Der Weg zur optimalen Leistung

Miriam Zietlow, Ph.D., Lord Corporation, Manchester (UK)

Obwohl die ausgewählte Chemie ihren Spezifikationen entsprechen könnte, kann man doch davon ausgehen, dass dies zu Kompromissen im Bereich Leistung und Eigenschaften führt, die bei nicht ausreichender Prüfung der Anforderungen übersehen werden können. Warum treten diese Szenarien auf? Lynn Yanyo, Verkaufs- und Marketingdirektor für die Electronic Boards and Components Industry Group der Lord Corporation, nennt dafür zwei Gründe: Erstens verwenden viel zu viele Anbieter nur ein polymerisches Material als Grundlage und haben deshalb nur eine Chemie zur Auswahl. So sind beispielsweise alle Lösungen dieser Anbieter entweder aus Silikon oder Epoxid. Der zweite Grund, warum Firmen mit einer unter dem Optimum liegenden Lösung arbeiten, liegt daran, dass während der Produktentwicklung zuviel Aufmerksamkeit auf Funktionalität des Rohmaterials gelegt wird, anstatt auf die benötigte Leistung des gesamten Systems.

Im Gegensatz dazu bietet das Unternehmen als Anbieter von Wärmeleitstoffen, Klebstoffen, Beschichtungen und Vergusskapselungen für die Elektronikindustrie durch ein einzigartiges Angebot an Polymerchemie, Kurativen und Rezepturen für Füllmaterialien, umfassende Lösungen für Kundenanforderungen. Dazu zählen Epoxide für hohe Temperaturen, Urethane für sehr niedrige Temperaturen, Silikone für Hochtemperaturanwendungen und einzigartige, unternehmenseigene organische Polymere sowie Empfehlungen für Verfahren und Anlagen.

Das breite Technologiespektrum gewährleistet die richtige Systemlösung und nicht nur eine „Epoxidlösung“, eine „Urethanlösung“ oder eine „Silikonlösung“. Diese Stärke geht über Rezepturen hinaus und umfasst grundlegende Kompetenzen in der Kunststoffchemie sowie bei Materialanalyse, -entwicklung und -verarbeitung. „Es gibt kein Produkt, das die Anforderungen aller Anwendungen erfüllt”, so Yanyo. „Deshalb ist es so wichtig, die Anforderungen wirklich zu verstehen, bevor eine Entscheidung hinsichtlich der geeigneten Polymerchemie und der anzuwendenden Technik getroffen wird. Informationen über die Verpackungsbeschränkungen wie beispielsweise die Dicke der Bindungslinie, thermische Anforderungen, elektrische Leistung, Haftung und Zielanforderungen im Bereich thermo-mechanischer Zuverlässigkeit sind notwendig. Gibt es Einschränkungen bei den Verarbeitungstemperaturen? Welche Zielsetzungen bestehen für Anwendungsmethoden oder -einschränkungen? Bestehen Bedenken hinsichtlich Lagerung und Stabilität oder Probleme in Bezug auf die Durchsatzleistung, die mit dem Material in Verbindung stehen? Viele Kunden sind bei der Beantwortung dieser Fragen überrascht, dass das am besten geeignete Material oftmals überhaupt nicht dem entspricht, das sie ursprünglich einsetzen wollten.”

Der richtige Technologiepartner wird Fragen stellen, um die Anforderungen zu ermitteln und die verschiedenen Material- und Verfahrensmöglichkeiten abzuschätzen. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, die Vorzüge jeder Polymerrezeptur klar zu verstehen. Nachfolgend wird ein allgemeiner Überblick über einige Schlüsselcharakteristiken im Zusammenhang mit TIM, Flipchip-Unterfüllungskapseln, Spulenkapseln und leitfähigen Ta-Kondensatorabschlüsse gegeben.

