Ein besonders wichtiger Prozessschritt in der MID-Prozesskette ist die Metallisierung. HARTING Mitronics hat hierfür im Werk in Biel (Schweiz) eine der grössten und modernsten Metallisierungsanlagen speziell für 3D-MID aufgebaut. Die Anlage bietet neben dem Standard-Schichtsystem Cu-Ni-Au (Kupfer-Nickel-Gold) verschiedene Erweiterungsmöglichkeiten für andere Endoberflächen. Die Metallisierung von 3D-MID erfolgt meist aussenstromlos durch einen additiven Leiterbahnaufbau. 1 Aussenstromlose, chemische Metallisierung MID (Molded Interconnect Devices) sind spritzgegossene Teile aus thermoplastischen Werkstoffen. Aufgrund ihrer isolierenden, also nicht-leitenden Eigenschaften, können sie nicht direkt mit galvanischen Verfahren metallisiert werden. Bei der chemischen Metallisierung werden die Ionen des Beschichtungsmaterials entsprechend den Vorgängen bei der konventionellen galvanischen Metallisierung zum atomaren, metallischen Zustand reduziert. Die benötigten Elektronen werden hier jedoch von einer Komponente des Metallisierungsbades und nicht von einer äusseren Stromquelle bereitgestellt. Für die Technologie MID sind zum Schichtaufbau das Reduktionsverfahren und das Tauch-/Sudverfahren relevant. [3] Bei der chemisch-reduktiven Metallabscheidung werden die zur Reduktion der Metall-Ionen erforderlichen Elektronen durch die Wirkung eines Reduktionsmittels erzeugt. Das Metallisierungsbad setzt sich demzufolge aus einer wässrigen Metallsalzlösung, einem Reduktionsmittel und verschiedenen Additiven wie Komplexbildnern und Stabilisatoren zusammen. Bei der Metallabscheidung wird auf der aktivierten Oberfläche ein Elektron (e - ) auf das Metall-Ion (M + ) durch das Reduktionsmittel (R) übertragen. Das Metall-Ion wird dabei zu einem Metall-Atom reduziert, während das Reduktionsmittel dabei selbst oxidiert wird (Redox-Reaktion). [2] [9] Oxidation: R R + + e - Reduktion: Redox-Reaktion: M + + e - M R + M + R + + M Durch die Stabilisatoren wird sichergestellt, dass die Redox-Reaktion nur in den aktivierten Bereichen auf der Substratoberfläche und nicht spontan im Metallisierungsbad stattfindet. In bereits metallisierten Bereichen erfolgt hingegen die Redox-Reaktion, so dass es zu einem kontinuierlichen Wachstum der Schichten in die Höhe und in die Breite kommt. Bei der chemisch-reduktiven Metallisierung muss das Potenzial des Reduktionsmittels unedler sein als das des abzuscheidenden Metalls. Daher ist beispielsweise das Reduktionsmittel Natriumhypophosphit für die Ni-Abscheidung geeignet. Für das edlere Cu kann dagegen Formaldehyd (HCHO) eingesetzt werden. Ein Teil des Reduktionsmittels wird unter bestimmten Voraussetzungen in die Schicht eingebaut (z. B. NiP bei aussenstromloser Ni-Metallisierung). [2] [9] Bei dem Tauch- oder Sudverfahren wird ein unedles Metall in einen Elektrolyten mit Metall-Ionen eines edleren Metalls eingetaucht. Die Elektronen werden durch das unedle Metall geliefert, das unter Elektronenabgabe in 1
