Mikro-Mechatronik Zentrum

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1 Mikro-Mechatronik Zentrum

2 Profile Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM Seit seiner Gründung 1993 hat sich das Fraunhofer IZM zu einer der weltweit führenden Adressen im Bereich des Electronic Packaging für Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik entwickelt. Derzeit arbeiten etwa 330 Mitarbeiter an sieben Standorten in Deutschland. Der Schwerpunkt der Entwicklungen liegt auf dem Gebiet der Integrationsund Verbindungstechniken für die Chip- und Leiterplattentechnik (Chip and Wire, Flip Chip, Wafer Level Chip Size Package, SMT). Auf der Baugruppenebene stehen die SMD-Montagetechnik (z. B. Fine Pitch Soldering, bleifreies Löten) und die Realisierung hochintegrierter Multichip-Module (HDI) im Mittelpunkt. Systemintegrationslösungen werden für industrielle Anwendungen entworfen und bis zum Prototyp entwickelt. Dies erstreckt sich auch auf den Bereich der Mikrokomponenten und MEMS-Anwendungen (z. B. mikromechanische Komponenten und Gerätetechnik). Die Entwicklung chemischer Sensoren und Systeme (z. B. Lab on Chip) sowie der Mikromechanik, Aktorik und Fluidik (z. B. Mikropumpen und -dispenser) gehört ebenso zum technologischen Spektrum des IZM. Das Fraunhofer IZM und der Forschungsschwerpunkt Mikroperipherik der TU Berlin kooperieren eng miteinander und bilden ein leistungsfähiges Forschungs-, Entwicklungs- und Dienstleistungspotenzial auf dem Gebiet der Mikrosystemtechnik und des Electronic Packaging. Fraunhofer IZM Mikro-Mechatronische Systeme Das Mikro-Mechatronik Zentrum bietet Dienstleistungen für die Aufbau- und Verbindungstechnik von Halbleitern, hochintegrierten Bausteinen, diskreten Bauelementen sowie Sensoren und Aktoren an. Auch die Entwicklung eines geeigneten Packagings auf der Basis mechatronischer Designregeln ist Bestandteil des Dienstleistungsangebots. Darüber hinaus werden in enger Kooperation mit der Industrie im Rahmen gemeinsamer Pilotprojekte mechatronische Produkte und Prototypensysteme beispielhaft bis zur Fertigungsreife entwickelt und hergestellt. Funktionsumfang, Zuverlässigkeit und Fertigungskosten bestehender Kundenlösungen werden durch den Einsatz mechatronischer (Sub-) Systeme optimiert. So wird beispielsweise durch Verkapselung mit Hilfe eines Transfermolding-Prozesses der Einsatzbereich intelligenter Sensoren auch auf hohe Umgebungstemperaturen erweitert, oder die Integration von Schnapphaken und Befestigungsösen in spritzgegossene Modulgehäuse ermöglicht. Das Mikro-Mechatronik Zentrum des Fraunhofer IZM bietet dem Kunden optimale Voraussetzungen, um kostengünstig und marktgerecht mikro-mechatronische Produkte zu entwerfen, funktionale Prototypen herzustellen und Nullserien unter den erforderlichen Zuverlässigkeitsaspekten zu fertigen. Darüber hinaus werden ergänzend Dienstleistungen aus dem Gebiet der Analytik und der mechatronischen AVT sowie Design- und Machbarkeitsstudien angeboten. Titelbild: Mikrolüfter in Rapid Prototyping 2

