industrielle Chipbestückung der MID für verschiedensteAnwendungen erlauben. Damit lassen sichz.B. aus einem Teil anwendungsspezifische, kompakteSensormodule realisieren, welche den Messwertaufnehmeran einer räumlich geeigneten Stelle fixierenund gleichzeitig Zuleitungen und Interface zum Gesamtsystembeinhalten.HARTING tec.News 13-I-2005

MIDsMolded Interconnect Devices (MIDs) sind spritzgegosseneKunststoffteile, welche elektrische Leiterbahnentragen. Sie stellen somit eine Art dreidimensionale Leiterplattendar. Elektrische Verbindungen können dabei„um die Ecke“ führen, und Bauteile können in verschiedenenRaumrichtungen angeordnet werden. Neben dieserRaumausnutzung können durch die Spritzgussform weitereFunktionen erzeugt werden, so kann es z.B. direktTeil des Gehäuses sein, spezielle geometrische Formen,wie Vertiefungen, Kanäle, Öffnungen, etc. z.B. für Messwertaufnehmerkönnen direkt integriert werden, wieauch Ankontaktierungen, Justiernocken oder Montagehilfenfür die nächste Verpackungsstufe.Als Grundkörper finden diverse Kunststoffe wie PBT, PPund LCP Verwendung.Zur Erzeugung feiner dreidimensionaler Leiterbahnenwerden im Wesentlichen drei Verfahren angewendet:LDS (Laser Direct Structuring), LSS (Laser SubtractiveStructuring) und zwei Komponenten (2K)-Spritzguss.Beim LDS wird der mit einem Metallkomplex verseheneKunststoff mit einem Laser beschrieben. Dies führt zueiner örtlichen Aktivierung des Metallkomplexes, wosich der Kunststoff anschließend in chemischen Bädernmetallisieren lässt.Beim LSS-Verfahren wird zuerst die gesamte Kunststoffoberflächechemisch aktiviert und metallisiert. DieStukturierung erfolgt dann durch Laserablation und/oder Belichtung mit anschließenden Ätzprozessen, umdie Leiterbahnen zu trennen. Dies stellt somit einen subtraktivenProzess dar.Beim 2K-Spritzguss werden in einem zweistufigen Spritzverfahrenzwei verschiedene Kunststoffe so ineinandergespritzt, dass an der Oberfläche das Leiterbahnmusteraus den zwei Komponenten entsteht. Werden ein chemischgut metallisierbarer und ein „inerter“ Kunststoffverwendet, erzeugt die chemische Metallabscheidungdirekt die entsprechende Leiterbahnstruktur. Eine Laserstrukturierungjedes einzelnen Teiles erübrigt sich.Die Abbildung eines solchen im LDS-Verfahren hergestelltenMID-Teiles mit verschiedenen nichtplanarenLeiterbahnen und elektrischen Durchkontaktierungenim Größenvergleich mit einem Streichholz findet sich imvorgehenden Artikel auf Seite 16.CHIPMONTAGETECHNIKENDie Chipmontage beinhaltet die mechanische und elektrischeVerbindung des ursprünglichen, noch ungeschütztenSilizium (Si)-Chips zu einem Gehäuse oder einemMontagesubstrat, inklusive einem ersten Schutz gegenverschiedene Umwelteinflüsse. Die ursprünglichen Montagetechnikenwurden entwickelt, um einzelne Chipsin stabilen Gehäusen zu verpacken. Der Druck hin zugrößeren Packungsdichten, d. h. kleinerem Platzbedarf,führte zur Entwicklung einer Vielzahl von verschiedenenChipmontagetechniken im Bereich Flip-Chip. Abbildung1 gibt eine Kurzübersicht über die heute hauptsächlicheingesetzten Techniken. Die Hauptunterschiede zwischenDrahtbonden und Flip-Chip liegen im Platzbedarf,Prozessablauf sowie in den Stabilitätsanforderungen. DasDrahtbonden braucht durch die nach außen geführtenDrähte und den Glob Top viel Platz, weist einen sequentiellenVerbindungsprozess jedes einzelnen Anschlussesauf und zeigt eine gute Stabilität durch die „beweglichen“elektrischen Drahtverbindungen. Hauptvorteil der Flip-Chip-Prozesse ist die Platzersparnis und die paralleleVerbindung aller Anschlüsse in einem Schritt.Für die Chipmontage auf MIDs werden bei harting momentandie zwei in Abbildung 1 hervorgehobenen undanschließend beschriebenen Technologien entwickeltund angewendet. Das Drahtbonden stellt einerseits dieauf planaren Substraten etablierteste Technik dar. Andererseitsbietet es den Vorteil einer hohen Flexibilitätbzgl. verschiedener Chips, welche alle ohne Zusatzprozessedrahtbondbar sind, sowie größere Freiheiten beimSubstratlayout durch die variable Position und Länge derDrahtverbindungen. Die Verwendung eines Klebeprozessesbei Flip-Chip-Montagen liegt primär darin begründet,dass in vielen Fällen das MID-Bauteil selbst in einemspäteren Montageschritt noch bleifrei verlötet werdensoll, und noch höhere Löttemperaturen zur Erzielungeiner Löthierarchie auf dem MID durch die maximalenTemperaturen der verwendeten Kunststoffe nicht möglichsind.HARTING tec.News 13-I-2005