Lösung geht (Oxidation) und gleichzeitig edlere Metall-Ionen aus der Lösung durch die Aufnahme der Elektronen reduziert. Bei dieser Methode können nur sehr dünne Schichten erzeugt werden, da die Abscheidung stoppt, sobald die gesamte Oberfläche mit dem edleren Metall überzogen ist und kein unedles Metall in Lösung gehen kann. Durch Erhöhung der Elektrolyttemperatur kann die Metallabscheidung beschleunigt werden. [6] In Abhängigkeit der Grösse und der Geometrie erfolgt die Metallisierung in einer Trommel oder im Gestell (Abbildung 1). Abbildung 1: Metallisierung von MID-Sicherheitskappen im Gestell Bei einer Metallisierung in der Trommel können sehr viele Baugruppen ohne besonderen Aufwand prozessiert werden. Bei einer Metallisierung am Gestell müssen die MID einzeln befestigt werden und bereits bei der Konstruktion eine entsprechende Befestigungsmöglichkeit (z. B. Ösen, Aufnahmelöcher) vorgesehen werden. Insbesondere für kleine MID ist das Trommelverfahren aus kostentechnischen Gründen die zu bevorzugende Lösung. Die Teile dürfen sich dabei nicht ineinander verhaken. Ebenso sind bei Baugruppen mit ebenen Flächen entsprechende Abstandshalter (z. B. Bumps, Dome) vorzusehen, um ein Verkleben der prozessierten Teile zu vermeiden. Allgemein ist darauf zu achten, dass bei schöpfenden Geometrien die Gefahr des Verschleppens von Prozesschemikalien besteht. Durch das Versenken der Leiterbahnen wird einer Beschädigung der Strukturen durch das Aneinanderreiben der Bauteile vorgebeugt. Ferner sind entsprechende Entlüftungsmöglichkeiten für die bei der Metallisierung entstehenden Wasserstoffblasen wichtig. [6] 2
1.1 Chemisch-reduktive Kupferabscheidung Die chemisch-reduktive Kupferabscheidung dient sowohl bei der Laserdirektstrukturierung als auch bei der Zweikomponentenspritzguss-Technologie dem Aufbau der Startmetallisierung. Diese beeinflusst in hohem Masse die Qualität des gesamten Schichtaufbaus. In Abhängigkeit von der zu verwendeten Chemie sind ein ein- und ein zweistufiger Prozess zu unterscheiden. Im zweistufigen Prozess kommen ein Kupfer-Strike-Bad für die Startmetallisierung und ein Full-Build-Kupfer-Bad für die Cu-Verstärkung zum Einsatz. Die chemische Kupferabscheidung in alkalischer Lösung erfolgt nach folgender Reaktionsgleichung: CuSO 4 + 2 HCHO + 4 NaOH Cu + H 2 + 2 NaHCOO + Na 2 SO 4 + 2 H 2 O. Bei den beiden Fertigungstechnologien Laserdirektstrukturierung (LDS) und Zweikomponentenspritzguss (2K) sind vor der Metallisierung besondere Anforderungen hinsichtlich Spritzguss, Werkzeug und Handhabung der Teile zu berücksichtigen, um die Metallisierung sowie die Lebensdauer der Leiterbahnen nicht zu beeinträchtigen. Das Spritzgusswerkzeug darf keine Beschädigungen (z. B. Kratzer) aufweisen. Ebenso ist auf Trennmittel zu verzichten. An der Oberfläche des Werkstücks und im Kunststoff sind Verunreinigungen (z. B. Kontamination durch Hautschweiss) zu vermeiden. Das Spritzgussteil darf keine Risse, Grate, Blasen, Brandstellen, Glanzstellen, Schlieren oder Einfallstellen zeigen. Bei der Teileentnahme und beim Transport der Bauteile werden entsprechende Vorkehrungen getroffen, um eine schabende Wirkung der Bauteile zu vermeiden. [4] [5] Die Besonderheiten bei der Metallisierung von LDS- und 2K-Bauteilen werden im Folgenden erläutert. Weitere Informationen zu diesen Technologie werden ausführlich in dem Whitepaper Laserdirektstrukturierung und Zweikomponentenspritzguss für die Serienproduktion von MID erläutert. 