jahresbericht 2012 - IAVT

Transcription

Institut für Aufbau und Verbindungstechnik der Elektronik
Zentrum für mikrotechnische Produktion
JAHRESBERICHT 2012
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik
Faculty of Electrical and Computer Engineering
Jahresbericht 2012
Annual Report 2012
Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik &
Institute of Electronics Packaging Technology &
Centre of Microtechnical Manufacturing
Adresse Briefpost:
TU Dresden
Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik (IAVT)
01062 Dresden
bzw.
TU Dresden
Zentrum für mikrotechnische Produktion (ZmP)
01062 Dresden
Address for letters:
TU Dresden
Institute of Electronics Packaging TechnologyLaboratory
D-01062 Dresden
Germany
respectively
TU Dresden
D-01062 Dresden
Germany
Adresse sonstige Sendungen:
TU Dresden
Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik (IAVT)
Helmholtzstr. 10
01069 Dresden
bzw.
TU Dresden
Zentrum für mikrotechnische Produktion (ZmP)
Helmholtzstr. 10
01069 Dresden
Address for other deliveries:
TU Dresden
Institute of Electronics Packaging Technology
Helmholtzstr. 10
D-01069 Dresden
Germany
respectively
TU Dresden
Helmholtzstr. 10
D-01069 Dresden
Germany
Besucheranschrift / Visitors:
Helmholtzstraße 18
Barkhausen-Bau, Raum I/76
01069 Dresden
Telefon/Phone:
Fax:
URL:
+49 351 463 36345
+49 351 463 37035
http://www.avt-dresden.de
Inhalt / Content
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8
Vorwort / Foreword ..................................................................................................... 4
Forschungsschwerpunkte / Research Focus ........................................................... 6
Mitarbeiter / Staff ........................................................................................................ 7
Lehre / Education........................................................................................................ 9
4.1 Lehrveranstaltungen / Courses ............................................................................ 9
4.2 Doktoranden- und Oberseminare / Postgraduate Classes .................................. 11
4.3 Dissertationen & Habilitationen / PhD Theses & Postdoc Qualification .............. 12
4.4 Diplomarbeiten / Diploma Theses ...................................................................... 12
4.5 Studienarbeiten / Student Research Projects ..................................................... 12
4.6 Lehrlingsausbildung / Vocational Education ........................................................ 14
Forschung / Research .............................................................................................. 15
5.1 Projekte / Projects .............................................................................................. 15
5.2 Beiträge aus der Forschungstätigkeit / Examples of Research Activities ............ 46
Labore und Beratungsleistungen / Laboratories and Services ............................. 66
Weitere Aktivitäten / More Activities ....................................................................... 83
7.1 Bücher und Skripte / Books and Scripts ............................................................. 83
7.2 Veröffentlichungen und Vorträge / Publications and Presentations .................... 83
7.3 Preise / Awards .................................................................................................. 88
7.4 Veranstaltungen / Events ................................................................................... 89
7.5 Mitgliedschaften / Memberships ....................................................................... 95
7.6 Patente / Patents ............................................................................................... 95
Förderverein / Promotional Society......................................................................... 96
Annual Report IAVT
1 Vorwort / Foreword
Der Jahresbericht 2012 zeugt erneut von den umfangreichen Aktivitäten der Mitarbeiterinnen
und Mitarbeiter des Institutes für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik sowie des
Zentrums für mikrotechnische Produktion in Forschung und Lehre auch im vergangenen Jahr.
Darüber hinaus reflektiert er die wissenschaftlichen Höhepunkte und Erfolge des IAVT und des
ZmP, von denen ich die nachfolgenden besonders hervorheben möchte:

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





Erfolgreicher Abschluss der Promotion von Herrn Dr. Matthias Nöthen sowie der
Habilitation von Herrn Dr.-Ing. habil. Markus Detert.
Erfolgreiche Verteidigung von 6 Diplomarbeiten und 9 Studienarbeiten an unserem
Institut.
Durchführung von Drittmittel-Forschungsarbeiten im Jahre 2012 mit einem
Jahresfinanzvolumen von 1,8 Mio. Euro.
Zahlreiche wissenschaftliche Publikationen in Form von Fachartikeln und Vorträgen; u.a.
erfolgreiche Teilnahme an der IEEE-CPMT Electronic Component and Technology
Conference (ECTC), der IEEE-CPMT Electronics Systemintegration Technology
Conference (ESTC) und dem IEEE-CPMT International Spring Seminar on Electronics
Technology (ISSE).
Feierliches Richtfest für unser neues Laborgebäude an der Nöthnitzer Straße am
27.04.2012.
Berufung des Junior-Professors Dr.-Ing. Henning Heuer für das Fachgebiet
„Sensorsysteme für die zerstörungsfreie Prüfung und Strukturüberwachung“.
Verleihung des ESTC 2012 Best Poster Award für den Beitrag „Inductively Excited Lockin Thermography for PCB-Vias“ der Autoren J. Bohm, K. Meier und K.-J. Wolter
Heinrich-Barkhausen-Preis für die beste Dissertation 2011, verliehen am 9.11.2012 an
Herrn Dr.-Ing. Andreas Klemmt für seine Promotion zum Thema "Ablaufplanung in der
Halbleiter- und Elektronikproduktion: hybride Optimierungsverfahren und
Dekompositionstechniken"
Diese erfolgreiche Entwicklung ist nur durch die engagierte Arbeit unserer Mitarbeiterinnen und
Mitarbeiter, durch die Unterstützung durch unsere Partner in Firmen und Instituten sowie durch
die Universitätsleitung möglich.
Mein Vorwort möchte ich deshalb abschließen mit meinem Dank an alle Mitarbeiterinnen und
Mitarbeiter des IAVT und ZmP für die im Jahre 2012 geleistete Arbeit sowie mit meinem Dank
an unsere Partner für die gute Zusammenarbeit.
Prof. Dr.-Ing. habil. K.-J. Wolter
Institutsdirektor
4
Jahresbericht IAVT
The annual report 2012 again witnesses the comprehensive education and research activities of
the staff of the Electronics Packaging Laboratory (IAVT) as well as of the Center of Microtechnical Manufacturing (ZmP) during the last year. Furthermore it reflects the scientific highlights
and results of the IAVT and ZmP, from which I would like to emphasize especially the following
ones:








