Miniaturisierung: Mikro-Mechatronik und Mikrosystemtechnik

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1 Miniaturisierung: Mikro-Mechatronik und Mikrosystemtechnik Autoren: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Herbert Reichl Dr.-Ing Frank Ansorge Fraunhofer Institut Zuverlässigkeit und Mikrointegration Gustav-Meyer-Allee Berlin Telefon: +49 (0) / Telefax: +49 (0) / ansorge@mmz.izm.fraunhofer.de Internet: Zusammenfassung Stand: 17. März 2009 Seite 1 (12) Die Mechatronik ist definiert als die Kombination von mechanischer, elektronischer und softwareverarbeitender Funktionalität in einem System. Der Entwurf solcher Systeme erfordert eine synergistische Verknüpfung der Entwurfswerkzeuge der einzelnen Disziplinen hin zu einer mechatronischen Entwurfsumgebung. Gegenwärtig findet diese Verknüpfung mehr durch die beteiligten Entwurfsingenieure, als auf Toolebene statt. Das Fraunhofer IZM verfolgt dabei den Ansatz, die CAD/CAE Werkzeuge nicht etwa neu zu entwickeln, als vielmehr vorhandene Schnittstellen zu nutzen und Erweiterungen in Form von kleinen Konvertern zu implementieren, um eine Vernetzung der Werkzeuge untereinander zu erreichen. Hier werden zum einen geometrische Informationen zwischen mechanischem und elektrischem Entwurf ausgetauscht um die Geometrie des elektrischen Subsystems dem gegebenen Bauraum anzupassen. Zum anderen ist es wichtig, dass neben den rein geometrischen Daten, für die bereits eine Vielzahl möglicher Datenformate existieren, auch Modelleigenschaften in Form von Materialdaten ausgetauscht werden können. Notwendig ist dieses, um an die Entwurfswerkzeuge angeschlossene Simulatoren mit einbinden zu können.

2 Mikro-Mechatronik und Mikrosystemtechnik Seite 2 (12) Mechatronischer Entwurfablauf & Möglichkeiten des simultaneous engineering Mechatronischer Entwurfsansatz Die Mechatronik ist definiert als die Kombination von mechanischer, elektronischer und softwareverarbeitender Funktionalität in einem System. Der Entwurf solcher, mechatronischer Systeme, wie es zum Beispiel durch einen Roboter gegeben ist, erfordert eine synergistische Verknüpfung der Entwurfswerkzeuge der einzelnen Disziplinen hin zu einer mechatronischen Entwurfsumgebung. Gegenwärtig findet diese Verknüpfung mehr durch die beteiligten Entwurfsingenieure, als auf Toolebene statt. Das Fraunhofer IZM verfolgt dabei den Ansatz, die CAD/CAE Werkzeuge nicht etwa neu zu entwickeln, als vielmehr vorhandene Schnittstellen zu nutzen und Erweiterungen in Form von kleinen Konvertern zu implementieren, um eine Vernetzung der Werkzeuge untereinander zu erreichen. Hier werden zum einen geometrische Informationen zwischen mechanischem und elektrischem Entwurf ausgetauscht um die Geometrie des elektrischen Subsystems dem gegebenen Bauraum anzupassen. Zum anderen ist es wichtig, dass neben den rein geometrischen Daten, für die bereits eine Vielzahl möglicher Datenformate existieren, auch Modelleigenschaften in Form von Materialdaten ausgetauscht werden können. Notwendig ist dieses, um an die Entwurfswerkzeuge angeschlossene Simulatoren mit einbinden zu können. Die Integration von Werkzeugen zum Rapid Prototyping, wie z.b. CNC-Bearbeitung und Stereolithografie runden den Entwurfsablauf ab. Bild 1: Mechatronic Design Procedure