1.1.1 Laserdirektstrukturierung Die laserstrukturierbaren Formteile werden im Einkomponentenspritzguss hergestellt. Dafür wird ein spezielles Material benötigt, das die laseraktivierbaren Komponenten enthält (LDS-Material). Bei der additiven Laserdirektstrukturierung nach dem LPKF-LDS -Verfahren erfolgt die Strukturierung mittels Laserstrahl durch Freilegen und Aktivieren spezieller Wirksubstanzen (Additive) im Kunststoff-Compound. Die Metallpartikel werden dabei durch die eingebrachte Laserenergie derart verändert, dass sie im folgenden Metallisierungsschritt katalytisch wirken und eine selektive Metallabscheidung erfolgt. Die geringere Aktivität der laserstrukturierten Oberfläche im Vergleich zu mit Palladium katalysierten Oberflächen wird durch eine höhere Aktivität des Kupferbades kompensiert. [2] Die Rauheit ermöglicht eine optimale Haftfestigkeit der Leiterbahnen. Vor der chemischen aussenstromlosen Metallisierung müssen die Teile von den Ablationsresten, die hochaktiviert sind, gereinigt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die aktivierte Kunststoffoberfläche nicht deaktiviert wird. Eine unzureichende Reinigung kann zu ungewollten Metallabscheidungen und im Extremfall zu Brücken in der metallisierten Struktur führen. Die Reinigung kann in Ultraschallbädern, mit Hochdruckwasserstrahl oder mittels CO 2 -Schneestrahl erfolgen. Bei werden derzeit die beiden erstgenannten Verfahren eingesetzt. [7] 1.1.2 Zweikomponentenspritzguss Beim Zweikomponentenspritzguss wird im ersten Schritt ein Vorspritzling gefertigt, der direkt anschliessend umspritzt wird. Abhängig von der Geometrie des Bauteils wird jeweils die Komponente zuerst gespritzt, die mechanisch stabiler ist (das kann sowohl die metallisierbare als auch die nicht metallisierbare Komponente 3
sein). Das Schaltungslayout basiert bei der 2K-Technologie folglich auf der Geometrie des Spritzgusswerkzeugs. Die Mikrorauheit der Oberfläche und das Freilegen der Katalysatoren wird durch eine nasschemische Vorbehandlung (i.a. basisch, z. B. heisse Kalilauge) erzeugt. Die Oberflächenrauheit definiert die Haftfestigkeit der Metallisierung, wobei eine zu starke Rauheit ggf. die Verbindungstechnik negativ beeinflusst. Während dem Vorbehandlungsprozess wird nur die Oberfläche des kernkatalytischen Werkstoffs selektiv aufgeraut und somit die Katalysatorkeime an der Oberfläche freigelegt. In einem anschliessenden Neutralisationsschritt (Dekapierung, i.a. sauer, z. B. H 2 SO 4 ) werden die anhaftenden Reste der Vorbehandlungsmedien und die abgelösten Kunststoffpartikel entfernt. Eine Bekeimung (z. B. mit Pd) ist nur bei Verwendung nicht kernkatalytischer Werkstoffe erforderlich, diese Materialien werden in der Serienfertigung derzeit allerdings nicht eingesetzt. Die Metallisierung wird bei der 2K-Technologie ebenfalls mittels chemisch-reduktiver bzw. aussenstromloser Metallisierungsbäder durchgeführt. Der Schichtaufbau, die Schichtdicke und die Prozessführung sind mit der LDS-Technologie vergleichbar. [2] 1.2 Oberflächenveredelung mit dem Standard-Schichtsystem Nickel-Gold Nach der Kupferschicht muss die Oberfläche veredelt werden. Als Standard-Schichtsystem wird in der MID- Technik Cu-Ni-Au eingesetzt, wobei nach der Cu-Beschichtung Ni chemisch-reduktiv und Au im Sudprozess abgeschieden werden. Typische