Nachlese IMAPS Deutschland Herbstkonferenz 2022

Nachdem im Oktober 2021 die Herbstkonferenz unter strikten Corona-Auflagen gerade noch vor dem weiteren Verbot der Großveranstaltungen durchgeführt werden konnte, hat der Vorstand während der Vorbereitungsphase der diesjährigen Konferenz mit Sorge die weiterhin unsichere Lage beobachtet. Zu großer Erleichterung und Freude aller Beteiligten hat sich die Situation nicht zugespitzt, und die Herbstkonferenz konnte vom 20. bis 21. Oktober ohne Einschränkungen stattfinden. Wie gewohnt wurde die Veranstaltung an der Hochschule München durchgeführt, und wir danken Professor Gregor Feiertag und seinem Team für die unverzichtbare Hilfe bei der Organisation der Konferenz.

Mit knapp 90 angemeldeten Teilnehmerinnen und Teilnehmern, 21 Vortragenden und 12 Ausstellern war die Konferenz ein Erfolg und hat ihren Ruf einer wichtigen Austauschplattform in der IMAPS Community aufrechterhalten. Die Möglichkeit, in den Pausen zwischen den Vorträgen die Ausstellung zu besuchen, lud zu Gesprächen und zum Netzwerken an. Zu den Ausstellern zählten diesmal nanotec, LaserJob, UniTemp, Indium, PacTech, Wachstumskern HIPS, Amadyne, XYZTEC, EKRA, VIA Electronic, budatec und nano-join. Gemeinsam mit dem wissenschaftlichen Programm half die Präsentation von Produkten und Dienstleistungen der Ausstellerfirmen den Teilnehmern auf dem aktuellen Stand der Technologie zu bleiben und eigene Horizonte zu erweitern.

Blick ins Auditorium                                                                                          Prof. Dr. Martin Schneider-Ramelow bei der Konferenzeröffnung

Die 12 Vorträge des ersten Tages waren in vier Themenblöcke eingeteilt: AVT Löten, Sensorik & Aktuatorik, Hochfrequenztechnologien und Zuverlässigkeit & Simulation. Wir geben hier eine kurze Zusammenfassung jedes Vortrages, für die tieferen Einblicke ist es möglich, die Präsentationen auf der Konferenz-Webseite einzusehen (s. Kasten „Einsehen einzelner Präsentationen“).

Der erste Vortrag der Konferenz wurde von Herrn Landulf Skoda (ASP Equipment GmbH) gehalten. Er analysierte die Gründe für Lötfehler anhand der theoretischen Überlegungen und empirischen Daten und schlug die Sicherstellung einer gerichteten Wärmeabfuhr als eine mögliche Lösung für die Vermeidung von bei der Loterstarrung erzeugten Fehlern vor. Die gerichtete Wärmeabfuhr kann durch ein spezielles Pad-Design oder durch die Wärmeabschirmung mittels Schablonen unterstützt werden. Die Auswirkung des Pad-Designs auf die Ausbildung der Erstarrungsfront wurde anschaulich dargestellt.

Gregor Wiedemann von der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg hat über die Erweiterung der SPICE Simulationsmodellen um die elektro-thermische Kopplung referiert. Insbesondere bei den elektronischen Modulen mit wesentlicher Verlustleistung zeigt der Vergleich der experimentell ermittelten und der simulierten Zustände der Schaltungskomponenten deutliche Unterschiede. Der Grund dafür ist die fehlende Berücksichtigung der Eigenerwärmung in den aktuellen SPICE Modellen. Im Vortrag wurden zwei Herangehensweisen an die Anpassung der MOSFET-Modelle vorgestellt und die entsprechenden Simulationsergebnisse mit dem Experiment verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die elektro-thermisch gekoppelte SPICE Simulation aussagekräftige Ergebnisse liefert und dabei wenig Rechenleistung bzw. Zeit in Anspruch nimmt.

