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Anwendungsgerechtes Packaging

Hochzuverlässige Vergussmassen für die Mikroelektronik
Anwendungsgerechtes Packaging

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Für das anwendungsgerechte Packaging von mikroelektronischen Komponenten in Anwendungen mit aggressiven Umgebungseinflüssen wie Kraftstoffe, Öle sowie Vibration und Temperatur spielen hochzuverlässige Vergussmassen eine immer wichtigere Rolle. Aus diesem Grund wurden von Delo Vergussmassen auf der Basis säureanhydridvernetzender Epoxidharze weiterentwickelt.

Delo Industrie Klebstoffe, Windach

Der Hauptvorteil der neuen Produkte besteht für den Anwender darin, dass die hochzuverlässigen Vergussmassen durch optimiertes Fliess- und Dosierverhalten sowie verschiedene Aushärtungsmöglichkeiten einen schnelleren und effizienteren Produktionsprozess ermöglichen.
Anwendungsfelder finden sich vor allem in der sogenannten „Chip-on-Board“-Technologie (COB). Hier werden Halbleiterchips oder Sensorelemente auf einer Leiterplatte vollständig oder partiell vergossen. Der Verguss schützt hier vor thermischen und mechanischen Belastungen sowie vor aggressiven Medien. Weiter Einsatzgebiete finden sich in der Sensorik und Aktorik, beispielsweise beim Abdichten eines Öldrucksensors im Motorraum.
Hochzuverlässige Mikroelektronik Packages
Die Vergussmassen weisen ein, für den Einsatz im Hochzuverlässigkeitsbereich, ideales Eigenschaftsprofil auf. Die Produkte basieren auf Epoxidharzen, die organische Säureanhydride als Härter enthalten. Über die Abmischung von Grundharzen mit spezifischen Eigenschaften, den Einsatz von Haftvermittlern und den Zusatz von Füllstoffen entstanden neue Materialien mit einzigartigen Eigenschaften: Säureanhydridhärter ermöglichen über ihre spezielle Ringstruktur eine extrem enge Vernetzung des Polymers und weisen damit Glasübergangstemperaturen von 180°C sowie niedrige thermische Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 18 bis 25ppm/K auf, so dass auch bei hohen Temperaturen nur geringe Mengen an Sauerstoff und Chemikalien in das Material eindringen können. Eine Folge daraus ist die geringe Wasseraufnahme von 0,1Gew.% und die sehr hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit.
Durchschlagende Eigenschaften
Am Beispiel des Produkts Delomonopox GE730 werden die mechanischen Eigenschaften nach thermischer Alterung bei 150°C und 180°C über 1000h Lagerungsdauer aufgezeigt. Dargestellt ist die Veränderung von E-Modul, Zugfestigkeit und Reißdehnung bezogen auf den Ausgangswert in Prozent. Die nur geringen Abweichungen belegen die hohe Konstanz der mechanischen Kennwerte unter aggressiven Bedingungen, wie sie für Elektronikkomponenten typischerweise gefordert werden: Selbst bei Dauerbelastung von 180°C kommt es zu keiner Veränderung der mechanischen Eigenschaften.
Am Beispiel von Delomonopox GE785, einer neu entwickelten Vergussmasse, wird die universelle Medienbeständigkeit demonstriert. Dabei wurden Druckscherkörper aus Aluminium verklebt und in verschiedenen Chemikalien wie beispielsweise Ad Blue, ATF Getriebeöl, Motoröl oder Dieselkraftstoff über 100h und 1000h bei Raumtemperatur eingelagert. Die Lagerungsbedingungen orientieren sich an den Anforderungen aus dem Automobilbau, die typischerweise ein hohes Eigenschaftsniveau der eingesetzten Materialien über 1000h fordern. Die Abweichung vom Ausgangswert liegt selbst nach 1000h Einlagerungsdauer unter 20% und belegt die hohen Beständigkeiten gegenüber verschiedensten Medien.
Eine weitere Eigenschaft ist die universelle Haftung auf den in Elektronik und Mikroelektronik häufig eingesetzten Materialen wie beispielsweise FR4 oder technischen Kunststoffen wie PA 6.6, PPS oder LCP. So sticht bei der universellen Haftung auf verschiedenen Substratmaterialien mit der Druckscherfestigkeit als Maß, das sehr hohe Festigkeitsniveau auf FR4 mit über 40MPa heraus. Aber auch auf technischen Kunststoffen, wie PA, PPS und PBT werden Werte von rund 15 bis 27MPa erreicht. Selbst auf dem als schwer zu verklebenden Werkstoff LCP lassen sich Werte von mindestens 10MPa erzielen.
Effiziente Verarbeitung
Die Verarbeitungseigenschaften wurden gezielt für den effizienten Einsatz in der Mikroelektronikfertigung ausgelegt und optimiert.