3 Forschungsbereiche Mechanischer und elektrischer Entwurf Prozesssimulation und virtueller Musterbau Rapid Prototyping Erste Machbarkeits- und Kostenanalysen geben Aufschluss über Möglichkeiten und Kostenstrukturen eines neuen Entwurfs. Die mechatronische Entwurfsphilosophie verfolgt einen interdisziplinären Ansatz mit dem Ziel eines möglichst effizienten Systementwurfs. Mechanische 3D-Konstruktionsdaten, sowie 2D-Entwurfsdaten des elektrischen Layouts werden während der Entwurfsphase ausgetauscht und abgeglichen. In diesem frühen Stadium können bereits Rückschlüsse auf den Prozess gezogen werden. Diese Entwurfsstudien gewährleisten so einen kosteneffizienten Ablauf. Die gewonnenen Daten sind entscheidend für die folgenden Entwicklungsschritte, was den Entwurf zu einer Schlüsseldisziplin auf dem Weg zu neuen Anwendungen macht. - Untersuchungen zu neuen Applikationen - Vollständiger mechanischer und elektrischer Systementwurf von Baugruppen inklusive der Gehäusung - Automatische Datensatzgenerierung für Rapid Prototyping und für FEM- Simulationen Die frühe Phase der Produkt- und Prozessentwicklung ist entscheidend für die Funktionalität und Zuverlässigkeit mechatronischer Systeme. Erste Modelle werden mit Hilfe numerischer Simulation für die Anforderungen im Produktionsprozess und im Feldeinsatz spezifiziert. So können beispielsweise Prozessfenster für Chip-Verkapselungen bestimmt werden. Der Entwicklungsprozess wird im Hinblick auf Stabilität im Fertigungsprozess, Funktionalität und Zuverlässigkeit modelliert. - Modellierung und Simulation komplexer Systeme - Bestimmung von Prozessfenstern in der Produktion - Untersuchungen zur Zuverlässigkeit Stereolithografie (STL) und 3D-Printing sind Rapid Prototyping-Verfahren, um mit Hilfe von 3D-Daten funktionsfähige Prototypen herzustellen. STL ist die Grundlage für den Bau komplexer (z. B. mit Hohlräumen und Hinterschnitten versehener), hochpräziser und feinstrukturierter Modelle mit geringen Wandstärken. Die hergestellten Teile können bearbeitet werden und dienen als Urmodell für Silikonformen, mit denen im Vakuumgießverfahren Prototypen mit verbesserten thermischen Eigenschaften oder Kleinserien hergestellt werden. 3D-Modellerstellung Einbetten von ungehäusten Chips, Leadframes, Leiterplatten etc. Aufbau von funktionalen Baugruppen und Designstudien mittels STL, MJM und Vakuumgussverfahren Rapid-Prototyping für MID Herstellung faltbarer Teile Getriebestudie mit Rapid Prototyping Hochintegrierte Signalübertragungsplatine Dreimensionale MPI Fluss-Simulation Rapid Prototyping für Chip Verkapselung 3

4 Forschungsbereiche Mechatronische Aufbau- und Verkapselungstechnik Zuverlässigkeit durch optimiertes Design Zuverlässigkeitstests Der Aufbau von Prototypen mikromechatronischer Systeme umfasst den gesamten Prozess vom mechanischen Aufbau der Substrate und Leadframes bis zur kompletten elektronischen Baugruppe. Dies beinhaltet den hochgenauen Schablonendruck, Baugruppenund IC-Montage und die Verkapselung der mechatronischen Systeme. Insbesondere bei der Platzierung von Bauelementen werden neue Verfahren genutzt, um dreidimensional geformte Substrate und Baugruppen verarbeiten zu können. Dies erfordert den Einsatz von neuestem 3D-Bestückungsequipment. Unterschiedliche Methoden wie Underfilling, Hot-melt, Transfermolding und Spritzgießen schaffen einen optimalen Schutz vor mechanischen, thermischen und chemischen Einflüssen. Aufbau mikro-mechatronischer Systeme, 3D-Bestückung Verarbeitung von Linsen, MEMS, Sensoren, Aktoren, passiven Bauelementen, IC und Flip Chips Flüssigverkapselung, Verkapselung mittels Spritzgießen und Transfermolding Zuverlässigkeitsaspekte werden bereits zu Beginn des Entwicklungsprozesses einbezogen. Gerade in dieser frühen Phase des Entwurfes lassen sich die wesentlichen Einflussparameter hinsichtlich der Fertigungsrealisierung noch ohne aufwändige Re-Designs berücksichtigen. Mit steigendem Detaillierungsgrad des Entwurfs, der durch das Rapid Prototyping unterstützt wird, lassen sich die Zuverlässigkeitsparameter und -eigenschaften zunehmend besser abschätzen. Diese Vorgehensweise des Fraunhofer IZM garantiert dem Kunden schon in der Entwurfsphase ein zeitgemäßes Zuverlässigkeitsmanagement, das zu einer optimierten Lösung führt. Erstellen von Entwurfsrichtlinien Erstellen von Fertigungsrichtlinien Entwurfsdurchsicht Entwurfsanalysen Der Qualitätskontrolle gilt am IZM besonderes Augenmerk. Insbesondere in mikro-mechatronischen Systemen können während der Fertigung Spannungsprobleme auftreten, die meist durch hohe Temperaturen verursacht werden. Um hieraus resultierende Ausfälle im Betrieb des Systems und damit verbundene kostenintensive Reparaturen zu vermeiden, ist es unerlässlich, die Zuverlässigkeit des Systems schon vor der Übergabe in die Serienfertigung zu analysieren und kritische Bereiche zu identifizieren. Der Einsatz unterschiedlicher zerstörender und zerstörungsfreier Analysemethoden am Fraunhofer IZM ermöglicht eine detaillierte Charakterisierung der entwickelten mechatronischen Module. Hierdurch können Fehlerquellen im Aufbau schnell und sicher ermittelt werden. Beschleunigte Alterungstests Ultraschall-Mikroskopie 3D-Koordinaten-Messsystem CT-Röntgenmikroskop Stereomikroskop 3D-Bestückung MID Prozesssimulation für den Spritzguss CTR-Röntgenaufnahme einer Leistungselektronikbaugruppe Dreidimensionaler Packageaufbau mit Verkapselung 4