Successful completion of the doctorates degree of Dr.-Ing. Matthias Nöthen and the
state doctorate of Dr.-Ing. habil. Markus Detert.
Accomplishment of 6 diploma theses and 9 study theses at our institute.
Realization of third-party funded research projects with an overall budget of 1.8 Million
Euro in 2012.
Numerous publications of scientific contributions in the form of articles and
presentations; most successful participation in the IEEE-CPMT Electronic Component
and Technology Conference (ECTC), the IEEE-CPMT Electronics Systemintegration
Technology Conference (ESTC) and the IEEE-CPMT International Spring Seminar on
Electronics Technology (ISSE).
Roofing ceremony of the new laboratory building at Nöthnitzer Staße in April 2012.
Appointment of the Junior-Professor Dr.-Ing. Henning Heuer for the subject „Sensor
Systems for non-destructive Testing and Structural Health Monitoring“.
Granting with the “Best Poster Award” at ESTC 2012 for the presentation “Inductively
Excited Lock-in Thermography for PCB-Vias”, by authors J. Bohm, K. Meier und K.-J.
Wolter.
Heinrich-Barkhausen-Award for the best doctoral thesis 2011, granted on 9th November,
2012 to Dr.-Ing. Andreas Klemmt for his graduation about "Scheduling in Semiconductor
and Electronics Production: Hybrid Optimization Methods and Decomposition
Techniques"
This successful development is assured by the committed work of our staff, by support of our
partners in companies and institutes as well as by the university management.
I would like to conclude my foreword with my thanks to all employees of IAVT and ZmP for their
work done in 2012 and with my thanks to our partners for their good cooperation.
Director
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Annual Report IAVT
2 Forschungsschwerpunkte / Research Focus
Wissenschaftlicher Gegenstand:
Technologische Verfahren für die Fertigung elektronischer Baugruppen bei wachsenden Anforderungen an die Packungsdichte, Verdrahtungsdichte und Zuverlässigkeit sowie Analyse und
Synthese komplexer technologischer Prozesse zur Fertigung elektronischer Baugruppen unter
Berücksichtigung stochastischer Einflussgrößen in automatisierten Produktionssystemen mit
den Schwerpunkten:
 Biokompatible Aufbau- und Verbindungstechnik
 Dickschichttechnik
 Mikrostrukturcharakterisierung
 Mikroverbindungstechniken
 Modellierung, Simulation, Optimierung von Prozessen
 Montagetechnologien
 Optische Verbindungstechnik
 Qualitätssicherung in der Fertigung
 Sensoren für zfP und SHM
 Zerstörungsfreie Prüfverfahren
 Zuverlässigkeit auf Baugruppenebene
Einordnung der AVT in der Systemintegration / The Role of Electronics Packaging in System Integration
Scientific subject:
Technological procedures of manufacturing electronic units with increasing requirements on the
scale of integration, the wiring density and reliability as well as analysis and synthesis of complex technological processes for manufacturing electronic units regarding stochastic influences
in automated production systems, emphasized on:
 Biocompatibility of Electronics Packaging
 Thick Film Technology
 Microstructure Characterization
 Micro Interconnection Technologies
 Modeling, Simulation, Optimization of Processes
 Assembly Technologies
 Quality Assurance
 Photonic Packaging
 Sensors for NDT and SHM
 Non-destructive Inspection
 Board Level Reliability
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Jahresbericht IAVT
3 Mitarbeiter / Staff
Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik
Institute of Electronics Packaging Technology
Tel.-Nr./Phone
+49-351-463 XXXXX
Direktor / Director
Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus-Jürgen Wolter
Stellvertreter / Deputy
Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Zerna
Sekretariat / Secretariat
Taupitz, Steffi
Koch, Marian
Juniorprofessor / Juniorprofessor
Jun.-Prof. Dr.-Ing. Henning Heuer (ab 04/12)
Lehrkraft / Lecturer
PD Dr.-Ing. Jürgen Uhlemann
PD Dr.-Ing. Gerald Weigert
Honorarprofessor / Adjunct Professor
Prof. Dr.-Ing. habil. Hans-Jürgen Albrecht, SIEMENS AG Berlin
Prof. Dr.-Ing. habil. Norbert Meyendorf, IZfP-D
Wissenschaftliche Mitarbeiter / Scientific Staff
Albrecht, Oliver
Dipl.-Geogr.
Bohm, Johannes
Dipl.-Ing.
Böhme, Björn (bis 08/12)
Dipl.-Ing.
Bramlage, Silke
Dipl.-Ing.
Doleschal, Dirk
Dipl.-Math.
Ernst, Daniel
Dipl.-Ing.
Essa, Safa Kareim (ab 08/12)
Dr.-Ing.
Frömmig, Max
Dipl.-Ing.
Graf, Matthias
Dipl.-Chem.
Heinze, Roland
Dipl.-Ing.
Hildebrandt, Samuel
Dipl.-Ing.
Hielscher, Gerald
Dr.-Ing.
Ivanov, Vitalii
MSc.
Klemm, Alexander (ab 02/12)
Dipl.-Ing.
Kopycinska-Müller, Malgorzata
Dr.-Ing.
Lange, Jan
Dipl.-Ing.
Luniak, Marco
Dr.-Ing.
Meier, Karsten
Dipl.-Ing.
Meyer, Sebastian
Dipl.-Ing.
Müller, Maik
Dipl.-Ing.
Nieweglowski, Krzysztof
Dr.-Ing.
Oettl, Annika (bis 04/12)
Dipl.-Oec.
Panchenko, Juliana
MSc.
Patsora, Iryna (ab 09/12)
MSc.
Rieske, Ralf
Dr.-Ing.
Rudolf, Frank
Dr.-Ing.
Sättler, Peter
Dipl.-Ing.
Schaulin, Michael
Dr.-Ing.
Schwerz, Robert
Dipl.-Ing.
36345
33274
36345
37517
33007
36229
36439
36408
32079
36426
31696
36941
32080
42510
42510
38625
36426
32159
31695
39556
88815 552*
39556
32086
36594
32079
33172
35291
33056
33007
36428
34683
22056
39556
35291
7
Annual Report IAVT
Sohr, Sebastian
Suthau, Eike
Varga, Melinda
Technische Angestellte / Technical Employee
Döring, Sandra (ab 07/12)
Hartmann, Theodor (ab 07/12)
Haugwitz, Toni (ab 07/12)
Lautenschläger, Georg
Kruse, Jens (bis 09/12)
Schumann, Frank
Schöne, Anke
Tyrian, Swen
Stipendiaten / Scholarship Holder
Aryasomayajula, Bhanu Lavanya
Bach, Thiago (bis 03/12)
Chapnyi, Taras (ab 10/12)
Kirsten, Sabine
Kyrychenko, Mykhailo (ab 10/12)
Osmolovski, Sergii (ab 10/12)
Reithe, Annegret
Voitsekhivska, Tatjana
Status Angehöriger der TU Dresden
Prof. (i.R.) Dr.-Ing. habil. Ekkehard Meusel
Dipl.-Ing.
Dipl.-Ing.
Dr.
32086
32086
36107
38633
31979
Dipl.-Ing. (FH)
36408
34539
35423
MSc.
22475
Dipl.-Ing.
36107
Dipl.-Ing.
MSc.
34549
32132
Direktor / Director
Stellvertreter / Deputy
Lehrkraft / Lecturer
PD Dr.-Ing. Heinz Wohlrabe
Wissenschaftliche Mitarbeiter / Scientific Staff
Oppermann, Martin
Technische Angestellte / Technical Employee
Ließ, Carsten
Lehrlinge / Apprentices
Döring, Sandra (bis 06/12)
Geppert, Luise
Engelmann, Theodor
Hartmann, Theodor (bis 06/12)
Häse, Richard
Status Angehöriger der TU Dresden
Prof. (i.R.) Dr.-Ing. habil. Wilfried Sauer
36345
33274
35479
Dr.-Ing.
35051
32718
31979
31979
31979
35409
* Mitarbeiter mit Arbeitsplatz außerhalb des Campus. Hier bitte die angegebene Telefonnummer ohne TU-Einwahl 463 benutzen
* Staff with office outside university campus. Please use listed telephone number without university prefix 463.
8
Jahresbericht IAVT
4 Lehre / Education
4.1
Lehrveranstaltungen / Courses
Lehrveranstaltungen im Sommersemester:
Lehrveranstaltung
Lehrende
Praktikum Aufbau- und Verbindungstechnik I
Prof. Wolter
Aufbau- und Verbindungstechnik II
Prof. Wolter
Doktorandenseminar Aufbau- und Verbindungstechnik
Prof. Wolter
Elektrische Sicherheit medizinischer Geräte
PD Uhlemann
Fertigungssysteme der Elektronik
PD Weigert
Grundlagen der zerstörungsfreien Prüfung
Prof. Meyendorf
Praktikum Feinwerktechnik
Prof. Wolter
Präzisionsantriebe
PD Uhlemann
Prüftechnik / Visuelle Inspektion
Prof. Wolter, Dr. Oppermann
Qualitätssicherung
Dr. Wohlrabe
Übungsbetreuung Grundlagen Elektrotechnik
PD Weigert, Dr. Wohlrabe
Module
Lehrende
Praktikum Mikrorechentechnik
PD Weigert
Lectures in the summer semester:
Courses
Tutors
Practical training Electronic Packaging I
Prof. Wolter
Electronic Packaging II
Prof. Wolter
Postgraduate class electronics packaging
Prof. Wolter
Electrical Safety of medical devices
PD Uhlemann
Manufacturing systems in electronics
PD Weigert
Basics of non-destructive testing
Prof. Meyendorf
Practical training precision engineering
Prof. Wolter
Precision drives
PD Uhlemann
Test engineering / visual inspection
Prof. Wolter, Dr. Oppermann
Quality assurance
Dr. Wohlrabe
Exercises Basics in electrical engineering
Module
Tutors
Practical training computer engineering
PD Weigert
9
Annual Report IAVT
Lehrveranstaltungen im Wintersemester
Lehrveranstaltung
Lehrende
Praktikum Aufbau- und Verbindungstechnik II
Prof. Wolter
Doktorandenseminar Aufbau- und Verbindungstechnik
Prof. Wolter
Einführung in die Mikro- und Nano-zerstörungsfreie Prüfung
Prof. Meyendorf
Hybridtechnik
Prof. Wolter, Dr. Luniak
Praktikum Feinwerktechnik
Prof. Wolter
Projekt Feinwerktechnik
Prof. Wolter
Statistische Methoden der Verfahrensoptimierung
Dr. Wohlrabe
Systeme für die zerstörungsfreie Prüfung
Jun.-Prof. Heuer
Übungsbetreuung Grundlagen Elektrotechnik
Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen
Prof. Albrecht
Modul
Lehrende
Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik
Prof. Wolter
Technologien der Elektronik
Teil 1: Aufbau- und Verbindungstechnik für elektronische Bauelemente
Projekt Elektronik-Technologie
Prof. Wolter
Prof. Zerna
Lectures in the winter semester
Courses
Tutors
Practical training Electronics Packaging II
Prof. Wolter
Postgraduate class electronics packaging
Prof. Wolter
Introduction in micro and nano non-destructive testing
Prof. Meyendorf
Hybrid technology
Prof. Wolter, Dr. Luniak
Practical training Precision Engineering
Prof. Wolter
Project Precision Engineering
Prof. Wolter
Statistical methods for process optimization
Dr. Wohlrabe
Systems for non-destructive Testing
Jun.-Prof. Heuer
Exercises Basics in electrical engineering
Reliability of Electronics
Prof. Albrecht
Module
Tutors
Electronics Packaging
Prof. Wolter
Technologies of Electronics
Part 1: Packaging of Components
Project Electronics Technology
10
Prof. Wolter
Prof. Zerna
Jahresbericht IAVT
4.2
Doktoranden- und Oberseminare / Postgraduate Classes
Die Doktoranden- und Oberseminare werden vorrangig von jungen, in der Qualifizierung befindlichen Wissenschaftlern, Vertretern der Arbeitsrichtungen des Institutes und wissenschaftlichen
Gastreferenten ausgestaltet und vermitteln den Studierenden der höheren Semester und den
Mitarbeitern des Institutes Wissenselemente, die weit über die in den Studiendokumenten fixierten Inhalte und die täglichen Arbeitsaufgaben hinausreichen. Folgende Themen wurden im Jahr
2012 angeboten:
Thema
Vortragende(r)
Thermisch induzierte Damage-Mechanismen elektronischer Baugruppen und Ableitung von Korrekturmaßnahmen (TDMA)
Energy-Adaptive Optical Onboard Links for Inter-Chip Communication
Technologie und Zuverlässigkeit von eingebetteten Elektroniken /
Sensoren für das SHM
Robuste Mikrosysteme für automobile und luftfahrtbezogene Anwendungen
Technologische und werkstoffanalytische Bewertung von Lötprozessen in der Solarmodulmontage
Multi physics modeling of 3D stacks
Dipl.-Geo. O. Albrecht
Dr. M. Oppermann
Dr. K. Nieweglowski
Charakterisierung des TSV-Annealing
Dr. B. Böhme
Prof. Dr. U. Schmid
(TU Wien, Abt. MST)
Dipl.-Ing. S. Schindler
(FhG CSP, Halle)
Dr. P. Schneider
(FhG IIS)
Dipl.-Ing. P. Sättler
Mehrstufige Problemminimierung durch mathematische Methoden
bei Dedizierungsproblemen
Electrode design for intraoperative neuromonitoring
Dipl.-Math. D. Doleschal
Der Innovationsprozess an der Hochschule
Innovations- und Gründungsaktivitäten an der TU Dresden
Dipl.-Ökon. A. Oettl
Dr.rer.pol. F. Pankotsch
(GF Dresden exists)
Dr. K. Nieweglowski
Dipl.-Ing. S.Sohr
Dipl.-Ing. E. Suthau
Fortschritte in der optischen Aufbau- und Verbindungstechnik
Verlustleistungsoptimierte optische Energieversorgung und bidirektionale Datenübertragung
Influence of the Processing Parameters on SLID Interconnects for 3D
Integration
Einfluss einer Oberflächenbehandlung auf die Verschaltungsqualität
flexibler Solarmodule
Hybride Modellierungsansätze für die Planung und Steuerung von
Fertigungsabläufen
Applications of Cu-CNT Composites for Packaging Interconnects
Dr. rer. nat. M. Varga, IAVT
MSc. I. Panchenko
Dipl.-Phys. A. Reithe
Dipl.-Ing. J. Lange
MSc. L. Aryasomayajula
Zerstörungsfreie Analyse- und Prüfverfahren für die Nano-Aufbauund Verbindungstechnik
Montage flexibler Chips mittels Kapillareffekt einer Flüssigkeit
Dr. M. Oppermann
Reliability of Embedding concepts in Organic Circuit Boards
Dipl.-Ing. R. Schwerz
Dipl.-Ing. M. Frömmig
Applikationsrelevante Untersuchungen zu Darstellung, Charakterisie- Dipl.-Chem. M. Graf
rung und Verarbeitung von metallischen Nanowires
ZfP von elektrischen Verbindungsstellen mittels induktiv angeregter
Dipl.-Ing. J. Bohm
Thermografie
Temperatursensoren für miniaturisierte Reaktoren der Chemischen
Dipl.-Ing. S. Hildebrandt
Verfahrenstechnik
11
Annual Report IAVT
4.3
Dissertationen & Habilitationen / PhD Theses & Postdoc Qualification
Nöthen, Matthias:
„Simulationsbasierte Bestimmung der Risstiefe in austenitischem Stahl unter Anwendung der induktiv angeregten Thermografie“
Betreuer / Supervisor: Prof. Dr.-Ing. habil. N. Meyendorf
Habilitation Dr.-Ing. Detert, Markus:
„Flexible Leiterplatten für Mikrosysteme der Medizintechnik“
Betreuer / Supervisor: Prof. Dr.-Ing. habil. K.-J. Wolter
4.4
Diplomarbeiten / Diploma Theses
Bo, Xun:
Zerstörungsfreie Prüfung von Durchkontaktierungen mittels induktiv angeregter Thermografie
Betreuer/ Supervisor: DI Bohm
Fischer, Julia:
Entwicklung eines Ultraschall Phased-Array-Prüfkopfes mit gekrümmter Anpassschicht
Betreuer / Supervisor: Dr. Oppermann
Gloe, Christian:
Anregungssystem für die induktive angeregte Lock-in-thermografie von Durchkontaktierungen
Betreuer / Supervisor: DI Bohm
Häfner, Carsten:
Untersuchung und Optimierung der Sprühdeposition von Silbernanopartikeldispersionen
als transparente Elektrodenschichten für die organische Photovoltaik
Betreuer / Supervisor: DI Ernst, Dr. Müller-Meskamp (IAPP)
Müller, Daniel:
Herstellung und Charakterisierung transparenter und elektrisch leitfähiger Schichten für
flexible Elektroluminezenz-Anwendungen
Betreuer / Supervisor: Dr. Luniak, DI Ernst
Wetterling, Jakob:
Untersuchung des Barriereverhaltens von polymeren Mehrschichtsystemen
Betreuer / Supervisor: PD Uhlemann, DI Kirsten
4.5
Studienarbeiten / Student Research Projects
Franke, Philipp:
Untersuchungen zur Realisierung von qualitätsfähigen, stabilen und robusten LotpastenDruckprozessen
Betreuer / Supervisor: Dr. Wohlrabe
12
Jahresbericht IAVT
Krüger, Steve:
Oberflächenanalyse an Bildsensoren
Betreuer / Supervisor: Dr. Oppermann, Dr. Luniak
Lauerwald, Tino:
Automatisierung der aktiven Faser-Chip-Kopplung mittels eines PiezoPositioniersystems
Betreuer / Supervisor: Dr. Rieske, DI Sohr
Lorenz, Lukas:
3D-Glasstrukturierung für Waferlevel Photonic Packaging
Betreuer / Supervisor: Dr. Rieske, DI Sohr
Mauermann, Christopher:
Herstellung von Spulenarrays für die induktive angeregte Thermografie
Betreuer / Supervisor: DI Bohm
Schubert, Martin:
Aufbau eines Messplatzes zur Untersuchung der Schutzfunktion biokompatibler Einhausungsmaterialien mittels fluidischer Belastung
Betreuer / Supervisor: PD Uhlemann
Schulz, Katharina
Untersuchung der Haftfestigkeit von biokompatiblen Polymeren auf Probekörpern unter
Einfluss verschiedener Stressparameter
Betreuer / Supervisor: DI Kirsten
Stolze, Benjamin:
Untersuchung der elektrischen Parameter von polymeren Einhausungsmaterialien unter
Belastung mit synthetischen Körperflüssigkeiten
Betreuer / Supervisor: PD Uhlemann
Ullmann, Christian:
Zuverlässigkeit von Schaltungen auf CFK-Basismaterial für den Einsatz in der Luftfahrt
Betreuer / Supervisor: DI Bramlage, DI Böhme
13
Annual Report IAVT
4.6
Lehrlingsausbildung / Vocational Education
Zurzeit lernen 3 Auszubildende den Beruf des/der Mikrotechnologen/in am ZmP.
Die Ausbildung dauert drei Jahre. Der Ausbildungsberuf des Mikrotechnologen orientiert sich
bezüglich der berufsübergreifenden und berufsspezifischen Qualifikation und Bildungsziele an
der Fertigung von mikro-technischen Produkten der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik sowie
den dazu erforderlichen, die Produktion begleitenden Prozessen.
Dazu werden u.a. Grundlagen zu folgenden Bildungselementen vermittelt:
 Planen, Organisieren und Dokumentieren der Arbeit
 Bereitstellen und Entsorgen von Arbeitsstoffen
 Einstellen von Prozessparametern
 Herstellungs- und Montageprozesse
 prozessbegleitende Prüfungen, Endtests
 Umrüsten, Prüfen und vorbeugendes Instandhalten von Produktionseinrichtungen
 Optimierung des Produktionsprozesses
 Sichern von Prozessabläufen und Qualitätsmanagement
 Sichern und Prüfen der Reinraumbedingungen
 Kooperieren und Kommunizieren mit den Mitarbeitern des Unternehmens im Rahmen
beruflichen Handelns
Recently 3 apprentices for micro-technologist take part in an apprenticeship at the Center for
microtechnical Manufacfuring.
The outline of the profession micro-technologist is orientated to the manufacturing of microtechnical products for the semiconductor and microsystem technology and the processes belonging
to this.
Among other things the apprentices have to learn:
 to plan, to organize and to document the processes
 to regard and use standards, regulations and instructions for using chemicals and
paying attention to environmental protection
 to regard the quality, to keep clean-room-requirements, to find cost-effective solutions
and to guarantee the yield,
 to cooperate and communicate with other employers of the company (social
competence)
14
Jahresbericht IAVT
5 Forschung / Research
5.1
Projekte / Projects
Drahtlose Stimulations- und Monitorelektroden auf Kunststoffbasis für das
intraoperative Neuromonitoring
Wireless stimulation electrodes and monitor electrodes on a plastic base for
intraoperative Neuromonitoring
Kurztitel / Short title
Neuromonitoring
Projektleiter / Head
Mitarbeiter / Staff
Dr. rer. nat. M. Varga
Zusammenarbeit / Cooperation
Dr. Langer Medical GmbH Waldkirch, Institut für Bioprozess- und
Analysenmeßtechnik e.V. Heiligenstadt, HSG-IMIT Institut für Mikro- und Informationstechnik Villingen-Schwenningen, Institut für
Mikrosystemtechnik – IMTEK Freiburg
Finanzierung durch / Financed by
BMWi
Laufzeit / Project term
09/2011 bis 08/2013
Bei der Operation in der Nähe kritischer Nerven (z.B. Nervus vagus laryngus, Stimmlippennerv)
ist es vorteilhaft, dessen Funktion kontinuierlich zu überwachen, um eventuelle Schädigungen
im Vorfeld zu erkennen. Eine erhebliche Gefährdung geht jedoch wegen mechanischer Belastung von den Zuleitungen der Stimulations- und Monitorelektroden. Im Projekt soll deshalb ein
Konzept zu kombinierten Monitor- und Stimulationselektroden erstellt werden, die
 kabellos betrieben wird (Tranponder, RFID-Datenübertragung) und
 self-assembling Eigenschaften besitzen muss.
Neben dem generellen Konzept spielt auch die Materialauswahl sowie die technische Ausstattung der Einzelelektrode eine Rolle. Die Elektroden sollen durch geeignete Oberflächen einen
guten Kontakt zum Nerven gestatten sowie auch für minimal invasive Operationstechniken geeignet sein. Sowohl bi- als auch monopolare Anordnungen mit impedometrischen Positionierhilfen werden untersucht.
Continuous evaluation and identification of neural (e.g. Recurrent laryngeal nerve or vocal fold
nerve) dysfunction providing critical information during surgeries about reversal or avoidance of
neural insults has gained increasing importance. A significant damage during operations is
caused by the mechanical stress upon wiring of the electrodes. In this project a new approach
will be developed in which the electrode should operate
 wireless (Transponder, RFID signal transmission) and
 have self-folding properties.
The choice of the electrode material and electrode design will be considered as important criteria for realization. Further requirements are good contact to the nerve and suitability for intraoperative procedures. Both, mono- and bipolar electrode configurations with impedimetric
response will be tested.
15
Annual Report IAVT
Entwicklung effizienter Methoden zur Ablaufplanung in komplexen Fertigungssystemen
Development of efficient methods for scheduling in complex production systems
SMARTPLAN
PD Dr.-Ing. G. Weigert
Mitarbeiter / Staff
InQu Informatics Dresden
SAB
04/2010 bis 02/2012
Das Projekt wurde erfolgreich abgeschlossen. Ziel des Projektes war die Entwicklung bzw. die
Erweiterung von Methoden für eine flexible, zielabhängige Planung von Fertigungsabläufen. Die
Methoden sollten dabei weitgehend branchenunabhängig anwendbar und in vorhandene Planungswerkzeuge (fastchain.APS und simcron MODELLER) integrierbar sein.
Realisiert wurde die Kombination simulationsgestützter Planungsmethoden mit modernen mathematischen Scheduling-Verfahren, die sich vor allem auf die Engpässe des Systems konzentrieren. Als Stellgrößen kamen vorrangig, aber nicht ausschließlich, die Losbildung, Auftragsreihenfolgen und verschiedene Rüststrategien unter Beachtung von Rüstvorgangsmatrizen zum
Einsatz. Bei den Zielgrößen wurden vor allem Zykluszeit und Termineinhaltung, sowie die daraus ableitbaren Kenngrößen, berücksichtigt. Der Anwender formuliert nicht nur die Vorgaben für
Ziel- und Steuergrößen, sondern wird auch bei der Auswahl eines Planes aus einer Menge alternativer Pläne unterstützt. Der Planungsgegenstand (Fertigungssystem bzw. - prozess) ist
sowohl hinsichtlich der Dimension Zeit (Planungsintervalle bzw. Planungshorizont) als auch in
Bezug auf die organisatorischen Einheiten des betrachteten Systems weitgehend skalierbar.
The project was successfully completed. The objective of the project was the development and
extension of methods for flexible and target-specific planning of manufacturing processes.
These methods should be independently applicable to different industrial sectors and also be
capable to be integrated in existing planning (fastchain.APS and simcron MODELLER) tools.
Realized was a combination of simulation-based scheduling methods with advanced mathematical scheduling methods, which primarily focus on the system’s bottleneck. Beside others, the
projected main control variables were lot size, lot order and various setup rules with consideration of setup matrixes. Typical objective variables being considered were the cycle time and the
due date accuracy as well as related parameters. The user is not only able to define the presets
for objective variables and control variables, but is also supported in selecting an appropriate
plan from a set of available plans. The subject matter to be planned (e.g. manufacturing system
or process) is scalable according to time, but also to the system’s organizational units.
16
Jahresbericht IAVT
Entwicklung eines Online-Qualitätssicherungssystems für die Fertigung von
Carbonfaser-Vliesen für technische Anwendungen
Development of an online quality assurance system for the manufacturing of carbon
fiber nonwovens for technical application
QS-System
Jun. Prof. Dr.-Ing. Henning Heuer
Mitarbeiter / Staff
Dr.-Ing. Michael Schaulin
MEL Mikroelektronik GmbH Eching, SURAGUS GmbH Dresden,
FusionSystems GmbH Chemnitz, ELWI Automation GmbH Moritzburg, TU Dresden - Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik
BMWi – ZIM
04/2012 bis 09/2013
In dem vom BMWi geförderten Kooperationsprojekt „ZIM“ wird ein echtzeitfähiges Qualitätssicherungssystem für die In-Situ Überwachung eines „Rolle-zu-Rolle“ Fertigungsprozesses entwickelt. In dem Prozess werden beschichte Vliesstoffe aus Hochleistungsfasern z. B Carbonfasern gefertigt. Diese Materialien finden insbesondere in Bereichen der Energieerzeugung und –
speicherung, wie z. B. bei Gasdiffusionsschichten in Brennstoffzellen, Verwendung. Da die
Funktionalität dieser Carbonvliesstoffe aus Sicherheitsgründen über die gesamte Lebensdauer
der Endprodukte gewährleistet werden muss, ist eine ausnahmslose Fehlererkennung ein entscheidendes Kriterium für die Verwertbarkeit des hergestellten Materials. Eine optische und
haptische Prüfung ist jedoch, selbst durch geschultes Personal, nur subjektiv möglich und mit
Blick auf die hohen Qualitätskriterien zu fehleranfällig. Für die Fertigung solcher hochqualitativen Vliesstoffe müssen in den unterschiedlichen Stufen des Fertigungsprozesses entsprechende Qualitätssicherungsverfahren zur Verfügung stehen, wobei die Struktur der Carbonvliesstoffe durch die jeweiligen Prüfverfahren nicht beeinflusst werden darf. Das zentrale Projektziel besteht in der Konzeption einer industriell einsetzbaren Oberflächenprüfung, mit der sich die Fertigung von beschichteten Carbonvliesstoffen in reproduzierbarer und damit deutlich gehobener
Qualität sicherstellen lässt. Ausgehend von der Klassifizierung der Qualitätsmängel bei der
Vliesstoffherstellung und Untersuchungen zu deren Beschaffenheit werden Methoden und Verfahren zu deren Erkennung abgeleitet. Im weiteren Projektablauf wird das OnlineÜberwachungssystem, bestehend aus verschiedenen Messsystemen zur Ermittlung der Materialparameter sowie die Integration dieser Systeme in den Prozess der Vliesstofffertigung entwickelt. Schwerpunkt der am Institut bearbeiteten Aufgabenstellung bildet die Fehlererkennung
mittels Luft-Ultraschall.
In the „ZIM“ project funded by the BMWi, a real time quality management system for an in-situ
controlled reel-to-reel production process is developed. Coated nonwovens made from high
performance fiber such as carbon fibers are manufactured in the process. These materials are
used in power generation and energy storage applications as for example in gas diffusion layers
in fuel cells. Since the functionality of this carbon nonwovens must be guaranteed for safety
reasons over the durability of the final product, a throughout error detection without exception is
an important criterion for the applicability of the produced material. A visual and tactile inspection is only possible subjectively and in relation to the high quality criteria less prone to error.
For the production of such high-quality nonwoven materials in the different stages of the production process, appropriate quality assurance procedures must be available but the structure of
the carbon nonwovens may not be affected by the associated test methods. The objective of the
project is the development of an industrial grade surface testing which ensures the production of
coated carbon nonwoven fabrics in a reproducible quality and thus also significantly superior
quality. Based on the classification of the quality defects of the nonwoven production process
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Annual Report IAVT
and studies on their nature methods and procedures are derived to identify them. As the project
expires, the online monitoring system, consisting of different measurement systems to determine the material parameters, and the integration of these systems in the process of nonwoven
production will be developed. Focus of the institute treated task is the fault detection by using
airborne ultrasound.
Entwicklung von Montagetechnologien für Hochfrequenzbaugruppen auf Folienbasis
Development of assembling technologies for high frequency modules on flex substrates
HoFlex
Mitarbeiter / Staff
Dr.-Ing. F. Rudolf, Dipl.-Ing. D. Ernst
Cicor Microelectronics - RHe Microsystems GmbH Radeberg
SAB
11/2010 bis 10/2012
Im Teilprojekt des IAVT wird der Schwerpunkt auf Technologien gelegt, die dazu geeignet
scheinen, flexible mehrlagige Schaltungsträger (Flex) mit Gehäuseanschlüssen mit den auf den
Flex aufgebrachten Chips sowie weiteren Funktionselementen elektrisch zu verbinden. Im Laufe der Bearbeitungszeit sollen hierfür zunächst die Technologien Thermosonic-Ball/WedgeBonden (mit Gold-Drähten, 20 μm Drahtdurchmesser und das Ultrasonic-Wedge/WedgeBonden (mit speziell beschichteten Gold- und Kupfer-Drähten, 20-25 μm Drahtdurchmesser)
untersucht werden. Weitere spezielle Montagevarianten sind denkbar.
Der Kern der wissenschaftlichen Untersuchungen ist eine Analyse des Kontaktierungsprozesses, um diesen möglichst stabil gegenüber Veränderungen – abhängig vom jeweiligen Bedarf
für einzelne Produkte – gestalten zu können. Als Endresultat sollen Kontaktierverfahren so qualifiziert werden, dass damit sowohl die elektrische Verbindung von Bauteilen auf der Flex zur
Flex hin, als auch die Kontaktierung der Flex mit den äußeren Anschlüssen in einem Schritt
erfolgen kann. Das Kontaktierverfahren soll stabil gegen Toleranzen in der Qualität der Ausgangsmaterialien sein und die Kontakte sollen eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen.
The main focus of this subproject, which is part of the Project CiagAs, is the examination and
analyses of assembly and connection technologies that are capable of contacting flexible interconnect devices (Flex) connecting them to applied ICs as well as to external lead frames electrically. During the projects runtime especially thermosonic (TS) – ball/wedge-bonding (gold
wires, diameter 20 µm) and ultrasonic (US) – ball/wedge-bonding (coated gold and copper
wires, diameter 20-25 µm) should be examined. Appraisal of other connection technologies will
be tested depending on results of referred examinations.
One of the main points of scientific examinations is the reliability of the connection process
which shall become most robust to slight changes in product design and to parameter tolerances. As a result the connection technology shall become eligible qualified in terms of electric
connection between flex, ICs and external connectors as well as in terms of long term reliability
of the connections.
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Jahresbericht IAVT
Grundlegende Untersuchungen von Materialien und Technologien zur Herstellung
großflächiger flexibler CIGS-Solarzellen und –module
Basic investigations on materials and technologies for manufacturing large-area flexible
CIGS solar cells and modules
LafCIGS
Mitarbeiter / Staff
Dr.-Ing. Marco Luniak
Solarion AG Leipzig, ASEM Präzisions-Automaten-GmbH Dresden, HTS GmbH Coswig, XENON Automatisierungstechnik GmbH
Dresden, Fraunhofer-IzfP-D
SMWK
01/2012 bis 12/2013
Das Projektziel ist die Entwicklung der nächsten Generation flexibler CIGS-Solarzellen einschließlich deren Verschaltung und Verarbeitung zu Solarmodulen. Die einzelnen Solarzellen
bzw. Solarzellenarrays sollen dabei eine Fläche von mindestens 200 cm² auf einem gemeinsamen Polyimid-Substrat mit dem Ziel der gleichzeitigen Erhöhung des Wirkungsgrades im Vergleich zum jetzigen Konzept der Firma Solarion aufweisen.
Um hier ein Optimum des Zellenkonzeptes zu erreichen, werden unterschiedliche Strategien
zur Vergrößerung der Zellenfläche grundlegend untersucht und im Labormaßstab erprobt. Neben den photoelektrischen Parametern werden weiterhin Aspekte der Handhabbarkeit, der Verschaltung und Verarbeitung zu Modulen sowie Materialkompatibilitäten untersucht. Nicht zuletzt
werden aber auch die Beanspruchungen der verkapselten großflächigen Solarzellen durch mechanische Belastung, Temperaturzyklen, Feuchte und Sonneneinstrahlung sowie die Anforderungen an die elektrische Sicherheit erforscht und berücksichtigt.
Aim of this project is the development of the next generation of flexible CIGS solar cells including the assembly and interconnection to solar modules. For that, the single solar cells on polyimide substrates should reach an area of minimal 200 cm² and simultaneously an increased efficiency compared to the actual Solarion concept.
Therefore different strategies for the increasing of the cell area are basically investigated and
tested in a laboratory state. The main aspects of these investigations are not only the photoelectrical parameters but also the cell handling during the manufacturing process, the module
assembling and the material compatibilities. A further focus of the research work is the deep
analysis of the stress of encapsulated large area solar cells by mechanical load, temperature
cycling, humidity and solar radiation.
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Annual Report IAVT
Intelligente Fertigung energieeffizienter Produkte, Teilvorhaben: Multikriterielle
Optimierungsmethoden
Intelligent manufacturing of energy efficient products, project part: multi criteria
optimization methods
Coolflow
Mitarbeiter / Staff
Infineon Technologies Dresden GmbH, H A P GmbH Dresden,
Roth & Rau – Ortner GmbH Dresden, SYSTEMA Systementwicklung Dipl.-Ing. Manfred Austen GmbH Dresden, Advanced data
processing GmbH (adp) Dresden, Fachhochschule Stralsund, Universität der Bundeswehr München
BMBF
07/2011 bis 01/2014
In diesem Projekt sollen verschiedene Methoden - insbesondere mathematische Optimierungsverfahren - auf deren Anwendbarkeit für die Ablaufsteuerung, Ressourcenallokation, Kapazitätsplanung und Entscheidungsfindung in der Halbleiterfertigung untersucht werden. Die auf
dem Markt verfügbaren Werkzeuge (z.B. MIP- und CP-Solver) haben sich diesbezüglich in den
letzten Jahren enorm verbessert. Dennoch ist eine Optimierung und Steuerung ohne Zerlegung
des Gesamtsystems aufgrund der Komplexität der Halbleiterfertigung nicht möglich. Daher
müssen die einzelnen Optimierungsprobleme, wie bereits im Projekt V-Fab demonstriert, in
kleinere Einheiten zerlegt werden. Die Zerlegung soll dabei in verschiedenen Richtungen erfolgen. In Betracht kommen Einschränkungen des Zeithorizonts, Definition kleinerer Fertigungseinheiten (Workcenter), aber auch unterschiedliche Granularität der Produkte (beginnend von
einer einfachen kapazitiven Mengensteuerung bis zur Los-feinen Workcenter-Optimierung).
Konkret sollen die Verfahren in folgenden Abschnitten der Halbleiterproduktion eingesetzt werden:
 Materialfluss-Steuerung
 Maintenance-Steuerung
 Prozessüberwachung
In this project, various methods - in particular, mathematical optimization methods – should be
investigated for their applicability for flow control, resource allocation, capacity planning and
decision-making in semiconductor manufacturing. The available tools on the market (i.e. MIP
and CP solver) in this regard have improved enormously in recent years. Nevertheless, optimization and control without segmentation of the entire system is not possible due to the complexity of semiconductor manufacturing. Therefore, the single optimization problems, as already
demonstrated in the project V-Fab, must be divided into smaller units. The segmentation should
be made in different directions. Possible are limitations of the time horizon, the definition of
small production units (workcenter), but also the different granularity of products (starting with a
simple capacitive volume control to workcenter lot-based optimization). Specifically, the methods should be used in the following sections of the semiconductor production:
 Material flow control
 Maintenance control
 Process monitoring
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Jahresbericht IAVT
Kabellose Sensoren für die Strukturüberwachung
Wireless sensors for structural health monitoring
CoolSensorNet
Mitarbeiter / Staff
Dr.-Ing. B. Böhme, Dipl.-Ing. S. Bramlage
ZMD AG Dresden; IMA GmbH Dresden; RHe GmbH Radeberg;
Fraunhofer IzfP-D; Fraunhofer IKTS
BMBF
04/2009 - 03/2012
Das Gesamtziel des Projektes besteht in der Auslegung von Demonstratoren autarker funkvernetzbarer Sensorknoten mit integrierter akustischer Piezosensorik und der labortypischen Realisierung von Sensornetzwerken zur Überwachung und Lebensdauerbewertung tragender Konstruktionselemente. Im Teilvorhaben des IAVT liegt ein Schwerpunkt in der Forschung an hochzuverlässigen Aufbautechniken, die die Integration von Ultraschallsensoren, PiezoEnergiegeneratoren und Energiespeichern, der Elektronik für die Signalverarbeitung und die
drahtlose Übertragung für eine Lebensdauer von 30 Jahren gewährleisten, die die Sicherheitsanforderungen der Luftfahrt erfüllen und die den Einbauforderungen der Prüfaufgabe gerecht
werden. Ein weiterer Schwerpunkt umfasst die Erforschung von vibrations- und hochtemperaturresistenten stoffschlüssigen Verbindungstechniken. Die Prüfung der technologischen Umsetzbarkeit und die Optimierung der Aufbau- und Verbindungstechniken erfolgt anhand von realisierten Technologie-demonstratoren. Weiterhin ist es erforderlich, die Zuverlässigkeit der entwickelten Lösungen in beschleunigten Alterungstests zu charakterisieren. Dabei gilt es nachzuweisen, dass die ausgewählten Materialien und die entwickelten Technologien den Lebensdauerforderungen gerecht werden. Diese Nachweise haben insbesondere den komplexen Belastungsprofilen Rechnung zu tragen, die beim SHM an Flugzeugteilen auftreten. Der elektrische
Funktions-nachweis der Verbindungsstellen über in-situ-Messtechnik und die zerstörungsfreie
Charakterisierung der Aufbau- und Verbindungstechnik während bzw. nach den Stresstests
bilden eine notwendige Voraussetzung für die Modellierung des Ausfallverhaltens der entwickelten Sensoraufbauten.
The project deals with the development of self-powered sensor nodes for a wireless SHM network with integrated acoustic piezosensors for delamination detection in structures. The IAVT
focuses on a highly reliable packaging of the piezosensors, the energy harvester, and the electronic components. The required lifetime is 30 years of service. Additionally the packaging solutions have to fulfill the needs of avionic systems. Another focus is the investigation of vibration
and high temperature stable electrical connection technologies. Test boards are to be evaluated
under accelerated test conditions to prove the applicability and reliability of the developed technologies.
21
Annual Report IAVT
Kombiniertes Sensorsystem zur ganzheitlichen Überwachung von
Faserverbundstrukturen
Combined sensor system for a holistic monitoring of fiber composite structures
KombiSens
Mitarbeiter / Staff
Dipl.-Ing. Sebastian Sohr, Dr.-Ing. Krzysztof Nieweglowski
Fraunhofer IzfP-D); Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik
(ILK) der TU Dresden
BMBF
05/2011 bis 04/2014
In innovativen Industriezweigen wie etwa der Verkehrs- und Windenergietechnik werden zunehmend Faserverbundwerkstoffe, z.B. für Rotorblätter oder Tragflächen von Flugzeugen eingesetzt, die aufgrund ihres hervorragenden Eigenschaftsprofils die Herstellung komplexer
Leichtbaustrukturen ermöglichen. Da bisher noch keine Methoden zur zuverlässigen Lebensdauervorhersage vorliegen, müssen Faserverbundbauteile mit großen Sicherheitsreserven
ausgelegt und oftmals vorzeitig ausgetauscht werden. Dadurch werden hohe Kosten verursacht, die den Vorteilen moderner Leichtbauweisen entgegenstehen.
Im Rahmen des Verbundprojektes KombiSens validieren das Fraunhofer IZFP Dresden und die
Institute für Leichtbau und Kunststofftechnik sowie für Aufbau- und Verbindungstechnik der TU
Dresden ein kombiniertes Sensorsystem zur ganzheitlichen Überwachung von Faserverbundstrukturen. Dazu werden zwei physikalische Messprinzipien, nämlich die SpannungsDehnungs-Messung und die Strukturanalyse mittels Schallwellen, in ein einziges Sensorsystem
integriert, das kritische Schädigungen bei laufendem Betrieb wesentlich zuverlässiger erfassen
kann, als es bei Anwendung nur eines Messprinzips möglich wäre. Das Projekt richtet sich in
erster Linie an Hersteller von Windkraftanlagen, die Ergebnisse sind in weiteren Schritten aber
ebenso interessant für die Flugzeug- und Fahrzeugindustrie. Dafür wird im Anschluss an das
Projekt eine Kooperation mit Industrieunternehmen dieser Branchen angestrebt. Alternativ können die notwendigen Entwicklungs- und Anpassungsarbeiten von einem Unternehmen übernommen werden.
Hierfür werden am IAVT folgende konkrete Zielstellungen verfolg:
 Konzepte und Lösungsansätze zur fotolithografischen Strukturierung und Integration von
optischen Wellenleitern auf flexiblen Substraten
 Konzepte und Lösungsansätze zur Strukturierung von Faser-BRAGG-Gittern in planare
Wellenleiterstrukturen incl. der Technologieoptimierung
 Erarbeitung eines Faserkoppelkonzeptes zur Verbindung des planar-optischen Sensors
mit der Laserleistungszelle und optischer Glasfaser
 Integration zu einem Komplettsystem und Applikation in Teststruktur
 Zuverlässigkeitsuntersuchungen der integrierten optischen Sensorlage
Innovative industries as transportation and regenerative energy generation increasingly take
advantage of fiber composite materials, for example for rotor blades or wings of airplanes, because of their superb property set for the fabrication of complex lightweight structures. Due to
the lack of trusted methods for lifetime prognoses, these lightweight structures are often designed with large safety margins and replaced ahead of time. This causes high costs that are
opposed to the advantages of modern lightweight construction.
Within the joint project KombiSens the Fraunhofer Institute for non-destructive testing (IzfP) together with TU Dresden’s institutes of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK)
and Electronics Packaging Laboratory (IAVT) validate a combined sensor system for a holistic
monitoring of fiber composite structures. For this reason two physical measurement principles –
22
Jahresbericht IAVT
stress/ strain measurement and the acoustic analysis of the structure – will be integrated into
one single sensor system that enables significantly increased reliability of damage monitoring
compared to what the application of a single principle itself could achieve. The project is mainly
intended for manufacturers of wind turbines. The results will be transferable to aviation and automotive industry. For this reason the cooperation with industry partners from these branches is
pursued. Alternatively, the necessary developments and adjustment can be made by a company.
The Electronics Packaging Laboratory contributes with the following work packages:
 Concepts and approaches for the photolithographic patterning and integration of optical
waveguides on flexible substrates
 Concepts and approaches for the integration of fiber BRAGG gratings into the planar
waveguides including the technology optimization
 Development of a fiber coupling for interconnecting the planar-optical sensor with the
laser power converter and the fiber optic cable
 Integration into a complete system an application to the test structure
 Reliability testing for the integrated optical sensing layer
Kompakte Elektronikmodule mit hoher Leistung für Elektromobilität, Antriebs- und Beleuchtungstechnik
Compact electronic modules with high power for e-mobility, drive technology and lighting
ProPower
Mitarbeiter / Staff
Dipl.-Ing. Alexander Klemm, MSc. Iuliana Panchenko
Siemens AG Berlin, ANDUS ELECTRONIC GmbH Berlin, Audi AG
Ingolstadt, Robert Bosch GmbH Stuttgart, Danfoss Silicon Power
GmbH Schleswig, eesy-id Gräfelfing, F&K Delvotec GmbH Ottobrunn, FH Kiel - Institut f. Mechatronik, Fraunhofer-ENAS Chemnitz, Fraunhofer-IISB Erlangen, GÖPEL electronic GmbH Jena,
Heraeus Materials Technology GmbH & Co. KG Hanau, Heraeus
Precious Metals GmbH & Co. KG Hanau, Hofmann Leiterplatte
Regensburg, Infineon Technologies AG Neubiberg, Karlsruher
Institut für Technologie - IPE, Osram GmbH München, SEHO Systems GmbH Kreuzwertheim, TU Berlin - Mikroperipherik, Uni Erlangen-Nürnberg - FAPS, VIAelectronic Hermsdorf
BMBF
01/2012 bis 12/2014
Das Projekt ProPower hat die Zielsetzung, effiziente und ausbeutekonforme Systemintegration
auf Basis einer Technologieplattform bereitzustellen, um hochintegrierte Leistungs-LogikModule für Zukunftsmärkte (z.B. Automobil-, Antriebs-, Energietechnik, Erneuerbare Energien,
Anlagenbau, Beleuchtungssysteme) in Großserie fertigen zu können.
Hierfür werden folgende konkrete Zielstellungen definiert:
 Konzepte und Lösungsansätze zur Integration von Leistungs- und Logikmodulen in eine
Baugruppe der Antriebstechnik; Steigerung der Leistungsdichte in Stromrichtern von 5
kW/l auf bis zu 30 kW/l
 Konzepte und Lösungsansätze zur Entwicklung von integrierten Leistungs-, Logik-,
Sensor- und LED-Modulen (Light-Engine) in der Wertschöpfungskette Lichttechnik;
Steigerung der Leuchtdichte bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten um ca. 50 % und
des Volumenbedarfes um ca. 70 %
23
Annual Report IAVT