Das Fließverhalten der Vergussmassen spielt für eine sichere Verarbeitung eine entscheidende Rolle. Die als Dam&Fill für die COB-Technologie ausgelegten Systeme Delomonopox GE785 und GE725 können nass in nass verarbeitet werden. Eine Zwischenhärtung des Dams vor der Dosierung des Fills ist nicht notwendig. Der Dam verfließt nicht unter Temperatur und bildet eine Barriere für den niedrigviskosen Fill. Dadurch können verschiedene Dosiermuster eingestellt und zuverlässig aufgetragen werden. Die Fließeigenschaften eignen sich deshalb auch bestens für den partiellen Verguss, der z.B. bei Sensoranwendungen oft notwendig ist. Die Dam-Klebstoffe ermöglichen eine besonders schmale und gleichzeitig stabile Wandung, so dass mehrerer Wandungen gestapelt werden können: „Dam Stacking“. Die Dosierung kann direkt nacheinander ohne Zwischenhärtung erfolgen. Anschließend wird der vollständige Verguss inklusive Fill in einem Schritt ausgehärtet. Durch die Vergussmassen des Unternehmens ergibt sich für den Kunden eine wesentlich höhere Produktionskapazität, da die Zwischenhärtungsschritte wegfallen.
Neben den Dam&Fill Klebstoffen umfasst das Produktportfolio auch zwei Glob-Top Vergussmassen. Je nach Anwendung kann zwischen dem niedrigviskosen Delomonopox GE730 und der höherviskosen Variante GE765 gewählt werden. Auch die Glob-Top Vergussmassen ermöglichen aufgrund des optimierten Fließverhaltens einen partiellen Verguss.
Ein weiterer Vorteil für die Fertigung stellt die lange Verarbeitungszeit von 48h bei Raumtemperatur dar. Typischerweise wird als Kriterium für die Verarbeitungszeit ein Viskositätsanstieg um 50% bezüglich des Ausgangswerts herangezogen. Dies ist für den Anwender sehr unvorteilhaft, da in Abhängigkeit vom Viskositätsanstieg auch die Dosierparameter angepasst werden müssen, um ein möglichst gleichförmiges Dosierbild zu erhalten. Die neuen Produkte zeigen über die gesamte Verarbeitungszeit von 48h bei RT keinen Anstieg der Viskosität und ermöglichen dadurch ein homogenes Dosierbild. Die Viskosität weicht nur in geringem Maße vom Ausgangswert ab. Die Folge: Während der Verarbeitung der Produkte ist ein Nachjustieren der Dosierparameter nicht mehr notwendig.
Ein weiterer Vorteil sind die variablen Aushärteparameter. So können die Vergussmassen sowohl sehr schnell innerhalb von 20min bei 150°C ausgehärtet werden, als auch bei moderaten Temperaturen von 1.5h bei 125°C bzw. 4.5h bei 100°C. Die chemische Beständigkeit wird durch die Wahl der Aushärtungsparameter nicht wesentlich beeinflusst. Der Anwender erhält dadurch die Möglichkeit für eine flexible Prozessgestaltung.
Höchste Zuverlässigkeitsqualifizierung
Selbst nach anspruchsvollen Tests wie 3000h Einlagerung 85°C / 85% relative Luftfeuchtigkeit, 1000 Zyklen Temperaturschock –40 / +150°C, 3 Durchläufe Reflow Lötbeständigkeit (bleifrei 260°C) und JEDEC Level I war die Funktionalität der mit Dam&Fill oder Glob-Top vergossenen Bauteilen gewährleistet. Zur internen Qualifikation wurde eine definierte Anzahl von sogenannten Daisy Chain Packages (5mmx5mm, 25µm Au-Draht, FR4) den Prüfungen unterzogen. Hier wurden die auf einer FR4 Leiterplatte aufgeklebten Chips mit den neuen Glob-Top und Dam&Fill Systemen vergossen und ausgehärtet. Danach erfolgte die Prüfung der Bauteile auf Funktionalität und deren testspezifische Konditionierung. Am Beispiel der Zuverlässigkeitsklassifizierung nach JEDEC MSL I wurden zuerst die Komponenten bei 125±5°C über 24 h in einem Umluftofen getrocknet. Daran schloss sich die Konditionierung der Bauteile über 168±5h bei 85°C und 85% relativer Feuchte an. Anschließend wurden die Bauteile einer dreimaligen Reflowbelastung unterzogen und nach jedem Durchlauf die Funktionalität überprüft. Das Ergebnis bestätigt das hohe Eigenschaftsniveau der Produkte. Alle geprüften Bauteile funktionierten nach diesen Belastungen einwandfrei.
Zusammenfassung
Der zuverlässige Schutz von mikroelektronischen Komponenten, die unter besonders anspruchsvollen Bedingungen funktionieren müssen, stellt hohe Anforderungen an die Klebstoffe. Mit den neu entwickelten Vergussmassen ist es gelungen herausragende Materialeigenschaften wie chemische Beständigkeit, mechanische Eigenschaften, sehr gute Haftung, optimierte Dosier- und Fließverhalten sowie variable Aushärteparameter zu kombinieren. Dadurch lassen sich die Fertigungsprozesse deutlich flexibler und effizienter gestalten. Für den Anwender bedeutet das eine Reduzierung der Produktionskosten und gleichzeitig eine Erhöhung des Outputs bei höchster Produktqualität.
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