Schichtdicken sind hierbei 7 µm Cu, 7 µm Ni und 0,1 µm Au (siehe Tabelle 1: Schichtdicken für das Standard-Schichtsystem Cu-Ni-Au [4]. Tabelle 1: Schichtdicken für das Standard-Schichtsystem Cu-Ni-Au [4] Einheit Min Typ. Max. Bemerkung Schichtdicke Cu µm 3 7 15 Toleranz ± 3 µm Schichtdicke Ni µm 3 7 20 Toleranz ± 3 µm Schichtdicke Au µm 0,05 0,1 0,15 Toleranz ± 0,05 µm Die Au-Oberfläche ist vielseitig einsetzbar, beispielsweise für das Löten und Kleben in der SMT-Fertigung aber auch für die Montage von Silizium-Chips mittels Drahtbonden oder Flip-Chip-Technologien. Das chemisch aufgebrachte Nickel dient als Diffusionsbarriere für Kupfer und Gold sowie als mechanischer Schutz. Die Prozessabfolge ist in Abbildung 2 dargestellt, wobei nach den einzelnen Prozessbädern (Cu, Ni, Pd und Au) entsprechende Dreierkaskaden von Stand-/Fliessspülkombinationen durchlaufen werden. Ein wichtiger Prozessschritt nach dem Verkupfern ist das Anätzen der Oberfläche mit saurer Mikroätze, wodurch die Oxide entfernt und gleichzeitig eine mikroraue Struktur erzeugt wird, die die Pd-Bekeimung begünstigt. 4
Abbildung 2: Prozessabfolge für die chemische, aussenstromlose Metallisierung laserdirektstrukturierter MID-Teile Die fertig metallisierten Schaltungsträger müssen wiederum gemäss den Anforderungen der Folgeprozesse gehandhabt werden. Die metallisierten Strukturen dürfen nicht beschädigt und verschmutzt (z B. Kratzer, Metallund Hautkontakt) werden. Eine angepasste Verpackung mit Teilevereinzelung ist notwendig, wobei eine elektrostatische Aufladung zu vermeiden ist. [4] [5] 1.3 Alternative Endoberflächen Alternative Endoberflächen können im Vergleich zu dem Standardsystem Ni-Au technische und/oder wirtschaftliche Vorteile mit sich bringen. Die in der Leiterplattentechnik bereits vielfach eingesetzte Nickel- Palladium-Gold-Oberfläche (Ni-Pd-Au) ist ebenfalls sehr gut für das Löten und Aluminium-Drahtbonden geeignet, zudem ist auch das Thermosonic (TS)-Ball-Wedge-Bonden mit Golddraht möglich. Die Au-Schicht kann bei diesem Schichtaufbau durch das Pd auf eine Schichtdicke von 30 nm reduziert werden, jedoch ist ein zusätzlicher Prozessschritt notwendig. Für Anwendungen, bei denen das etablierte Finish-Verfahren Ni-Au oder auch Ni-Pd-Au nicht in Frage kommt, kann als kostengünstigere Endoberfläche auch Zinn (Sn), Silber (Ag) oder eine organische Schutzpassivierung abgeschieden werden. Für die chemische Aufbringung von Zinn spricht z. B. die hohe Planarität der Sn- Oberfläche. Bedingt durch den absolut ebenen Metallaufbau eignet sich chemisch Sn für die SMT-Bestückung insbesondere bei einem Leiterbahnlayout mit feinen Strukturen. [8]. Die Prozessabfolge ist in Abbildung 3 schematisch dargestellt. Zur Entfernung der anhaftenden Elektrolytreste vor der nächsten Verfahrensstufe müssen zudem entsprechende Spülbäder nachgeschaltet sein. Die Zinnschicht wird mittels Sudverfahren aufgebracht. Da Kupfer edler als Zinn ist, wird zur Verschiebung des elektrochemischen Potenzials ein Komplexbildner eingesetzt (Thioharnstoff) und die Kupferatome gegen Zinnatome gemäss folgender Gleichung ausgetauscht. [8] CuO + Sn 2+ Cu 2+ + SnO. 5
