Potenziale von selektiv metallbeschichteten Polymerbauelementen für den Aufbau von Mikrosystemen. Prof. H. Kück

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1 Potenziale von selektiv metallbeschichteten Polymerbauelementen für den Aufbau von Mikrosystemen Vortrag von Prof. H. Kück Universität Stuttgart, Institut für Zeitmeßtechnik, Fein- und Mikrotechnik und Hahn-Schickard-Institut für Mikroaufbautechnik Breitscheidstraße 2b, Stuttgart auf dem Europäischen Elektronik Kolleg 17. bis 21. März 2004 Colonia de Sant Jordi, Mallorca

2 Inhalt Einführung Heißpräge-MID-Technik Bleifreie SMD-Montage auf Heißpräge-MID 2K-MID-Technik Laser-MID-Technik Flip-Chip-Montage auf MID MID-basierte Sensoren und Aktoren Zusammenfassung

3 MID - Herstellungsverfahren Einkomponentenspritzguß Zweikomponentenspritzguß Heißprägen Masken belichtungsverfahren Insert Molding Folienhinterspritzen Stanzgitter umspritzen Laser - Direkt - Strukturierung Größte 3D-Gestaltungsfreiheit Feinste Leiterbahnen Einfaches und kostengünstiges Verfahren Etabliertes altes Verfahren

4 Heißpräge-MID-Technik Heißprägestempel Prägefolie Spritzling Werkstückaufnahme 1. Bauteil in Werkstückaufnahme einlegen, Folie zuführen 2. Ausstanzen des Leiterbilds, Aufschmelzen des Kunststoffs geprägte Metallfolie 3. Restfolie entfernen 4. Heißpräge-MID

5 Zugprüfung der Heißprägefolie Spannung in MPa Folie A Folie B Folie C Folie D Dehnung in %

6 Moderne Folienabscheideanlage Quelle: Vipem Hackert

7 Prozesskette der Heißpräge-MID-Technik (Mikroventilsteuerschaltung) Schaltungslayout Heißprägelayout SMD-Bauteile auf MID Heißpräge-MID Prägestempel

8 SMD-Bestückung von Heißpräge-MID mit Prägewulst Abstandshalter Leiterbahn Dosiernadel Thermoplast Wulsthöhen < ~ 80µm sind gut verarbeitbar! schlecht schlecht gut Einfluss des Prägewulst beim Nadeldispensen der Lotpaste gut gut Gefahr des Grabsteineffekt

9 Mikroventil mit elektronischer Schaltung in Heißpräge-MID-Technik Heißpräge-MID Ref.: FESTO, BMBF-Vorhaben IMSIP

10 Automatische Fertigung von Anzeigemodulen mit Heißpräge-MID-Technik Integrierte Herstellung von mechanischen Kontakten SMD-Montage Ausführung mit Schraubbefestigung Quelle: Fa. Moeller GmbH Ausführung mit Klemmbefestigung

11 MID Fertigungslinie (AHMID) Heißpräge- Einheit Kontaktstifte Optische Prüfung Transporteinrichtung Dampfphasen-Löten SMD-Bauteil-Bestücker Dispens-Einheit Dispens-Einheit Quelle: 2E Mechatronik

12 Bleifreie Schalterbaugruppe in Heißpräge-MID-Technik für den Kfz- Innenraum Konventionelle Lösung Leiterplatte, Gehäuserückwand MID-Lösung Quelle: Delphi

13 Voruntersuchungen zum bleifreien Löten Befund der Lötverbindung Quelle: Arden-Verfahrenstechnik

14 3D-Fähigkeit von Heißpräge-MID-Baugruppen Heißpräge-MID-Baugruppe mit Leiterbahnen auf zwei 45 geneigte Ebenen (AHMID) Zweiseitige Heißpräge-MID-Baugruppe mit Freiformflächen und Durchkontaktierungen

15 Sensor für Leuchtweitenregulierung Antrieb und Sensor für verstellbaren Turbolader Quelle: Oechsler AG

16 Zweikomponentenspritzguss - MID-Technik (2-K - MID-Technik) Herstellen eines strukturiert metallisierten MID aus einem metallisierbaren und einem nicht metallisierbaren Kunststoff im Zweikomponenten-Spritzguß Spritzguß 1. Schuß Metallisierbare Komponente Spritzguß 2. Schuß Nichtmetallisierbare Komponente Bemerkung: Katalysieren Metallisieren Dieser Ablauf ist der am häufigsten eingesetzte Ablauf. Es ist auch möglich mit der nicht metallisierbaren Komponente im 1. Schuss zu beginnen