Verarbeitungsoptimierte Materialien mit den notwendigen thermischen, mechanischen
und elektrischen Eigenschaften für die Aufbau- und Verbindungstechnik (Sintern,
Diffusionslöten, Bonden, Reflowlöten, Kleben, etc.)
Beschreibung der Prozessfähigkeit von Komponenten, Substraten und Verbindungssowie Zusatzwerkstoffen
Innovative Herstellungsprozesse für Substrate, Komponenten und Module (inkl.
thermischem Management auf System- und Modulebene)
Steigerung der Energieeffizienz und der Zuverlässigkeit der Anwendungssysteme
The project ProPower is aimed to provide efficient and yield compliant system integration based
on a technology platform to allow the mass production of power-logic-modules for future markets (e.g. automotive, drives, power technologies, renewable energies, plant engineering, lighting).
The following goals are defined:
 Concepts and approaches for the integration of power-logic-modules into drives engines;
improvement of the power density in power converters from 5 kW/l up to 30 kW/l
 Concepts and approaches for the development of integrated power-, logic-, sensor- and
LED-modules; improvement of the light density in combination with a 50% cost reduction
and a 70% volume reduction
 Application optimized materials with the needed thermal, mechanical and electrical
properties for packaging technologies (sintering, diffusion soldering, wire bonding, reflow
soldering, adhesive bonding etc.)
 Description of the process capability of components, substrates, interconnection
materials and additives
 Innovative production processes for substrates, components and modules (including
thermal management on system and module level)
 Improvement of energy efficiency and reliability of the application systems
Methodenerarbeitung zur simulatorischen Bewertung der Zuverlässigkeit von SMTBauelementen
Methodology development for the lifetime assessment of SMT components used in engine control units
SimPredict
Mitarbeiter / Staff
Dr.-Ing. Mike Röllig, Dipl.-Ing. Karsten Meier,
Dipl.-Ing. Rene Metasch, Dipl.-Ing. Robert Schwerz
Dipl.-Ing. Georg Lautenschläger
Continental Automotive GmbH, Regensburg
Industry
02/2011 bis 01/2013
WP1 – Vibration an SMD-Bauelementen:
Im ersten Arbeitspaket des Projektes besteht die Aufgabe an zweipoligen Chipkondensatoren
sowie SMD-Transformatoren das Ausfallverhalten unter Vibrationsbeanspruchung zu ermitteln.
Bei der Gestaltung der Versuchsträger für die beiden Bauelementtypen wurde auf die Generierung einer definierten und messbaren Beanspruchung geachtet, daher folgen diese dem grundsätzlichen Konzept von parallel angeordneten Leiterplattenstreifen (siehe Abb. 1). Für die Chipkondensatoren wurden in der Vergangenheit Ergebnisse zu reinen Vibrations- und zur sequentiellen Hochtemperatur- und Vibrationsbeanspruchung erarbeitet. Aktuell wurden Vibrationsexperimente unter erhöhter Temperatur ausgeführt. Für die Chipkondensatoren wurde ein früherer
24
Jahresbericht IAVT
Ausfall nach vorgelagerter Hochtemperaturlagerung bzw. noch früher bei Vibration unter erhöhter Temperatur festgestellt. Auch die Schadensinitiierung erfolgte zu früheren Zeitpunkten.
SMD-Transformatoren als Repräsentanten von massereichen Bauelementen wurden einer reinen Vibrationslast ausgesetzt. Es zeigte sich ein deutlich früheres Versagen der Lotkontakte als
bei den Chipkondensatoren. Aus den ermittelten Ausfalldaten wurden Lebensdauermodelle
abgeleitet, welche für die Entwicklung von künftigen Motorsteuergeräten eingesetzt werden sollen. Die Versuchsträger der SMD-Transformatoren erlauben weiterführende Experimente um
den Einfluss der Leiterplattenbiegung und der Bauelementbeschleunigung als Schadenstreiber
genauer zu unterscheiden.
Layout und thermografische Aufnahme eines Versuchsträgers für Vibrationsexperimente an Chipkondensatoren bei
erhöhter Temperatur (links) und Layout eines Versuchsträgers für SMD-Transformatoren (rechts)
WP2 – Zuverlässigkeit einer IC-Integrationstechnologie:
Eine Teilaufgabe des Gesamtprojekts SimPredict ist die Bewertung der Zuverlässigkeit einer
neuartigen IC-Integrationslösung im Vergleich zur konventionellen SMT-Montage mittels FEM.
Dafür wurde ein parametrisiertes FE-Modell erstellt, das die elektrischen und mechanischen
Kontaktierungen des IC auf dem Umverdrahtungsträger und zur Leiterplattenebene abbildet.
Eine Herausforderung für die Modellerstellung stellte dabei die Abbildung sehr kleiner Features
neben vergleichsweise großen Geometrien dar. Hierbei hat sich der Einsatz moderner FETechniken den Kontaktelementen als vorteilhaft erwiesen.
st
Geometriemodell eines iBoard Aufbaus mit variablem Layout für Durchkontaktierungen und 1 levelKontaktstrukturen
Damit wird es möglich, auch die nicht koinzidente Vernetzung in dem Modell zu verwenden. In
Bereichen hoher Detaildichte kann somit sehr fein vernetzt werden ohne den Rechenaufwand
unverhältnismäßig zu steigern. Weiterhin ermöglicht ein modularer Ansatz den flexiblen Austausch von Kontaktierungsgeometrien und auch deren Layout. Somit können auch zukünftige
25
Annual Report IAVT
Aufbauten modelliert und bewertet werden. Für die Bewertung hat sich neben dem „Design for
Reliability“ auch eine Betrachtung der Belastung während der Herstellung als notwendig erwiesen. Die aus Sicht eines „Design for Manufacturing“ kritische Belastungsschritte wurden identifiziert und sind im Modell ebenfalls vorgehalten.
Mit dem FE-Modell wird die Abhängigkeit der Schädigungen von Geometrie und Materialparametern analysiert und so der Zugang zu einer optimierten Detaillösung geschaffen. Analog dazu
wird eine bevorzugte SMD-Technologie in gleicher Weise parametrisch und detailliert aufgebaut. Über ein geeignetes Schadenskriterium kann eine Korrelation der Lebensdauern beider
Aufbauvarianten erfolgen. Über das Schadenskriterium ist somit eine Bewertung der neuartigen
Integrationstechnology gegenüber der bewährten SMD-Technologie auf Basis von Simulationsergebnissen möglich.
WP3 – QuickPredict:
Das Arbeitspaket zielt auf die Erstellung eines hochgradig flexiblen FEM-Modells zur Risikoabschätzung von überkritischen Belastungen durch Fahrzeugvibration ab. Es soll dem Anwender
die Möglichkeit bieten auf neuartige und schnelle Weise unterschiedliche Kombinationen von
Bauelementpositionen und Fixpunkte, d.h. Gehäuseanschlussflächen hinsichtlich auftretender
Deformationen, Beschleunigungen in den Bauelementen und mechanischen Spannungen bewerten zu können. Das FEM-Modell soll als Design-Support noch während der Entwicklungsphase für Motorsteuerungen zum Einsatz kommen. Auf dieser Grundlage sind gesicherte Aussagen für die Zuverlässigkeit künftiger Produkte zu treffen.
Geometriemodell einer Baugruppe mit schwingungskritischen
Bauelementen, Fixpunkten und Kühlflächen
WP1 – Vibration on SMT components:
The first work package focused on the characterization of the damage behaviour of SMD chip
capacitors and transformers under vibration loading. The design of the test vehicles was accomplished considering a well-defined and measurable device loading. This was achieved by
the use of a strap containing PCB layout (see fig. 1). In the past project terms chip capacitors
were tested against vibration as well as sequential high temperature and vibration loading. Consequently chip capacitors were exposed to vibration loading at elevated temperatures recently.
The components showed earlier failing when treated sequentially with high temperature storage
and vibration loading compared to vibration loading without prior ageing. When vibration at elevated temperature was done an even earlier damage was seen. The same statement is valid for
the point of time when initial component damage was observed. SMD transformers as heavy
component exemplars were exposed to vibration loading at room temperature. The transformer
solder joints failed significantly earlier than the chip capacitor ones. In addition, the test vehicle
design for the transformer components enables future experiments to distinguish between PCB
bending and component acceleration as damage drivers. The observed results on damage pro26
Jahresbericht IAVT
gression and lifetime depending on loading condition for both kinds of components were used to
develop lifetime models to be later used for the development of engine control units.
Layout and thermal image of a test vehicle for vibration experiments at elevated temperatures
WP2 – Reliability of an IC-integration technology:
One objective of the project SimPredict is the assessment of reliability of a novel IC-integration
technology. The technology is compared to the established SMT-assembly via finite-elementmodelling. At first a thoroughly parameterised FE-model is constructed to reproduce the existing
electrical and mechanical interconnects between the IC and the printed circuit board. At this
point the challenge poses to be the realisation of very small features alongside generally large
geometries. Here the use of contact elements proved to be advantageous. By using this modelling technique non-coincident FE-meshes can be coupled. This allows for detailed modelling of
the small features without substantially increasing the computational time. Furthermore a modularisation of features enables the quick modelling of different relevant interconnect geometries
and -types as well as layouts. Consequently prospective assemblies can be modelled and evaluated. Beside the “Design for Reliability” additional examination of the loading history during the
manufacturing process proved necessary. Critical processing steps for a successful “Design for
Manufacturing” have been identified and included in the modelling process.
st
Geometric modelling of an iBoard assembly with variable layout for through-hole vias and 1 level interconnects
Subsequently the parameterised FE-models of the integration technology are used to analyse
the influence of geometric and material parameters with respect to lifetime. The goal is to establish an optimized detail solution of the assembly. Simultaneously the preferred SMD-technology
is also prepared in a parameterised and detailed FE-model. For both models characteristic
damage criterions are defined. Based on the available lifetime data for the SMD-technology a
correlation between its lifetime and the corresponding damage criterion can be established. A
27
Annual Report IAVT
comparison of damage criterions between the integration technology and SMD-technology enables the assessment of the novel technology based on finite element simulations.
WP3 – QuickPredict:
This particular work package focuses on the development of a highly variable parametrical
FEM-model for risk assessment of mechanical overload of electronic components due to vibration loads. The development is conducted on the example of an electronic PCB of an automotive engine control unit. The target is to hand out a simulation tool for quick and easy risk assessment by variable combination of fixing points, cooling areas, component placement, etc.
Risky loads are high bending deformations of PCB, high component accelerations and high mechanical stresses at resonance frequencies. The tool will be used to support the customer quotation.
Geometry model of an electronic board containing components, mounting locations and cooling areas critical for
vibration loads
Modellgestütztes Structural Health Monitoring für Rotorblätter von Windenergieanlagen
Model based structural health monitoring for wind power rotor blades
SHMWind
Mitarbeiter / Staff
Dipl.-Ing. S. Sohr
Fraunhofer IZFP-D Dresden, IMA GmbH Dresden, IZP Dresden, PI
GmbH & Co.KG Karlsruhe, PI Ceramic GmbH Lederhose, Teletronic Rossendorf GmbH, Nordex Energy GmbH Hamburg, Wölfel
Beratende Ingenieure GmbH + Co.KG Höchberg
BMBF
10/2009 bis 03/2012
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines modellbasierten Structural Health Monitoring Systems (SHM) zur Strukturüberwachung der Rotorblätter von Windenergieanlagen. Mit Hilfe des
Systems soll eine zustandsorientierte Wartung der Rotorblätter ermöglicht und damit die Verfügbarkeit der Windenergieanlage gesteigert werden.
Das IAVT wurde dabei mit der Aufgabe der Entwicklung einer optischen Energieversorgung für
das Sensornetzwerk beauftragt. Elektrische Energie wird mit einem Hochleistungslaser in optische Energie umgewandelt und über Lichtwellenleiter übertragen. Am Sensor erzeugt eine
Hochleistungssolarzelle aus der optische wieder elektrische Energie. Der Vorteil dieser Energieversorgung gegenüber herkömmlichen Kupferdrahtverbindungen liegt in der galvanischen
Entkopplungen zwischen Basisstation und Sensor, die bei der hohen Blitzeinschlagswahrscheinlichkeit in die Windkraftanlage unabdingbar ist. Aufgrund der harten Umweltbedingungen
und des geplanten Systemeinsatzes von wenigstens 20 Jahren liegt der Schwerpunkt bei der
28
Jahresbericht IAVT
Realisierung auf sehr hoher Zuverlässigkeit und zugleich möglichst geringen Kosten für eine
hohe Sensoranzahl.
In dem Projekt wurden zunächst Marktstudien durchgeführt und mögliche Entwürfe für die Realisierung erarbeitet. Die Herausforderung besteht darin, ein optisches Energieübertragungssystem zu entwickeln, welches ein ganzes Sensornetzwerk mit ausreichend elektrischer Energie
versorgt und gleichzeitig kosteneffizient hergestellt werden kann. Ein geeignetes Konzept konnte dann stufenweise erfolgreich in mehreren Demonstratoren umgesetzt werden. Der finale
Demonstrator erlaubt eine gleichzeitige optische Energie- und Datenversorgung von bis zu 12
Sensoren mit jeweils bis zu 50 mW und soll Anfang 2012 auf einer rotierenden Windkraftanlage
unter realen Bedingungen getestet werden.
Aim of the project is the development of a system for “Model based structural health monitoring
for wind power rotor blades”. With its help the maintenance condition of the rotor blade will be
monitored and the availability of the wind power station will be increased.
The task for the Electronics Packaging Lab (IAVT) is to develop an optical power supply for the
sensor network using a power laser source, a fibre based transmission and photovoltaic backconversion. The advantage is the galvanic decoupling to satisfy the indispensible protection
against lightning. Due to the application requirements for a 20 year maintenance free operation
the main focus is on high system reliability while keeping the costs down for enabling high sensor counts.
First market surveys have been performed and system concepts have been developed. The
challenge is to develop an optical power transmission system, which supplies several sensors
with sufficient electrical energy and which can be simultaneously produced cost-effective. The
most promising concept was realized stepwise with several demonstrators. The final demonstrator allows the simultaneous energy and data supply of up to 12 sensors with up to 50 mW.
Nachwuchsforschergruppe „Hochzuverlässige 3D-Mikrosysteme
Young scientists research group „High reliable 3D microsystems“
NFG 3D-MS
Mitarbeiter / Staff
Dipl.-Ing. Karsten Meier, Dipl.-Ing. Johannes Bohm, Dipl.-Ing. Max
Frömmig, Dipl.-Chem. Matthias Graf, Dipl.-Ing. Jan Lange, Dipl.Ing. Peter Sättler
ESF – SAB
02/2010 bis 01/2013
Entwärmungsanalyse
Im Laufe des Jahres 2012 wurde der Arbeitspaket-Schwerpunkt auf die InduktionsthermografiePrüfung von Through-Mold-Vias (TMV) für die Package-on-Package 3D-Integration verschoben.
Für hülsenförmige TMVs bieten sich Entwicklung und Test der Prüftechnik an umfangreich charakterisierten Leiterplatten-Vias an. Das FE-Modell wurde entsprechend angepasst, erweitert
und korrigiert. Umfangreiche Variationen der Geometrieparameter wurden zur Optimierung der
Spulengeometrie genutzt. Parallel zur FE-Simulation wurde insbesondere die Anregungsquelle
für den praktischen Einsatz im einstelligen MHz-Bereich überarbeitet. Zu Beginn des Jahres
2012 wurde mit einfach zu realisierenden Dickschichtspulen auf Keramik-Basis experimentiert.
Das erreichbare Aspektverhältnis und die Strukturgröße beschränken die Anwendbarkeit auf
schlecht wärmeleitfähige große Prüflinge, wie z. B. TMVs und Leiterplatten. Die Entwicklung der
Dickschichtspulen wurde daher zugunsten semi-additiv herstellbarer Spulen gestoppt, denn
damit lassen sich prinzipiell deutlich bessere Ergebnisse erzielen. Ein entsprechender Ferti-
29
Annual Report IAVT
gungsprozess wurde in Zusammenarbeit mit Erfahrungsträgern am IAVT und IHM1 erarbeitet
und bis zum Projektende getestet. Mithilfe der weiterentwickelten Anregungsquelle und der
Dickschichtspulen konnten bereits erfolgreich Risse an Leiterplatten-Vias detektiert werden. Der
Vergleich mit Simulationen demonstrierte die prinzipielle Übereinstimmung im wichtigen Phasenverlauf. Abweichungen der Temperaturamplitude können erklärt werden. Zur Idee der Kombination von Induktionsthermografie und Wirbelstromprüfung wurde ein Patent angemeldet.
Diese Hybridprüfung erhöht das Anwendungsspektrum und ggf. auch die Fehlerdetektierbarkeit.
Simulationen und Experimente für die zerstörungsfreie Prüfung an Via-Strukturen
yield stress [MPa]
Lotkontakte in 3D-Mikrosystemen
Für die stark miniaturisierten Lotkontakte in 3D-Packages sind mechanische Vibrations- und
Schocklasten lebensdauerkritisch. Diese Beanspruchungen sind gekennzeichnet durch hohe
Verformungsgeschwindigkeiten und Dehnraten innerhalb der Lotkontakte.
Die Untersuchung der Lotkon1000
820
takteigenschaften unter diesen
Sn99.9
640
SnAg1.3
460
Bedingungen ist damit eine
SnCu0.5
wichtige Fragestellung für die
280
SnAg1.3Cu0.5
FE-unterstütze Abschätzung der
Zuverlässigkeit
von
3D100
82
Mikrosystemen. Ein genaueres
64
Verständnis der legierungsab46
hängigen Verformungsmecha28
nismen erlaubt ein weiter verbessertes Verständnis des Ver10
haltens der Lotkontakte und
10
100
1000
damit unterstützt damit die Op-1
strain rate [s ]
timierung des ZuverlässigkeitsFließgrenze in Abhängigkeit von Dehnrate und Lotlegierung
verhaltens.
1
Institut für Halbleiter- und Mikrosystemtechnik, TU Dresden
30
Jahresbericht IAVT
Für die Charakterisierung von Lotwerkstoffen wurden Miniatur-Zugproben (Durchmesser 1 mm)
hohen Verformungsgeschwindigkeiten ausgesetzt. Für das Verständnis der Einflüsse der Legierungsbestandteile Ag und Cu wurden folgende Legierungen untersucht: Sn, Sn-Ag, Sn-Cu und
Sn-Ag-Cu. Dabei wurden die Legierungszusammensetzungen so ausgewählt, dass der Volumenanteil der entstehenden Mikrostrukturbestandteile (Ag3Sn bzw. Cu6Sn5 intermetallische Partikel) für Ag und Cu konstant bleiben. Die Untersuchung der Legierungen zeigt eine Anhebung
der Fließgrenzen für die Legierungen Sn-Ag und Sn-Cu gegenüber Sn. Die Legierung Sn-AgCu zeigt im Dehnratenbereich bis 200 s-1 eine niedrigere Fließgrenze als die beiden Legierungen Sn-Ag und Sn-Cu. Oberhalb von 400 s-1 zeigt Sn-Ag-Cu die höchste Fließgrenze. Die Sensitivität der Legierung wird durch Ag und Cu unterschiedlich beeinflusst. Während Ag nur unwesentlich das Verhalten gegenüber der Dehnrate verändert, bewirkt Cu eine Umkehr der Sensitivität und beide gemeinsam eine deutliche Erhöhung der Fließgrenzenabhängigkeit von der
Dehnrate. Diese Ergebnisse unterstützen die anwendungsspezifische Auswahl von Lotlegierungen.
Neben den Untersuchungen an Zugproben zur spezifischen Charakterisierung des Lotmaterials
selbst wurde eine Versuchsapparatur zur Untersuchung von produktkonformen Lotkontakten
entwickelt.
Dieser Aufbau erlaubt die Durchführung von Schertests mit Geschwindigkeiten im Bereich von
0,2 m/s bis 4 m/s. Parallel wurden passende Probekörper mit
an CSP- bzw. BGA-typischen
Lotkontakten
(SMD-Paddurchmesser 400 µm) entwickelt. Diese basieren aus Gründen mechanischer Stabilität auf einem
Aluminium-Substrat, zeigen jedoch durch eine auflaminierte
kupferkaschierte
Leiterplattenoberfläche Produktcharakter. Mit
Schertester (links) und -probe (rechts (Röntgenmikroskopie unten)) zur
diesem Aufbau können die AusUntersuchung produktkonformer Lotkontakte unter hohen Dehnraten
wirkungen von Lotlegierung und
-geometrie, Padmetallisierung und -geometrie auf die Eigenschaften des Lotkontaktes unter
hohen Dehnraten untersucht werden.
Nanoskalig gefüllte Polymere
A
B
C
D
A: Ni-Nanodrähte (lxd = 20 µm x 70 nm) in nanoporöser Aluminiumoxid-Membran, B: Sn-Nanodrähte (ø 100 nm) auf
Au-Dünnfilm, C-D: Elektronenholografischer Tomografie-Scan eines Ag-Nanodraht mit Einschlüssen
Innerhalb dieses Arbeitspaketes im Rahmen der Nachwuchsforschergruppe “Hochzuverlässige
3D-Mikrosysteme” sowie des Graduiertenkollegs “Nano- und Biotechniken für das Packaging
elektronischer Systeme” als auch in Kooperation mit der Fachrichtung Chemie, (Professur für
Physikalische Chemie und Elkektrochemie) wurde die Herstellung und Charakterisierung
Kontaktierfilms, der vertikal ausgerichtete metallische Nanostrukturen (Ag, Ni) in einer
31
Annual Report IAVT
dielektrischen Matrix (Aluminiumoxid, Polycarbonat) beinhaltet, weiter fortgeführt. Dabei zeigte
sich, dass sich die Herstellung von Ag-gefüllten Filmen aufgrund der zugrundeliegenden
Elektrochemie als schwieriger erweist als gedacht. Reproduzierbarkeits-, Homogenitäts- und
Geschwindigkeitsprobleme konnten durch den Umstieg auf das System Nickel gelöst werden.
Die Charakterisierung von einzelnen Drähten (Kristallographie, Leitfähigkeit, innere Struktur)
sowie von ganzen Verbunden (Leitfähigkeit, Anisotropie) konnte weiter voran getrieben werden.
Die Ergebnisse lassen die Bewertbarkeit des Ansatzes sowie mögliche Optimierungsziele
erwarten. Des Weiteren wird der Ansatz, derartige Filme klebbar zu verarbeiten, verfolgt. Dazu
wurden bereits hochadhäsive Polymerdünnfilme auf ungefüllte Membranen appliziert und deren
Verbindungsqualität (Klebefestigkeit, thermische Eigenschaften etc.) charakterisiert.
Alternative Aufbau- und Verbindungstechniken
Die Verarbeitung von abgeWarpage Reduction by
dünnten IC und Interposern
Capillary Action
zu Stapeln mit reduzierter
Stapelhöhe ist eine technologische Herausforderung.
a.)
Ein Problem bei der Verarbeitung diese Strukturen ist
deren Verwölbung durch
b.)
Eigenspannungen.
Die
Überwindung dieser Verwölbungen mittels Kapillareffekt
c.)
ist ein neuartiger Ansatz für
die Montage dünner, flexibd.)
ler Siliziumchips, bei dem
der Chip ohne Anwendung
Ausnutzung des Kappilareffektes zur Reduktion der Verwölbung eines
eines äußeren Druckes oder
abgedünnten IC
eines Trägers auf das Substrat aufgebracht werden soll. Die Verwölbung des Chips wird dabei durch den Kapillardruck
einer Flüssigkeit überwunden, die in dem Spalt zwischen Substrat und Chip eingeschlossen ist.
Bisherige Experimente, in denen Wasser oder Glycerin als Flüssigkeit Verwendung fanden,
konnten die Wirksamkeit des Ansatzes zeigen. In weiteren Experimenten wurden diese Flüssigkeiten erfolgreich durch No-Flow Underfill ersetzt. Der Underfill dient zunächst als Flüssigkeit
und wird dann im Spalt ausgehärtet. Vorteilhaft dabei ist, dass am Ende keine Flüssigkeit aus
dem Spalt entfernt werden muss. 3 Materialien unterschiedlicher Hersteller wurden auf 2 verschiedenen Oberflächen getestet.
Effiziente strukturmechanische Modellierung
Ziel des Arbeitspaketes ist die thermo-mechanischen Charakterisierung von Through Silicon
Vias (TSV). Die FE-basierte Berechnung von Spannungs- und Dehnungszuständen während
der TSV-Herstellung ist dabei eine zentrale Komponente.
Im letzten Jahr spielte vor allem die Charakterisierung des Materialverhaltens auf mikroskopischer Ebene für die FEM eine zentrale Rolle. Im Fokus stand dabei das Kupfer als TSVFüllmaterial. Untersuchungen des Annealingverhaltens der TSVs zeigten, dass sich bei Testchips zeit- und temperaturabhängig Verwölbung und Kupferprotrusion einstellte. Verbunden mit
diesem Verhalten konnte mittels EBSD eine Änderung der Kornstruktur festgestellt werden.
Generell gilt, dass Protrusion und Verwölbung mit Annealingtemperatur und der -dauer steigen.
Mit diesem Vorgang geht eine Vergröberung der Kornstruktur einher. Eine Ausnahme bildet das
Annealing unterhalb der Rekristallisationstemperatur von Kupfer (ca. 250 °C) bei dem Verwölbung und Protrusion abnahmen.
32
Jahresbericht IAVT
In diesem Fall konnte keine Änderung
der Kornstruktur beobachtet werden.
EBSD-Untersuchungen sollen im Weiteren noch ausgeweitet werden und neben der Korngröße auch Korngrenzen
mit in die Auswertung einschließen. Ziel
ist es das Verhalten des Kupfers während des Annealing im TSV zu erklären
und so Thesen über die Spannungszustände aufstellen zu können. Dies soll
zu genaueren Randbedingungen und
Materialbeschreibungen in den FEModellen führen.
Ein weiteres Ziel ist die Herleitung einer
Berechnungsroutine für den RamanEBSD-Messungen verschiedener TSV-Querschnitte: KornShift aus FE-Simulationsergebnissen.
wachstum im Kupfer während des sog. Annealing
Parallel dazu soll die Messmethodik für
diese Spannungs-/ Dehnungsanalysemethodik verbessert werden. Dieses Verfahren soll zur
Verifizierung der FE-Berechnungen dienen und gleichzeitig die Korrekte Interpretation der Messergebnisse ermöglichen. Ergebnis soll ein FE-Modell sein, welches in Kombination mit µRaman-Spektroskopie Design-Rules (z. B. minimal zulässiger TSV-Pitch) verifizieren kann.
Fertigungsmethoden- & Prozessfolgemodellierung
Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag in der Kombination von ereignisdiskreten Simulationsmodellen (DES) mit mathematischen Modellen. Dazu wurden systematisch Ansätze für
mehrere Kopplungsmethoden entwickelt, welche für unterschiedliche Einsatzbereiche und Anforderungen geeignet sind. Ein implementiertes und getestetes Beispiel dafür ist die Einbindung
eines mathematisch modellierten p-Batch Ofen-Prozessschritts in ein DES-Fertigungsmodell.
Weitere mathematische Modelle wurden für die Steuerung zeitgekoppelter Prozessschritte sowie für die Planung von Maschinenwartungen erstellt. Diese wurden mittels Constraint Programming (CP) modelliert. Zur Berechnung größerer Problemdimensionen wurden dabei Dekompositionstechniken angewandt.
Für den Einsatz in der realen
1. MIP Model explicitly for wafer logic test steps
Fertigung, speziell im High• Reducing dedication matrices
Mix Low-Volume Bereich,
• Providing preferably explicit machines to clocked products (capacity optimized)
wurde ein neuartiges Steuerungsverfahren namens „Virtual Time Based Flow Principx
x
x
le“ (VTBFP) evaluiert. In der
x
Modellierung wurde ein 2stufiges Hybridverfahren im2. Discrete-Event Model Simulation
plementiert, welches MIP
• Whole wafer test model
(Mixed-Integer Programmie• Multiple scenarios
rung) und DES koppelt.
• 100 simulation runs per scenario
• Increasing VTBFP ratio
VTBFP erwies sich als ein
sehr vielversprechendes VerZweistufiges Hybridmodell zur VTBFP-Auswertung
fahren, welches vor allem
auch bei stark schwankenden Prozesszeiten den klassischen terminoptimierten DispatchStrategien, wie beispielsweise Earliest Due Date (EDD), überlegen ist.
Die bereits als Prototyp bestehende Simulationsbibliothek zur Einbindung beliebiger Prozessparameter und Formeln wurde erweitert. Dadurch besteht nun die Möglichkeit zeitliche Produktparameterdrifts (z. B. Alterung; Oxidation applizierter Schichten) und zeitliche MaschinenparameProduct 1
Product 2
Product 3
Product 4
Product 1
Product 2
Product 3
Tester A
1
1
0
1
Tester A
1
0
0
0
Tester B
0
1
1
1
Tester B
0
0
1
1
Tester C
1
1
0
0
Tester C
0
1
0
0
Product 4
33
Annual Report IAVT
terdrifts (z. B. längere Bearbeitungszeiten durch Maschinenverschleiß) darzustellen. Des Weiteren können auch externe Programme (z. B. Java) oder Modelle (z. B. CP-, MIP-, DES-Modelle)
dynamisch eingebunden werden; diese können somit Ergebnisse in eine laufende Simulation
einbringen. Dies erweitert das Einsatzspektrum von Simulationsmodellen zur Darstellung realer
Fertigungsprozesse.
Thermography for Non-destructive Evaluation
During 2012 the focus was set towards non-destructive evaluation (NDE) of through mold vias
(TMV) for the package-on-package 3D-integration. The NDE-technique was developed on PCBvias which are similar to tube-shaped TMVs. The FE-model was adapted to TMVs and extended in terms of accuracy and expressiveness. It was used for the coil shape optimisation. The
excitation source was re-designed for the use of induction frequencies in the MHz-range. At the
beginning of 2012 thick film coils were used for the excitation of test samples. But they are only
suitable for thermal low-conductively, large samples. Because of this, a semi-additive production process for planar micro coils with high aspect ratios was developed and tested. Cracks in
PCB-vias were detected successfully using thick-film coils and the self-developed excitation
source. The comparison with simulations shows good correlation in relative phase distributions.
Differences in temperature amplitudes are explainable. The combination idea for induction
thermography and eddy current testing was further developed and a corresponding patent was
filed. This hybrid evaluation method can improve the application spectrum and in some cases
also the defect detectability.
Simulation and experimental work on non-destructive evaluation of via structures
Solder Joints in 3D Microsystems
The strongly miniaturised solder joints of 3D packages are sensitive to mechanical vibration and
shock. These loadings come with high deformation speeds and strain rates within the solder
joints. The investigation of the solder behaviour at these conditions is an essential question regarding life time assessment of electronic systems as 3D integrated microsystems. The measured data serves as essential input for realistic finite element models.
34
Jahresbericht IAVT
Miniature tensile specimens
(diameter 1 mm) were used for
Sn99.9
SnAg1.3
the characterisation of solder
SnCu0.5
alloys. To gain a better under280
SnAg1.3Cu0.5
standing of the influence of the
alloying materials Ag and Cu
100
82
Sn, Sn-Ag, Sn-Cu as well as Sn64
Ag-Cu alloys were investigated.
46
The compositions of the alloys
28
were to maintain a constant volume fraction of the microstruc10
tural features (Ag3Sn and
10
100
1000
Cu6Sn5 intermetallic particles
-1
strain rate [s ]
respectively). Experimental reYield stress depending on strain rate and solder alloy
sults show an increased yield
stress for Sn-Ag and Sn-Cu
compared to pure Sn. The Sn-Ag-Cu alloys reveals less increased yield stress up to a strain
rate of about 200 s-1. Above 400 s-1 Sn-Ag-Cu shows the highest yield stress values. The strain
rate sensitivity of the solder alloy is effected by Ag and Cu differently. Cu causes an inverse
proportion whereas Ag does not have much effect. Both together cause a significant increase of
the strain rate dependency. These results support the solder alloy selection depending on a
certain application.
In addition to the solder alloy
focused tensile experiments a
test setup for component like
solder joints was developed. This
setup enables shear testing at
speeds of 0.2 m/s to 4 m/s.
Shear specimen with CSP- and
BGA-alike solder joints (SMD
pad diameter 400 µm) were
made corresponding to this tester. These specimens have an
aluminium substrate to provide a
high mechanical stiffness. An
organic prepreg with a Cu layer Shear tester (left and specimen (right (optical and x-ray microscopy)) for
on top was laminated to provide
characterisation of real solder joints at high strain rates
a surface identical to usual organic substrates. Utilising this setup the effects of solder alloy and geometry as well as the pad
metallisation and geometry on the solder joint behaviour can be analysed at high strain rates.
yield stress [MPa]
1000
820
640
460
Nanoscale Filled Polymers
This project is located inside the young researchers group “Highly reliable 3D Microsystems” as
well as in the research training group “Nano and bio techniques for packaging of electronic systems” and in cooperation with the department of chemistry (Group for physical and electrochemistry) focuses on the fabrication and characterisation of a nanowire-based anisotropic conductive film. Due to electrochemical properties of silver, we struggled in the preparation of sufficiently long and highly qualitative Ag nanowire arrays. Problems of reproducibility, homogeneity
and growth velocity could be solved by switching the system to nickel. Single particle (crystallography, conductivity, inner structure) as well as the characterisation of whole arrays (conductivity, anisotropy) could be advanced further. Results enable a validation of this alternative approach towards sub-µm resolved vertical wiring. Besides, we have focused on the generation of
35
Annual Report IAVT
thin polymer films (that can be applied onto the filled matrices) to create an adhesive film. The
films under investigation show excellent adhesive properties and good qualities in the relevant
application properties (thermal, mechanical etc.).
A
B
C
D
A: Ni nanowires (length: ca. 20 µm, diameter: ca. 70 nm) inside nanoporous aluminium oxide membrane. B: Sn
nanowires (diameter: ca. 100 nm) on Au film after removal of track-etched poly carbonate membrane. C-D: Electron
holographic tomography scan along Ag nanowire reveals intrinsic voids of different size originating from deposition
process
Alternative Packaging Technologies
The treatment of thinned ICs
Warpage Reduction by
and interposers into 3DCapillary Action
stacks with reduced thickness is a technological challenge. A problem in assema.)
bly of thin dies is the die
warpage, which is caused by
stresses due to the heterob.)
geneous build up. The
warpage reduction by capillary action is a new apc.)
proach for the assembly of
warped flexible thin silicon
d.)
dies that does not need external pressure or a die carUsing the capillary action to reduce the warpage of a thin die package
rier for mounting the die to
the substrate. The warpage
of the dies is reduced as a result of the capillary pressure of a liquid enclosed in the gap between die and substrate. Previous experiments, carried out with water and glycerol as liquid,
showed the functionality of the approach. In further experiments this liquids were replaced successfully by no-flow underfill. At first the underfill is used as liquid before it is cured in the gap.
The advantage is that the liquid can remain inside the gap at the end and no removing step is
necessary. Three underfill materials of different suppliers were tested on two surfaces.
Efficient structure mechanic modelling
This work package focuses on the thermo-mechanical characterization of Through Silicon Vias
(TSV). The FE-based evaluation of stress and strain measurements during TSV-fabrication is a
central component of this work package.
Last year the characterization of material behaviour on microscopic scale for FEM had a central
role. Studies concentrated on copper as filling material for TSVs. Investigations on the annealing behaviour of TSVs showed, that warpage and copper protrusion of test chips were time and
temperature dependent. Electron backscatter diffraction (EBSD) measurements revealed that
this behaviour was associated with changes of the crystal structure. In general protrusion,
warpage and grain size increase with annealing temperature and dwell. Exceptions here are
annealing experiments beneath recrystallization temperature of copper (approx. 250 °C). In this
36
Jahresbericht IAVT
case no changes in crystal structure could be detected while protrusion and warpage decreased.
Furthermore EBSD characterization will
be expanded and contain analyses of
grain boundaries and orientation in future works. It is the aim to understand
the behaviour of copper during annealing inside the TSVs and deduce theses
about the stress states. This will find
regard in FE models as boundary conditions and material models. Another objective is the derivation of an evaluation
routine for the Raman-shift in FESimulations. Parallel to that the methodology for the measurement of stresses
and strains in silicon using Raman spectroscopy is optimized. The comparison
EBSD measurements of different TSV cross sections: Grain
of measurement and simulation will lead
coarsening of copper during annealing
to a bilateral verification and delivers an
accurate characterization of the stress-/strain state in TSVs after annealing.
Modelling of process chains
The main focus was in the combination of discrete-event simulation (DES) and mathematic
models. For this, multiple approaches for model interaction were systematically developed.
Those approaches are suitable for different fields of application and requirements. As an
implemented and tested example a mathematically modelled p-batch furnace process step was
integrated into a typical DES process model. Further mathematical models have been
developed for the control of time-coupled process steps as well as for the planning of preventive
maintenances. These were modelled by means of Constraint Programming (CP). Furthermore,
decomposition techniques are applied for larger model dimensions.
For use in the real production, especially in the high-mix low-volume area, a novel control
method called "Virtual Time Based Flow Principle" (VTBFP) was evaluated. For this, a 2-stage
hybrid model is implemented (fig. 7), which combines MIP (Mixed Integer Programming) and
DES. Especially for variant process times, VTBFP proved to be a very promising method that is
superior to classical schedule optimized dispatch strategies, such as Earliest Due Date (EDD).
Furthermore, the existing
1. MIP Model explicitly for wafer logic test steps
simulation library for the
• Reducing dedication matrices
simplified
integrating
of
• Providing preferably explicit machines to clocked products (capacity optimized)
process
parameters
and
formulas into DES has been
extended. New components
x
x
x
are for example the timex
specific drift of product
parameters
(eg,
aging,
2. Discrete-Event Model Simulation
oxidation
appliqued
layers)
• Whole wafer test model
and the drift of machine
• Multiple scenarios
parameters
(eg,
longer
• 100 simulation runs per scenario
• Increasing VTBFP ratio
processing times by machine
wear). Furthermore, external
Two-stage hybrid model for VTBFP evaluation
programs (eg Java) or
Product 1
Product 2
Product 3
Product 4
Product 1
Product 2
Product 3
Tester A
1
1
0
1
Tester A
1
0
0
0
Tester B
0
1
1
1
Tester B
0
0
1
1
Tester C
1
1
0
0
Tester C
0
1
0
0
Product 4
37
Annual Report IAVT
external models (eg CP, MIP, DES models) can be dynamically integrated. So these external
components can contribute special results to a running simulation. This extends the range of
application for simulation models
Optimierung des Maintenance-Prozesses in der Luftfahrt; Teilprojekt: Zuverlässige Aufbau- und Verbindungstechnik für energieautarke SHM-Sensorsysteme
Optimization of the maintenance process in aviation; Project part: Reliable packaging
for energy self-sufficient SHM sensor systems
CoolMaintenance
Mitarbeiter / Staff
Dipl.-Ing. S. Bramlage
Fraunhofer ENAS Chemnitz, Fraunhofer IZFP-D Dresden, Fraunhofer IKTS Dresden, IMA Dresden, RHe GmbH Radeberg, Airbus
Deutschland Hamburg, EADS Innovation Works München
BMBF
02/2012 bis 01/2014
Das Projekt CoolMaintenance ist Teil der Phase II des CoolSilicon Spitzenclusters. Ziel dieses
Projekts ist die Optimierung und Miniaturisierung des in Phase I (Projekt „CoolSensornet“) entwickelten Sensorsystems für den Einsatz im Luftfahrtbereich. Die Erarbeitung der AVT steht
immer vor dem Hintergrund der extremen Umgebungsbedingungen, die der Einsatz in der Luftfahrt mit sich bringt. Die dafür vorgesehenen Testbedingungen umfassen sowohl hohe mechanische Belastungen als auch einen Temperaturbereich von -55°C/+85°C, der gegenüber anderen Anwendungsfeldern härtere Bedingungen im unteren Temperaturbereich darstellt. Die Optimierung der AVT beinhaltet sowohl die Wahl geeigneter Basistechnologien als auch eine Anpassung der Verbindungsmaterialien. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Einhausung des Systems, bei der neben der Vielzahl an Materialien (Leiterplatte, Keramik, CFK, PZT) der aus Sicht
der Luftfahrtanwendung notwendigen Leichtbauweise genüge getan werden muss.
The CoolMaintenance project is part of the CoolSilicon leading edge cluster funded by the
BMBF. Following up the CoolSensornet project of the first CoolSilicon research phase, the goal
of CoolMaintenance is to optimize and miniaturize the sensor developed to construct an energy
self-sufficient structural health monitoring (SHM) sensor system which supports aircraft maintenance cycles. Aerospace applications are to be designed for harsh environments and temperatures of -55°C/+85°C as well as mechanical loads need to be considered.
An optimized electronic package includes materials and processes well adapted for the environment and takes into account a lightweight construction, essential for aerospace applications.
38
Jahresbericht IAVT
Robuste, bauteilintegrierte Ultraschallsensorik
Robust component integrated ultrasonic sensors
CoolSensorIntegration
Mitarbeiter / Staff
Dr.-Ing. B. Böhme
IMA GmbH Dresden, Cotesa GmbH Mittweida, Fraunhofer IzfP-D,
HTS GmbH Coswig
SAB
04/2010 bis 03/2013
Ziel des Projektes ist der Nachweis, dass eine schadensarme Integration US-basierter SHM
Sensorik in CFK-Bauteile von Flugzeugen bei gleichzeitig höher Funktionalität möglich ist.
Die Fügung unterschiedlicher Materialien für die Sensorik und die Einbettung dieser im CFKWerkstoff bewirken prinzipbedingte Wechselwirkungen zwischen ihnen. Diese Wechselwirkungen sind so zu minimieren, dass das Schädigungsrisiko so gering wie möglich ist. Das setzt
voraus, dass die Verhaltensweisen der Materialien in ihrer Ursprungsform und während der
relevanten Alterungsvorgänge bekannt sein müssen. Die Alterung findet unter Einwirkung der
dominierenden Belastungen am Flugzeug statt. Im Laufe des Projektes erfolgt die experimentelle Nachbildung der Alterungszustände wobei sowohl die akustischen als auch die thermischmechanischen Eigenschaften bestimmt werden. In Kenntnis der Materialeigenschaften werden
über simulatorische Methoden die Schallausbreitung und die strukturmechanischen Wechselwirkungen berechnet. Aus einer Reihe von Berechnungen leiten sich 'optimale' Sensorkonzepte ab, welche in Versuchsaufbauten Umsetzung finden. Die Prüfung auf Eignung erfolgt dann
experimentell. Nach Integration der US-Sensorik im CFK-Werkstück unterliegt das Bauteil relevanten Alterungstests. Die Degradation der Sensorik und deren Materialumgebung wird vorzugsweise mittels hochauflösender zerstörungsfreier Prüfverfahren, aber auch über zerstörende
Verfahren analysiert.
Mass reduction is a major objective for airplane design. New composite materials like Carbon
Fiber Reinforced Plastics (CFRP) replace more and more the conventional aluminum structures.
However, these materials have a totally different fatigue behavior compared to aluminum alloys.
In cases of impact loadings delaminations and fiber cracking can occur. Structural health monitoring systems are able to observe the structure (CFRP) condition and to detect small damages
before the reach a critical size.
During the project the methodology work for embedding piezoelectric US-transducer in CFRP
as well as the integration of electronic components in airplane fuselage structures is done.
Based on the environmental and manufacturing loading conditions on the fuselage, the specification for the electronic microsystem is derived. The conception work is supported by simulations for the structural mechanics (reliability) and for the elasto-dynamic wave propagations
(functional). Technology work is conducted to embed US-transducer, to integrate the electronics
and to realize the electrical connection. Based on this input reliability tests are applied and NDT
as well as functional tests are conducted frequently. The reliability and the functionality are respected consistently.
39
Annual Report IAVT
SFB 912 "HAEC - Highly Adaptive Energy-Efficient Computing",
Teilprojekt A07 „Energy-Adaptive Optical Onboard Links for Inter-Chip-Communication“
SFB 912 "HAEC - Highly Adaptive Energy-Efficient Computing",
Project part A07 „Energy-Adaptive Optical Onboard Links for Inter-ChipCommunication“
HAEC
Mitarbeiter / Staff
Dr.-Ing. K. Nieweglowski
DFG
07/2011 bis 06/2015
In dem Sonderforschungsbereich SFB 912 "HAEC - Highly Adaptive Energy-Efficient Computing" die Wissenschaftler aus der Elektrotechnik, Informatik und Mathematik verfolgen das Ziel,
Computersysteme mit hoher Energieeffizienz zu ermöglichen. Dabei wird durch einen neuartigen ganzheitlichen Ansatz der Verbrauch des Gesamtsystems über alle Technologieebenen
von der Hardware, der Computerarchitektur, dem Betriebssystem, der Softwaremodellierung
und der Anwendungsmodellierung bis hin zur Laufzeitkontrolle durch hochadaptive Informationsverarbeitung verringert. Es soll ein neuartiges Konzept (die HAEC-Box) für den Aufbau von
Computern untersucht werden, in dem innovative Ideen für optische und drahtlose Chip-zuChip-Kommunikation angewandt werden.
Hybridansatz von optischer onboard-Kommunikation und inter-board Funkkommunikation zur Überwindung der
Kommunikationsengpässe eines Hochleistungsrechners
Das Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik IAVT leistet seinen Beitrag im
Teilprojekt A07 „Energy-Adaptive Optical Onboard Links for Inter-Chip Communication“ gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Schaltungstechnik und Netzwerktheorie (Prof. Ellinger) für die
Implementierung der optischen Kommunikation auf Board-Level des Computersystems. Trotz
der zweimaligen elektro-optischen Konversion ist die optische intra-rack Kommunikation für
hohe Bandbreiten energieeffizienter als die konventionelle elektrische Kommunikation und bietet weitere Vorteile beispielsweise in der Bandbreitendichte der hochparallelen Verbindungen.
Bisherige optische Kommunikationssysteme sind jedoch statisch entweder bzgl. der übertragbaren Bandbreite oder Leistungsaufnahme optimiert. Der neue Ansatz innerhalb des SFB 912
erlaubt nun auch eine Energieadaptivität der optischen Chip-zu-Chip-Kommunikation. Dadurch
ist es möglich die Leistungsfähigkeit der Verbindung entsprechend eines geschlossenen Energieregelkreises darzustellen um optimale Parametersätze als Abtausch zwischen Datenrate und
Energieverbrauch zu finden. Innerhalb des IAVT wird die langjährigen Erfahrung auf dem Gebiet der Systemintegration und speziell der leiterplattenintegrierten optischen Verbindungstechnik für folgende projektrelevante Themen genutzt:
 Integration optischer Wellenleiter in elektrische Leiterplatten
40
Jahresbericht IAVT


