57. Treffen des Arbeitskreises Systemzuverlässigkeit von Aufbau und Verbindungstechnologien"

Transkript

1 57. Treffen des Arbeitskreises Systemzuverlässigkeit von Aufbau und Verbindungstechnologien" Nürnberg Werner Schneider First Sensor Microelectronic Packaging Dresden GmbH / CC R&D Tel / ; werner.schneider@first-sensor.com

2 Vortragstitel "Aktuelle Anforderungen und Herausforderungen des MicroelectronicPackagings Packagings" W.Schneider 2

3 Gliederung 1. Vorstellung der First Sensor Microelectronic Packaging Dresden GmbH 2. Geschäftsfelder der FSP 3. Übersicht zum MicroelectronicPackaging 4. Aktuelle Anforderungen und Herausforderungen 5. Zusammenfassung W.Schneider 3

4 1. Vorstellung der First Sensor Microelectronic Packaging GmbH (vormals MPD GmbH, Microelectronic Packaging Dresden GmbH) W.Schneider 4

5 W.Schneider 5

6 MPD History W.Schneider 6

7 W.Schneider 7

8 2. Geschäftsfelder der FSP 2. Geschäftsfelder Medical Mobility Industrial E 2 MS E²MS Electronic Engineering & Manufacturing Services Electronic Engineering & Manufacturing Services W.Schneider 8

9 E²MS Electronic Engineering & Manufacturing Services Entwicklung, Prototypingund Fertigung von elektron. Bauelementen und Modulen in Standardgehäusen (Keramik) und als kundenspezifische Lösungen auf unterschiedlichen Substratwerkstoffen (Keramik, Glas, PCB, Si ) Stückzahlen:1 bis 3 Mill. / a Einsatzgebiete Automobilindustrie, Industrieelektronik, Sicherheitstechnik, Medizintechnik, FSP Dienstleister im Microelectronic Packaging, keine eigenen Produkte W.Schneider 9

10 3. Übersicht zum Microelectronic Packaging Microelectronic Packaging - es gibt keine perfekte Definition für das Microelectronic Packaging (Back End, Second Level, Zyklus II, COB, MCM) - Eingangstor: Wafer (Sägen, Waffeln, Sorten) bis 12 Zoll Wafer; Gehäuse, Substrate, Polymerwerkstoffe, Gläser, Kappen, - Montage von Halbleiterdicein Standardgehäusen Keramikmehrschichtgehäuse, TO-, Plasthohlkörpergehäuse; Metallgehäuse Montage von Halbleiterdice auf PCB, Keramik, Glas, Metallträger, (kundenspezifisch) - Die Bonden Kleben, Anglasen, Löten, eutekt. Bonden - Wire Bonden (Al Wedge/ Wedge Bonden; Au Ball / Wedge Bonden) - Glob Topping, Molding, Capturing, Passivierung - SMD Montagen - Test, elektr. Messung W.Schneider 10

11 Verfahrensweg zur Entwicklung von Packagingprodukten Kundenvorgaben (Spezifikation, Schaltung, geometrische Anforderungen, Kostenvorgaben) Layouterstellung (Packageauswahl, PCB, ) Werkstoff und Technologiekonzept Prototyping Produktqualifizierung; Fertigungs und Zuverlässigkeitsnachweis Kundenfreigabe Fertigung W.Schneider 11

12 FSP Fertigungsbeispiele W.Schneider 12

13 Elektronische Bauelemente in Keramikmehrschicht und Metallgehäusen W.Schneider 13

14 W.Schneider 14

15 W.Schneider 15

16 W.Schneider 16

17 W.Schneider 17

18 Photodiodenzeile in FlipChip Technik (18 Einzeldice) COB -Modul W.Schneider 18

19 TO - Gehäusemontage COB -Module W.Schneider 19

20 4. Aktuelle Anforderungen und Herausforderungen Charakteristik von Microelectronic Packaging - Aufbauten - Außer in Standardgehäusen bietet die Fertigung ein sehr weites Feld an Unterschiedenin der Konstruktion, der Fertigungstechnologie, des Werkstoffeinsatzes, der Performance bis hin zur Anwendungseigenschaften, Zuverlässigkeit und Kosten - Es gibt im Vergleich zu Standardgehäusen (Keramik, Plast) kaum Standards bezüglich der Modulabmessungen und der Modulgestaltung - Die Umsetzungskonzepte können sehr unterschiedlich sein (Geometrie, Werkstoffe) - Der Kunde bestimmt in hohem Maß die wiss. / technische Umsetzung und Lösungen - Nach den technologischen Schritten beim Dienstleister folgen meist noch schwer vorhersehbare und beeinflussbare technologische Schritte beim Endkunden mit zum Teil gravierenden Einfluss auf Zuverlässigkeit etc. W.Schneider 20

21 - Einfache bzw. komplexe Fertigungslösungen (nur Chip-on-Boardoder Kombinationen mit weiteren Montagetechnologien) SMD Montagen MultiChip- Montagen FlipChip Montagen COB + Ball Attach auf Bottomseite 3 D Packaging (Stapeln von Dice) 2.5 D Packaging, Einpressstifte WLP (Wafer Level Packaging) TSV (Through Silicon Via Technology) Einzelmodul - oder Nutzenmontage W.Schneider 21