17 Prozessablauf bei der Metallisierung von LCP 1. Unbehandelte Oberfläche: LCP Vectra E 130i LCP Vectra E 820i Pd 3. Außenstromlose Metallabscheidung Kupfer Nickel (Tauchgold) 2. Alkalische Vorbehandlung: Mikroaufrauhung der Oberfläche Freilegen des Katalysators 4. Querschliff: LCP Vectra E 820i Pd - Cu-Ni

18 Modulares 2K-MID-Gehäuse für einen mikrotechnischen Durchflusssensor Ref.: AIF-Vorhaben N

19 Drahtbonds auf 2K-MID 33 µm AlSi1-Draht

20 Zuverlässigkeit des MID-Steckers Übergangswiderstand [mohm] 1 Seckzyklus MID-Stecker unmittelbar nach Beschichtung: Steckzyklen 25 Steckzyklen 50 Steckzyklen Steckzyklen 5 25 x plug cycles MID-Stecker nach 100 Steckzyklen: 0 Muster 1 Muster 2 Muster 3 Muster 4 Muster 5

21 Mikrodosiersystem in 2K-MID-Technik 65 mm, ø 9mm Realisiertes 2K-MID Im Betrieb steht immer Flüssigkeit am Fluidoutput an. Nach Ausschalten fließt keine weitere Flüssigkeit nach. Quelle: HSG-IMIT, HERAEUS

22 Modul Carrier für Innenohrhörgerät in 2K-Technik 2K-MID (LCP mit eingelegter Metallfeder Quelle: Buss Werkstofftechnik

23 Laser-basierte MID Technik am HSG-IMAT Voll subtraktiv: Semi additiv: Voll additiv: außenstromlose Metallbeschichtung des Kunststoffbauteils, Strukturierung (LCP mit Cu-NiP-Au) der Metallschicht durch Laserablation Herstellung einer Metallstartschicht (außenstromlos chemisch, PVD- Technik), Strukturierung der Startschicht durch Laserablation, außenstromlos chemische oder galvanische Verstärkung Laseraktivierung eines speziellen Polymerwerkstoffs, außenstromlos chemische Abscheidung (LDS-Verfahren von LPKF), verfügbare Werkstoffe (PA, PBT, PP,LCP)

24 Ablative Strukturierung der Metallisierung Prozesskette: 1K-Spritzling 50 µm Außenstromlose Metallisierung Cu/Ni/Au Laserablation Reinigung Leiterbahnbreite: 80 µm Isolationsbreite: 20 µm

25 Strukturierung einer Startschicht mit Nachverstärkung Prozesskette 1K-Spritzling (nicht kernkatalytisch) PVD Cu oder chemisch Cu Laserablation Reinigung 250 µm Nachverstärkung durch außenstromlose Metallisierung Ni/Au Hohe Strukturierungsgeschwindigkeit Geringere thermische Belastung des Substrats Minimaler Kunststoffabtrag auch bei rauen Substraten Flanken mit Oberflächenfinish 50 µm

26 Laser-Direkt-Strukturierung mit UV-Laser Prozesskette 1K-Spritzling aus laseraktivierbarem Thermoplast Aktivierung mit UV-Laser 200 µm Cu auf PBT-MID Leiterbahnbreite: 100 µm Isolationsbreite: 100 µm Reinigung Außenstromlose Metallisierung Cu/Ni/Au Aktivierung von Flächen durch Abscannen (Füllen) PBT-MID laseraktiviert

27 Beispiele für 3D-Strukturierung mit Lasertechnik 1 mm Strukturierung über Kante (voll additiv) 2 mm Strukturierung über Außenkante (voll subtraktiv) 1 mm 180 Strukturierung über Kante (voll subtraktiv) 1 mm Strukturierung einer Innenfläche (voll subtraktiv) Quelle: MIDEE

28 Gehäuse für intrakardiale Pumpe mit integriertem Drucksensor Im Pumpengehäuse befindet sich ein piezoresistiver Si- Drucksensor, der den Druckabfall über dem Rotor misst. Mit Hilfe des Drucksignals kann der Arzt die Fördermenge einstellen und die Positionierung prüfen. Herzpumpe mit Sensoraufnahme und Drucksensor BMBF-Verbundprojekt HIM

29 Braille Display C C R 10 x R Quelle: METEC AG Ansicht vorne HVGND HV200 Steckkontakte Chip HV-Chip Piezohalterungen Referenzkapazität Sensorstruktur

30 Mustersensorfläche: 4-er Sensor-Testfeld 12,3mm Anschlußpads 32,8mm Loch Loch : 1,3mm Stift : 1,2mm

31 CMOS- Kamerasystem für Mobiltelefone und Armbanduhren aufgebaut in Laser-MID-Technik (Quelle: Matsushita Electric Works, Panasonic)

32 Leistungshalbleitermodul in voll additiver Laser-MID-Technik PBT - MID AL-Drahtbondtechnik für Logik- und Powerkeramiksubstrat Copyright MIDEE Eberhard Leipe 2002 / 2003 Copyright MIDEE Eberhard Leipe 2002 / 2003 Copyright MIDEE Eberhard Leipe 2002 / 2003 LDS-MID Power-Ebene Power-Ebene Advanced MID-services Knowledge for Leadership - we know how!