Entwurf und Technologieentwicklung für die optische Kopplung für elektro-optische
Wandler-Matrizen
Montagetechnologien für Fine-Pitch Verbindungen wie z.B. Flip-Chip und 3D Integration
von hybriden ICs
Systemkonzept mit Herausforderungen für die Aufbau- und Verbindungstechnik
Within the Collaborative Research Centre SFB 912 "HAEC - Highly Adaptive Energy-Efficient
Computing" researchers from Electrical Engineering, Computer Science and Mathematics aim
for highly energy efficient computer systems. Here, by a novel holistic approach, the systems
overall energy consumption will be reduced across all technology levels from hardware, computer architecture, operating system, software modeling as well as application modeling until
run-time optimization by a highly adaptive information processing. A novel concept (HAEC box)
of how computers can be built by utilizing innovative ideas of optical and wireless chip-to-chip
communications shall be explored.
Hybrid approach using optical onboard and wireless board-to-board communication to overcome the bottlenecks of
high-performance computing systems
The Electronics Packaging Laboratory (IAVT) contributes within the sub-project A07 „EnergyAdaptive Optical Onboard Links for Inter-Chip Communication“ together with the Chair for Circuit Design and Network Theory (Prof. Ellinger) in implementing the optical communication on
board-level of the computing system. Despite of the twofold electro-optical conversion optical
intra-rack communication is for high bandwidths more energy efficient than its conventional
electrical counterpart and offers additional benefits e.g. in bandwidth density of massively parallelized links. State-of-the-art optical transceiver systems are statically optimized either for bandwidth or low power. The new approach within the SFB 912 now also considers the energy adaptivity of optical links in chip-to-chip communication. Hence the link performance can be adjusted
in a closed energy control loop in order to find individual trade-offs between data rate and power
consumption. Within the Electronics Packaging Labs many years of system integration experience especially for printed circuit board integrated optical interconnects and photonic packaging
will be used for such project-relevant topics as:
 integration of optical waveguides in electrical printed circuit boards,
41
Annual Report IAVT


