Ein „Klettverschluss“ für die Elektronikfertigung

| Autor / Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Mittels NanoWiring hergestellter Aluminum-Rasen auf einer Leiterplatte.
Mittels NanoWiring hergestellter Aluminum-Rasen auf einer Leiterplatte. (Bild: NanoWired)

Ein neues Verfahren will sich gegenüber Bonden, Kleben und Löten behaupten: Mit KlettWelding lassen sich zuvor speziell behandelte Bauteile schnell, präzise und umweltfreundlich bei Raumtemperatur verbinden. Die Verbindung ist nicht nur mechanisch stabil, sondern auch elektrisch und thermisch extrem leitfähig.

Zugegeben, es kling erst einmal etwas absurd elektrische Bauteile mit einem Klettverschluss verbinden zu wollen. Doch wenn man sich diese über 10-Jahre-alte Idee genauer anschaut, ist sie ziemlich raffiniert.

Drei Wissenschaftlern vom Fachbereich „Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme“ der TU Darmstadt ist der Durchbruch gelungen – sie haben das geschafft, wovon Wissenschaftler auf der ganzen Welt träumen. Mit ihrem KlettWelding-Verfahren ist es möglich, Bauteile einfach durch zusammenpressen dauerhaft zu verbinden.

Nichtleitende Oberfläche, wie Glas, Keramik oder Polymer

Bevor das KlettWelding möglich ist, werden die Bauteile vorbehandelt. Dazu wird über einen galvanischen Prozess, dem NanoWiring, ein metallischer „Rasen“ auf die zu kontaktierenden Flächen aufgebracht. Der „Rasen“ besteht aus feinsten Drähten. Laut Olav Birlem, CEO und Vertriebsleiter von NanoWired ist es nahezu egal, aus welchem Material die Oberfläche besteht und welche Geometrie diese besitzt. Es können sogar nichtleitende Oberfläche, wie Glas, Keramik oder Polymer funktionalisiert werden – diese müssen jedoch in einem vorbereitenden Prozessschritt elektrisch leitend gemacht werden.

Mithilfe eines Maskierprozesses werden die Stellen definiert, an welchen die Kontaktzonen entstehen sollen. Der herzustellende Kontakt an sich muss dabei nicht immer elektrisch leitend sein, auch thermische oder mechanische Verbindungen sind möglich. „Das Maskieren ist auf mehrere Weisen möglich: mit Standard-Lithographie-Verfahren oder andern Maskenverfahren, bis hin zum Abkleben mit Tapes – je nach benötigter Strukturbreite, Toleranz und Exaktheit“, erklärt Birlem.

Nach der makroskopischen Definition werden die vorgesehenen Bereiche mit dem „Rasen“ beschichtet. Dies funktioniert ähnlich wie beim Tampon-Druck: Ein Tampon, gefüllt mit Elektrolyten, wird auf die entsprechenden Stellen gedrückt. Der „Rasen“ wächst in dem Tampon, welcher mit seinen Eigenschaften die Struktur und Dichte der metallischen Drähte, sowie deren Abstand und Länge definiert. Der industriell hergestellte Tampon stellt dabei die Qualität der Rasenstruktur sicher (siehe Bild 1).

Die Drähte können aus praktisch allen galvanisch abscheidbaren Metallen hergestellt werden. Bewährt haben sich Kupfer, Gold, Nickel, Silber und Platin. Als Substratmaterialien eignen sich Keramik (LTTC), Polymer (PI, PCB), Glas, Silizium, Aluminium, Stahl, Kupfer und viele weitere (weitere Eigenschaften in Tabelle 1).