3 Mikro-Mechatronik und Mikrosystemtechnik Seite 3 (12) Funktionales Rapid Prototyping Funktionales Rapid Prototyping ist eine der Schlüsselkomponenten, sehr schnell geometrische Daten anhand eines realen Modells überprüfen zu können. Im konventionellen Verfahren werden aus einem Photopolymer schichtweise reale Körper mittels Laser Strukturierung aufgebaut. Die hohen Anforderungen der Mikro-Mechatronik erforderten es dieses Verfahren auf die direkte Integration von ICs, Leadframe Komponenten oder bestückten Substraten auszudehnen. Dazu werden z.b. im Vergleich zu Verfahren funktionsfähige elektronische Submodule oder ungehäuste Halbleiter direkt mit in das Design einbezogen (vgl. Rapid- Prototyping mit direkt eingebetteten ICsBild 2). Bild 2: Rapid-Prototyping mit direkt eingebetteten ICs Packaging Mechatronischer Komponenten Packaging Konzepte und Polymere in hochzuverlässigen Anwendungen: Mikro-Mechatronische Anwendungen erfordern eine Reihe von zusätzlichen Eigenschaften an die Polymere im Vergleich zu herkömmlichen Verkapselungsmaterialien. Die Materialien benötigen sehr breit gefasste Temperaturintervalle für Fertigung und Anwendung, Widerstandfähigkeit gegen die Bedingungen des harsh environments und die Möglichkeit aktuatorische oder sensorische Komponenten unter Beibehaltung der Funktionalität zu integrieren. [2,3,4,7]. Typische Materialien für die Verkapselung von Mikroelektronik sind Epoxidharze. Diese Materialien haben Tg s oberhalb von 200 C und haben daher ein hohes Potential für Hochtemperaturanwendungen Bild 3 gibt eine Übersicht zu aktuellen Entwicklungen für Hochtemperaturmaterialien durch Shin-Etsu Chemical Co., Ltd [8].

4 Mikro-Mechatronik und Mikrosystemtechnik Seite 4 (12) How to Increase Tg? Tg of Monomer Resin Higher Cross linking density Cyanates Tetra Epoxy Tri Epoxy BMI Tg (deg. C) O N CH 2 O N OH X CH 2 O O n BMI New Phenol X function cross link BMI Bild 3: Materialien mit hohen Tg für die Verkapselung von Mikro-Mechatroniken [8] Weiteres Potential der Mikro-Mechatronik liegt deutlich im Gebrauch von (Hochleistungs-) Thermoplasten. Der Einsatz von Thermoplasten erlaubt die Integration von zusätzlichen mechanischen Funktionen, wie Steckerkrägen, Montage - Clips, welche zugleich mit der Verkapselung der Mikro-Elektronik ausgeführt werden kann. Zusätzlich haben Thermoplaste, im Vergleich zu den duroplastischen Epoxiden ein hohes Potential für eine Wiederverwertung (vgl. Bild 4). Bild 4: Process Window of Thermoplastic and Thermoset Materials

5 Mikro-Mechatronik und Mikrosystemtechnik Seite 5 (12) Entwicklungsbeispiele und Umsetzung auf weitere Produkte GEMIPAK Projekt Mechatronische Motorsteuerungseinheit GEMIPAK ist ein vom Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Technik (BMBF) gefördertes Projekt zur Entwicklung eines mechatronischen Verstellantriebs, an dem die Projektpartner BMW AG, München, Brose GmbH & Co, Coburg/Hallstadt Motorola GmbH, München, Fraunhofer Institut IZM,Berlin/Oberpfaffenhofen beteiligt sind: Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Herstellung eines Demonstrators in einer für Mechatronik-Module neuartigen Aufbau- und Verbindungstechnologie für den Bereich hoher Leistungen. Das entwickelte Mechatronik-Modul (Steuerungsmodul) des mechatronischen Verstellantriebs ist in Bild 5 dargestellt. Bild 5: GEMIPAK-Demonstrator Leistungsmerkmale Die wichtigsten Leistungsmerkmale des Moduls sind: Integrierte H-Brücke, 25A Spitzenstrom, Rdson < 10 mohm 16bit Mikrokontroller mit integriertem CAN physical Interface, 32k On- Chip-Flash, 8-Kanal ATD Thermischer Widerstand ca. 7 K/W, Junction-to-Ambient with Heatsink (abhängig von Packageausführung)