design and technology development for coupling optics for arrayed opto-electronic
devices,
assembly technologies for fine pitch interconnects, e.g. flip-chip technology and 3Dintegration of hybrid integrated circuits.
System concept with challenges for Electronics Packaging
Technologie zur Fehlerdetektion und Funktionssicherheitsprognose von hochwertigen
SMT- Boards
Technology for Flaw Detection and Prognosis of Function Certainty of High Integrated
SMT-Boards
TEFLON
Dr.-Ing. habil. H. Wohlrabe
Mitarbeiter / Staff
Dr.-WIng. Sebastian Meyer
CeTaQ GmbH Radeberg
BMWi
01/2012 bis 12/2013
Sowohl verschiedene Produzenten von SMT-Baugruppen als auch Anwender haben aktuell
Ausfallphänomene an elektronischen Funktionsbaugruppen mit Hochinte-grations-level feststellen müssen. Diese sind durch bekannte Fehlerkorrelationen nicht immer erklärbar. Dies betrifft
besonders festgestellte mechanische Brüche von Bauele-menten, die z. T. im technologischen
Ablauf innerhalb von Prüf- und Kontrollschritten vor der Auslieferung der SMT-Baugruppen zu
Funktionsstörungen oder Ausfällen führen.
Ziel des Vorhabens ist zunächst die Ermittlung der Ursachen solcher Brüche. Auf dieser Basis
soll eine innovative prozessbegleitenden Mess- und Diagnosetechnologie für hochintegrierte
elektronische SMT-Baugruppen entwickelt werden , die dann das Auftreten solcher Brüche minimiert und damit eine signifikant verbesserte Maschinen- und Prozessfähigkeitsdiagnose ermöglicht. Im Vordergrund steht die Analyse des Einflusses mechanischer Beanspruchungen auf
die Funktionsfähigkeit von Bauelementen.
Zur Lösung der Projektzielstellung sind zwei Aufgabenkomplexe zu bearbeiten:
 Erforschung der Schädigungsmechanismen von miniaturisierten elektronischen
Bauelementen infolge technologisch bedingter mechanischer Beanspruchungen (z. B.
beim Bestücken)
 Entwicklung eines prozessgeeigneten und SMT-prozessbegleitenden Messverfahrens
bzw. einer Prüftechnologie zur beanspruchungs- und schädigungskausalen Detektion
des Qualitäts- und Erhaltungszustandes von SMT-Baugruppen
Manufacturers as well as their customers have discovered an increased amount of failures on
high density modules. The causes of these failures are occasionally not explainable with known
42
Jahresbericht IAVT
cause effect relationships. Especially, mechanical cracks within SMT devices belong to this category. Partly, the failures can be traced during the standard inspection steps. However, the detected patterns of these failures are irregularly within the manufacturing chain. Moreover, some
failures are only detected during the first field use.
The aim of this project is to track down the causes of these failures. Based on the resulting insights, an innovative in-process detection and measurement system for high density integration
SMT products will be developed. The detection system will minimize the occurrence of cracks
within the SMT devices during manufacturing. That will impact possible improvements on process capability and machine capability. Mechanical loading conditions are the main focus during
the project.
To achieve the project goals two work packages will be addressed:
 Research on damage mechanism for miniaturized SMT devices due to mechanical
loading during manufacturing
 Development of a process specific detection system in order to avoid damage
mechanisms causing cracks in miniaturized SMT devices
Thermisch induzierte Damage-Mechanismen elektronischer Baugruppen und Ableitung
von Korrekturmaßnahmen
Thermal induced damage mechanisms of electronic modules and deduction of
corrective actions
TDMA
Mitarbeiter / Staff
Dr.-Ing. Martin Oppermann, Dipl.-Geogr. Oliver Albrecht
FROLYT GmbH Freiberg, SEHO Systems GmbH Kreuzwertheim,
Stannol GmbH Wuppertal, IMM GmbH Mittweida, Fraunhofer IWM
Halle, Fraunhofer IzfP-D Dresden,assoziierte Partner: Infineon
Technologies AG München, RUWEL GmbH Geldern, Siemens AG
Berlin, Sanmina-SCI GmbH Gunzenhausen
BMWi
08/2010 bis 07/2013
Ziel des Projektes ist die Evaluierung von strukturellen und funktionellen Schädigungsmechanismen an Bauelementen, die nicht für bleifreie Fertigungstechnologien spezifiziert sind, bei
deren Prozessierung in Standardtechnologien für bleifreie Elektronik mit Löttemperaturen bis
260°C. Es werden technische Lösungen entwickelt zur Anpassung der Technologien und der
Spezifikationen, um hochzuverlässige Baugruppen unter ökonomisch günstigen Bedingungen
herstellen zu können. Die ermittelten Ergebnisse werden als Transfer-Dienstleistung veröffentlicht werden, um der deutschen Elektro- und Elektronikindustrie zur Bereitstellung hochwertiger,
qualitätsgerechter und zuverlässiger Baugruppen und Geräte und damit zur besseren Wettbewerbsfähigkeit zu verhelfen. Da sich die Elektronikfertigung in Deutschland besonders durch
komplexe hochinnovative Baugruppen mit hohem Qualitätsanspruch auszeichnet und von einem hohen Exportanteil geprägt ist, stellt diese Entwicklung auch gesamtwirtschaftlich einen
Beitrag zur Festigung des Wirtschaftsstandorts Deutschland dar. Im Rahmen der Arbeiten entstanden mehrere angepasste Messsysteme (eines davon wurde zum Patent angemeldet) und
eine wissensbasierte Entscheidungshilfe.
The goal of this project is the evaluation of structural and functional damage mechanisms of
components that are not specified for lead-free production technologies while processing those
components with lead-free electronics standard technologies with soldering temperatures up to
260°C. Technical solutions are developed to adapt technologies and specifications to be able to
produce reliable electronic modules under beneficial economic conditions. The results will be
43
Annual Report IAVT
published as a knowledge transfer service to qualify the German electronics industry to produce
high-level quality and reliable modules and devices and thus reaching a better ability to compete. Because the electronics production in Germany is characterized especially by producing
complex innovative modules at a high quality level and realizing a relatively high export quota
this project contributes to the consolidation of the business location Germany. . As a result of
this project three measuring systems (one as a patent application registered) and an adapted
database have been developed.
Zuverlässige Kontaktierung von Höchstleistungsbauelementen in der Leistungselektronik durch innovative Bändchen- und Litzeverbindungen
Reliable interconnection of high power components in power electronics using innovative ribbon and cord interconnections
MAXIKON
Mitarbeiter / Staff
Dr.-Ing. F. Rudolf, Dipl.-Ing. C. Nobis (IHM), S.Völkel (IHM)
Fraunhofer ISiT Itzehoe, FH Kiel; TU Dresden – IHM
AiF
07/2011 bis 06/2013
Wie bei elektronischen Bauelementen generell, versucht man auch in der Leistungselektronik,
Bauelemente mit Hilfe von Integration immer weiter zu verkleinern. Anders als in den meisten
anderen Chips stellt der Energieumsatz in leistungselektronischen Bauelementen das größte
Hindernis für eine weitere Integration dar. Ziel der Arbeiten ist es deshalb, elektrische Kontaktierungen zu realisieren, welche zum einen nicht altern (monometallische Kontaktsysteme) und
zum anderen ggf. auch einen Teil der Wärme vom Chip auf die Peripherie übertragen. Als Kontaktierung für Großflächenkontakte (wie Source und Drain bei IGBTs) wird dafür bislang Dickdraht (Al, AlSi1) eingesetzt.
Im vorliegenden Projekt werden Kontaktierungsarten wie Großflächen-Bändchenbonden und
Sinterverfahren für entsprechende Kontakte untersucht. Der Gatekontakt lässt sich jedoch nicht
mit genannten Verfahren realisieren. Um trotzdem eine Verbesserung der Lebensdauer zu erzielen, soll das US-Aluminiumdraht-Bonden durch einen US-Bondvorgang mit beschichtetem
Kupferdraht ersetzt werden. Dieser Bereich wird durch die TU Dresden bearbeitet.
Um eine sinnvolle monometallische Kontaktkette zu gewährleisten, kann im Bereich der Leistungselektronik eigentlich nur Kupfer gewählt werden. Neben den besonders guten elektrischen
Eigenschaften bietet Kupfer eine ausreichende mechanische Stabilität und zusätzlich eine gute
thermische Leitfähigkeit. Gleichzeitig stellt Kupfer die künftige Metallisierung im Bereich des
Backend auf dem Chip dar. Da Kupferdraht nicht ohne größere Probleme (speziell präparierte
Pads, geheizte Substrate, Bondprozess unter Schutzgas) prozesssicher verarbeitet werden
kann, ist die Verwendung beschichteter Kupferdrähte eine geeignete Alternative. Die dabei aufgebrachte Beschichtung unterstützt den Bondprozess des entsprechenden Drahtes und macht
diesen zudem erheblich lagerfähiger.
Nach erfolgreicher Anpassung der Drahtbeschichtungstechnologie wurde zunächst sichergestellt, dass der Draht sehr gut auf Standard-Bondsubstraten zu verarbeiten ist. Im Anschluss
wurden verschiedene Chip- und DCB-Substrate (Bild unten), welche später auch die Basis für
entsprechende elektrische Schaltkreise darstellen, kontaktiert und ihre Eignung für das Bonden
mit entsprechenden Drähten nachgewiesen. Ebenfalls wurden elektrisch funktionsfähige Testmuster aufgebaut, welche im ISIT Lebensdaueruntersuchungen unterzogen werden sollen.
44
Jahresbericht IAVT
Verteilung der Abreißkräfte eines Ø50µm Cu(Al) Drahtes (Reißlast 60 cN, Dehnung 8%, 1. Bond auf Cu-DCB, 2.
Bond auf Chip (Cu-Pad), durchschn. Reißlast: 56 cN; nach Einbeziehung der Dehnung (Geometrie) ≙ 49,5 cN )
Distribution of pull forces
As generally in the field of electronic devices within the specific field of power electronics the
same tendency to shrink required semiconductor area is observable. Other than within normal
devices the biggest challenge for further downscaling is the energy conversion and the resulting
heat. Goal of research and development within that project is the creation of electrical contacts
that on the one side will age less being exposed to higher temperatures (for example using
monometallic systems) and on the other side can support the cooling of the chip by transmitting
a part of the energy to the peripherals. As contacting process for large area contacts
(e.g.source/drain for IGBT) thick wire bonding (Al, AlSi1-wires) is used.
Within the present project the focus is on alternate contacting processes like sintering and tape
bonding. The gates of such devices on the other hand cannot be connected using those technologies. To still improve the lifetime of those devices the US-bonding process with thin AlSi1wires is to be replaced by a US-wedge/wedge bonding process featuring coated copper wires.
This specific area is the item of research at TU Dresden.
To realize a meaningful monometallic contact chain within the field of power electronics only
copper can be the material used. Besides especially good electrical properties a good mechanical stability is combined with good thermal conductivity. At the same time copper is the standard
metallization in the backend area of the chip. As normal copper wires cannot be processed
without certain difficulties and unreliability (particularly designed bond pads, heated substrates,
inert gas bonding) the application of coated copper wires is reasonable. The applied additional
layer thereby supports the bonding process of the corresponding wire while at the same time it
prevents the oxidation of copper.
After adapting the coating technology for the used wire types successfully it has been demonstrated that appropriate wires can be bonded onto standard bond substrates. Subsequent to
that different chip- and DCB-substrates which are the bases for appropriate electrical power
circuits have been tested (see fig. above) for their appropriateness to the bonding process with
coated copper wires. In the end electrically measureable substrates have been manufactured
for life-time examination of the contacts. This life time examination is carried out at ISIT where
all different contact technologies are tested under same circumstances.
45
Annual Report IAVT
5.2
Beiträge aus der Forschungstätigkeit / Examples of Research Activities
Auf den folgenden Seiten sind Kopien einiger Veröffentlichungen und Vorträge dargestellt. Sie
zeigen beispielhaft die Inhalte von am IAVT bearbeiteten Projekten.
On the following pages you can see copies of some publications that show examples of the
content of some IAVT projects.
46
Electrical Test Method and realized System for High Pin Count Components during Reliability Tests
Oliver Albrecht, Alexander Klemm, Martin Oppermann and Klaus-Juergen Wolter
Technische Universitaet Dresden, Electronics Packaging Lab. (IAVT), Germany
D-01062 Dresden Germany
albrecht@avt.et.tu-dresden.de
Abstract
For electronic products there are distinct as well very high
reliability requirements, in particular for applications within
aeronautics, medicine and automotive sectors. To prove the
reliability of integrated circuits packages and their solder
joints methods of accelerated aging are executed mandatory
(e.g. thermal shock cycles, isothermal storage and vibration
stress).
But additional electrical characterization methods are
needed and are employing so called daisy chain circuits for
the electrical failure detection on solder joints during the
experiments while using serial circuits with a permanent
monitoring of the impressed current for the to be examined
electrical connections of the package.
Thus, the described methods for the electrical investigation
of the reliability are commonly using dummy packages which
include additional internal circuits assembled under laboratory
conditions. These methods do not allow the investigation of
real integrated circuits.
This paper will discuss a new method for electrical
characterization of real and soldered high pin count integrated
circuits due to the utilization of the included ESD-protective
circuit like it is common on wafer level or using advanced
boundary scan techniques. [1]This method allows the test of
the whole interconnects chain (e.g. PCB connections, bonding
connections, interposer connections, soldered connections).
Motivation
The introduction of lead-free processes not only brought
benefits. So it turns out that a large number of component
types and package types are present in the market but that are
not specified for the high peak temperatures during soldering
with lead-free solders. They have be placed in labor-intensive
processes and need special soldering processes like selective
and hand soldering or high-cost low melting solder pastes.
But, in addition to the economic disadvantage it turns also
to limitations in the reliability of these products. Affected
components are inductors, capacitors, blue tooth antennas,
relays, active components like older microprocessors and high
brightness LEDs.
Supported by leading members of the German
organization ZVEI, we set up together with nine industrial
partners and two Fraunhofer Institutes the publicly funded
project TDMA – Thermal induced Damage Mechanisms on
electronic assemblies and Deduction of operational
alternatives. Figure 1 shows the logos of the project partners.
One subset of investigated components consists of four
different microcontrollers (three QFP´s and one BGA) which
are used for industrial or automotive applications. The pins are
designed for the lead free process but the packages are not
fully specified for the high peak temperatures up to 260° C
during standard lead free reflow processes. As in real
electronic assemblies such microcontrollers are often mounted
together with other components like passive and active
devices.
Figure 1: TDMA consortium
Problems of these assemblies are in particular the
different, often higher volumes and so higher thermal masses
of the components beside. Therefore the microcontrollers have
to be specified for different process parameters.
To evaluate the influence of the different process
parameters due to the reliability of the microcontrollers a test
board with an interface for offline electric measurements
while inspection breaks during accelerated aging experiments
has been designed
The test board contains several as critical classified
components like inductors, capacitors and connectors as listed
before. The microcontrollers (one type twice per board) are
connected to two connectors to realize the interface to an
external measurement system. The design and the realization
of this board are shown in Figure 2 and Figure 3.
Figure 2: Test board design with marked IC´s and connectors
temperature changes between -40°C to +125°C (30 minutes
dwell time, 10 seconds changing time).
The total amount of temperature cycles will be 2.000
cycles with defined inspection breaks after 100, 250, 500,
1.000, 1.500 and 2.000 cycles.
In order to specify the production quality as well to find
first and further defects the microcontroller specimens were
and will be investigated by several non-destructive inspection
processes like optical inspection, x-ray radiography, geometric
laser measurement and scanning acoustic microscopy.
But to prove the electrical functionality of the real
microcontroller on these test boards it was necessary to
develop a new measurement system for high pin count
components. Figure 4 shows the realized ICTest which
principles will follow subsequently.
Figure 3: Photo of the assembled test board
To induce different thermal stresses to the boards and the
components four different soldering profiles with
corresponding solder pastes have been used:
 A low temperature profile with a SnAgBi-solder (low
thermal stress inducing reference profile)
 A standard SAC-profile with a minimum solder joint
temperature of 233°C
 A mid-range SAC-profile with a package peak
temperature of maximum 245°C
 A high temperature SAC-profile with a package peak
temperature of maximum 260°C.
Table 1 shows therefore the relevant process parameters.
In combination with different basis materials for the printed
circuit boards, different solder pastes and at least one reflow
soldering process with or without one additional reflow
simulation up to eleven setup for process parameters can be
divided.
In total 126 test boards were assembled. 104 of them are
the basis for the life time evaluation experiments with over
500 specimens of microcontrollers.
Table 1: Used soldering profiles
Inspection and failure detection
One main objective of the described project is the
detection of parameter changes or failures after production or
during accelerated aging experiments. In our case we use
temperature cycling tests. The used temperature cycling tests
are in accordance with automotive standards and are realizing
Figure 4: Realized measurement system ICTest
Basic principles of the measurement method
Actually, it is common to use dummy packages with daisy
chain circuits for the detection of failures in solder joints.
Therefore serial connections between to be inspected solder
joints are observed by constant current flow. Disadvantages of
this approach are in particular the different design of dummy
packages with different belonging thermal behavior and
missing information about failures of internal interconnects.
So, as mentioned before it was necessary to design a
system that provides the reliable and reproducible
measurement of real high pin count microcontrollers. One
main requirement for this system was the possibility to
measure the electrical functionality of a maximum pin-amount
of real microcontrollers which are soldered on a test board. A
second requirement was the possibility to test the whole
interconnects chain containing e.g. PCB connections, bonding
connections, interposer connections or solder joints. At least
the third requirement was it to make it universal, fast and
applicable in the field of reliability experiments.
The basic idea of the development for this new system is
to run a small testing current from an external power supply
through the specimen via to the outside conveyed connections,
but in inverse direction using the ESD protection circuit to
enable it as current path.
A first pin, one in normal mode operating negative pole,
will be used as a first electrical connection to the circuit
getting a first specific electrical voltage over a specific shunt.
Applicable pins can be GND- or Vss pins of the
microcontroller.
A second used pin will be one in normal mode operating
positive pole. It will be driven by a second specific electrical
voltage over a second specific shunt. Applicable pins can be
VDD or VCC of the specimen.
A third measured pin can vary while multiplexing it over
the remaining, in normal mode negative operating, I/O pins of
the microcontroller, aiming a third specific voltage over a
third specific shunt.
In addition it is also possible to multiplex the first and
second pins to observe a higher amount of electric pins.
In our case one single external power supply is used to
realize these conditions. The positive operating pole of the
power supply was connected to the first and the multiple third
pins and the negative operating pole of the power supply is
connected to the second pin.
The objective of this configuration is to enable a
differential measurement method to deduce on failures or
defects between the points of measurement. In our case we
divide at least two received voltages to compare them with
defined thresholds to infer on the electrical functionality of
multiple first, second or third pins.
Figure 5 shows the basic principle and the first
experimental setup for the proof of concept.
A specified arrangement of this measurement system
allows the inspection of the whole interconnection chain and
is applicable for analog as well for digital devices with ESD
protection circuits.
Realization and Conclusions
To affect the aging of the packages and interconnects for
real microcontrollers within our experiments the measurement
system “ICTest” was developed. In accordance to the abovementioned method it drives the devices with a specified,
controlled current and measures the voltages for multiple
multiplexed first, second and third pins. For these
measurements a 18-pin as well as a 60-pin connector are in
use to realize the connection to the external power supply.
The data acquisition unit is professional data logger
“PicoLog 1216” from company Pico Technology [3]. It comes
with a comprehensive package of software and drivers for
easy programming own applications.
The multiplexing unit inside “ICTest” enables
consecutively measurement of up to eight microcontrollers
and up to 64 I/O pins. Due to the experimental setup of the
test boards and amount of pins of the connector just five
specimens each with 60 I/O pins are in use for
characterization
The distinct mapping of the observed pins allows the
comparability of the measurements during reliability
experiments. Figure 6 shows realized setup with the
connection to the test board.
Figure 5: Basic Principle
As results of our measurement arrangement we can divide
four different cases which we use for ongoing analysis of the
electrical characterization:

First case: The first, second and third pins display on
the first voltage a correct function. If the results are
correct for all multiplexed third pins the
microcontroller is okay.

