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, 70174 Stuttgart auf dem Europäischen Elektronik Kolleg 17. bis 21. März 2004 Colonia de Sant Jordi, Mallorca
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
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
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
Zugprüfung der Heißprägefolie 450 400 350 Spannung in MPa 300 250 200 150 100 50 0 Folie A Folie B Folie C Folie D 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Dehnung in %
Moderne Folienabscheideanlage Quelle: Vipem Hackert
Prozesskette der Heißpräge-MID-Technik (Mikroventilsteuerschaltung) Schaltungslayout Heißprägelayout SMD-Bauteile auf MID Heißpräge-MID Prägestempel
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
Mikroventil mit elektronischer Schaltung in Heißpräge-MID-Technik Heißpräge-MID Ref.: FESTO, BMBF-Vorhaben IMSIP
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
MID Fertigungslinie (AHMID) Heißpräge- Einheit Kontaktstifte Optische Prüfung Transporteinrichtung Dampfphasen-Löten SMD-Bauteil-Bestücker Dispens-Einheit Dispens-Einheit Quelle: 2E Mechatronik
Bleifreie Schalterbaugruppe in Heißpräge-MID-Technik für den Kfz- Innenraum Konventionelle Lösung Leiterplatte, Gehäuserückwand MID-Lösung Quelle: Delphi
Voruntersuchungen zum bleifreien Löten Befund der Lötverbindung Quelle: Arden-Verfahrenstechnik
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
Sensor für Leuchtweitenregulierung Antrieb und Sensor für verstellbaren Turbolader Quelle: Oechsler AG
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
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
Modulares 2K-MID-Gehäuse für einen mikrotechnischen Durchflusssensor Ref.: AIF-Vorhaben 12416 N
Drahtbonds auf 2K-MID 33 µm AlSi1-Draht
Zuverlässigkeit des MID-Steckers Übergangswiderstand [mohm] 1 Seckzyklus MID-Stecker unmittelbar nach Beschichtung: 15 10 Steckzyklen 25 Steckzyklen 50 Steckzyklen 10 100 Steckzyklen 5 25 x plug cycles MID-Stecker nach 100 Steckzyklen: 0 Muster 1 Muster 2 Muster 3 Muster 4 Muster 5
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
Modul Carrier für Innenohrhörgerät in 2K-Technik 2K-MID (LCP mit eingelegter Metallfeder Quelle: Buss Werkstofftechnik
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)
Ablative Strukturierung der Metallisierung Prozesskette: 1K-Spritzling 50 µm Außenstromlose Metallisierung Cu/Ni/Au Laserablation Reinigung Leiterbahnbreite: 80 µm Isolationsbreite: 20 µm
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
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
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
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
Braille Display C C R 10 x R Quelle: METEC AG Ansicht vorne HVGND HV200 Steckkontakte Chip HV-Chip Piezohalterungen Referenzkapazität Sensorstruktur
Mustersensorfläche: 4-er Sensor-Testfeld 12,3mm Anschlußpads 32,8mm Loch Loch : 1,3mm Stift : 1,2mm
CMOS- Kamerasystem für Mobiltelefone und Armbanduhren aufgebaut in Laser-MID-Technik (Quelle: Matsushita Electric Works, Panasonic)
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!
Präzise Formeinsätze (aus 1.4301) mit µecm W.L. Gore & Associates
Mikrobauteil aus LCP-MID nach UV-Laseraktivierung mit Metallbeschichtung W.L. Gore & Associates
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
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] 200 300 400 Chipabmessungen [mm²] 1,2 x 2,8 1,6 x 2,8 2,0 x 2,8 Anzahl Kontakte 32 24 20
MID-Studs (Cu/Ni/Au auf LCP) 100 µm width of metal lines: 180 µm width of spaces: 20 µm
NCA und Chips mit Au-Studs auf flachen Substraten Pitch [µm]: 200 400 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 50 40 30 20 10 0 TST (-40/125 C) 0 250 500 1000 Zyklen Keine Ausfälle! R [mw] 50 40 30 20 10 0 FWT (85 C/85%rF) 0 125 250 500 Stunden
NCA und Chips mit Ni/Au-Bumps auf MID-Studs Pitch [µm]: 200 400 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 50 40 30 20 10 0 TST (-40/125 C) 0 250 500 1000 Zyklen Keine Ausfälle! R [mw] 50 40 30 20 10 0 FWT (85 C/85%rF) 0 125 250 500 Stunden
Beschleunigungssensor in MID-Technik Stecker ASIC Federn Seismische Masse Kamm-Elektroden Leiterbahnen Draufsicht Globtop Clips Deckel Deckel Seitenansicht Metallisierter Kunststoff Nicht metallisierter Kunststoff
MID-Beschleunigungssensor + Grundplatte = Seismische Masse Aufgebauter Sensor (1. Generation) Aufgebauter Sensor (2. Generation)
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
Messergebnisse des Neigungssensors Winkel-Zeit-Diagramm -60-40 pv1_a1_zeit 8 6 4 Ausgangssignal pv1a1-100 Winkel [ ] Winkel [ ] -20 0 20 40 60 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 Zeit [s] Zeit [s] Spannung [V] Sensor [V] 2 0-2 -4-6 -8 a1 a5 a10 a100 Ausgleichsgerade -60-40 -20 0 20 40 60 winkel [ ] Winkel [ ]
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
Elektrostatisches Miniaturventil in MID-Technik Dichtungen Deckel Aktor Feder Spritzgegossene und metallisierte Teile Boden
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.