TIM: Obwohl der Schlüssel zur Entwicklung eines leistungsstarken TIMs in der Reduzierung des Thermalwiderstandes insgesamt liegt, können die vielen Faktoren, mit denen man während des Prozesses konfrontiert wird, in gegensätzlicher Weise wirken. So wird beispielsweise die thermische Leitfähigkeit durch einen erhöhten Gehalt an wärmeleitendem Füllstoff erhöht. Dies wirkt sich jedoch nachteilig auf die Oberflächenbenetzung, rheologischen Eigenschaften, Dicke der Bindungslinie, Verteilung und den Leitwiderstand aus, und kann letztendlich den Thermalwiderstand der gesamten Verpackung erhöhen. Die ausgehärteten Eigenschaften von TIM interagieren ebenfalls in einer komplexen Art und Weise. Generell verbessern geringere Module die thermomechanische Zuverlässigkeit soweit, dass langfristig ein niedriger thermaler Widerstand besteht. Die gesamte thermische Leitfähigkeit kann allerdings geringer sein als die, die von einem höheren Modulsystem ohne Klemmdruck zur Verfügung gestellt wird.

Unterfüllung: Die meisten nicht ausgehärteten Flipchip-Unterfüllungen leisten bei niedriger Viskosität mehr, da sie dann einen schnelleren Fluss, bessere Benetzung und weniger Probleme mit Fließrückständen aufweisen. Niedrigviskose-Unterfüllungen leisten auf größeren Werkzeugen mit voll bestückten Löt-Arrays mehr. Niedrige Viskosität kann jedoch zu problematischer Füllstoffabsetzung führen. Des Weiteren muss der Füllstoff auf einem hohen Niveau stehen, um optimale Eigenschaften zu erzielen. Eine höhere Bestückung mit Füllstoff und kleineren Füllstoffgrößen (kleine Lücken) führen zu erhöhter Viskosität. Im Hinblick auf ausgehärtete Unterfüllungen begünstigen Verhaltenskombinationen wie Modul, Tg und der Koeffizient der thermischen Erweiterung (Coefficient of Thermal Expansion/CTE) gute Ergebnisse in typischen thermo-mechanischen Testumgebungen. Niedrige k ILD-Kombatibilität oder eine Pb-freie Verarbeitung (260 °C Rückfluss) werden hingegen nicht begünstigt. Wenn man versucht, den CTE zur Verbesserung der Zuverlässigkeit mit Füllstoff zu reduzieren, wird eine Umkehrwirkung auf die Viskosität und alle damit zusammenhängenden Bereiche erzeugt. Außerdem ist der Trend, Modul und Tg in gegensätzliche Richtungen zu bewegen, konträr zu ihrem normalen Beziehungsverhalten.

Spulenkapseln: Nicht ausgehärtete Spulenkapseln verhalten sich ähnlich wie Unterfüllungen. Niedrige Viskosität und gute Benetzung sind für den guten Fluss in das komplette Gehäuse und eine gute Imprägnierung notwendig. Die Notwendigkeit, ausgehärtete Eigenschaften mit einem Füllstoff zu steuern, ist kontraproduktiv. Das zweiteilige Vergusskapselmaterial sollte, um eine Flussreduktion zu vermeiden, nicht zu schnell reagieren, da dies zu Porenbildung führen könnte und eine schlechte Imprägnierung eintritt. Alle gemischten oder gelösten Gase müssen während der Verarbeitung entfernt werden, um eine gute Vakuumstabilität zu erreichen. Ausgehärtete Spulenkapseln sind gefüllte Epoxide und deshalb Unterfüllungen hinsichtlich ihrer thermo-mechanischen Zuverlässigkeit sehr ähnlich. Außerdem ist die Haftung an das Thermoplastgehäuse wichtig. Die elektrischen Anforderungen an Spulenkapseln und Unterfüllungen sind jedoch unterschiedlich. Die unter Starkstrom stehenden Spulen müssen hochwiderstandsfähig gegen dielektrischen Durchbruch sein. Risse, Poren oder Schichtenspaltung sind der perfekte Nährboden für einen Durchbruch unter Hochspannung.