Abbildung 2: Zweistufiger Prozess für das chemische Verzinnen von verkupferten Oberflächen [1] Die prozessbedingt geringe Dicke der Sn-Schicht (0,6 µm bis max. 2 µm) erfordert bei Lötverbindungen eine Verarbeitung in einem adäquaten Zeitfenster (< 6 Monate), da die intermetallische Phase durch die gegenseitige Diffusion der Cu- und Sn-Atome bereits nach dem Metallisierungsprozess ca. 0,25 µm dick ist. Während der Lagerung setzt sich die Diffusion des Cu in die Sn-Oberfläche fort, so dass die Dicke der reinen Cu- bzw. Sn-Schichten abnimmt. Erreicht das Mischmetall die Oberfläche, so überzieht sich diese mit einer nicht entfernbaren Oxidschicht und das Löten ist nicht mehr möglich. [8] 2 Galvanische Nachverstärkung Eine weitere Verbesserung der Oberfläche ermöglicht die Kombination von chemisch und galvanisch aufgebrachten Metallschichten. Im Unterschied zu rein chemischen Verfahren, die aussenstromlos arbeiten, wird beim galvanischen Verfahren gezielt Metall mit Hilfe von elektrischem Strom abgeschieden. Auf einer chemisch aufgebrachten Kupferschicht, die die für den elektrischen Strom erforderliche Leitfähigkeit erzeugt, können dann im galvanischen Verfahren weitere Schichten abgeschieden werden. Diese Schichten bieten für einige Anwendungen spezifische Vorteile. Galvanisch nachverstärkte Schichten sind in der Regel härter und glatter. Ausserdem sind höhere Schichtdicken in galvanischen Prozessen sehr viel wirtschaftlicher darstellbar als mit rein chemischen Verfahren. Die galvanische Nachverstärkung macht also speziell dann Sinn, wenn entsprechende Leiterbahnquerschnitte für eine hohe Stromtragfähigkeit oder besondere Oberflächeneigenschaften für die Verbindungstechnik erforderlich sind. [1] Da für die galvanische Metallisierung Ströme fliessen müssen, ist eine Ankontaktierung aller Leiterbahnen erforderlich. Dies muss bei der Auslegung des Leiterbahnlayouts berücksichtigt werden. Zum Teil sind entsprechende Opferstrukturen erforderlich, die nach der Metallisierung entfernt werden müssen. Dies kann mechanisch oder mittels Laser erfolgen. 6
3 Qualitätsbestimmende Eigenschaften Die Qualität der Metallisierung ist besonders wichtig, da die nachfolgenden Prozesse sowie die Lebensdauer der Baugruppe dadurch beeinflusst werden. Qualitätsbestimmende Einflussgrössen sind die elektrischen Eigenschaften, die Schichtdicke, die Oberflächenrauheit und die Haftfestigkeit der Metallisierung. Ausführliche Informationen zu diesen Punkten sind in dem Whitepaper Qualifizierung von MID zu finden. Tabelle 2 fasst die wesentlichen elektrischen Eigenschaften, die die Leiterbahnen charakterisieren, zusammen. Tabelle 2: Elektrische Eigenschaften der Leiterbahnen [4] Einheit Wert Bemerkung Spezifischer Widerstand -8 Richtwert für das Schichtsystem Cu-Ni-Au (bei typischen Ωm 9 * 10 Schichtdicken an ebenen Strukturen) Durchgangswiderstand Isolationswiderstand Spannungsfestigkeit Stromtragfähigkeit Ω 0,3 MΩ 100 kv 0,2 A 1,0 DIN IEC 60512-2, Prüfung 2a (05/94) min. Durchmesser 0.3 mm an der engsten Stelle zwischen benachbarten Leiterzügen mit kleinstem Abstand von 200 µm, DIN IEC 60512-2, Prüfung 3a (05/94) zwischen benachbarten Leiterzügen mit kleinstem Abstand von 200 µm, IEC 60512-2-4a (1985) (gemessen bis Überschlag) gemessen an 250 µm breiten Leiterbahnen typischer Schichtdicke (gemessener Strom, der zum