5 Ausstattung Thermische und elektrische Simulations- und Entwurfswerkzeuge HFSS (HP), Mafia, Line 2D, Maxwell (3D), PSpice Entwurfswerkzeuge für HDI, Substratentwurf und Fertigungsdatenaufbereitung Solid Works (Werkzeug zur Erstellung des mechanischen 3D-Entwurfs) Cam Works (Werkzeug zur Fertigungssimulation vor Übergabe der Daten an den Fräsbohrplotter) Moldflow MPI / 3D (Duroplaste, Thermoplasten, Chipverkapselung) ANSYS (thermomechanische Zuverlässigkeit) Moldflow MPA (Machbarkeitsstudien für Spritzgussprodukte) Cosmos Works (thermische und mechanische Machbarkeitsstudien) Cosmos FloWorks (Elektronikkühlung und Flüssigkeiten) Modelica/Dymola Simulation (objektbasierte Mehrkörpersystemanalyse) Mathlab/Simulink MECADTRON Nextra (dreidimensionale Elektronik-CAD) Rapid Prototyping Fräsbohrplotter KRYOTOOL Gefrierspanntechnik Stereolithographie Multi-Jet Modeling Vakuumgießen Rapid Prototyping für MID Vakuumvergussanlage Analytik Vorrichtung zur beschleunigten Alterung 3D-Röntgeninspektion Verkapselungstechnik Transfermolding Flüssigverkapselungsequipment Hot-melt-Verkapselung Spritzgießtechnik für Thermoplaste Transfer Molding Maschine AVT Equipment Schablonendrucker Flip Chip Platzierer 3D-Mechatronik-Platzierer 3D-Dispenser für Mikrosysteme Reflowofen unter N 2 -Atmosphäre Zerstörungsfreie Analyse eines BGA mittels Ultraschallmikroskopie Wärmeflusssimulation einer UHP-Lampe Minimal invasive Dehnungsmessung mit Glasfaser 3D-Koordinaten-Messsystem Ultraschall-Mikroskopie Stereo-Mikroskopie Dehnungsmessung mit Faser-Bragg-Gittern Optischer Spektrumanalysator Dreidimensionale Bestückung 5

6 Kontakt Fraunhofer IZM Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM Gustav-Meyer-Allee 25 D Berlin Telefon: + 49.(0) Telefax: + 49.(0) info@izm.fraunhofer.de URL: Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Dr. E.h. H. Reichl Telefon: + 49.(0) Telefax: + 49.(0) Fraunhofer IZM / MMZ Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM Mikro-Mechatronik Zentrum Argelsrieder Feld 6 D Oberpfaffenhofen Telefon: + 49.(0) Telefax: + 49.(0) info@mmz.izm.fraunhofer.de URL: Leiter: Dr.-Ing. Frank Ansorge Telefon: + 49.(0) Telefax: + 49.(0) frank.ansorge@ mmz.izm.fraunhofer.de Wie Sie uns finden Mit dem Auto Folgen Sie den Schildern Mittlerer Ring und der Autobahn A96 Richtung Lindau. Nehmen Sie die Ausfahrt Oberpfaffenhofen ; ordnen Sie sich links ein in Richtung Weßling. Nach ca. 2 km links abbiegen in das Gewerbegebiet Argelsrieder Feld. Hinter ALDI gleich wieder links. Das Fraunhofer IZM befindet sich auf der rechten Seite am Eingang des Gewerbegebietes. Mit der Bahn Vom Hauptbahnhof München mit der S-Bahn-Linie S5 in Richtung Herrsching. Ausstieg S-Bahn-Station Weßling. Von dort per Taxi oder ca. 25 Min. Fußweg: Links in die Hauptstraße und die Straße überqueren. Ab Ortsausgang auf dem Fuß- und Radweg Richtung Gilching. Beim Schild Gewerbegebiet rechts abbiegen, dann wieder links in die Straße Argelsrieder Feld. Das Mikro-Mechatronik- Zentrum befindet sich im zweiten Gebäude auf der rechten Seite. Flugzeug S-Bahn Linie S1 Richtung Ostbahnhof München bis Haltestelle Laim. Umsteigen in S5 Richtung Herrsching. Steigen Sie an der Haltestelle Weßling aus. Ab dort siehe Wegbeschreibung Anfahrt per Zug. Konzept + Redaktion: M.Creutzfeldt / MCC Berlin Design: J. Metze / Atelier f:50 Berlin MMS 05/10-01d