Ta-Kondensator-Materialien: Die Auswahl des Lösungsmittels ist ein entscheidender Faktor für die Gehäusesilber des Ta-Kondensators, da sich dies auf die Trocknungsgeschwindigkeit und die Effektivität der Beschichtung auswirkt (Aufnahme- und Tauchbadstabilität). Die Interaktion der Schichten im nassen Zustand ist ausschlaggebend für die ausgehärteten elektrischen und physikalischen Eigenschaften der Endbeschichtung. Obwohl mit einem langsamen Trocknungs- und Aushärtungsprozess in vielen Fällen das beste Ergebnis erzielt werden könnte, bleibt dieses Szenario in Anbetracht der gewünschten hohen Produktionsleistung für Baugruppen doch Wunschdenken. Für ausgehärtete Ta-Kondensatorgehäuse-Silbermaterialien ist das Edelmetall ausschlaggebend für die elektrische Leistungsfähigkeit. Die richtige Kombination kann zu einem verminderten äquivalenten Serienwiderstand (Equivalent Series Resistance/ESR) führen. Entweichender Gleichstrom (Direct Current Leakage/DCL) könnte in die falsche Richtung austreten. Eine gut ausgewählte Silbergruppe mit der richtigen Größenverteilung kann durch eine verbesserte Schichtenintegration zu einer DCL-Reduzierung führen. Das richtige Modul mit guter Zwischenbeschichtungshaftung kann für die thermo-mechanische Zuverlässigkeit und elektrische Stabilität ausschlaggebend sein.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass es wesentlich wichtiger ist, die gesamten Leistungsanforderungen zur Verfügung zu stellen und die Rezepturen den Fachleuten zu überlassen. Diese Spezialisten befassen sich bei der Entwicklung eines auf ihre Anforderungen abgestimmten, optimierten Hochleistungsmaterials mit den komplexen Material- und Eigenschafteninteraktionen.

Der richtige Anbieter sollte nicht nur ein Verständnis für die chemische Unabhängigkeit besitzen, sondern auch über die Fähigkeit verfügen, die zu den Anforderungen passende, richtige Chemie einzusetzen, sowie die Möglichkeit, die Materialien per Spritz- oder zweiteiliger Dosiermischungsverteilung (two-part meter-mix-dispense/MMD), Sieb- oder Schablonendruck, Vakuumimprägnierung, Tauchbeschichtung, Einbrennen/Sintern, Tintenstrahldruck und Nadelübertrag aufzutragen. Tests sind ebenfalls ein entscheidender Faktor und umfassen folgendes: Modul, Haftung, thermische Massenleitfähigkeit, minimale Dicke der Bindungslinie, elektrische Eigenschaften und thermo-mechanische Zuverlässigkeit. Das Unternehmen führt Materialtests so durch, wie es auch beim Kunden geschehen würde und ist deshalb in der Lage, Entwicklungszyklen beträchtlich zu verkürzen und die Erfolgswahrscheinlichkeit während einer komplexen Produktentwicklung zu verbessern.

Ein weiterer Schlüsselfaktor für eine gute Auswahl im Chemikalienbereich ist die Zusammenarbeit mit einem Partner, der in der Lage ist, neue Materialien im Molekularbereich für eine optimale Leistung zu entwickeln, anstatt eine Standardlösung kundenspezifisch aufzubereiten. So wurde kürzlich ein latenter thermischer Initiator und ein Schutzhilfsmittel entwickelt, die bei Raumtemperatur oder sogar leicht erhöhten Temperaturen lagerungsstabil bleiben, jedoch bei Lötrückfluss oder Hochtemperaturverarbeitung problemlos aushärten. Im Gegensatz zu den momentan verwendeten Flipchip-Unterfüllungsprodukten, die bei -40 °C tiefgefroren werden, um vor der thermischen Aushärtung eine ausreichende Lagerfähigkeit aufrechtzuerhalten, kann das neue System bei Raumtemperatur transportiert und bei Rückflusstemperatur von bleifreiem Lötmittel verarbeitet werden. Man hat diese chemische Eigenschaft als Antwort auf Kundenwünsche für verbesserte Versand- und Aushärtungseigenschaften entwickelt. Gleichzeitig wurden alle anderen Leistungseigenschaften der Produkte beibehalten. „Die Liste der Partnerschaften wird bewusst begrenzt”, so Yanyo. „Lord bevorzugt die enge Zusammenarbeit mit wenigen Kunden, so dass unser fokussierter Entwicklungssupport für beide Seiten von Vorteil ist.”