Durchbrennen der Leiterbahnen nach 10s führte) Die Schichtdicke der Metallisierung wird mittels Röntgenfluoreszenzspektroskopie (RFS) (engl. x-ray flourescence), einer zerstörungsfreien Methode, bestimmt. Bei stehen hierfür zwei FISCHERSCOPE X-RAY-Systeme zur Verfügung. Das Prinzip dieser Messmethode beruht auf einer Anregung der Atome in einer Materialprobe durch die Röntgenstrahlung, wodurch Elektronen aus den inneren Schalen des Atoms herausgerissen werden. Die dabei entstehenden Lücken werden durch Elektronen einer äusseren Atomschale aufgefüllt und eine für das Element charakteristische Fluoreszenzstrahlung entsteht. Dabei können die Einzelschichtdicken das Schichtsystem Cu-Ni-Au in einer Messung erfasst werden. Allerdings wird ab einer gewissen Schichtdicke (30 bis 35 µm) ein Sättigungsbereich erreicht und eine Messung der Einzelschichten ist erforderlich. 7
Abbildung 4: Prozessstufen für die Metallisierung laserstrukturierter Substrate Die Rauheit der Oberfläche ist ein Schlüsselfaktor für die Haftung der Metallisierung, aber auch für die folgenden Prozesse der Aufbau- und Verbindungstechnik. Bei der Laserdirektstrukturierung ist eine raue Oberfläche die Voraussetzung für eine haftfeste Metallisierung. Bei der Verarbeitung stark miniaturisierter Bauelemente oder beim Drahtbonden sind dagegen möglichst glatte Oberflächen erforderlich. Durch einen Stempel oder mittels CO 2 -Schneestrahlreinigung können die Strukturen eingeebnet werden. Die Rauheitsmessungen werden bei der mit den Oberflächenmessgeräten Mahr Perthometer M4P und Nanofocus µsurf durchgeführt. Die Haftfestigkeit der Leiterbahn beeinflusst entscheidend die Lebensdauer der MID-Komponenten. Die Haftfestigkeit kann auf unterschiedlichste Weise bestimmt werden, beispielsweise durch Abzugstests der Leiterbahn oder mittels Schertest der Bauelemente. Eine Korrelation der Ergebnisse der unterschiedlichen Verfahren ist allerdings nur sehr schwer möglich. Die metallisierten Leiterbahnen und Landeflächen der Bauelemente können vor der Montage der Bauelemente zudem mittels automatischer optischer Inspektion (AOI) auf Fremdabscheidungen, Brücken und Unterbrechungen überprüft werden. Ferner ist es möglich, Risse in der Metallisierung bis zu einer gewissen Dimension sowie eine Delamination der Leiterbahn bei Schattenbildung zu detektieren. 4 Anlagentechnik Bei wurde am Standort in Biel (Schweiz) im Oktober 2010 eine vollautomatische Anlage aufgebaut und in Betrieb genommen. [6] Die Anlage ist spezifisch auf die Anforderungen der 3D-MID-Verfahren (LDS und 2K) abgestimmt und integriert eine elektronische Schalt- und Steueranlage. Parallel dazu wurde eine moderne Abwasser- und Aufbereitungsanlage installiert. 8
4.1 Vollautomatische Produktionsanlage bei Die Konzeption und Konfiguration der Metallisierungsanlage zur chemischen Beschichtung basiert auf den umfangreichen Produktionserfahrungen. Es kann sowohl Gestell- als auch Trommelware prozessiert werden. Die MID-Teile können mit den Beschichtungssystemen chemisch Kupfer/chemisch Nickel/Sud Gold chemisch Kupfer/chemisch Nickel/Sud Palladium/Sud Gold und chemisch Kupfer/Sud Zinn metallisiert werden. Erweiterungsmöglichkeiten für weitere Schichtsysteme sind vorhanden. Für die Vor- und Nachbehandlungen