Eigenschaft Wertebereich Standardwerte für Kupfer
Scher-/Zugfestigkeit 6 bis 30 MPa 12 MPa
Peelfestigkeit bis zu 1,5 N/mm 1,2 N/mm
Temperaturfestigkeit -240°C – 500°C -50°C – 500°C
Kontaktwiderstand <100 mΩ <100 mΩ
Resultierende Bond Line 1 – 20 µm 8 µm
Bondkraft KlettWelding 6 MPa – 50 MPa 20 MPa
Bondtemperatur -10°C – 250°C 25°C
Bondzeit 40 ms – 60 s 100 ms
Koplanarität Substrate 5 µm - 50 µm ca. 10 µm
Durchmesser NanoWires 30 nm – 2 µm 1 µm
Länge NanoWires 500 nm – 5 µm 25 µm
Material NanoWires Kupfer, Gold, Nickel, Silber, Platin, Zinn Kupfer
verwendbare
Substratmaterialien
FR4, Silizium, Keramik (LTTC), Polymer (PI, PCB), Glas, Kupfer, Aluminium, Stahl, … FR4, Glas, Silizium, Leadframes, Keramik (LTTC), Polymer (PI, PCB), Aluminium, Stahl, …
Tabelle 1: Eigenschaften der NanoWires und der KlettWelding-Verbindung

„Bein einer PCB, FPC oder einem Leadframe habe ich viele Kontaktzonen, die anfangs nicht miteinander verbunden sind. Für den galvanischen Prozess wird ein Plating vorangestellt, dass die gesamte Oberfläche mit einer durchgängigen Metallschicht überzieht. Diese „Kurzschlussschicht“ wird nach dem NanoWiring mittels Stripping entfernt,“ erläutert Birlem. Das Stripping ist eine Art Reinigungsprozess und stellt sicher, dass der Rasen nur an den vorgesehenen Bereichen stehen bleibt und alle Fremdmaterialien verschwinden.

NanoWired kann zurzeit mehrere 1000 Bauteile pro Tag funktionalisieren (ein Durchgang dauert 30 Minuten). Derzeit bietet NanoWired eine Produktionsfläche von 300 x 300 mm². Der Prozess ist auf >1 m² skalierbar und nur durch die Anlagentechnologie begrenzt. Kontakte können ganzflächig oder bin Strukturen von wenigen Quadratmikrometern erzeugt werden.

Es ist auch möglich, Copper Bumps herzustellen, auf denen der „Rasen“ aufgebracht wird. Diese Bumps realisieren einen definierten Abstand zwischen Bauteil und Substrat, so dass sicher Underfill-Materialien verwendet werden können. Alternativ bieten das NanoWiring und KlettWelding die Möglichkeit, direkt den Underfill auf die NanoWiring Struktur zu applizieren. Das KlettWelding findet durch den Underfill, durch Verdrängung, statt. KlettWelding mit Underfill bietet eine große und breite mechanische Anbindung der Bauteile an das Substrat, so dass weitreichende Kräfte abgefangen werden können.

Wie Bauteil und Platine durch KlettWelding eine Verbindung eingehen

Zum Fügen und Kontaktieren werden die zuvor funktionalisierten Bauteile einfach bei Raumtemperatur zusammengedrückt. Dies kann mit handelsüblichen Bestückern bzw. Flip-Chip-Bondern durchgeführt werden.

Ähnlich wie bei den Borsten zweier Zahnbrüsten verkanten und verdichten sich die einzelnen Drähte und verbinden sich aufgrund ihrer kleinen Durchmesser an den Oberflächen, wie beim Kaltversintern (Bild 1). Die Bauteile werden gegeneinander ausgerichtet und dann zusammengedrückt. Dabei ist es auch möglich, gleichzeitig mehrere Lagen zu kontaktieren (z.B. MOSFETS).

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen es durch Ausgasen, Kristallisations- oder Erstarrungsprozesse zu Schrumpfen und somit zu mechanischen Spannungen in der Verbindung kommt, ist die KlettWelding Verbindung spannungsfrei. Die resultierende Verbindung zwischen den Bauteilen kann durch Torsion oder Abscheren getrennt werden. Abgelöste Bauteile können wieder neu Funktionalisiert werden.