ChipmontagetechnikenDrahtbondenFlip-ChipThermosonicBonden (TS)UltraschallBonden (US)KlebenIsotrop leitenderKlebstoff (ICA)Anisotrop leitenderKlebstoff (ACA)LötenBleihaltiges Lot mit/ohne FlussmittelBleifreies Lot mit/ohne FlussmittelNichtleitenderKlebstoff (NCA)Abb. 1: Kurzübersicht über Chipmontageverfahren;hervorgehoben sind die hier für die MID-Bestückung näher beschriebenen ProzesseDRAHTBONDENBeim Drahtbondprozess werden die Chipanschlusspadsdes auf das Substrat geklebten Chips mit einem sehr feinenMetalldraht (meist Au oder Al mit Durchmessern imBereich 25-70 µm) mit den Leiterbahnen auf dem Substratverbunden. Diese Verbindungen erfolgen durch lokalesVerschweißen des Drahtes mit der darunterliegendenMetallisierung. Die erforderliche Energie wird entwederrein durch Ultraschallschwingungen des Bondtools (US-Verfahren), oder noch durch zusätzliche Erwärmung (TS-Verfahren) eingebracht. Während sich Al-Drähte rein mitUltraschall bei Raumtemperatur bonden lassen, sind fürAu-Drähte Temperaturen von über 100 °C erforderlich,was den Einsatz auf den Kunststoffsubstraten durch ihreschlechte Wärmeleitung und leichtere Verformbarkeitbei höheren Temperaturen erschwert.Die Übertragung des auf planaren Substraten etabliertenDrahtbondprozesses auf MID-Teile zeigt sich im Wesentlichenin zwei Punkten als kritisch. Um eine gute Bondbarkeitzu erreichen, sind eine gute Ultraschallübertragungund nicht zu raue Metallschichten erforderlich.Die gute Ultraschalleinbringung erfordert eine ‚harte’Auflage des Bondtools. Dazu bedarf es einerseits einerguten Fixierung des Bauteiles selbst, was bei diesenmeist kleinen MID-Bauteilen zu recht aufwendigen Halterungenführen kann. Andererseits wird eine genügendeSteifigkeit des Bauteiles selbst benötigt, was durchdie Art des verwendeten Kunststoffes, das Layout unddie Metallisierung beeinflusst wird.Die Forderung nach glatten Metallschichten steht imWiderspruch zur guten Haftung der Metallschicht aufder Kunststoffoberfläche. Nur eine gewisse Rauigkeitgarantiert eine genügende Haftfestigkeit. Außerdemführen die verschiedenen Metallisierungsverfahren zuunterschiedlich rauen Oberflächen. LDS-Schichten sindmomentan noch kaum industriell bondbar, jedoch werdendurch Variation von Laserparametern und Metallisierunglaufend starke Verbesserungen erzielt. Beim 2K-

Abb. 2: Testchip gebondet mit 33 µm dickem Al-Drahtauf metallisiertes MID-Substratund LSS-Verfahren wird der entsprechende Kunststoffdirekt chemisch aktiviert und metallisiert, was die Erzeugungbondbarer Schichten mit genügend kleiner Rauigkeiterlaubt. Abbildung 2 zeigt einen Testchip, welcherauf ein derart metallisiertes MID-Substrat geklebt undanschließend mit dem US-Verfahren mit 33 µm dickemAl-Draht gebondet wurde.Beim Drahtbonden bringt die Verwendung von Spritzgussteilenals Montagesubstrate auch Vorteile, wie dasBeispiel in Abbildung 3 demonstriert. Es können z.B.einfach Kavitäten erzeugt werden, in welchen die Chipsmechanisch gut geschützt sind und der Glob Top einfachund platzsparend aufgebracht werden kann. Glob Top istdas Vergussmaterial, mit welchem Chip und Bonddrähteeingegossen werden, um diese zu stabilisieren und zuschützen. Bei planaren Substraten ist dazu häufig einZweischrittverfahren notwendig, bei dem um den Chipherum zuerst ein Damm aufgebracht wird, welcher danndas weite Zerfließen des über den Chip und Drähte verteiltenGlob Tops verhindert.NCA-FLIP-CHIPBei den Flip-Chip-Techniken wird der Chip umgedreht,und die dann auf der Unterseite liegenden elektrischenAnschlüsse direkt mit den geometrisch korrespondierendenLeiterbahnen verbunden. Die mechanische Befestigungmuss somit im gleichen räumlichen Bereich wiedie elektrischen Verbindungen erfolgen. Bei den meistenVerfahren (Löten und ICA = Isotropic Conductive Adhesive,isotrop leitender Klebstoff) erfolgen die beiden Schrittegetrennt, indem zuerst die elektrischen Verbindungendurch kleine Hügel aus Lot oder leitfähigem Kleber erzeugtund im Prozess (löten oder aushärten) die Kontaktehergestellt werden. Im zweiten Schritt werden dann Chipund Anschlüsse mit einem Underfill noch mechanischstabilisiert und geschützt. Beim ACA- und NCA-Prozess(ACA = Anisoptropic Conductive Adhesive, Anisotropleitender Klebstoff und NCA = NonConductive Adhesive,Nichtleitender Klebstoff) sind diese zwei Schritte ineinem vereint, indem der auf der gesamten Chipflächeaufgebrachte Kleber beim Aushärteprozess beide Funktionenerzeugt. In beiden Fällen sind elektrische leitendeErhöhungen (Bumps) auf den Chippads und/oder den Leiterbahnennotwendig, um die elektrische Kontaktierungzu gewährleisten. Beim ACA-Prozess enthält der Kleberwenige leitfähige Partikel, welche nur dort zu einer leitfähigenVerbindung führen, wo sie beim Montageprozessdurch die Bumps ‚eingeklemmt’ werden. Der NCA ist einelektrisch nicht leitender Kleber, welcher beim Aushärtenmit Druck und Wärme den direkten mechanischenund elektrischen Kontakt der Bumps zur Gegenmetallisierunggewährleistet.Abb. 3: Drahtgebondeter Chip in der Vertiefungeines Spritzgussteils, welches gleichzeitig noch Justierhilfen(Noppen links) für weitere Montageschritte aufweistAbb. 4: Si-Testchip mit Au Stud-Bumps auf AnschlusspadsHARTING tec.News 13-I-2005