Lukas Auer von der Hochschule Landshut hat über die Ergebnisse der Tests zum Niedertemperaturlöten auf bedruckten niederschmelzenden Polymersubstraten berichtet. Wie es bei  gedruckter Elektronik oft der Fall ist, werden die Schaltungsträger mittels Siebdruck hergestellt, um dann mit den konventionellen siliziumbasierten Komponenten bestückt zu werden. Bei dem Einsatz von Substratmaterialien mit niedriger Schmelztemperatur wird dafür meistens isotropes oder anisotropes Leitkleben eingesetzt. Der Fokus der Arbeit lag in der Untersuchung der Lötbarkeit von polymerbasierten Silberleitpasten und in der Bestimmung der geeigneten Lotpasten. Für die Tests wurden die aktiven Elemente im QFN Gehäuse und die passiven SMD Komponenten benutzt. Als Resultat wurden im Vortrag die geeigneten Kombinationen von Leit- und Lotpasten vorgestellt.

Reger Austausch zwischen den Teilnehmenden in der Pause

Eindrücke aus der Ausstellung

Prof. Gregor Feiertag (Hochschule München) hat in seiner Präsentation über die Herausforderungen der Aufbau- und Verbindungstechnik für die akustische Oberflächenwellenfilter (SAW) berichtet, die mit der fortschreitenden Miniaturisierung entstehen. In dem aktuellen Miniaturisierungsschritt werden die Lotkugeln eines Die-Size-Packages durch die Copper Pillar Bumps (CPB) ersetzt, was die laterale Abmessung der Kontaktierungen verringert und gleichzeitig die Freiheit der Höheneinstellung erlaubt. Die Präsentation zeigt sowohl die Prozessschritte, die für die Herstellung der CPBs notwendig sind, als auch die Ergebnisse der extensiven Zuverlässigkeitstests mit der Darstellung der typischen Bruchstellen bei den Temperaturschocktests und einer detaillierten Analyse von der Qualität der Lötverbindungen.

Der Vortrag von Lukas Mennicke von der TU Darmstadt war einem hochpräzisen Temperatursensor gewidmet, der in einem Messsystem für die Reinheitsanalyse von Gasen in ppm Bereich benutzt werden kann, wie sie in der Chipfertigung oder der Chemieindustrie notwendig ist. Die Verunreinigungen in Gasen werden mittels Detektion der Änderung von Molarmasse festgestellt, die ihrerseits aus der Schallgeschwindigkeit, der Temperatur und dem Druck abgeleitet werden kann. Die Messung erfolgt in einem als „Fluidistor“ benannten System, in dem die Schallgeschwindigkeit mittels Ultraschall in oszillierender Gasströmung gemessen wird. Dank seiner sehr kleinen thermischen Masse besitzt der neue Sensor eine viel kürzere Reaktionszeit als die Herkömmlichen und erlaubt hochpräzises Messen.

Corinna Niegisch (Robert Bosch GmbH) hat sich mit der grundlegenden Frage auseinandergesetzt, wie die Qualität des Vergusses beim Packaging elektronischer Komponenten durch besseres Verständnis von den während der Polymerisierung vom Molding Compound ablaufenden chemischen Prozesse erhöht werden kann. Um diese Prozesse zu untersuchen wird eine ganze Reihe von Sensoren – Druck-, Temperatur-, Ultraschall- und DEA-Sensoren – in die Gussformen integriert. Die neuen Daten, gewonnen durch den zusätzlichen Einsatz eines Infrarotspektrometers für die In-Situ Messung, zeigen Korrelationen in der Infrarotabsorption in bestimmten spektralen Bändern und den Polymerisationszustand vom Molding Compound. Es ist möglich, mittels der kinetischen Analyse die Reaktionsparameter aus den Messdaten zu bestimmen und die gewonnenen Erkenntnisse für die Prozessoptimierung einzusetzen.

In der Präsentation von Georg Gramlich vom KIT ging es um die Kontaktierungsmöglichkeiten beim Packaging von MMICs für den Frequenzbereich über 100 GHz. Hier soll das Drahtbonden durch gedruckte Leitungen ersetzt werden. Es wurde die Eignung der UPD Drucktechnologie (Ultraprecise Dispensing) für die Erstellung solcher Verbindungen untersucht. Beim UPD Druck wird eine mit Nanopartikeln gefüllte Tinte über eine sehr dünne Glaskapillare bzw. -düse aufgetragen, es sind Leiterbahnbreiten bis 1,5 µm bei der Druckgeschwindigkeit von bis zu 0,1 mm/s erreichbar. Die eingesetzte Gold-Tinte wird 10 min bei 250°C gesintert. Die gezeigten Hochfrequenz-Interconnects mit den Breiten von 32 µm (zentrale Leitung) wurden auf Aluminiumoxid-Substraten mit eingravierten Schlitzen erfolgreich realisiert, sie weisen kleine Dämpfung und gute Eingangsanpassung auf.