Das Verstehen unterschiedlicher chemischer Eigenschaften und deren Einschätzung, die wichtige Balance aller Variablen und das Hinarbeiten auf das Erreichen spezifischer Eigenschaften bewirken einen rationalisierten Produktentwicklungsprozess und resultieren in einer leistungsstärkeren Lösung innerhalb eines optimierten Systems. Wenn man die verschiedenen chemischen Eigenschaften sowie die Bedeutung der Ausbalancierung aller Variablen versteht und einzuschätzen weiß, und auf das Erzielen spezifischer Attribute hinarbeitet, wird der Produktentwicklungsprozess rationalisiert und führt zu einer leistungsstärkeren Lösung in einem optimierten System. Das Unternehmen empfiehlt die Zusammenarbeit mit einem Partner, der in der Lage ist, die komplexen Interaktionen von Material, Design und Verfahren zu verstehen, der eine breite Vielfalt chemischer Eigenschaften entwickeln, die Attribute zahlreicher Komponenten miteinander kombinieren sowie gegensätzliche Charakteristika innerhalb eines Systems ausbalancieren bzw. Kompromisse zwischen ihnen finden kann, und der außerdem die erforderlichen, endgültigen Eigenschaften und Leistungen zu einem akzeptablen Preis liefern kann.

EPP 426

Als Anbieter von Lösungen für Komponenten-, Halbleiter- und Leiterplatten baut Lord seit den sechziger Jahren auf dieser Erfahrung auf und bietet moderne Wärmeleitmedien, Unterfüllungen sowie Schutzkapseln. Der Bedarf an Hitzebeständigkeit und Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen wird immer kritischer. Maßgeschneiderte und optimierte leitende, Widerstand bietende und nichtleitende Mischungen in Form von Cermet- und Dickfilm-Polymerpasten für die Richtkoppler-, Leiterplatten- und Komponentenbranche. Hochleistungsvergussmassen und -vergusskapselungen für die Imprägnierung von Zündspulen, Steuerungsmodulen, Sensoren und anderen Kfz-Motorraum-Anwendungen unter Vakuumdruck.

Das Unternehmen besitzt spezielle Fachkenntnisse auf Gebieten der Chemie, der Füllstoff-Technologie, der Steuerung der Füllstoffpartikelgröße/-verteilung, wärmeleitende Unterfüllungen, Nanotechnologie, Modellierungsfähigkeit, Verfahrens- und Herstellungsfähigkeiten, der Charakterisierung von Polymeren, hochentwickelten analytischen Fähigkeiten und bringt Verständnis kundenspezifischer Anwendungen und Verfahren mit.

Mit globaler Präsenz und umfassenden technischen Kompetenzen ist Lord in der Lage, komplexe Rezepturen zu entwickeln, die gegensätzliche Materialeigenschaften und Verfahrensanforderungen ausgleichen, um Lösungen zu liefern, die den Kunden- und Marktanforderungen gerecht werden. Für die Elektronikindustrie fungiert man als diversifiziertes Technologieunternehmen, das Nischenmärkten Materialien mit hoher Wertschöpfung bietet. Das Unternehmen stützt sich dabei auf über achtzig Jahre Erfahrung und erfolgreiche Langzeitpartnerschaften mit Technologieführern u. a. in den Branchen Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Elektronik und Schwermaschinen.