6 Mikro-Mechatronik und Mikrosystemtechnik Seite 6 (12) Überstrom- und Übertemperaturerkennung PWM-Ansteuerung des Verstellantriebs CAN-LIN-Gatewayfunktion Kriterien der Aufbau- und Verbindungstechnologie Die entwickelte und in dem Demonstrator realisierte Aufbau- und Verbindungstechnologie erfüllt unter anderem folgende Kriterien: Integration von Leistungstransistoren mit zweiseitiger Kontaktausführung in Flip-Chip Technololgie (3D-Flip-Chips). Integration von SMD Komponenten verschiedener Gehäuseausführung (z.b.: Mini-Melf, TQFP, SOT). Der Träger (Leadframe) des MCM-Modules erfüllt gleichzeitig elektrische, thermische und mechanische Funktionen. Er dient als Träger des MCM- Moduls, der elektrischen Verbindung der Leistungstransistoren, als Stecker und zur Wärmeleitung der in den Leistungstransistoren entstehenden Verlustleistungswärme. Verwendung des Leiterplattenmaterials FR-4 als Substrat des Moduls, dass die Anforderungen der Feinstleitertechnik erfüllt. Verkapselungsfähigkeit durch Transfer-Mold-Verfahren Es wurden verschiedene Aufbau- und Verbindungstechnologien entwickelt, wobei sich nach thermischen Simulationen und Untersuchungen an geeignete Teststrukturen eine Variante als zuverlässigste Lösung darstellte. Verkapselung Als Verkapslungsmaterial wurde entsprechend den Automotive Anforderungen ein hoch Tg Material ausgewählt. Die Verkapselung selbst erfolgt mit einer FICO MMS12 und einem gemeinsam mit der Fa. FICO entwickelten Molding Tool mit integrierter Vakuumeinrichtung. Ergebnisse anhand des Entwicklungsablaufes für einen Leichtbauroboter Im Rahmen des Bayrischen Kompetenznetzwerkes Mechatronik (BKM) wurde von der DLR unter Beteiligung des Fraunhofer IZM und des Fraunhofer IIS-B ein neuartiger Leichtbauroboter konstruiert. Dabei wurde seitens des Fraunhofer IZM

7 Mikro-Mechatronik und Mikrosystemtechnik Seite 7 (12) die notwendige Miniaturisierung der Signalverarbeitungs- und Steuerelektronik vorgenommen. Darüber hinaus wurde durch die Verknüpfung von mechanischen und elektrischen Entwurfswerkzeugen ein mechatronischer Entwurfsansatz realisiert. Das Design der Elektronikplatinen für analoge und digitale Signalverarbeitung, sowie die Verknüpfung zwischen mechanischem und elektrischem Entwurfswerkzeug stellt sich dabei in folgenden Stationen, in Abbildung 13 werden diese nochmals visualisiert. Datenübernahme der mechanischen Konstruktionsdaten aus ProEngineer. Verwendetes Datenformat : STEP Import der Daten in SolidWorks (mechanisches CAE-Werkzeug) Generierung einer Platinenkontur mit elektrischem Layoutwerkzeug (Or- Cad Layout) und erste Platzierung der Bauelemente Export der platzierten Platine aus elektrischem Layoutwerkzeug als 3D- Geometriemodell. Verwendetes Datenformat : IDF Import des 3D-Platinenmodells und Einpassen in vorgesehenen Bauraum. Verwendetes CAE Tool : SolidWorks Sicherstellung der Fertigbarkeit durch Kollisionsanalyse der platzierten Bausteine und thermische Simulation der Platine. Verwendetes CAE Tool : SolidWorks Korrektur der Platzierung ausgehend von den Ergebnissen der vorangegangenen Analysen. Verwendetes CAE Tool : SolidWorks Export der neu-platzierten Platinengeometrie als 3D-Geometriemodell. Verwendetes Datenformat : IDF Import der Geometriedaten in elektrisches Entwurfswerkzeug und Entflechtung der Platine. Übergabe eines 3D-Geometriemodells der fertigen Platine an Stereolithografie. Verwendetes Datenformat : STL Datenübergabe der mechanischen Konstruktionsdaten mit der Elektronikplatine als zusätzlicher Baugruppe an ProEngineer. Verwendetes Datenformat: STEP