Robin Kress von der Universität Duisburg-Essen hat über die THz Bauelemente und ihre Integration zu Modulen berichtet. Die neuen Anwendungsbereiche der THz Systeme – zerstörungsfreie Bildgebung, Materialerkennung, extrem breitbandige Kommunikation, Biosensorik – erfordern effiziente mobile THz Module, die in dieser Form noch nicht auf dem Markt existieren. Eine der Hauptherausforderungen für die Erstellung robuster, transportierbarer und einfach einzusetzender Module ist die notwendige Aufbau- und Verbindungstechnik. Im Vortrag wurden die Herausforderungen bei der Charakterisierung der Komponenten und die Schritte des Modulaufbaus vorgestellt: die Integration der THz-Quelle auf InP Basis und der Si-Linse mittels Klebeprozessen, Flip-Chip Integration des THz-Oszillators auf dem SiGe CMOS Substrat und der Aufbau auf FR-4 Trägern.

Auch im Vortrag von Michael Kaiser (Fraunhofer ITZ, Berlin) wurde das Thema der AVT für die Hochfrequenzmodule bzw. –komponenten der nächsten Generation adressiert. In diesem Fall ging es um die 6G Kommunikation. Um die Signale mit den kleinen avisierten Wellenlängen von weniger als 3 mm zu beherrschen, ist ein hoher Grad der Integration notwendig. Als Plattform für die Implementierung der Module wurde die Fan-out Wafer Level Package Technologie (FoWLP) vorgeschlagen und erprobt. Das Modul soll ein Front-End RFIC, einige Umverdrahtungslagen (RDL) auf PI und die in das Package integrierte Antenne beinhalten, mehrere Module sollen zu einem größeren Array zusammenschaltbar sein. Im Vortrag wurden die hergestellten mechanischen Demonstratoren der integrierten Struktur vorgestellt und die aufgetretenen technischen Schwierigkeiten, insbesondere in Form vom Warpage, diskutiert.

Die drei Vorträge in der Session „Zuverlässigkeit & Simulation“ wurden von den Doktoranden der Technischen Hochschule Ingolstadt gehalten: Nihesh Mohan, Andreas Zippelius und E Liu. Herr Mohan hat über die Tests und Optimierungen des flussmittelfreien Lötprozesses referiert und Ergebnisse des Vergleichs von Zuverlässigkeit der Verbindungen, die mit und ohne Flussmittel erzeugt waren, vorgestellt. Die Flussmittelreste, wie sie beim Löten mithilfe traditioneller Reflow-Pasten entstehen, können insbesondere bei den optoelektronischen Modulen zu Schwierigkeiten führen. Das flussmittelfreie Löten muss allerdings in spezieller Atmosphäre durchgeführt werden und kann z.T. auch zum Ausbilden der störenden Restsubstanzen auf der Oberfläche führen, z.B. beim Einsatz der Ameisensäure als Reduktionsmittel. In den Tests wurden unterschiedlich gehauste SMD Komponenten auf IMS und FR-4 Substrate angebracht und die Lötverbindungen wurden anschließend auf die Qualität und Zuverlässigkeit untersucht.

Im Vortrag von Andreas Zippelius wurden die Möglichkeiten der Anwendung von neuronalen Netzen für die Vorhersage der Zuverlässigkeit von Lötstellen vorgestellt. Für die Studie wurden insgesamt 1800 LEDs unterschiedlicher Typen mittels verschiedener Loten auf IMS Leiterplatten aufgebaut und der Alterung durch Thermal Shock Cycling unterzogen. Mittels der transienten thermischen Analyse (TTA) wurden die Veränderungen im thermischen Widerstand der Lötverbindung verfolgt und daraus die mittlere Lebenszeit abgeleitet. Aus den Daten konnten Aussagen getroffen werden, wie die Lebenszeit der Verbindung mit dem internen Aufbau der LED zusammenhängt. Außerdem wurden die Messdaten für die Erstellung des neuronalen Netzes eingesetzt, das imstande ist, die Anzahl der Ausfälle der Komponenten während der nächsten Stufe der thermischen Alterung vorherzusagen.