33 Präzise Formeinsätze (aus ) mit µecm W.L. Gore & Associates

34 Mikrobauteil aus LCP-MID nach UV-Laseraktivierung mit Metallbeschichtung W.L. Gore & Associates

35 Flip-Chip-Technik auf MID mit Klebeprozessen Nichtleitender Klebstoff (NCA) Flipchip Au - Stud Flipchip Ni/Au - Bump NCA flaches Substrat NCA Substrat mit MID - Studs

36 Flache Flip-Chip-Substrate in voll subtraktiver Laser-MID-Technik Metallisierung: chemisch außenstromlos 5 µm Cu, 4 µm NiP und 0,1 µm Au flaches MID - Substrat (Pitch: 200 µm) Unterseite Testchip (Pitch: 200 µm) 1mm 500 µm Pitch [µm] Chipabmessungen [mm²] 1,2 x 2,8 1,6 x 2,8 2,0 x 2,8 Anzahl Kontakte

37 MID-Studs (Cu/Ni/Au auf LCP) 100 µm width of metal lines: 180 µm width of spaces: 20 µm

38 NCA und Chips mit Au-Studs auf flachen Substraten Pitch [µm]: R [mω]: 6,9? 4,2 7,4? 4,0 R min [mω]: 0,2 2,1 R max [mω]: 20,5 17,2 R [mw] 50 µm TST (-40/125 C) Zyklen Keine Ausfälle! R [mw] FWT (85 C/85%rF) Stunden

39 NCA und Chips mit Ni/Au-Bumps auf MID-Studs Pitch [µm]: R [mω]: 6,4? 6,7 12,9? 5,7 R min [mω]: 2,4 4,0 R max [mω]: 31,1 28,6 R [mw] 75 µm TST (-40/125 C) Zyklen Keine Ausfälle! R [mw] FWT (85 C/85%rF) Stunden

40 Beschleunigungssensor in MID-Technik Stecker ASIC Federn Seismische Masse Kamm-Elektroden Leiterbahnen Draufsicht Globtop Clips Deckel Deckel Seitenansicht Metallisierter Kunststoff Nicht metallisierter Kunststoff

41 MID-Beschleunigungssensor + Grundplatte = Seismische Masse Aufgebauter Sensor (1. Generation) Aufgebauter Sensor (2. Generation)

42 Feinwerktechnischer kapazitiver Neigungssensor (als Vorstufe eines MID-basierten Sensors) Messprinzip Gehäuse mit Elektroden Schematischer Aufbau des Demonstrators Seitenteil Metall- Pendel Gehäuse Pendel Leiterplatte Seitenteil Leiterplatte Abstandshalter

43 Messergebnisse des Neigungssensors Winkel-Zeit-Diagramm pv1_a1_zeit Ausgangssignal pv1a1-100 Winkel [ ] Winkel [ ] Zeit [s] Zeit [s] Spannung [V] Sensor [V] a1 a5 a10 a100 Ausgleichsgerade winkel [ ] Winkel [ ]

44 Elektrostatisches Miniaturventil in MID-Technik R P A Aktor Feder Seitenansicht Deckel Elektroden Boden Frontansicht Demonstrator aus Messing Abmessungen: 24 mm x 20 mm x 5 mm Kammelektrode mit 33 Einzelelektroden Druck: 10 bar BMBF-Vorhaben: IMSIP

45 Elektrostatisches Miniaturventil in MID-Technik Dichtungen Deckel Aktor Feder Spritzgegossene und metallisierte Teile Boden

46 Zusammenfassung MID sind hervorragend für den Aufbau von miniaturisierten Systemen und Mikrosystemen geeignet (mikrofluidische, mikromechanische, optische, elektronische,... Baugruppen) Elektromechanische Wandler können in MID integriert werden (Beschleunigungsaufnehmer, Neigungssensoren, Ventile,... ) MID-Technik bietet ein großes Potenzial für die wirtschaftliche Herstellung von High Performance Systemen durch hohen Integrationsgrad, kostengünstige Werkstoffe und Recyclebarkeit.