stehen verschiedene saure, alkalische und Ultraschallbäder zur Verfügung. Die Anlage befindet sich in einem voll klimatisierten Raum und integriert über 80 Behälter (inklusive Spülbäder) mit einem Volumen von 330 bis 525 Litern sowie Umlufttrockner und Zentrifuge. Die Leistungsfähigkeit der Anlage beträgt mehrere Millionen Teile pro Jahr. Abbildung 5: Metallisierungsanlage speziell für 3D-MID Die konfigurierte Reihenfolge der Bäder ermöglicht eine präzise Durchführung aller Arbeitsschritte. 20 Pumpstationen sorgen für die stündliche Filtration der Aktivpositionen in sechs- bis achtfachem und bei den Spülen in zwei- bis vierfachem Turnus. Die Umlauffiltration verhindert das Anreichern von abträglichen Partikeln in den Elektrolyten und Prozesschemikalien. Für die speziellen Regenerier- bzw. Gold- und Palladium- 9
Rückgewinnungsprozesse stehen entsprechende Einrichtungen zur Verfügung, die sich den betreffenden Arbeitspositionen zuordnen lassen. Gleiches gilt für die automatische Überwachung und Steuerung der Elektrolyte und Lösungen. Mittels Mess- und Dosiertechnik wird hier die ideale Wirkung zwischen Abscheidung, Chemikalienverbrauch und Bäderstabilität ermöglicht. Die integrierten Heizelemente regeln die erforderlichen Prozesstemperaturen (z. B. Cu-Bad ca. 40 C, Ni-Bad ca. 88 C, Au-Bad ca. 90 C). [6] 4.2 Analytik Während der Metallisierung ist die regelmässige analytische Überwachung und Ergänzung der Badkomponenten unumgänglich, um ein reproduzierbares Anspringverhalten und eine gleichbleibende Abscheidungsqualität zu gewährleisten. Abbildung 6: Elektrolytergänzung in den Kupfer- und NiP-Bädern (links) und integrierte elektronische Schalt- und Steueranlage (rechts) Die Elektrolytergänzung in den Kupfer- und NiP-Bädern erfolgt im Bypass im eigenen Kreislauf (Abbildung 6). Dadurch entfallen zusätzliche Mess- und Dosiervorrichtungen. Alle Abläufe der gesamten Anlage können von der zentralen Steueranlage geregelt werden. Mobile Kontrollsysteme erleichtern die Arbeit vor Ort und ermöglichen darüber hinaus die ortsunabhängige Sammlung und den Abruf von Messdaten. Neben der Prozesssteuerung mit Mess-, Dosier- und Korrekturautomatik sind die Messsysteme auch mit entsprechenden Alarmsystemen kombiniert, die sowohl der Qualitätssicherung als auch der Personen- und Anlagensicherheit dienen. Entscheidend für eine gleichbleibende Abscheidungsqualität ist die Prozesskontrolle mittels chemischer Analyse. Online-Analytik für die kontinuierliche Überwachung der Prozessabläufe wird durch klassische Analytik (z. B. Titration) ergänzt. Bei der manuellen Badanalytik ist für ein zuverlässiges Ergebnis aufgrund der hohen Anforderungen (z. B. Genauigkeit der Dosierung, Bestimmung des Farbumschlags) speziell geschultes Arbeitspersonal erforderlich. Ein Gerät für die Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) bietet umfangreiche Möglichkeiten zur Analytik der Prozesselektrolyte (z. B. zur Bestimmung von Fremdmetallen in den jeweiligen Prozesschemikalien, die sich durch Verschleppung bzw. auch von Ventilen anreichern können). [6] 10