Frau E Liu hat ihre Präsentation der Untersuchung von mechanischer Spannung in einem Bare-Die-Bauteil nach der flächigen Verbindung mit einem Substrat gewidmet. Dabei wurden sowohl die Löt- als auch die Sinterverbindungen mittels Silber- und Kupferpasten beleuchtet. Die mechanische Spannung in den Si-Bauteilen wurde einerseits mithilfe von µ-Raman Spektroskopie gemessen und andererseits simulativ berechnet. Neben den präsentierten theoretischen Grundlagen, die für die Berechnung von Spannungen im Kristallgitter aus der Raman-Verschiebung notwendig sind, wurden experimentelle Ergebnisse der flächigen Verteilung der mechanischen Spannung im Bauteil vorgestellt, sowie der Abbau der Spannung mit der Zeit besprochen. Aus den Daten lässt sich die Abhängigkeit der Spannung von der Dicke der Interconnect-Schicht ableiten.

Die Vortragenden des ersten und des zweiten Tages

Am zweiten Tag der Konferenz wurden außer Vorträgen des Themenblocks Emerging Technologies die Ergebnisse der ersten Projektphase des Wachstumskerns HIPS – High Performance Sensors präsentiert.

Im Vortrag von Daniel Lieske (AEMtec GmbH, Berlin) wurden die Design- und Herstellungsschritte eines Chip-Scale-Packages beleuchtet. Der ursprünglich für die Kontaktierung über das Drahtbonden vorgesehenes Silizium Die wurde auf Wafer Level mittels Anbringen der PI basierten Umverdrahtungslagen und Lotkugeln in ein Bauteil für die Flip-Chip Montage umgestaltet. In der Präsentation wurden die Überlegungen für die Festlegung der Under-Bump Metallisierung vorgestellt und die Ergebnisse der Schertests an den Lotkugeln für die Prozesscharakterisierung gezeigt. Es ist im Projekt gelungen, das Bauteil im Wafer-Level Chip Scale Package mit hoher Ausbeute zu fertigen.

Silvia Braun vom Fraunhofer ENAS hat über Neuentwicklungen bei dem Thermokompressions-Wafer-Bondprozess referiert. Durch den Einsatz von Aluminium als metallische Schicht soll es möglich sein, die Bondtemperatur bis zu 400°C zu reduzieren. Der Nachteil von Aluminium ist allerdings seine stabile Oxidschicht, die das Bonden verhindert. Als Möglichkeiten, die Wirkung der Aluminiumoxidschicht zu eliminieren, wurden das Beschichten von vakuum-abgeschiedenen Aluminium mit einer Palladiumschicht sowie der Einsatz einer galvanisch aufgebrachten Aluminiumschicht gezeigt. Bei der galvanischen Schicht trägt die Rauigkeit des abgeschiedenen Metalls dazu bei, die Oxidschicht mechanisch durchzubrechen und die zu verbindenden Aluminiumlagen in den direkten Kontakt zu bringen. Wie die Ergebnisse nahelegen, ist die galvanische Metallisierung vielversprechender und sollte weiterverfolgt werden.

Lars Stagun von der TU Berlin hat über die Integrationsmöglichkeiten der Elektronik in Textilobjekte berichtet. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf der Non-Conductive Adhesive Bonding Technologie für die E-Textilien auf der dafür entwickelten Sondermaschine. Diese erlaubt es, die starren leiterplattenbasierten Elektronikmodule mit den in Textil eingearbeiteten Leiterbahnen zu verbinden. Die Verbindung wird dabei durch das Aufschmelzen einer nicht leitenden thermoplastischen Klebstoffkomponente erzeugt und kann starken Beanspruchungen standhalten, wie sie beim Tragen der Objekte oder bei einem Waschvorgang vorherrschen können. Die Leiterbahnintegration in den textilen Träger kann mittels mehrerer Prozesse erfolgen, unter anderem durchs Sticken, Stricken, Laminieren oder auch bandbasiert. Der Beitrag wurde mit der Vorstellung einiger Testanwendungen abgerundet.