22 - Kaum vergleichbare und wiederholbare Technologielösungen (Geometrie, Werkstoffeinsatz) - Stückzahlen von 1 mehreren Millionen / a - Unterschiedlichste Anforderungsprofile (Automotivanwendung AECQ 100; Hochtemperaturanwendungen; MSL Klassen) - Vielfalt der Chipgeometrien (0,25 x 0,25 mm -LED`s 90 x 150 mm Imagesensoren); Chipdicken < 100 µm bis 1000 µm und Chiptypen: MEMS; MOEMS, Sensoren, Aktoren, Photodioden, LED`s, ASIC`s. - Umfangreiche Abstimmungen / Entwicklungen mit Werkstoffherstellern, Layoutern und PCB Herstellern erforderlich; PCB als Technologietreiber W.Schneider 22

23 W.Schneider 23

24 W.Schneider 24

25 Imagesensormodule auf PCB W.Schneider 25

26 W.Schneider 26

27 - Neue Herausforderungen speziell bei optischen Modulen (LED`s, Photodioden, Imagesensoren) Montagegenauigkeit der Dice+/-10 µm bei 3 σ Dickentoleranzen der Module im Endzustand 50 µm Stressarmes Packaging Sauberkeitsanforderungen Montagetechnologien bei max. 100 C -120 C möglich Technologien für Montage von Filterglas auf Die Oberflächen und Rahmen Grobleckdichtheit der Module beim Glas / Rahmenverbund Reflowlötbeständigkeit W.Schneider 27

28 Beispiel Imagesensorarray für medizin. Anwendung W.Schneider 28

29 PCB 10 lagig 16 Einzeldice/ Element (Top) SMD Montage (Bottom) Die Bonden; Wire Bonden (sehr schmale Gasse) W.Schneider 29

30 Glasplatte 0,2 mm direkt auf Drahtbrücken montiert, später Szintillatormontage auf dem Deckglas Höchste Anforderungen an Einzelboardverwölbung Modulkrümmung nach Glasmontage W.Schneider 30

31 Neue Lösungsansätze TSV (Through Silicon Vias) W.Schneider 31

32 Partikelanalysen an Imagesensoren zur Ermittlung von Verunreinigungen und Verunreinigungsquellen Fremdstoffe aus technologischen Prozessen und Umwelt AES SIMS FTIR äußerst schwierige Problematik W.Schneider 32

33 W.Schneider 33

34 W.Schneider 34

35 - Sauberkeitsanforderungen bei optischen Modulen W.Schneider 35

36 Fertigung von Farbsensormodulen Filterglas direkt auf Chipoberfläche montiert Problematik Einschlüsse, Lunker, inhomogene Klebstoffhärtung W.Schneider 36

37 W.Schneider 37

38 Werkstofftechnisches Problem bei der Filtermontage es wird ein sehr dünnflüssiger Klebstoff benötigt (licht und oder UV Härtung) die optischen Eigenschaften des Filterglases verhindern aber mitunter die UV Aushärtung; d.h. es bleibt flüssiger Klebstoff unter dem Glas, therm. Nachhärtung nur bedingt erfolgreich UV Klebstoffeigenschaften und spätere Reflowlötbelastung beim Endkundenpassen vielfach nicht zusammen; Rissbildung; Blasenbildung W.Schneider 38

39 Technologische Herausforderung Kleben von großen Dice Die Abmessungen 90 x 150 mm² W.Schneider 39

40 Standardverfahren zum Klebstoffauftrag (Drucken, Dispensen) nur bedingt anwendbar Neuer Ansatz DAF Folien W.Schneider 40

41 5. Zusammenfassung Aus einer Nische hat sich das MicroelectronicPackaging zu einem namhaften Zweig der Elektronikfertigung in Europa entwickelt Im Mittelpunkt stehen dabei Entwicklungsleistungen, Prototypingund Vielfalt an Produkten in eher überschaubaren Mengen; der Musterbedarf für unterschiedlichste Anwendungen steigt Die Herausforderungen der Zukunft gehen in Komplexität der Module, Steigerung der Performance und hochzuverlässige Lösungen Das Packaging kann nur im Verbund mit Forschung mit den Bereichen Werkstoff-und Substratentwicklung und Optimierung diese anspruchsvollen Aufgaben erfüllen W.Schneider 41

42 Die Drahtbondtechnik ist nach wie vor die Hauptkontaktierungstechnologie; schnell, sicher und universell einsetzbar. Die Grenze der technologischen Machbarkeit ist noch nicht erreicht Verstärkte Anwendung zeigt in Zukunft die FlipChip Technologie besonders durch die Verfügbarkeit von Dice mit TSV Bondkontakten Die einzusetzende Werkstoffpalette steigt stetig durch den Einsatz von Rahmen, Kappen, Filtergläsern Die Einsatztemperaturen für Leistungsmodule etc. steigen, wodurch Werkstoffe mit besseren thermischen Beständigkeiten gefordert werden, andererseits wachsen auch die Anwendungen im Niedrigtemperaturbereich W.Schneider 42