Die Kontaktierung funktioniert auch in Kombination mit einem Klebstoff. Dazu wird der Kleber erst auf die Haare appliziert und anschließend das zweite Bauteil aufgebracht. Das KlettWelding findet dabei durch den Klebstoff hindurch statt, die elektrische Leitfähigkeit des Kontakts wird nicht beeinflusst.

Wie kann ich die Technologie nun in meiner Fertigung einsetzen? „Das ist ganz einfach: Die Kunden liefern uns die Substrate und Bauteile, wir funktionalisieren diese. Anschließend führen entweder wir Testanwendungen durch oder der Kunde bekommt die Teile zur Verwendung in seiner Fertigungslinie zurück. Der Kunde kann die funktionalisierten Bauteile wie Standardteile handhaben und muss allein die Bestückungsgeschwindigkeit etwas reduzieren“, erläutert Birlem.

Die Funktionalisierung erfolgt auf ganzen Wafern, was die Produktionskosten im Vergleich zur Bearbeitung der Einzelchips deutlich senkt. Der „Rasen“ ist sehr robust, Dicing und Picking von der NanoWiring Seite ist möglich, ebenfalls das Aufkleben des Dicing-Tapes auf die NanoWiring-Seite.

Prädestiniert für hitzeempfindliche Bauteile oder Starrflex-Leiterplatten

Aufgrund seiner Eigenschaften ist KlettWelding für eine Vielzahl von Anwendungen besonders gut geeignet. Dazu gehören Flip-Chip-Systeme sowie natürlich hitzeempfindliche Bauteile. „Die Lebensdauer eines Kamerachips könnte sich durch die Verwendung von KlettWelding anstatt eines Reflow-Lötprozess um ungefähr 1/3 verlängern“, so Birlem.

Auch wenn das NanoWiring bei Raumtemperatur hergestellt wird, so ist es sehr temperaturresistent. Das NanoWiring übersteht schadlos den Reflow-Prozesse, so dass auch Hybridprozesse möglich sind. Ein Szenario könnte so aussehen: Die Platine wird mit NanoWiring vorbereitet, anschließend werden die Standardbauteile aufgelötet. Danach werden die teuren, komplexen, temperaturempfindlichen Teile mittels KlettWelding bei Raumtemperatur kontaktiert.

Auch für die Pitch Size Reduzierungen, bietet das Verfahren enorme Vorteile: Standard Lötverfahren haben eine Limitierung bei circa 150 µm. Mit KlettWelding sind ohne Anstrengungen <10 µm möglich. Die Limitierung liegt eher in der vorhandenen Lithographie.

Ein weiteres Anwendungsfeld bieten starrflexible Leiterplatten. Für die Verbindung zwischen flexiblen (FPC, Folien,...) und starren Materialien (PCB, Keramik,…) kommen in der Regel Kleber, Prepregs oder Stecker zum Einsatz. KlettWelding kann diese zusätzlichen Materialien einfach ersetzen. Die entsprechend vorbereiteten Module und Baugruppen werden einfach zusammengedrückt. Die resultierende Bond Line Thickness beträgt, abhängig vom Prozess wenige µm.

„Unsere Kunden sind derzeit in der Projektphase und einige stehen kurz davor, das Verfahren in Serienprodukten einzusetzen“, sagt Birlem. Serienprodukte sollen bereits 2019 entstehen.

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Hallo Herr Riekeles, vielen Dank für Ihren Kommentar und Ihr Interesse: Der Rasen wird über...  lesen
posted am 12.11.2018 um 15:43 von Anna-Lena Idzko

Löten mit Blei wird bis heute toleriert, aber nur hinter vorgehaltener Hand.  lesen
posted am 12.11.2018 um 07:30 von Unregistriert

Ein ideales Verfahren, wie alle hier dargestellten Aspekte zeigen. Leider fehlen Angaben zum...  lesen
posted am 10.11.2018 um 09:39 von Unregistriert

Einfach Super, weniger Hitzeschäden, kalte Lötstellen, kleiner Bauweise .... absolut Genial!  lesen
posted am 09.11.2018 um 12:38 von Unregistriert


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