Materialmodifikation für geometrisch und stofflich limitierte Verbindungsstrukturen hochintegrierter Elektronikbaugruppen - „LiVe“

Beschreibung

Durch die produktgetriebene Miniaturisierung und Skalierung elektronischer Bauelemente ist eine weitere Reduzierung der stofflichen Verbindungsvolumina vorgegeben. Trotz nur partiell vorhandener Kenntnisse über die Grenzflächen- und gefügeausbildung miniaturisierter Lötverbindungen werden derzeit bei dem Standardlot SnPb die Produktanforderungen größtenteils erfüllt. Vorliegende Erkenntnisse mit alternativen Lotwerkstoffen führen zu der Annahme, dass die derzeitigen und zukünftig erhöhten Anforderungen der Verfahrens- und technischen Zuverlässigkeit nicht erfüllt werden können. Da die Belastungsparameter elektronischer Flachbaugruppen im industriellen Umfeld weiter steigen, jedoch konkrete dynamische Belastungskenngrößen für Verbindungswerkstoffe nicht bekannt oder nur sehr schwer zu ermitteln sind, muss die Zuverlässigkeit derartiger Verbindungskonstruktionen in veränderten Dimensionen neu betrachtet werden. Aus diesen Randbedingungen ergibt sich der dringende Handlungsbedarf zur Charakterisierung und gezielten Modifikation von miniaturisierten Lötverbindungen. Eine Stabilisierung der skalierten Verbindungskonstruktionen (Bauelemente-Anschlussraster: 0,5 bis 0,15 mm) auf Board Niveau (elektronische Flachbaugruppe) ist nur über die gezielte Veredelung der Verbindungsvolumina möglich. Diese Veredelung soll projektspezifisch im Lötprozess (inline) durch gezielte „Fremdstoffe“ und / oder Finish-/ Depotvariation, also stofflich determinierte Ablegierprodukte von Bauelement- und Leiterplatten- Finish realisiert werden. Die Wirkung dieser gezielt eingebrachten "Fremdstoffe" soll auf der Stabilisierung der Grenzflächen und / oder des Gefüges im Volumen der Lötverbindungen beruhen. Im Fokus der Evaluierung alternativer bleifreier Lotwerkstoffe stehen weitere neue Legierungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit auf Produktebene. Unter Beachtung der Umgebungs- und Einsatztemperaturen sind Merkmalsklassifikationen der Zuverlässigkeit zwingend, um aus der Sicht der Entscheidungshilfen für die Fertigungsintegration von Advanced Packages eine unmittelbare Verbindung zur Produktfähigkeit zu erzeugen. Aufbauend auf einer sensorisch gestützten Quantisierung von Feldbeanspruchungen ist die projektbezogen durchzuführende Werkstoffmodifikation der Schlüssel zur erfolgreichen Umsetzung der Projektziele. Die Materialmodifikation wird on board und inline durchgeführt, um durch gezielte Grenzflächenreaktionen, die prozesstechnisch gesteuert werden, eine Veredelungskonzeption zur applikationsabhängigen Ermüdungsfestigkeit Pb-freier Lote durch gezielte Bildung und Verteilung intermetallischer Phasen umzusetzen. Ein weiterer Ansatz der Veredelung ist die gezielte Nutzung der Schichttechnologie auf Finishes / Depots der Bauelemente und Leiterplatten, die die Metallurgie der Verbindungskonstruktionen verbessern. Somit stehen zwei unterschiedliche Konzepte im Mittelpunkt der Veredelungskonzeption, um inline im Assembly-Prozess durch gezielte Legierungsreaktionen und / oder Dispersions- / Mischkristall-Härtung die Belastungsmerkmale der miniaturisierten Verbindungskonstruktionen zu qualifizieren. Auf der Basis der dynamischen Felddaten, der isothermen und thermo-mechanischen Beschreibung der geometrisch und stofflich limitierten Verbindungsvolumina, werden FETools und andere numerische Simulationstools bedient, um die Diagnose mit der Prognose zu verbinden. Die Fragestellung der Transformationsmöglichkeit von Test- auf Felddaten soll hier in Wechselwirkung mit den sensorischen Analysemaßnahmen tiefgründig eruiert werden. Eine „Hilfsgröße“ muss hier über die definierte Zuordnung von sensorischen Funktionen im Package / on board zur Abbildung von Feldbeanspruchungen applikativ entwickelt werden. Sensoren, die das reale Umfeld von stoffschlüssigen Verbindungen (Werkstoffmodifikationen) auf Produktlevel (Feldbeanspruchung) ermitteln helfen, sind nicht verfügbar. Die Arbeiten führen über die Werkstoffmodifikation zur Definition der technologischen und produktspezifischen Evaluierung beim Einsatz integrierter, miniaturisierter Packages in hochintegrierten Elektronikprodukten und sollen eine heute vorhandene Lücke schließen. Kurzfristig wird die Innovation und Miniaturisierung elektronischer Flachbaugruppen maßgeblich durch den Einsatz von Advanced Packages und der Adaption von neuartigen Zusatzwerkstoffen ermöglicht. Der Einsatz neuartiger Zusatzwerkstoffe im Sinne veredelter Verbindungslote ist international nicht geklärt bzw. völlig unbekannt, jedoch müssen derartige Untersuchungen aus der Sicht der Zuverlässigkeit, der Applikationserweiterung und unter Umweltaspekten forciert werden. Dabei werden insbesondere die Stoffverbotsentwürfe auf internationaler Ebene wirksam, die den gesamtem Entwicklungs- und Herstellungsprozess elektronischer Flachbaugruppen reflektieren. Package-Lieferanten haben nicht die Erfahrung, eine optimale Technologie beratend zur Verfügung zu stellen, deshalb sind OEM in der Pflicht, hier diese Lücke zu schließen.

Autor*in

Wolfgang Scheel

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