Die Lord Corporation hat ihren Hauptsitz in Cary im US-Bundesstaat North Carolina und kann auf einen Umsatz von über 630 Mio. US Dollar verweisen. Das Privatunternehmen entwickelt, fertigt und verkauft Baugruppen und Systeme zur Steuerung von mechanischer Bewegung und Lärm- und Vibrationskontrolle. Daneben entwickelt, produziert und verkauft das Unternehmen Allzweck- und Spezialklebstoffe und -beschichtungen und entwickelt Produkte und Systeme, die magnetgesteuerte Technologien verwenden. Das Unternehmen verfügt über Fertigungseinrichtungen in neun Ländern, unterhält Niederlassungen in über 15 wichtigen Geschäftszentren und beschäftigt weltweit über 2 400 Mitarbeiter.

Wertvolle Fachkenntnis

Die Bedeutung der Unabhängigkeit im chemischen Bereich kann am besten durch einen Rückblick auf kürzlich abgewickelte Entwicklungsprojekte verdeutlicht werden. Bei diesen Projekten unterschied sich das Endmaterial wohl sehr deutlich von dem ursprünglich als geeignet angesehenen Materials. Lord hat beispielsweise mit einem führenden Anbieter von Tantalkondensatoren für die Elektronikindustrie zusammengearbeitet. Der Aufbau einer Zusammenarbeit mit dem Kunden hat es ermöglicht, ein Materialpaar zur Verfügung zu stellen, bei dem die beiden Komponenten so aufeinander abgestimmt waren, dass sie bei der Verwendung in den Kondensatoren des Kunden synergistisch arbeiteten. Die Auswahl des geeigneten Vehikels, Bindemittels und Silbers liefert ein leistungsfähiges Gehäusesilber mit exzellenter Haftung und elektrischer Leitfähigkeit. In der Kombination mit einer speziell formulierten Karbontinte liefert das Produktpaar eine hervorragende elektrische Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit. Das Unternehmen verfügt noch über weitere Beispiele die verdeutlichen, wie wichtig die Fähigkeit zur Entwicklung einer kundenspezifischen Chemikalie ist. So wandte sich beispielsweise ein Anbieter von Reifendrucküberwachungssystemen, der Fahrzeughersteller international beliefert und einen Großauftrag für sein System vom weltweit größten Automobilhersteller erhalten hatte, an das Unternehmen mit der Bitte um Entwicklung einer haltbareren Vergusskapselung für das System. Lord arbeitete mit dem Kunden zusammen, um festzulegen, welche Kapselleistung den Verarbeitungs- und strengen Umweltbestimmungen entsprechen würde. Das gewählte Material sollte über spezifische elektrische Eigenschaften, niedrige Viskosität und verbesserte Steifigkeit verfügen, um Strukturabstützung zu gewährleisten. Ein Materialpaar erwies sich als die beste Gesamtlösung. Ein Glob-Top aus Silikon lieferte hier Entlastung und die elektrische Leistung. Ein Epoxid-System mit geringer Viskosität und der Fähigkeit, bei Raumtemperatur auszuhärten, lieferte die Temperaturwechselbeständigkeit und Schlagfestigkeit, um das Modul zu schützen. Das Epoxid-System wurde speziell für niedrige Viskosität und Oberflächenspannung konstruiert, da dadurch das Gießen porenloser Teile ohne Einsatz von Vakuum möglich ist. Die Entscheidung für ein Materialpaar führte dann zur verbesserten Zuverlässigkeit und Umweltverträglichkeit der elektronischen Reifendrucksensoren. Ein weiteres Beispiel handelt von einem Unternehmen im Bereich der Herstellung von Spannungswandlern für militärische, telekommunikative und industrielle Anwendungen. Das Unternehmen entwickelte eine Generation von kleineren Umwandlern mit höherer Leistung und benötigte dafür eine Vergussverkapselung, die über die dreifache Leitfähigkeit wie die existierende Technologie verfügen sollte. So war ein schnellfließendes Material mit geringer Viskosität erforderlich, das bei der Verwendung mit dem firmeneigenen Füllverfahren eine vollständige Umkapselung gewährleisten würde. Es wurde eine neue Silikon-Rezeptur entwickelt, die den Anforderungen des Herstellers für die Wärmeableitung bei den Spannungswandlern entsprach, ohne dass dazu die Herstellungsverfahren für die Großserienproduktion geändert werden mussten.