Second case: The first pin does not work. The
electrical connection to the first pin is interrupted.

Third case: The second pin does not work correct. So,
in this case the electrical connection to the second pin
is interrupted.

Forth case: One the multiplexed third pins does not
work. So, we can identify an interruption of the
connection to a specified third pin.
Figure 6: Realization and connection to test board
The system is easy to use, gives a fast response about the
changing of the voltage on the observed pins and so about the
aging of the microcontrollers, and it is not expansive.
The measurement software was written in LabVIEW (©
National Instruments). It needs the input of the test board´s
serial number and the number of completed thermo cycles.
The software interface to the user is shown in Figure 7.
These two values added by the current time stamp generate
the file names of two text files including the following values
for each microcontroller:

Measured voltages for the pins

classification of the voltages according to the four
different cases
Figure 8 shows a screenshot of the output file. Using this
file generates a fast and complete overview of the electrical
functionality over all observed pins.
Figure 7: Lab-View based PC User Interface
showed no significant degradation and no failures at
interconnection. The first characterization after production
covers next to the electrical measurements additional nondestructive inspection techniques. We will use this portfolio of
techniques through the whole project till the end of reliability
testing.
After the selection of reference samples, the next step in
our project was the start of the thermo cycling tests (-45°C /
+125°C; timing: 30’ – 10” – 30’). The first and second
inspection stops were after 100 or rather 250 cycles. All
specimen showed no failures as before.
Next inspection stops will be after 500 cycles, 1,000
cycles, 1,500 cycles and 2,000 cycles. If there are some
suspicious microcontrollers with advices for failures, we will
use non-destructive and destructive inspection methods to find
reasons for this degradation. The results of these evaluations
will be a part of our presentation.
Conclusions
Sometimes it is necessary to develop an adapted
measurement system to do a special investigation task. In this
case we needed a measurement system to assess the aging of
interconnects of real microcontrollers during reliability tests.
The system is working and we are able to generate new
knowledge and the influence of thermal stress.
The presented ICTest system is one part of developed
adapted electrical testing solution in the field of reliability
systems. Further information about the characterization of
LEDs or a high amount of two pole components while thermo
cycling are shown in [3] and [4].
Because of the low number of realized temperature cycles
we cannot present aging results but the work is still in
progress. The results will be content of future publications.
Acknowledgments
This paper is result of the public supported project
“TDMA - Thermal induced Damage Mechanisms on
electronic assemblies and Deduction of operational
alternatives”. This research and development project is funded
by the German Federal Ministry of Economics and
Technology as a part of the Central Innovation Programme for
SMEs (ZIM / project number VP2715101TL0).
Figure 8: Output file with distinction of cases
On the basis of these results it is possible to detect failures
or defects at specimen´s interconnections due to the circuit
design.
First results
The first ICTest measurements of all investigated
microcontrollers (more than 600 specimens) after production
References
1. Konishi, Tomoaki et al, “A Built-in Test Circuit for Power
Supply Current Testing of Open Defects at Interconncets
of 3D ICs”,
2. Pico Technology Ltd., “PicoLog 1000 Series”, data
source: http://www.picotech.com/multi-channel-daq.html
(valid August 14th, 2012)
3. Klemm, Alexander et al, “Online-Monitoring of electronic
components under temperature stress test”, paper and
poster presentation at ISSE 2012 (an IEEE-CPMT
conference) from May 9th to 13th, 2012 in Vienna
(Austria).
4. Oppermann, Martin et al, “Analysis of Degradation
Effects on LEDs According to the Production Processes”,
paper and oral presentation at ESTC 2012 (an IEEECPMT conference) from September 17th to 20th, 2012 in
Amsterdam (The Netherlands).
Effects of Bonding Pressure on Quality of SLID Interconnects
Iuliana Panchenko1, Juergen Grafe2, Maik Mueller1, Klaus-Juergen Wolter1
TU Dresden, Electronics Packaging Laboratory, 01062 Dresden, Germany
2
Fraunhofer IZM ASSID, Ringstrasse 12, 01468 Moritzburg, Germany
panchenko@avt.et.tu-dresden.de
1
Abstract
The investigation of the bonding pressure change on the
different quality aspects of the solid-liquid interdiffusion
(SLID) interconnects is presented. The stacks were produced
by a flux-assisted bonding of two Si dies with an area array of
square Cu/SnAg bumps on the bottom die and Cu bumps on
the top die at approx. 250 ⁰C. The bonding pressure was
varied between 0 MPa, 0.35 MPa, 0.69 MPa, 1.04 MPa,
1.38 MPa, 1.73 MPa, 2.08 MPa, 2.42 MPa. Cross-sections of
the stacks were analyzed by optical microscopy and scanning
electron microscopy (SEM). Tilt, standoff height (SOH)
variation, void fraction, interlayer thickness and Cu3Sn
thickness were measured. It will be shown that increase of the
bonding pressure can reduce the void fraction from 35.1 %
(0 MPa) to 10.7 % (2.42 MPa) and decrease the interlayer
thickness at the same time. Decrease of the interlayer
thickness is accompanied by solder squeeze and increase of
Cu3Sn thickness. Shear tests revealed an average shear
strength of (81.3 ± 21.5) MPa for the produced samples. The
analysis of the fracture surfaces with SEM revealed that the
weakest interface is located between Cu6Sn5 and Cu3Sn
intermetallic compounds (IMCs) close to the initial Cu bump.
1.
Introduction
The definition of Solid-Liquid Interdiffusion (SLID) has
been originally introduced by Bernstein in 1966 [1]. He
determined this process as a formation of high-temperature
stable IMCs by diffusion between solid and liquid interfaces.
Other definitions were used later for the same process, like
transient-liquid phase (TLP) bonding [2] and isothermal
solidification [3]. All these definitions describe the same
process which gets applied as an interconnect technology in
3D stacking today.
A thin interlayer of low-melting metal (LMM) is placed
between two layers of high-melting metal (HMM) for the
formation of a SLID interconnect. Such SLID interconnect
consists of remaining HMM layers and IMCs after melting of
the interlayer and interdiffusion. Advantages of the SLID
technology are a relatively low processing temperature and a
high application temperature due to the high re-melting
temperature of IMCs. SLID interconnects require less
demanding bonding conditions compared to Cu/Cu bonding
and low standoff heights (about 10 – 15 µm) [4].
The most investigated systems for SLID are Cu/Sn (both
metals are getting typically used for metallization in
packaging) [3, 5] and Au/Sn (Au is stable against oxidation
and is often used in optoelectronics) [6]. According to ITRS
[7] Cu/Sn SLID interconnects could be applied in stacking of
3D devices with through-silicon vias (TSVs), such as
microprocessors or Application-Specific Integrated Circuits
(ASICs) with stacked memory or image sensors on top.
Typically used stacking temperatures for Cu/Sn SLID are in
the range of 250 ⁰C...300 ⁰C. The melting temperatures of
Cu6Sn5 and Cu3Sn IMCs are 415 ⁰C and 677 ⁰C [8].
Recent investigations in the field of SLID technology are
connected to the processing and assembly aspects [9, 10, 11],
reliability [12, 13], microstructure [5] and new metallurgies
[14]. Since the application of SLID technology on
miniaturized microbumps has shown a lot of issues (like gaps
between bumps, voids, misalignment, squeeze of LMM etc.),
more detailed information on optimization of the processing
parameters for this technology is required. One of such
parameters is the bonding pressure. SLID bonding is usually
done under bonding pressures from 0.6 MPa [15] up to
92 MPa [16] or without pressure application during vacuum
reflow. Higher bonding pressures are typically required for
bonding with no-flow underfills. It is complicated to compare
the results on effects of different bonding pressures between
individual studies since multiple sets of process parameters
have been used.
This study deals with a flux-assisted bonding process for
Cu/SnAg SLID interconnects. The effects of the bonding
pressure change on tilt (planarity issue), SOH variation, voids,
interlayer thickness and Cu3Sn thickness are systematically
investigated. We also report on results about microstructure
and shear strength of Cu/SnAg SLID interconnects.
2. Experimental procedure
2.1. Fabrication of the test vehicles
Test vehicles were fabricated on a 300 mm Si wafer with
SiO2 as shown in Fig. 1. A barrier layer of Ti and a seed layer
of Cu were sputtered. Cu and Cu/SnAg bumps were
electroplated. The exact thicknesses are given in Tab. 1.
The size of the top and bottom dies was (3x3) mm2 and the
size of the square bumps was (100x100) µm2. Two die designs
were used in the current study (Fig. 2): a) 17x17 area array
with a total bonding area of 2.89 mm2; b) 12 bumps with a
total bonding area of 0.12 mm2 (only used for shear tests).
Fig. 1. Fabrication scheme of the test vehicles
Tab. 1. Thickness of the layers in the test vehicles
Layer
Thickness, µm
Si
690 µm
SiO2
1 µm
Ti
50 ± 5 nm
Cu seed
155 ± 15 nm
Cu
5.3 ± 0.1 µm
Cu/SnAg3.2
7.7 ± 0.7 µm
Cu bumps
a)
b)
Cu/SnAg bumps
a)
b)
Fig. 2. Design of the test dies: a) 17x17 area array; 2) 12
bumps (all sizes in µm)
The composition of the electroplated SnAg was measured
by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). EDX scan
was made on 20 bumps distributed over the wafer. The
average Ag content was near eutectic and about 3.2 wt. %
(standard deviation 0.5 wt. %).
2.2. Characterization of bump height and roughness
Bump height and roughness were characterized by optical
profilometer Nanofocus µSurf. An example measurement is
shown in Fig. 3. Average values with standard deviation
measured in 60 bumps are given in Tab. 1. It was found that
bump heights differ within one die. Typically bumps in the
middle of the die are lower than in the edge areas. The
absolute difference within one die was up to 0.2 µm for Cu
bumps and 0.5 µm for Cu/SnAg bumps.
The roughness values are given in Tab. 2. Here Ra is the
arithmetic average of all height values within one measured
line and Rt is the mean roughness depth (average of
differences between highest peak and deepest valley).
Tab. 2. Bump roughness
Roughness parameter
Ra
Rt
Value, nm
Cu
6
101
Cu/SnAg
36
250
2.3. Bonding procedure
SLID bonding was carried out with a Fineplacer lambda
(Finetech) with a flexible heating nozzle for better planarity.
The dies were stored in nitrogen atmosphere and were not
additionally cleaned before bonding. The bonding concept is
shown in Fig. 4.
Since bonding was carried out in air, the Cu/SnAg bumps
were covered with flux to break the oxides during stacking.
After alignment at approx. 50 ⁰C, both dies were brought in a
contact and the temperature-pressure profile was started
c)
d)
Fig. 3. Profilometer measurements of the Cu (a, b) and
Cu/SnAg (c, d) bumps: a), c) height profile over two bumps;
b), d) roughness over a diagonal of the one bump
Fig. 4. SLID bonding concept
(Fig. 5). Since the real temperature on the surface of the Si
stack was always different compared to the programmed
profile, dummy stack with a fixed K-type thermocouple was
used for a more accurate profile adjustment. Bonding was
carried out without any pressure (0 MPa, profile 1 in Fig. 5)
and with application of 1 N (0.35 MPa), 2 N (0.69 MPa), 3 N
(1.04 MPa), 4 N (1.38 MPa), 5 N (1.73 MPa), 6 N
(2.08 MPa), 7 N (2.42 MPa) over the whole heating and peak
phase (profile 2 in Fig. 5). 5 stacks were produced for each
bonding pressure.
2.4. Shear tests
Shear tests were carried out with a DAGE4000 shear
tester. The dies with the 17x17 area array arrangement showed
shear forces above 90 N and the failure occurred mostly
within the bulk Si. Therefore dies with 12 bumps
Thickness of Cu3Sn IMC layer was measured from SEM
images. For this purpose the IMC area was divided by its
length.
Fig. 5. Temperature-pressure bonding profile
(smaller bonding area) were further used for detailed
investigation of the shear strength. The applied bonding
profile for the shear test samples was the same as in Fig. 5, but
the applied bonding pressure was technically limited to 0.5 N
(4.17 MPa). 10 stacks were made for shear tests. The failure
mode was controlled by optical microscopy, SEM and EDX
after the shear test.
2.5. Metallographic preparation and SEM
Metallographic cross-sections were made with Struers
TegraForce/Pol system. Stacks were molded in epoxy with C
filler, grinded with 2500 (Buehler) and 2400 (Struers)
grinding paper. Polishing steps 3 µm and 1 µm were made as
explained in [17]. The final polishing was made manually with
MasterMet2 suspension (20 nm). The cross-section line was
the same in all samples with respect to the stack orientation
during bonding.
Optical bright-field images were made with a Leica
DM4000 microscope. A Zeiss SEM Supra 40VP with
backscatter detector and EDAX Apollo 10SDD EDX detector
were used for SEM investigation.
2.6. Measurements
Since cross-sections only give information on one plane,
the statistic information of 20 bumps was averaged in order to
get more accurate results. Different values, as shown in Fig. 6,
were measured in 20 interconnects for each bonding pressure
(4 bumps (1st, 5th, 11th and 17th) in each of 5 samples).
3. Results and discussion
3.1. General microstructure description
SEM images of the microstructure before and after
bonding are shown in Fig. 7. The layer of scalloped Cu6Sn5
IMC was formed after wafer processing steps in Cu/SnAg
bumps. It was measured to be 575 nm (standard deviation
252 nm) directly before bonding procedure. Ag was
distributed in form of small Ag3Sn IMCs trapped in Sn grains
or in Cu6Sn5 layer before bonding. Three IMCs (Cu3Sn,
Cu6Sn5 and Ag3Sn) are visible in all samples after bonding.
Remaining solder was found only in the samples bonded at
forces below 2 N.
Fig. 7. Backscattered SEM image of the Cu and Cu/SnAg
bumps before bonding (a) and SLID interconnect after
bonding (b)
Initial Cu/SnAg bumps had very small voids at the
interface between Cu and Cu6Sn5 (Cu3Sn IMC was not visible
at this stage) already before bonding (Fig. 8). These voids are
possibly related to the electroplating. This kind of voids was
not noticed after bonding and formation of Cu3Sn.
Fig. 8. Voids in Cu/SnAg bumps before bonding.
Fig. 6. Measurement of different values from a cross-section
Following parameters were calculated from these values:
Tilt: SOH difference between the first and last interconnect
within one cross-section (exact distance between the 1st and
the 17th interconnect is 2.5 mm).
SOH variation: absolute difference between the largest and
the smallest SOH within all 20 measurements (all stacks) for
one pressure.
Void fraction: void area (V) divided by interlayer area (A).
Interlayer thickness: interlayer area (A) divided by its
length (L).
Samples bonded under pressure application revealed small
voids close to the interface between the initial Cu bump and
the Cu/SnAg bump (Fig. 9). These voids are most probably
related to the bonding process. Fig. 9 shows also features of
the IMC grain structure. Cu3Sn grain layer was planar with a
small grain size (less 400 nm). Cu6Sn5 scalloped grains were
grown together and formed large grains (more 2 µm).
Fig. 9. Voids visible close to the initial Cu bump
3.2. Tilt and SOH variation
Fig. 10 shows the average tilt with standard deviation as a
result of the bonding pressure applied. The average tilt varies
from 0.2 µm to 0.4 µm on 2.5 mm length (corresponding 72 to
176 µrad) in samples. No clear influence of the applied
pressure on tilt was found. But it was found that this tilt is
systematic, since its orientation was the same in all samples.
Fig. 10. Average tilt depending on bonding pressure
The large standard deviation of the tilt (as from 0.1 µm to
0.7 µm) could be possibly related to the deviation in
electroplating (up to 0.5 µm within a die for Cu/SnAg bumps).
The evaluated tilt represents a tilt on the one edge of the stack,
since only one row in the cross-section was investigated.
a)
Fig. 12. Absolute SOH variation depending on bonding
pressure
Tilt causes differences in the thickness of the interlayer
within one stack (Fig. 11). This results in a thickness
difference of the IMCs.
Fig. 12 shows the absolute SOH variation depending on
bonding pressure. Similar to the tilt, no clear dependence
between SOH variation and pressure was found. But the
largest SOH variation (3.3 µm) was found among the samples
bonded without pressure application. The reason for that is the
formation of large voids inside the interlayer during bonding.
SOH variation changes from 1.1 µm to 2.1 µm in the samples
bonded with applied pressure. The most probable explanation
for SOH variation are the differences in bump heights after
electroplating (see Tab. 1) as well as tilt. Thus maximal
thickness difference of Cu/SnAg/Cu could be 1.6 µm
(calculated from minimal and maximal values of Cu/SnAg and
Cu bumps). The maximal measured tilt is 0.7 µm. Thus
thickness difference and tilt are responsible for large SOH
variation.
3.3. Interlayer thickness and voids
Large voids were found inside the interlayer in the
produced samples. Their area as well as interlayer thickness
was measured as shown in Fig. 6. This kind of voids could be
related to the use of flux for bonding. Fig. 13 shows the void
fraction and interlayer thickness change depending on bonding
pressure.
b)
Fig. 11. SEM images showing interlayer thickness differences
caused by tilt in a sample bonded at 7 N: a) Interconnect 1/17;
b) Interconnect 17/17
Fig. 13. Interlayer thickness and void fraction depending on
bonding pressure
Fig. 14. Backscatter SEM images showing decreasing interlayer thickness with increasing bonding pressure
Fig. 15. Cross-sections showing decreasing void fraction
with increasing bonding pressure
Both parameters decrease with increasing pressure. The
average void fraction in the interconnects produced without
pressure application is about 35.1 %. Due to large voids SOH
increases and average interlayer thickness changes up to
3.8 µm. Increasing bonding pressure supports the reduction of
the void fraction (up to 10.7 % at 7 N), but it also results in
solder squeeze and decreases the interlayer thickness between
the Cu bumps (up to 2.4 µm at 7 N). These effects are also
shown in Fig. 14 and Fig. 15.
3.4. Thickness of Cu3Sn IMC
Fig. 16 shows the growth of the Cu3Sn thickness with
increasing bonding pressure from 0.42 µm (0 N) to 0.65 µm
(7 N) for both sides. No significant differences were found
between initial Cu and Cu/SnAg side. Since the temperature
profile was the same for all samples, the increasing Cu3Sn
thickness can be only explained by a decreasing interlayer
thickness between the Cu bumps.
3.5. Shear strength and fracture surfaces
The samples with a bonding area of 2.89 mm2 revealed the
shear force of more than 90 N and fracture within the bulk Si
(Si break of the top die). This means that the interconnects
themselves can withstand larger shear stress. Therefore
Fig. 16. Cu3Sn thickness depending on bonding pressure
samples with a bonding area of 0.12 mm2 were used further for
an accurate investigation of the shear strength. These samples
were bonded under a higher bonding pressure (4.17 MPa)
because of the limitation for the lowest pressure on the
bonding tool. The average shear force for these samples was
(9.8 ± 2.6) N and the shear strength was (81.3 ± 21.5) MPa
accordingly. This value is larger than the found literature
references for Cu/Sn SLID samples. Hoivik et al. [18]
measured the shear strength of 39.8 MPa. Rong et al. [15] got
a maximal value of 47 MPa and noticed that the fracture mode
was through the barrier Ti/W layer. Such variations in shear
strength values are results of different wetting techniques (flux
in this study), bonding parameters, quality deviations of the
bonding interface and use of different barrier layers. It should
be noticed, that the higher bonding pressure used for the shear
test samples in this study can lead to the smaller thickness of
the interlayer and larger thickness of the Cu3Sn IMC. This
could also increase the shear strength.
Fig. 17 shows the fracture surfaces after the shear test.
66.70 % of all bumps within the stack were sheared through
the IMCs. The weakest interface was found to be between
Cu3Sn and Cu6Sn5 close to the initial Cu bump. This could be
correlated to the small voids on this interface (Fig. 9). Other
bumps were sheared through the barrier Ti layer or through Si
(16.65 %).
Fig. 18 shows the details of the fracture through Cu3Sn and
Cu6Sn5 IMCs. This fracture surface reveals very fine grains of
Cu3Sn and larger grains of Cu6Sn5. Grain boundary stamps are
visible on their fracture surfaces. It has to be noticed, that the
fracture surface has many voids in Cu6Sn5. These voids are
most probably the same, as shown in Fig. 9.
Fig. 17. Typical fracture surfaces of the bumps on the top and
bottom die after the shear test
Fig. 18. Details of the fracture through the IMCs
4.
Conclusions
Flux-assisted Cu/SnAg SLID bonding process was
investigated in this study. The following general conclusions
can be made about the process:
1) The microstructure of the Cu/SnAg SLID
interconnects consists of small grained Cu3Sn, large
grained Cu6Sn5 and single Ag3Sn IMCs trapped into
Cu6Sn5 grains.
2) The average shear strength for the interconnects is
81.3 ± 21.5 MPa.
3) The weakest shear interface is located between Cu3Sn
and Cu6Sn5 IMCs close to the initial Cu bump.
4) Produced SLID samples often reveal small voids
located close to the bonding interface between the
initial Cu and Cu/SnAg bumps and large voids inside
the interlayer.
Different effects of the bonding pressure on the quality of
the Cu/SnAg SLID interconnects were investigated in this
study. The following conclusions can be made:
1) Systematic tilt can’t be minimized by bonding
pressure change.
2) The application of the bonding pressure decreases the
SOH variation, but it is not possible to minimize it by
increasing the bonding pressure. The reasons for SOH
variation between the samples produced in the same
way are the variation of bump heights and tilt.
3) Increased bonding pressure minimizes the void
fraction and the interlayer thickness in the
interconnects.
4) The Cu3Sn thickness increases with increasing
bonding pressure due to decrease of the interlayer
thickness.
Acknowledgements
This study was carried out within the framework of the
research training group “Nano- and Biotechnologies for
Packaging of Electronic Systems” funded by the German
Research Foundation.
The authors would like to acknowledge Ms. Anke Schoene
from IAVT TU Dresden for her support of the metallographic
preparation.
The staff of Fraunhofer IZM ASSID should be
acknowledged for manufacturing of the test vehicles.
All members of the young researchers group “Reliable 3D
microsystems” in IAVT TU Dresden should be acknowledged
for helpful discussions.
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Assembly tolerant design of multi-cell laser power converters for wafer-level photonic packaging
S. Sohr, R. Rieske, K. Nieweglowski and K.-J. Wolter
Department of Electrical Engineering and Information Technology, Electronics Packaging Laboratory,
TU Dresden, Germany
sohr@avt.et.tu-dresden.de
Abstract
Power over fiber is an attractive alternative for powering
remote sensors in electromagnetically sensitive environments.
Compared to energy harvesting, it can deliver uninterrupted
energy to sufficiently supply elaborate sensing, computation
or even actuation along with a continuous communication
requirement in distributed sensor networks, as for example in
structural health monitoring. For the photonic packaging the
passive fiber-chip-coupling is one of the biggest challenges.
Due to non-uniform illumination of the individual sub-cells
and their technological mismatch in electrical characteristics
the assembly tolerances are comparatively tight and therefore
the manufacturing costs are respectively high. Hence, an
assembly tolerant design of the laser-power-conversion (LPC)
chip has to be developed to relax the photonic packaging
demands.
The paper will aggregate comprehensive real
characterization results of existing multi-cell laser power
converters and real-life fiber light sources into a dedicated
design tool. In order to decrease the tolerance requirements
and to adjust the LPC to a specific output power at an
optimized efficiency, various LPC designs with different cell
numbers and arrangements are numerically optimized and
reviewed in comparison. The model initially calculates the
overlap integral with an ideal uniform illumination. Then, the
model can be enhanced by using real power distributions of
typically used multimode fibers. The results presented in this
paper are well suited to fabricate both efficient LPCs and
validate their passive alignment for wafer-level packaging.
Introduction and Motivation
To power autonomous sensor networks, there are a
number of technical possibilities (Figure 1). But when power
demands increases because of actuating tasks or continuous
communication solutions, local energy storage or energy
harvesters quickly reach their limits. Here, one answer is
photonic power/ power-over-fiber, particularly for long-term
applications. For operating remote sensors, especially for
embedding them into structures for monitoring purposes, the
transmission of the laser power by optical fibers is the bestcase.
Beside the laser, the photovoltaic/laser power converter
(PPC or LPC) is the essential element, which is available
since the 1990s [9]. Redesigns for high speed application [8]
and with different materials for higher efficiency [1] have
been researched. The best LPC designs supply sufficient
voltage [7, 4] for many applications. Optical-to-electrical
conversion efficiencies above 50% were achieved by [10, 2]
with LPCs based on GaAs.
However, for a widespread use the volume capability of
the photonic packaging gain attention. For a wide application
in sensor networks with high quantities such a package has to
be reliable and low cost. The standard active fiber-chip
alignment process conflicts with these demands. While the
fiber is manipulated against the chip, the coupled power is
measured until a threshold is reached. The necessary
connection of the fiber and the chip to the closed loop
measurement equipment prevent a simple and therefore an
economic batch process.
The ultimate goal is a passive alignment, where only the
device is placed by alignment marks with known tolerances.
Until now, no publications on the suitability of passive
alignment and allowable assembly tolerances for the
photonics packaging of multi-cell laser power converters are
known to the authors.
A patent pending approach of the authors, not shown in
this paper, uses a transparent substrate both for optical
functions and electrical connection. By innovative design the
assembly becomes suitable for wafer level processing. To
enable all requirements a chip/package co-design is a
promising approach which is investigated in this paper.
Figure 1 Energy supply of galvanically isolated sensor
systems according their connected wattage and period of
application
Multi-cell laser power converters
Under load, the working point voltage of a single GaAs
laser power converter band gap in the range of 0.95 V is
insufficient for supplying typical electronic devices. Upconversion in this voltage range is extremely inefficient
(about 60%) and begins to work better from 1.2 V and above.
Hence, the series connection of multiple pn-junction poses the
only possibility for avoiding the inefficient voltage boosting.
In the simplest approach, discrete photovoltaic converters
could be series connected. This would either require multiple
light sources/ fibers for illumination with the respective extra
costs, or in the case of a single source, it would lead to
inadequate efficiencies despite the dense packaging of
multiple devices due to their technological borders. Better
results have been demonstrated by interconnecting multiple
laser power conversion cells on a semi-insulating substrate
into a monolithic interconnected module (MIM) [2]. One
example of this lateral integration into a battery of four GaAs
photovoltaic converters is depicted in Figure 2 by courtesy of
Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (FhG ISE). The
individual cells are separated only by a few micron trenches
and can efficiently operate sensor electronics from a single
optical (fiber) source.
Figure 2 Micrograph of laterally integrated 4-segment
Monolithically Interconnected Module (MIM) laser power
converter and vertically integrated dual (tandem) laser
power converter (both courtesy of FhG ISE)
Figure 2 also shows another laser power converter with a
vertical integration approach. For these tandem cells, also
characterized within this paper, two photovoltaic converters
are stacked. The electrical function of both integration
concepts are better understood by examining the epitaxial
structures and their respective electrical schematics as in
Figure 3. While the MIM LPCs are grown on a semiinsulating GaAs wafer and uses front contacts only, the
tandem LPC exhibits a front and a back contact. The top of
the cell is coated with an anti-reflection coating and a lateral
conduction layer. Gold plated finger electrodes support the
homogeneous current distribution. The interconnection and
bond pad are also gold plated either on a polyimide
passivation between the cells or on a low contact resistance
cap, respectively.
K
Interconnection
Anti-reflectioncoating (ARC)
LCL
LowContactResitance
Cap
Photo diode
Passivation/Barrier
K
ARC
LCL
Photo diode 1
Tunnel diode
A
Photo diode 2
Tunnel diode
Reflector
Barrier
Lateral conduction layer (LCL)
Polyimide
Passivation
Subtrate
Semi-insulating
Subtrate
back-contact
A
Figure 3 Cross section and electrical schematic of MIM
and tandem laser power converter [7]
In a previous work [6], the assembly tolerances of
different MIM designs have been investigated and proved the
general applicability of MIM LPCs for the automated passive
fiber coupling. The assembly tolerances for a 0.05 dB penalty
or 98.8% of the peak power came to approximately 20 µm,
meaning ±10 µm displacement tolerance from the device’s
optimum coupling point. These tolerances have been derived
from coupling efficiency plots (far field) at the optimal axial
distance as for example given in Figure 4. The same figure
also visualizes a so-called near field scan, where a small spot
with the fiber in close vicinity of the cell surface was scanned
across for measuring the spatially resolved responsivity.
While the scans provide sufficient resolution to image the
shadowing of the plated finger electrodes, the remaining
plateau appears uniformly flat with negligible impact of
different bus bar and contact grid designs.
Figure 4 Integral (far field) and spatially resolved (near
field) responsivity scan of a single MIM segment [6]
However, also large intra-individual deviations within the
electrical characteristics of the cells and their conversion
efficiencies have been discovered. Up to 20% mismatching
per LPC has been revealed. These deviations are the reason
for asymmetries in the lateral assembly tolerances in x and
y and additional losses. The series connection drives all cells
at the minimum current of the weakest cell and forces other
cells to operate off their maximum power point.
Experimental Characterization
Power-over-fiber systems are the prevalent application for
laser power converters and use fibers for delivering the optical
energy. The angular power distribution of the divergent beam
can be measured using a photo-goniometer. Due to the
symmetry of the fiber, one axis suffices for the description.
These distributions have been recorded for different fiber
types, step and graded index profiles for example and
different intensities, one example is shown in Figure 5. For
the ease of simulation the measurements can be approximated
by a Gaussian shape. This assumption holds true for
sufficiently long fibers with an equilibrium modal power
distribution. The full width half maximum (FWHM) depends
on the numerical aperture of the used fiber and the medium
the beam emits to.
Figure 5 Far field characterization of standard step-index
Multimode fiber (SI MMF 50/125 µm) and Gaussian
approximation
The new investigations described in this paper have been
performed with an enhancement to the previously developed
measurement set-up. The basic building blocks are arranged
into the block diagram in Figure 6.
Figure 6 Measurement set-up (schematic) for power
distribution measurements
Fiber-coupled lasers in the near IR wavelength range have
been used as light sources. A single mode laser with 850 nm
wavelength and an optical output power of 2 mW has been
used for the “near field” scans. The stable Gaussian beam
profile enables reproducible spatially resolved responsivity
maps of the device. Within an approximate distance of
maximum 50 µm for collision free movement, the fiber scans
a small spot across the surface of the device under test.
For the so-called “far field” scans a fiber-coupled highpower laser (830 nm) emits a continuous maximum optical
output power of 1 W from a step-index fiber with 50 µm core
diameter. This source was then either mode scrambled for
better power stability during the fiber manipulation or it has
been homogenized using a free space optic assembly.
Even though it is widely known that multimode lasers
exhibit speckle within their intensity distribution, meaning
intensity fluctuation caused by interference, a comparison
clearly shows the limitation of modeling and experimental
verification. The comparison of these intensity distributions is
depicted in Figure 7. Despite the use of a mode scrambler,
there are still transient intensity fluctuation visible, which are
also the reason for the deviation from the simulated far field
discussed in Figure 5. When determining the dependency of
the conversion efficiency to the intensity, this inhomogeneous
intensity pattern is inappropriate for high quality
measurements that ultimately form the fundamentals of
precise models. Especially for highly reproducible conversion
efficiency measurements with partial beams or apertures it
cannot be ruled out that the total power fluctuates due to
speckle. For this reason a beam homogenizer has been
successfully used and provided a homogeneous intensity
plateau at the active area. Due the poor optical efficiency of
the homogenizer and power limitations of the laser source the
intensity dependent conversion efficiency was verified until
24 W/cm² and literature values [7] have been taken elsewise.
The device under test is mounted on a temperature
controlled chuck during the tests. The fibers are manipulated
by computer-controlled linear stages and the entire set-up is
highly automated for efficient data acquisition of larger
parameter sets. The maximum power point was tracked for
each measurement position and electrical characteristics, like
I-V curves were recorded using a computer controlled source
meter.
LPC Modeling
On the basis of the results of the experimental
characterization a model for the laser power converters can be
developed. It is expected to model the basic optical and
electrical properties for the illumination of LPCs and to verify
the above measurements. As shown in this chapter, the model
enables to optimize the LPC designs concerning both
converted power and assembly tolerances.
From the electrical perspective, LPCs are photodiodes
especially optimized for power conversion. In general, a
current depending on the illumination is generated at the
diode voltage U D :
 nUUD