Für seinen Vortrag hat Herr Stagun den „Best Presentation Award“ bekommen. Auch dieses Jahr waren viele interessante und qualitativ hochwertige Vorträge den Konferenzteilnehmern angeboten, und es fiel dem Vorstand nicht leicht, den besten auszuwählen. An dieser Stelle gratulieren wir Herrn Stagun herzlich zu seiner Auszeichnung!

Der „Best Presentation Award“ ging diese Jahr an Herrn Lars Stagun, einen Wissenschaftlichen Mitarbeiter der TU Berlin

In der Spezialsession „Wachstumskern HIPS – High Performance Sensors“ wurden die Projektergebnisse am Ende der Förderphase aus unterschiedlichen Blickpunkten beleuchtet und die zugrundeliegende SiCer Technologie (Verbindung von Siliziumtechnologie mit keramischer Mehrlagentechnik) und ihre Anwendungen vorgestellt. Knuth Baumgärtel (Micro-Hybrid Electronic GmbH, Hermsdorf) erklärte die Potentiale von Si-LTCC-Verbundsubstraten aus industrieller Sicht, Franz Bechtold (VIA electronic GmbH, Hermsdorf) berichtete über den aktuellen Entwicklungsstand der SiCer Technologie, die geplanten nächsten Schritte und die technischen Schwierigkeiten, die oft der Abkündigung von gut getesteter Materialien geschuldet sind. Clemens Motzkus vom Fraunhofer IKTS in Hermsdorf hat über die unternommenen Schritte zum Hochskalieren der Herstellverfahren für die SiCer-fähigen LTCC-Keramikfolie referiert. Ein wichtiger Meilenstein war dabei der Übergang zum kontinuierlichen Foliengießprozess, der erlaubt, bessere Materialeigenschaften in Bezug auf die Grunddichte, Höhenabweichungen in der Folie und die Trocknungsschwindung zu erreichen. Sein Kollege Hannes Engelhardt stellte die Ergebnisse der Gefügeuntersuchungen vor, in denen die Reaktionen im Interface zwischen LTCC und Siliziumwafer unter die Lupe genommen wurden. Die realisierten Anwendungsbeispiele wurden von Jens Müller (Technische Universität Ilmenau) und Andrea Cyriax (CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH, Erfurt) vorgestellt. Herr Müller hat über den Aufbau, Fluidik und Charakterisierung eines Sensormoduls für die Untersuchung von Zellkulturen mittels Impedanzspektroskopie vorgetragen. Frau Cyriax hat über die Erfolge und Herausforderungen berichtet, die im Zusammenhang mit dem SiCer-basierten Packaging piezoresistiver Drucksensoren auftreten.

Am Abend nach dem ersten Konferenztag fand wie gewohnt die Konferenzabendveranstaltung statt. Traditionell wurde sie bei Augustiner in der Neuhauser Straße ausgetragen, zur Abwechslung im weißen Saal, der genauso gut das volkstümliche Münchener Ambiente und die Gemütlichkeit bot. Bei der kurzen Ansprache nutzte der Vorstand die Gelegenheit, den Sponsoren der Veranstaltung zu danken: AEMtec, Budatec, EKRA; Hesse, Indium und VIA Electronic. An dieser Stelle möchten wir ihnen nochmals den Dank für die Unterstützung und Beitrag zum Gelingen der Konferenz aussprechen.

Der Schatzmeister Ernst Eggelaar bei der                      Der Schatzmeister Ernst Eggelaar bei der Ehrung der Sponsoren

Ehrung der Sponsoren

Zum Abschluss wollen wir uns bei den Teilnehmerinnen und Teilnehmern der Konferenz bedanken: Ihre fachlichen Beiträge und geführten Diskussionen haben es wie immer zur Freude gemacht, bei der Konferenz dabei zu sein!