Autor Dr.-Ing. Christian Goth ist für als Strategic Technology Manager tätig. Er hat an der Universität Erlangen-Nürnberg zu dem Thema Analyse und Optimierung der Entwicklung und Zuverlässigkeit räumlicher elektronischer Schaltungsträger (3D-MID) unter der Leitung von Prof. Franke am Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik promoviert. Von 2007 bis 2011 war er Geschäftsführer der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.v. Literatur [1] BIRKICHT, A.: 3D-MID aus einer Hand: verfügt über die vollständige MID- Prozesskette im eigenen Haus. In: Elektronik Sonderausgabe Räumliche Elektronische Schaltungsträger, 2011, S. 28-30. [2] EBERHARDT, W.; WESER, S.; KÜCK, H.: Von der Deko in die Industrie: Metallisierung von MID mit nasschemischen Verfahren. In: Elektronik Sonderausgabe Räumliche Elektronische Schaltungsträger, 2011, S. 24-27. [3] FRANKE, J. (HRSG.): Räumliche elektronische Baugruppen (3D-MID) Werkstoffe, Herstellung, Montage und Anwendungen für spritzgegossene Schaltungsträger. München: Carl Hanser Verlag, 2013. [4] HARTING MITRONICS (HRSG.): Gestaltungsrichtlinie MID-LDS. Ausgabe 1.2, Stand 30.09.2009. [5] HARTING MITRONICS (HRSG.): Gestaltungsrichtlinien MID-2K. Ausgabe 1.2, Stand 30.09.2009. [6] HARTING MITRONICS (HRSG.): Neue vollautomatische Metallisierungsanlage bei der HARTING AG (Schweiz). Pressemitteilung. http://www.3d-mid.de/cms/front_content.php?idcat=27&idart=802, Abruf am 01.02.2013. [7] LPKF LASER & ELECTRONICS AG (HRSG.): LDS-MID Designregeln Technische Information. Version 2.0, Stand 10.11.2010, Garbsen, 2010. [8] MEYEROVICH, A., BIRKICHT, A.: Aussenstromlose Kupfer-Zinn-Abscheidung für die 3D-MID-Technologie. In: inno 48 Innovative Technik Neue Anwendungen 16. Jahrgang, Nummer 48 (2011), S.1-2. [9] N. N.: Chemische Metallabscheidung. www.oxonium.org, Abruf am 03.02.2013. 11
Glossar Fachbegriffe Abkürzung Begriff Erklärung Intermetallische Phase Oxidation Veränderung der Gefügestruktur im jeweiligen Randbereich aufgrund der gegenseitigen Diffusion der Atome des Lot- und Substratwerkstoffs Siehe Redox-Reaktion FC MID Redox- Reaktion SMT Reduktion Titration Flip-Chip Molded Interconnect Devices Reduktions- Oxidations-Reaktion Surface Mount Technology Siehe Redox-Reaktion Die unbekannte Konzentration eines Stoffes A wird durch eine gezielte chemische Reaktion mit einer Masslösung B, deren Konzentration genau bekannt ist, bestimmt Ungehäuster Halbleiter-Chip (meist Silizium), der mit der Kontaktierungsseite zum Substrat (engl. to flip, umdrehen) montiert wird Spritzgegossenes Formteil mit integrierter Leiterstruktur und Bauelementen (optional) Chemische Reaktion, bei der ein Reaktionspartner ein Elektron abgibt (Oxidation) und der andere eines aufnimmt (Reduktion) Bezeichnung der Technik zur Oberflächenmontage der SMD- Bauelemente Abkürzungsverzeichnis 2K Zweikomponenten 3D Dreidimensional AAS Atomabsorptionsspektroskopie Ag Silber AOI Automatische optische Inspektion ASIG Autocatalytic Ag/Immersion Au Au Gold Cu Kupfer LDS Laserdirektstrukturierung Formeln und Einheiten CO 2 CuSO 4 e - H 2 H 2 O H2SO4 Kohlenstoffdioxid Kupfersulfat Elektron Wasserstoff Wasser Schwefelsäure M Ni P Pd R RFS Sn TS Metall-Ion Nickel Phosphor Palladium Redukutionsmittel Röntgenfluoreszenzspektroskopie Zinn Thermosonic HCHO Formaldehyd Na 2 SO 4 Natriumsulfat NaH 2 PO 2 Natriumhypophosphit NaHCOO Natriumformiat NaOH Natriumhydroxi 12