I  I 0  I s e T  1
(1)


Where I 0 is the short circuit current, I s reverse saturation
current, n the emission coefficient and U T the temperature
voltage (25 mV at room temperature). Using this, the yielded
power is derived from:
Pelec
Figure 7 Scan of optical intensity distribution without and
with beam homogenizer. The box indicates the size of the
active area from the device under test
UD


nU T
 U D  I0  I s  e
, with I s  I 0


(2)
Both the current and the power characteristics are nonlinear. Between the short circuit current
circuit voltage
U 0 each
I 0 and
the open
with a power equal to zero a power
maximum can be observed. At this so-called maximum power
point (MPP) the highest power is converted and hence the
maximum conversion efficiency is achieved. Because the
diode voltage U D (for GaAs in this case approximately
0.95 V @ MPP) is insufficient for typical applications, the
MIM laser power converters series connect multiple diodes
X A with their respective areas Ai .
i

Pelec ,i  Popt  S z ( x, y )  RAi ( x, y )
increased current and have to be summarized in advance and
  Aj , parallel ). An overall current results from the
j
The overall power will then be achieved by (3) less the
internal losses by series connection (4)
Pelec ,total   series,i  Pelec ,i
A
Ai
AB
CD
BC
A
Figure 8 Modeling MIM cell arrangement with the 4
quadratic cells AB, BC, CD and DE in series (4sQ)
Ai
Hence, the undesired power loss Ploss
Ploss  U i  ( I i  min( I1 , I 2 ,..., I n ))
(4)
Ai
will be converted into heat.
The amount of resulting current depends on the
illumination intensity, its distribution and the photon
wavelength. The spatial intensity distribution S of a modeled
fiber source (here: SI 50/125 µm) is approximated by an
Gaussian function and will be proportional to the incident
optical power Popt
S z ( x, y) 
DE
(3)
 U i  min( I1 , I 2 ,..., I n )
1  x x 

 
2   x ( z ) 
(8)
Ai
Pelec   Pelec ,i  U i  I res
1
(7)
 Popt   S z ( x, y )  RAi ( x   1 , y   2 )d 1d 2
series connection. Here the diode with its minimum current in
the maximum power point forces the remaining diode into
working points off the maximum power point. Now, the
resulting electrical power is derived as
Ai

Ai
Segments A j , which are connected in parallel, generate an
( Ai
The derived opto-electrical conversion for this diode is the
overlap integral (mathematically a convolution) of the optical
intensity distribution with the spatial responsivity and can be
described as:
2
1  y   y 
 