Abb. 6: Querschliff durch Flip-Chip montierten Chipin MID-Mulde mit elektrischen ZuleitungenFür die NCA-Flip-Chip-Montage auf den MID-Substratenwerden Chips verwendet, welche mit so genanntenAu Stud-Bumps versehen sind. Letztere werden mittelseines Standard Au-Drahtbondprozesses erzeugt, indemder Draht nach dem Setzen des ersten Bonds gleich abgeschnittenwird. In einem zweiten Schritt werden alleDrahtstücke auf gleiche Höhe gedrückt. Abbildung 4zeigt einen Testchip schräg von der Seite, auf welchemdie Anschlusspads mit solchen Stud-Bumps versehensind.Abb. 5: Mit NCA-Prozess-Flip-Chip montierter IC in MID-Muldemit nichtplanaren elektrischen ZuleitungenAuf dem MID-Substrat werden Leiterbahnen erzeugt,welche unter dem Chip zu den entsprechenden Anschlusspadsführen. Diese können auf MIDs auch in Muldenhinein oder um Kanten herumführen, so dass Chips versenktoder räumlich dreidimensional angeordnet werdenkönnen. Abbildung 5 zeigt eine solche Flip-Chip-Montage,bei welcher der Chip in einer Mulde liegt und überdie Seitenwände elektrisch kontaktiert ist.Der NCA-Montageprozess hat den Vorteil eines einstufigenProzesses: Kontaktierung, Fixierung und ersterSchutz in einem Schritt. Nach dem Aufbringen des Klebersan der Chipposition wird der umgedrehte Chip soin den Kleber gedrückt, dass die Stud-Bumps auf dieentsprechenden Leiterbahnen gepresst werden und denelektrischen Kontakt erzeugen. Unter Aufrechterhaltungdes Drucks und Temperaturen im Bereich 150-200°C härtet der Kleber je nach Typ innerhalb von 10-30Sekunden aus. Die bei der Aushärtung auftretendenSchrumpfkräfte bewirken sowohl eine stabile elektrischeals auch eine mechanische Verbindung des Chips.Des Weiteren ist auch die bereits nach unten gerichteteChipoberfläche eingegossen und somit geschützt. Abbildung6 zeigt einen Querschliff durch einen so montiertenChip in einer Mulde. Die auf den Chippads aufgebrachtenAu Stud-Bumps sind auf die auf dem MID mit demLDS-Verfahren erzeugten Leiterbahnen aufgedrückt undzusammen mit dem Chip durch den Kleber fixiert.FAZITDie MID-Technologie zur Herstellung nichtplanarer Bauteilträgermit beinahe beliebig geformten elektrischenLeiterbahnen hat sich in den letzten Jahren in vielen Bereichendes großen Anwendungsfeldes der Sensortechnikeinen Platz geschaffen. Mit der Bereitstellung vonChipmontagetechniken für Nacktchips direkt auf MID-Substraten erweitert sich der Anwendungsbereich dieserneuen Technologie weiter. Sensoren können Platz sparendund häufig näher an der Messstelle platziert werdenund die Packungsdichte von Chips in dreidimensionalerAnordung kann weiter erhöht werden. Mit der laufendenErweiterung von Montageprozessen auf MID-Substratenkomplettiert harting weiter den gesamten MID-Prozessvom Design zum Endprodukt.Dr. Werner Hunzikerwww.HARTING-Mitronics.commit@HARTING.com

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