8 Mikro-Mechatronik und Mikrosystemtechnik Seite 8 (12) Mechatronic Design Package Outline 3D Construction (MCAD) Functional Prototype with electronic board Components Placement (ECAD) Functional Rapid Prototyping EMV Investigation 3D Modelling Substrate & Components Abgleich: Mechanic Electronic - Optical FEM Investigation (ϑ, etc.) Bild 6: Mechatronic Design Procedure with light weight robots Im weiteren Entwurfsverlauf ist es jetzt bereits möglich, den Einfluss der Elektronikplatinen auf das mechanische Verhalten des Systems zu simulieren Die Elektronikplatine ist dazu als eigenständige Baugruppe in das mechanische Entwurfswerkzeug, in diesem Falle ProEngineer, integriert. Faseroptische Dehnungs- und Temperaturmessung in der Mechatronik Die Grundlage für die thermomechanische Simulation der Bauteilbelastung während des Transfermolding Prozesses bildet die korrekte Nachbildung des Füllvorgangs. Ausgewählte Prozessparameter der Fließsimulationen werden in die thermomechanischen Simulationen übertragen, welche Aufschlüsse geben über zu erwartende Bauteilverspannungen und Lotbeanspruchungen während und nach dem Verkapselungsprozess. Die Hauptursachen für Verwölbungen und Verspannungen in der Elektronikverkapselung sind räumlich und zeitlich variierende Druckbelastungen, Schrumpf beim Polymerisieren, sowie unterschiedliche Wärmedehnungen der Materialien. Hierbei sind sowohl Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten wichtig, als auch Temperaturgradienten innerhalb des Materials. Zur thermomechanischen Belastungsdiagnose müssen die Temperatur des Polymers und des elektronischen Bauteils, sowie die zeitabhängige Druckverteilung während der Verkapselung im Bereich der Bauteile bestimmt werden.

9 Mikro-Mechatronik und Mikrosystemtechnik Seite 9 (12) Motivation und Zielsetzung Transfermolding ist das am häufigsten eingesetzte Direktverkapselungsverfahren in der Elektronik. Die Prozesstemperaturen betragen 150 C bis 200 C, die Einspitzdrücke liegen typisch bei etwa 50 bar, in der Nachdruckphase bis über 100 bar. Die hier vorgestellten Messungen mit Faser Bragg Gittern erfolgen an einem Werkzeug, das bereits für elektrische Kabel über die notwendigen Öffnungen verfügt. Mit der faseroptischen Untersuchung von Transfermolding - Prozessen werden in dieser Arbeit neue Wege beschritten, da im Vergleich zu bisherigen Veröffentlichungen deutlich höhere Prozessdrücke auftreten. Insbesondere die hier vorgestellte Prozessdatenerfassung durch Kopplung des Dehnungssensors an ein entlötetes Bauteil ist neuartig. Vorgehensweise und Ergebnisse Gegenstand der Untersuchung ist ein induktiver Sensor für den Automobilbereich. Das System ist aufgebaut aus einer spritzgegossenen Trägerschale mit eingesetzter Sensorspule und integrierter Auswerteelektronik. Die Verkapselung erfolgt im Transfermolding Verfahren. Bild 7: Photographie eines unverkapselten und eines verkapselten Moduls Die Auswirkung von geometrischen Änderungen auf das Füllverhalten kann im Vorfeld schnell überprüft werden, indem zweidimensionale Fließsimulationen mit niederviskosen Thermoplasten durchgeführt werden. Hierbei sind die in den vergangenen Jahresberichten aufgeführten grundlegenden Untersuchungen nützlich, um Fehleinschätzungen des Polymerflusses zu vermeiden. Da die Kavität keine größeren Dickenänderungen aufweist, ist der Polymerfluss ausgesprochen homogen und lässt sich durch eine 2D Simulation bereits gut beschreiben.

10 Mikro-Mechatronik und Mikrosystemtechnik Seite 10 (12) (a) (b) Bild 8: (a) CAD Zeichnung des Sensoraufbaus aus Trägerschale, eingelegter Elektronik und verkapseltem Bauteil. (b) Dreidimensionale Vernetzung des Bereichs zwischen Leiterplatte und Spule Die numerischen Berechnungen werden mit dem Programm Moldflow MPI 3D durchgeführt. Abb. 3b gibt die Temperatur der Fließfront wieder, ist also eine räumliche Darstellung des zeitlichen Temperaturverlaufs an der Fließfront. Die Temperaturschwankungen rühren von langsam füllenden Engstellen her, z.b. den Randbereichen, wodurch das Polymer entsprechend erwärmt wird. Der räumliche Druckverlauf ist homogen (Abb. 4a), ebenso Viskosität und Scherraten (Abb. 4b). (a) (b) Bild 9: Darstellung(a) des zeitlichen Füllvorgangs (0 5 s) und (b) der Temperaturen am Kontaktbereich Fließfront - Werkzeug ( C)

11 Mikro-Mechatronik und Mikrosystemtechnik Seite 11 (12) (a) (b) Bild 10: Fülldruck in Runner und Kavität (a): kurz vor der vollständigen Füllung (b) Detaildarstellung im Bereich der Elektronik (15 35 bar, Ende der Verkapselung) (a) (b) Bild 11: (a) Scherrate (0 50 s-1)und (b) Viskosität (0 10 Pa s) in Schnittansicht im Bereich der Elektronik kurz vor der Füllung der Kavität (4,85 s) Zur analytischen Abschätzung der auftretenden Kräfte auf das Bauteil können mehrere Wege beschritten werden. Der erste Ansatz basiert auf der Einengung des zur Verfügung stehenden Füllvolumens durch das Bauteil, um mittels des Staudrucks die Kräfte zu bestimmen. Ein zweiter physikalischer Ansatz nutzt die aus der Viskositätsmessung von Polymeren bekannte viskose Reibung. Der hier vorgestellte Ansatz geht von der numerisch bestimmten Scherspannung im Polymer im Bereich der Bauteiloberfläche aus, greift also direkt auf die Ergebnisse der Verkapselungssimulation zurück. Aus der Kenntnis von Scherrate und Viskosität kann nach Gleichung (3.48) die Scherspannung im Polymer an der Oberfläche des Bauteils bestimmt werden. Da an der Fließfront nur sehr geringe Viskositäten vorliegen, wird die Scherspannung zweckmäßig einige Zeit nach dem Umhüllen des Bauteils mit Polymer bestimmt. Die Scherspannungen im Polymer sind räumlich sehr konstant und liegen in diesem Fall bei etwa η ν = 60 kpa (Scherrate 25/s, Viskosität 2500 Pa s). Der Scherstress greift an der Bauteilober-

12 Mikro-Mechatronik und Mikrosystemtechnik Seite 12 (12) fläche an, was beim Kondensator mit seiner Oberfläche von 3 mm² einer Kraft von 180 mn oder einer Faserdehnung von 200 ppm entspricht. Am µcontroller greift aufgrund der größeren Oberfläche eine Kraft von etwa 2 N am Bauteil an. Literaturverzeichnis [1] Control and Configuration Aspects of Mechatronics, CCAM Proceedings; Verlag ISLE, Ilmenau, 1997; [2] F. Ansorge, K.-F. Becker; Micro-Mechatronics Applications, Presentation at Microelectronics Workshop at Institute of Industrial Science, University of Tokyo, Oct. 1998, Tokyo, Japan [3] F. Ansorge, K.-F. Becker, G. Azdasht, R. Ehrlich, R. Aschenbrenner, H.Reichl: Recent Progress in Encapsulation Technology and Reliability Investigation of Mechatronic, CSP and BGA Packages using Flip Chip Interconnection Technology, Proc. APCON 97, Sunnyvale, Ca., USA [4] Fraunhofer Magazin , Fraunhofer Gesellschaft, München [5] F. Ansorge; Packaging Roadmap Advanced Packaging, Future Demands, BGA s; Advanced Packaging Tutorial, SMT-ASIC 98, Nuremberg, Germany [6] Töpper, M. Schaldach, S. Fehlberg, C. Karduck, C. Meinherz, K. Heinricht, V. Bader, L. Hoster, P. Coskina, A. Kloeser, O. Ehrmann, H. Reichl: Chip Size Package [6] Michael A. Mignardi; From ICs to DMDs, TI Technical Journal, July-September 1998, pp [7] Long-Sun Huang; MEMS Packaging for Micro Mirror Switches, Abstract, University of California [8] Dick Misawa; Materials for Advanced Packages ; Polytronic Conference 2001, Potsdam Germany [9] F. Ansorge, J. Wolter, H. Hanisch, H. Reichl; MOEMS Packaging ; AMAA Conference 2002, Berlin Germany