2   y ( z ) 
Figure 8 illustrates an example for modeling the
characterized test samples. The individual cells have been
simplified into squares with homogeneous responsivity and a
particular matching factor  Ai . This matching factor has been
2
introduced to consider deterioration effects of the conversion
efficiency by fabrication imperfections.
2
e
e
(5)
( 2  ( z )) 2
where  (z ) is the standard deviation depending on the
numerical aperture of the glass fiber, the axial distance from
fiber source to the plane of incidence and the medium (e.g. air
or glass) , the divergent beam is emitted to (cf. Figure 5).
The incident light excites electrons from the valence to the
conduction band and due to the electric field of the space
charge region creates an electric current according to the
quantum efficiency of the semiconductor. Within the model,
this relation is considered by the intensity G dependent
conversion efficiency  (G) taken from own measurements
and partly from the literature [3, 7] as well as the spatial
reponsivity R. Due to the fact that the dependency of latter
was measured to be nearly constant for all active areas [6], for
the individual diode it can be assumed:
RAi ( x, y )   (G )   ² Ai
( x , y )Ai
,
otherwise RAi ( x, y )  0,
where
A
i
is the matching factor of the individual cells.
(6)
Figure 9 Overlapping integral (ideal matching, non-ideal
matching)
The impact of non-ideal matching
 A2  1
i
is sketched in
Figure 9. The illumination is tracked along the section (A-A)
introduced in Figure 8 and the resulting power is recorded for
the individual cell as well as their series connection.
Obviously, the reduced matching factor (  A1
2
 0.8 ) does not
only result in an overall power loss (less 11.4% along the
profile, 9.9% for the two-dimensional convolution), but also
relocates the optimum power point into the direction of the
degraded cell.
With this level of detail achieved for the model, the
verification on the basis of own experimental results can be
performed. As an example the measurement results from the
previous investigation [6] are compared with the simulation
PAi
(9)
max( PA1 , PA2 , PA3 , PA4 )
The values perfectly match the observations from the
single cell measurements. The slight deviations within the
conversion efficiencies can be explained by the
simplifications of the structure that neglect shadowing of the
finger electrode grid. Because of ideal conditions higher
conversion efficiency is obtained which leads to less relative
assembly tolerances.
Table 1 Comparison of experimental and simulated results
before and after model fitting
4sQ (I7)
4sQ (I7)
4sQ (L4)
4sQ (L4)
experimental
simulated
experimental
simulated
1.04
1.00
1.00
1.00
Area [mm²]
3.9
3.9
3.9
3.9
Voltage [V]
150
150
150
150
Power [mW]
0.98
1.00
0.83
0.83
γ²AB
0.99
1.00
0.90
0.90
γ²BC
1.00
1.00
0.93
0.93
γ²CD
1.00
1.00
1.0
1.0
γ²DE
41.53
45.4
40.4
42.1
ηopt2elec [%]
Δx/Δy [µm]@ loss budget relative to peak conversion efficiency
18/26
6/6
28/20
5/5
-0.05 dB
26/40
12/12
44/34
9/9
-0.10 dB
44/64
20/20
64/52
17/17
-0.20 dB
56/80
26/26
88/68
24/24
-0.30 dB
Results
The model implemented and verified above now enables
the efficient performance simulation of laser power converters
with real fiber sources. The tool allows the optimization of
both conversion efficiency and assembly tolerances. Several
new designs have been proposed, comparatively evaluated
and the most promising ones will be presented here. The
original LPC configuration, in general, acts as a quadrant
photodiode. They are commonly applied as position sensitive
devices when adjusting optical axes. In return that means, the
fiber needs to be carefully aligned to the series connected
cells. Hence, the active areas have to be rearranged in order to
relax the assembly tolerance requirements. The optimization
of the overall conversion efficiency can only be influenced by
tuning technological boundaries. The trench width cannot fall
below a minimum value of 22 µm. Separating too many sub
cells especially within high intensity areas will reduce the
overall efficiency.
The patent pending design approach relies on defining the
active areas with equal intensity area product. It also includes
a new packaging approach that is not further detailed within
this paper, but takes advantage of flip chip technologies and
can redistribute the cell’s electrodes on a low-cost substrate.
Basing on the circular intensity distribution from the fiber
output adapting the active area to a circular shape is an
Conversion efficiency η
i
 A2 
evident yet effective means for reducing chip cost. The round
design of 4 series connected quadrants, named “4s”, compares
in its behavior to the examined square one. However, it allows
placing the pad areas into the rarely or non-illuminated
corners. Together with the substrate redistribution the
peripheral bus bars can be economized and considerably
reduces the chip size for equal active areas.
results in Table 1. The respective matching factor has been
estimated according to
Figure 10 Spatial conversion efficiency maps for the
assembly tolerance optimized LPC design proposals (left
to right, top to bottom: 4s, 4sR, 2s2p, 4s2p, 2s3p, T2s)
with 2σ of the illuminating spot
One redesign approach utilizes a concentric configuration.
The 4 toroid sub-cells of the “4sR” design require a larger
trench for series connection of the cells. The trench etching
depends on the crystal orientation. Since no fabrication
experiences exist for circular trenches they have been
estimated to conservative 30 µm width. The parametric model
adjusts to the incident intensity. For better comparison all
active areas are kept constant at 1 mm². Considering all
trenches, the outer diameter amounts to 1.2 mm. For the
presented results with 150 mW optical power the outer
diameter ratios of the tori are 28%/ 48%/ 69%/ 100%.
The other promising redesign approach also deploys its
full potential only with substrate redistribution of the
individual segments. When connecting opposite segments in
parallel to form a bow tie or trefoil shape, the assembly
tolerances are considerably relaxed. The parallel designs
require a multiple number of segments. The “4s2p” design
requires a total of 8 segments where each 2 opposite are
connected in parallel before they are connected in series for a
terminal voltage of approximately 4 volts. The “2s3p” design
connects 3 segments in parallel and 2 in series for a 2 volt
output. Even less trenches with the same voltage are achieved
by the “2s2p” design with 2 parallel and 2 series connected
segments.
The latter designs forfeit their advantage of a higher
terminal voltage when compared to a tandem cell, with its
series connection of 2 vertically stacked photodiodes. The
model for “T2s” takes deviating conversion efficiencies into
account and was also modeled with an active area of 1 mm².
All optimized LPC design proposals are sketched and
compared regarding their assembly tolerance in Figure 10. At
a glance it is obvious that all redesigns are by far superior to
the original laser power converter in terms of relaxed
assembly tolerances. Even though the spatial conversion
efficiency maps are all iso-scaled for the ease of comparison,
a detailed discussion has to be conducted at hand of Table 2.
Each conversion efficiency map covers an area of
(1.2 x 1.2) mm². The dashed circles indicate the 2σ threshold
of the illuminating spot, meaning the area which includes
95.4% of the incident intensity.
assembly tolerances it comes clear that is well worth
sacrificing some of the peak efficiency, as already discussed
with Figure 10. The lateral assembly tolerances x and y
have been calculated at the coordinate axes for -0.05/ -0.1/ 0.2/ -0.3 dB loss or 98.8/ 97.7/ 95.5/ 93.3% of the peak power,
respectively. For 4s, 2s2p and T2s design both values equal
each other due to symmetry. In these cases only one tolerance
value is shown in the table. Care has to be taken for this
comparison, since the values are not invariant to rotation. For
example, by rotating the 4s design by 45° the tolerances on
the coordinate axes would even be decreased (cf. Figure 10).
Another indicator for comparison than x,y could be the
inner circle of the area marked with a certain threshold. This
would better meet the statistical misalignment during the
manufacturing, which follows a Gaussian distribution for
normal incidence. However, for the same loss budget more
than 10-fold improvements for the assembly tolerances have
been achieved.
Table 2 Comparison of simulated characteristics of
different multi-cell designs (normal illumination)
Angle 0°
4s
4sR
4s2p
2s3p
2s2p
Design label
3.9
3.9
3.9
1.95
1.95
Voltage [V]
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
Area [mm²]
150
150
150
150
150
Power [mW]
45.9
37.8
42.6
44.2
45.9
ηopt2elec [%]
7
80/70
70/90 230/210
90
-0.05 dB
-0.10 dB
13
120/90 110/130 290/250
150
-0.20 dB
23
170/150 150/170 370/330
230
-0.30 dB
31
210/200 190/210 450/390
310
Δx/Δy [µm]@ absolute efficiency
20
100/60
210
44 %
30
70/90 390/340
370
42 %
50
190/190 510/450
470
40 %
70
250/250 610/530
570
38 %
36 %
90
170/150 290/290 690/610
650
34 % 110
250/240 330/330 770/670
730
T2s
1.95
1.00
150
38.6
630
670
710
750
650
750
810
The maximum opto-electrical conversion efficiency of
45.9% is observed at the original 4s and the related 2s2p
design. These calculations mark the theoretical peak for real
sources and perfectly match with own measurements. The
reported records of above 54% [5, 7] can only be achieved in
the laboratory with elaborate and inefficient optics that are not
suited for economic application in industrial products.
Especially the 4sR design suffers from losses by trenching the
active area within high intensity areas and yields an efficiency
of only 37.8%. This value compares to the overall efficiency
of the tandem cell with their reduced sub-cell efficiency. The
parallel designs 4s2p and 2s3p yield better results, but lag
behind 4s and 2s2p due to more trenches. Looking at the
Figure 11 Conversion efficiency over axial source-cell
distance compared for all design
The above lateral assembly tolerances have been
calculated for the optimum coupling distance. The relation
between the conversion efficiency and the distance from the
divergent source to the LPC’s surface is presented in Figure
11. The concentric 4sR design exhibits the strongest
dependence to deviations from the optimum coupling
distance. Even though it is not depicted the same holds true
for intensity variations. Because the intensity scales with the
square to the area, the 4sR design can only perform at a
certain design power. The remaining radial designs operate at
all incident intensities. The decrease in efficiency for
distances closer than the optimal coupling distance, which can
be observed for all designs, goes back to the deteriorating
efficiency when exceeding an optimum power density. With
larger axial distances the active area is over-illuminated. For
the MIM cells this effect is superimposed with a stronger
effect of the trenches. For achieving a lateral assembly
tolerance with the T2s tandem cell it has to be strongly underilluminated and hence exhibits very flat axial distance
dependence.
Next to the translational tolerances also angular tolerances
impact the overall efficiency. They can originate from fiber
misalignments or cleaving angle deviations. These are even
more challenging to measure, since the fiber has to be
manipulated with the fiber tip as the pivot point fixed into the
optimum coupling point. With the developed simulation tool
these tolerances can now be easily estimated without much
measurement effort. For angular tolerances the intensity
distribution deviates from its symmetrical form and therefore
yields uneven illumination of the individual cells. The
simulations can no longer use symmetries for reducing
computational efforts. Additionally, the orientation of the cell
configuration towards the tilting angle is important. For the
example design 4s2p this asymmetry is shown in Figure 12,
where two coupling efficiency peaks appear right and left to
the less sensitive center area due to the trenches.
Figure 13 Total efficiency of non-ideal 4-segment MIM
LPC over mismatch with assumed voltage boosting to 5 V
(4s + booster (95%), 2s tandem + Booster (80%) and
single cell + Booster (60%))
Figure 12 Asymmetrical spatial conversion efficiency
map of LPC design proposal 4s2p for 30° incidence angle
tilted in x-direction
However, not only unintended deviations from normal
incidence need to be investigated. The novel wafer-level
packaging approach with the substrate redistribution might
require a gracing incidence due to indirect coupling via tilted
mirrors. Goniometric measurements of individual cells prove
that the responsivities can be assumed constant over the range
of interest. This means the anti-reflection coating works well
for gracing incidence and no impact to absorption length
could be observed. The results of the simulation for incidence
angles tilted 30° off the normal are compiled to Table 3. Due
to the already mentioned quadratic relation between intensity
and area, the efficiency of the concentric design partly falls
back behind the radial designs. Beside 2s2p the tandem cell is
far superior for these applications.
Table 3 Comparison of simulated characteristics of
different multi-cell designs (illumination angle 30°)
Angle 30°
4s
4sR
4s2p
2s3p
2s2p
Design label
3.9
3.9
3.9
1.95
1.95
Voltage [V]
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
Area [mm²]
150
150
150
150
150
Power [mW]
38.7
39.4
41.3
43.5
45.7
ηopt2elec [%]
90
30/20
50/250
60/20
-0.05 dB 65/5
120/110 50/20 300/380 100/40
-0.10 dB 80/5
-0.20 dB 100/15 160/140 50/60 430/610 180/80
-0.30 dB 105/15 190/165 70/80 490/670 230/120
T2s
1.95
1.0
150
38.6
570/550
610/590
670/650
730/690
As has been mentioned before, the overall performance
depends not only on assembly tolerances but also on the
technological quality, meaning the intra-individual cell
matching. From the system perspective a certain power has to
be assured for applications with typical voltages of 5 V. The
DC/DC efficiency for boosting increases the less upconversion is necessary. Boosting a series connection of 4
cells (approximately 4 V) can be assumed to 95% efficiency,
while for 2 cells in series (T2s, 2s3p or 2s2p) only 80% and
for a single cell (1s) 60% will be plausible. Tuning the
matching factors introduced before, a total efficiency can be
estimated for non-ideal LPCs. Figure 13 illustrates this
dependency. It can be concluded, that the MIM technology is
only effective, if a matching of strongly more than 78% can
be assured. Own measurements prove this assumption. Still,
considering the latest developments in circuit design with
continuously increasing boosting efficiencies, the technology
has to attest its capability for 95% matching in order to
compete and justify the extra alignment efforts compared to
single or tandem cell configurations.
Conclusions and Outlook
This work presents a simulation based design optimization
for multi-cell laser power converters. By utilizing a waferlevel packaging approach with substrate redistribution, novel
LPC designs demonstrate up to clearly over 10-fold relaxation
of the assembly tolerance requirements. The series and
parallel interconnection of individual segments is done on a
low-cost substrate. The patent pending designs adapt the
segmented active area to the intensity distribution of real fiber
sources. This poses a crucial contribution for the economic
application of these MIM converters for large scale adoption
of the power-over-fiber technology. Both the chip size
reduction by eliminating peripheral bus bars with pad
relocation and the relaxed fiber-chip alignment requirements
essentially decrease the packaging and hence the entire device
costs. This photonic package redesign demonstrates the
potential of package and chip co-design in an impressive way.
The simulation model bases on the calculation of field
overlap integrals and has been verified with measurements of
existing multi-cell laser power converters and real-life fiber
light sources. At the cost of slight decreases in the maximum
conversion efficiency, the assembly tolerances could be
largely improved. The 2s2p design improves even without
suffering in conversion efficiency but at the cost of a lower
terminal voltage. Besides the deviations in conversion
efficiency through inhomogeneous illumination by
translational misalignments the model is also suited for
angular misalignments by gracing incidence and to estimate
the impact of technological imperfections in terms of cell
matching. In general, the feasibility of non-normal
illumination is proven. However, the comparison of the MIM
cell with vertically integrated tandem cells clearly shows the
superiority of the latter for both lateral and angular
misalignments. The comparison of the system performance
with typical 5 V applications includes voltage boosting
efficiencies and considers mismatching. It could be shown,
that MIM LPCs with a feasible cell matching are superior to
voltage boosting.
The results presented in this paper are well suited to
fabricate both efficient LPCs and validate their passive
alignment for wafer-level packaging. Future investigation will
verify the reported decrease of conversion efficiency with
higher illumination intensities by own measurements with a
more powerful and homogenized laser beam. These results
will also enable the evaluation of different finger electrode
configurations as a trade-off between shadowing and spatial
responsivity. In the case of an adoption of the gracing
incidence packaging, dedicated designs will be developed
with an optimization for a distinct illumination angle.
Acknowledgments
This work has been partially funded by the German
Federal Ministry of Education and Research (BMBF) within
the framework of the joint project VIPKombiSens. The
authors like to acknowledge the Fraunhofer Institute for Solar
Energy Systems (FhG ISE) for kindly providing their laser
power converters.
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2008. OFC/NFOEC 2008. Conference on, pages 1 –3, Feb.
2008.
Annual Report IAVT
6 Labore und Beratungsleistungen / Laboratories and Services
Remark: For english description text please proceed to page 75.
Ultraschallmikroskopie
Ausrüstung:
Ultraschallmikroskop C-SAM® Gen5™, Sonoscan, Inc.
 Scanbereiche (1 x 1)...(310 x 310 ) mm², max. 16 000 x 16 000 Pixel
 High Speed Scanner bis 600 mm/s, Positioniergenauigkeit ±0,5 µm
 Dual Pulser/Reciver für Transducer bis 400 MHz, Abtastrate max. 2 GHz
 Typische Eindringtiefe frequenz- und materialabhängig (0,1...10) mm
 Laterale und axiale Auflösung frequenz- und materialabhängig ab 10 µm (gasgefüllte
Delaminationen axial ab 30 nm) detektierbar
 Auswechselbare Transducer mit Frequenzen von 10 MHz bis 230 MHz
 Koppelmedium deionisiertes Wasser
Untersuchungsverfahren:
 C-Scan (Impuls-Echo-Verfahren)
 Q-BAM™ (hochauflösender Querschnitt-Scan)
 Thru-Scan™ (Durchschallungs-Verfahren)
 STAR™-Verfahren (Kombination von C- und Thru-Scan™)
 VRM™ - Virtual Re-Scanning Mode (komplette Speicherung der Echosignale des
Probenvolumens, Regenerierung von Fehlerbildern beliebiger Ebenen, Gewinnung
dreidimensionaler Informationen, Laufzeitanalysen für Material-untersuchungen
(Laufzeitdifferenzen unter 0,1 ns detektierbar)
Typische Untersuchungsobjekte:
 IC im Plastgehäuse, BGA, COB, CSP, Flip-Chip
 Keramik-Schaltungsträger (DCB), Leistungsmodule mit Kühlplatten
 Wafer und großflächige Verklebungen (z.B. Leiterplatten mit Heatsinks)
Leistungen:
 Zerstörungsfreie Inspektion elektronischer Bauelemente und Baugruppen
 auf Anbindungsfehler, Delaminationen, Risse, Lunker
 Fehleranalyse, wissenschaftliche Beratung
Kontakt:
Dipl.-Ing. R. Heinze
Tel: 0351 / 463 38625
Fax: 0351 / 463 37035
E-Mail: roland.heinze@tu-dresden.de
Röntgen-Computer-Tomographie
Ausrüstung:
Röntgen-CT-Anlage nanotom
 offene nanofocus-Röhre mit Wolframtarget
 Beschleunigungsspannung: 10 – 180kV / 15W
 Strahlstrom: 5 – 1.000µA
 Präzisionsmanipulator auf Granitbasis
 hochauflösender Digitaldetektor mit 2.400 x 2.400 Pixel, 12 Bit
 Pixelgröße: 50µm x 50µm
 minimale Voxelgröße: < (500nm x 500nm x 500nm)
 geometrische Vergrößerung: 1,7-fach…1.000-fach
66
Jahresbericht IAVT
 maximale Probengröße / -masse: h = 150mm, d = 120mm, m = 1kg
Leistungen:
 Volumenanalyse und –rekonstruktion von Bauelementen und Baugruppenteilen
Kontakt:
Dr.-Ing. M. Oppermann
Tel: 0351 / 463 35051
Fax: 0351 / 463 37069
E-Mail: martin.oppermann@tu-dresden.de
Röntgenmikroskopie
Ausrüstung:
Röntgenmikroskop phoenix|x-ray nanome|x (Hersteller phoenix|x-ray Systems + Services
GmbH)
 Vollschutz-Röntgengerät nach RÖV
 Hochauflösende Senkrecht- und Schrägdurchstrahlung bis 70°
 Offene nanofocusTM-Röhre mit Wolframtarget
 Beschleunigungsspannung 10 - 160kV / 15W, Strahlstrom 5 - 880µA
 Probenmanipulation 5 Achsen
 Hochauflösende Echtzeitbildkette und alternativ Digitaldetektor
 CCD-Kamera 1126 x 1600 Pixel, 12 Bit
 Digitaldetektor 1920 x 1536 Pixel, 14 Bit
 Geometrische Vergrößerung > 1.000-fach, Minimale Detailerkennbarkeit: 400nm
 Standard- und Fine-pitch-SMT- und THT-Lötstellen
 BGA-, COB-, CSP-, und Flip-Chip-Lötstellen
 fehlende und fehlerhafte Lötstellen,
 Bestückversatz, Kurzschlüsse, ...
 Lötstellenanalyse (Voids, ...)
 Multilayer-Leiterplatten
Leistungen:
 Zerstörungsfreie Inspektion von Bauelementen und Baugruppen insbesondere mit
kontrastreichen Materialien (Lotwerkstoffe, Metallisierungen)
 Fehleranalyse, wissenschaftliche Beratung
Kontakt:
Tel: 0351 / 463 38625
Fax: 0351 / 463 37035
Laserbearbeitung
Ausrüstung:
3D-micromac microCUTms10.6 mit zwei Laserquellen
 CO -Laser 200Watt (Wellenlänge 10,6 μm),
 Ytterbium-Faserlaser 20Watt (λ = 1,06 μm) mit Scanner-Objektiv 130mm x 130mm,
 Bearbeitungsbereich: 400mmx 400mm,
 Wiederholgenauigkeit: 10μm,
 Kamera zur Tischpositionierung,
 Übernahme der Kundendaten im DXF- oder HPGL-Format.
Schweißlaser LSW 4001
 Punktschweißen von feinwerktechnischen Kleinteilen
67
Annual Report IAVT
Leistungen:
 Bohren, Schneiden von Keramiken, Kunststoffen und Metallfolien
 Trimmen von Dickschichtwiderständen, Funktionsabgleich
 Beschriften und Markieren verschiedener Materialien
 Laserlöten von SMT-Bauelementen
 Laserpunktschweißen von Kleinteilen
Kontakt:
Dr.-Ing. M. Luniak
Tel: 0351 / 463 36426
Fax: 0351 / 463 37035
E-Mail: marco.luniak@tu-dresden.de
Dickschicht-Hybridtechnik
Ausrüstung:
Komplette Laborstrecke zur Fertigung von Baugruppen in Ein- und Mehrebenentechnologie.
Maskenherstellung :
 Fotoplotter (Gerber-Format,)
 Siebe mit Kapillaremulsion (Edelstahl- und Polyestergewebe, Standard/Fein)
 Kupferschablonen (doppelseitig geätzt)
 Edelstahlschablonen (lasergeschnitten)
Lasertechnik:
 Bohren von Vias in Keramiksubstrate und Polymerfolien
 Schneiden und Ritzen von Konturen zum Trennen der Nutzen
 Widerstandsabgleich
Siebdrucktechnik:
 Baccini A2 (manuell)
 MPM – Typ SPM (halbautomatisch mit Vision System)
Sintertechnik:
 Programmierbarer Muffelofen Linn ((bis 1000°C, max. Substratgröße (120x150) mm²),
 Zonen-Durchlaufofen Watkins-Johnson (bis 1100°C, Gurtbreite 100 mm),
 Programmierbarer Quarzrohr-Ofen ATV PEO 603 (bis 1100°C, max. Substratgröße
270x200 mm², Atmosphäre Luft oder Stickstoff)
CERMET-Dickschichttechnik auf Al2O3-Keramiken (DuPont, Heraeus)
Low Temperature Cofired Ceramic Technology – LTCC (DuPont, Heraeus)
Polymerdickschichttechnik auf flexiblen organischen Trägern
Leistungen:
 Erprobung neuer Materialien und Entwicklung neuer Technologien
 Prototyping und Labormusterfertigung
 Charakterisierung von Dickschicht-Komponenten und Schichtsystemen
 Schulungen von Entwicklungs- und Fertigungspersonal in Laboren des Instituts
Kontakt:
Dr.-Ing. M. Luniak
Tel: 0351 / 463 36426
Fax: 0351 / 463 37035
Prototyping und Reparatur von Baugruppen
Ausrüstung:
 Bestückautomat SIPLACE 80 F 4,
 IR-Reflow-Lötofen SEHO 4135,
68
Jahresbericht IAVT
 Vollkonvektions-Reflow-Lötofen Rehm V8 2.1,
 Dampfphasenlöteinrichtung IBL,
 Vakuumlötanlage VT 6130, Fa. Kendro,
 Siebdruck-Halbautomat MPM-SPM-AV,
 SMD-Reparaturarbeitsplatz von Weller,
 BGA-Bestück- und Reparaturplatz von Systems 2000,
 Flip-Chip-Montage-Arbeitsplatz Fineplacer,
Kontakt:
Tel: 0351 / 463 35479
Fax: 0351 / 463 37035
E-Mail: heinz.wohlrabe@tu-dresden.de
Simulation und Optimierung von Fertigungsprozessen
Leistungen:
 Modellierung und Analyse von Fertigungsprozessen
 Simulation von Fertigungsprozessen
 Simulationsgestützte und mathematische Optimierung von Fertigungsabläufen, speziell
in der Elektronikproduktion
 Simulations- und Optimierungsmethoden für die Fertigungsplanung und steuerung
 Lehrgänge oder Workshops zur Fertigungsplanung und steuerung
Voraussetzungen:
 Simulationssystem simcron MODELLER mit integrierten heuristischen
Optimierungsalgorithmen
 IBM ILOG CPLEX Optimization Studio (LP-, MIP- und CP-Solver)
 Leistungsfähiger Dell Blade-Server (24 Kerne, 128 GB RAM) für umfangreiche
Berechnungen
 Langjährige Erfahrungen bei der Entwicklung und beim praktischen Einsatz von
Software für die Fertigungsplanung und –steuerung, insbesondere in der
Halbleiterindustrie
Kontakt:
Tel.: 0351 / 463 36439
Fax: 0351 / 463 37035
E-Mail: gerald.weigert@tu-dresden.de
http://www.avt.et.tu-dresden.de/ROSI/
Prototyping von Leiterplatten und Drucksieben
Ausrüstung:
 Ausrüstungen für die Leiterplatten- und Siebherstellung
 PC gesteuerter Fräs-Bohrplotter Fa. Bungard CCD, max. Drehzahl 60.000 U/min,
Bohrdurchmesser 0.3 - 4mm
 Einseitenbürstmaschine, Fa. Bungard, oszillierende Bürstwalze
 Kleingalvanikanlage Compakta für Tentingtechnik, Fa. Bungard, max. Zuschnittgröße
300 x 400mm²
 Labordurchlaufsprühätze, Fa. Bungard, Ätzmedium: saures Kupfer-II-Chlorid
 Strippküvette, Stripper Natriumhydroxid
 2 Festresistlaminatoren (Hot rol), Fa. Bungard, 1. phot. Ätzresist 40µm, Breite 300 mm,
2. phot. Lotstopp 65 µm, Breite 400 mm
69
Annual Report IAVT

Doppelseitenbelichtungsmaschine, Fa. Bungard EXP 2000, Lampenleistung max. 4000
W UV- Strahler
 Sprühentwicklungsmaschine, Fa. Bungard, Entwicklungsmedium: Natrium-karbonat,
 Multilayerpresse MLP 20
Kontakt:
Dr.-Ing. G. Hielscher
Tel: 0351 / 463 32080
Fax: 0351 / 463 37035
E-Mail: gerald.hielscher@tu-dresden.de
Geometrische Oberflächencharakterisierung
Ausrüstung:
 Oberflächenmesssystem NanoFOCUS µScan AF2000
 3D-Koordinatenmessgerät PMC 500
 Zwei-Koordinaten-Messmikroskop ZKM 01-250C (Carl Zeiss)
 Messmikroskop VMG 460 (Ausmessung von Leiterplatten u.ä.)
 3D-Profilometrie NanoFocus μscan
Optische 3D-Scanning-Profilometrie unter Einsatz verschiedener Punktsensoren
 Autofokus-Sensor, konfokaler, chromatischer und holografischer Sensor
 Messung von Topografie, Höhenprofil oder Schichtdicke
 Vertikaler Messbereich 150 mm x 200 mm
 Höhen-Messbereiche zwischen 1000 μm und 18 mm
 Höhenauflösung bis zu 25 nm
 Automatisierbare Messabläufe
3D-Topometrie NanoFocus μsurf
 Konfokale Mikroskopie unter Nutzung der Multi-Pinhole-Technologie
 Sekundenschnelle Flächenmessung in hoher Auflösung
 Messung von Topografie, Höhenprofil oder Schichtdicke
 Vertikaler Messbereich bis 50 mm x 50 mm
 Höhen-Messbereiche zwischen 1 μm und 10 mm
 Höhenauflösung bis zu 1 nm
3D-Koordinatenmesstechnik MahrPMC500
 3D-Portalmessgerät zur taktilen und optischen Bestimmung von Lage- und
Formtoleranzen mittels Multisensor-Tastkopf
 Hochauflösender Video-Taster mit reiner Grauwert-Bilderkennung, automatischer
Geometrieerkennung und schnellemVideo-Fokus
 Laser-Taster zur schnellen Einzelpunktmessung
 Renishaw-Taster mit integriertemTasterwechsler
 Messbereich (XYZ): 500 mm x 600 mm x 200 mm
 Arbeitsfläche: 710 mm x 1160 mm
 Max. Ladegewicht: 200 kg
Leistungen:
 Durchführung kontaktloser, topologischer Messungen an Oberflächen
Kontakt:
Dr.-Ing. M. Luniak
Tel: 0351 / 463 36426
Fax: 0351 / 463 37035
70
Jahresbericht IAVT
Mechanische Festigkeitsprüfungen für die Aufbau- und Verbindungstechnik
Ausrüstung:
Pull/Sheartester DAGE BT Series 4000 P der Firma Dage Semiconductor
Leistungen:
 Durchführung von Zug- und Schertests an Verbindungen der AVT
 Statistische Auswertung und Fehleranalysen
Kontakt:
C. Ließ
Tel.: 0351 / 463 32718
Fax: 0351 / 463 37069
Email: carsten.liess@tu-dresden.de
Plasmabehandlung
Ausrüstung:
Plasmareinigungs- und -aktivierungsanlage DREVA CLEAN 450
 Rezipientengröße: 450 mm x 450 mm x 480 mm, HF-Leistung: max. 600 W,
Druckbereich: 0,20 ... 0,50 mBar, Behandlungszeiten: 2 ...15 min (je nach
Oberflächenbeschaffenheit), max. Probengröße: 260 mm x 300 mm, Gase: Luft, O2, Ar,
CF4, Losgröße: max. 10 Substrate
Leistungen:
 Reinigung bzw. Aktivierung von Bondkontaktoberflächen
 Plasmareinigung von Klebkontaktflächen von organischen Verunreinigungen (Cu, Au,
etc.)
Kontakt:
F. Schumann
Tel: 0351 / 463 36408
Fax: 0351 / 463 37035
E-Mail: frank.schumann@tu-dresden.de
Oberflächencharakterisierung in der Aufbau- und Verbindungstechnik
Ausrüstung:
Kontaktwinkelmessgerät OCA 20 von der Firma dataphysics
Leistungen:
 Durchführung von Kontaktwinkelmessungen
 Berechnung von Oberflächenspannungen und Oberflächenenergien an Werkstoffen der
AVT
 Statistische Auswertung und Fehleranalysen
Kontakt:
PD Dr.-Ing. J. Uhlemann
Tel.: 0351 / 463 36229
Fax: 0351 / 463 37035
Email: juergen.uhlemann@tu-dresden.de
Verwindungs- und Wölbungsmessung
Ausrüstung:
TherMoire PS 88
 Objektgröße (35x25) mm2 …(202x250) mm2
 Infrarotheizung (max. Temperaturgradient 1K/s)
 Konvektion (max. Temperaturgradient 0,25K/s)
71
Annual Report IAVT
Leistungen:
 Vermessung der Wölbung und deren Veränderung an Baugruppen, Bauelementen oder
flächenhaften Objekten unter Lötbedingungen
Kontakt:
Tel: 0351 / 463 35479
Fax: 0351 / 463 37035
Bestimmung der elektrischen Sicherheit von Medizinprodukten
Ausrüstung:
 Rechnergestützter Messplatz mit Prüfautomat GERB 200A
Leistungen:
 Elektrische Sicherheit von Medizinprodukten nach DIN EN 60601-1: März 1996 (VDE
0750 Teil 1), Medizinische elektrische Geräte, Teil 1: Allgemeine Festlegungen für die
Sicherheit [IEC 601-1:1998 + A1:1991 + A2:1995; Deutsche Fassung EN 60601-1:1990
+ A1:1993 + A2:1995]
Kontakt:
Tel.: 0351 / 463 36229
Fax: 0351 / 463 37035
Bestimmung der Genauigkeit von kontinuierlichen, quasikontinuierlichen und
peristaltischen Flüssigkeitspumpen
Ausrüstung:
 Rechnergestützter Messplatz mit Infusion Device Analyser Typ 2
Leistungen:
 Beststimmung der Genauigkeit des Flusses und Staudrucks von kontinuierlichen,
quasikontinuierlichen und peristaltischen Flüssigkeitspumpen entsprechend DIN EN
60601-2-24: Februar 1999 (gleichzeitig VDE 0750 Teil 2-24)
 Medizinische elektrische Geräte, Teil 2-24: Besondere Festlegungen für die Sicherheit
von Infusionspumpen und Infusionsregler [identisch mit IEC 60601-2-24:1998]
Kontakt:
Tel.: 0351 / 463 36229
Fax: 0351 / 463 37035
Metallografische Präparation von Aufbauten der Aufbau- und Verbindungstechnik
Zerstörendes Prüfverfahren zu Darstellung von Gefügestrukturen und Ausfällen in elektronischen Baugruppen und Materialien der Aufbau- und Verbindungstechnik.
Ausrüstung:
 Schleif- und Poliersystem: TegraSystem (TegraForce-5, TegraPol-35)
 Präzisionstrennmaschinen: IsoMet 1000 (bis 1000 U/min), Accutom-2 (3000 U/min)
 Auflichtmikroskop: Leica DM4000 M (bis 1000fache Vergrößerung) mit digitaler
Bildaufnahme (2080x1544 Pixel)
 Mögliche Auflichtverfahren: Hellfeld, Dunkelfeld, Polarisationskontrast,
Phaseninterferenzkontrast
 Datenbank zur Bilddokumentation
72
Jahresbericht IAVT
Leistungen:
 Zielpräparation (Schlifferstellung von vorgegebenen Ebenen in der Probe)
 Gefügeanalyse, Rissanalyse, Nachweis von Delaminationen und Lufteinschlüssen (z.B.
Bauelementequalifikation nach thermo-mechanischer Belastung)
 Messen von Strukturen (Phasen, Schichten, Abstände, etc.)
 Dokumentation und Auswertung
Kontakt:
Dipl.-Ing. M. Müller
Tel.: 0351 / 463 33172
Fax: 0351 / 463 37035
E-Mail: maik.mueller@tu-dresden.de
Thermische Auslagerung / Beschleunigte Alterung
Ausrüstung:
Temperaturprüfkammer (TPK)
 Einkammersystem der Firma Feutron TPK 600
 Temperaturbereich: -70 °C bis 180 °C
 Änderungsrate: 10K/min (-55 °C bis 150 °C)
Temperaturschockkammer (TSK)
 Zweikammersytem der Firma Feutron TSK 200
 Warmkammer: +10 °C bis 200 °C
 Kaltkammer: -75 °C bis 180 °C
Null-Ohm-Messsystem
 Vier-Punkt-Widerstandsmessung (softwaregesteuert / temperaturgetriggert)
 Keithley-Delta-Mode System
 Nanovoltmeter Keithley Modell 2182A
 Stromquelle Keithley Modell 6121
 128 Kanal Multiplexer
 Spannungsmessung
Isotherme Auslagerungen
 Temperaturbereich: -80 °C bis 300 °C
Leistungen:
 Beratung über möglichen Probenaufbau
 Temperaturprofilermittlung
 Offline Messung & Online Messung
Kontakt:
Dipl.-Ing. K. Meier
Tel.: 0351 / 463 36594
Fax: 0351 / 463 37035
E-Mail: karsten.meier@tu-dresden.de
Thermographie
Ausrüstung:
Kamera FLIR Silver 660
 gekühltes Mikrobolometer
 Auflösung 640x512
 Wellenlänge 2,5 – 5,1 μm
 minimale Auflösung 15 μm
 Vollbild bis 100 Hz
 NETD <25 mK
73
Annual Report IAVT
Kamera FLIR A40-M
 ungekühltes Mikrobolometer
 Auflösung 320x240
 Wellenlänge 7,5 – 13 μm
 minimale Auflösung 18 μm
 Vollbild bis 50 Hz
 NETD <80 mK
Anregungstechnik aktive Thermographie
 Halogenlampen
 Heizelemente
 Induktionsspulen
 gesteuerte Bestromung
 Solarzellen (aktiv)
 Leiterplatten bis max. 30x30 cm (passiv)
 Bauelemente (passiv)
Leistungen:
 Zerstörungsfreie Inspektion von Bauelementen und Baugruppen mittels Lock-in
Thermographie
 absolute Temperaturmessungen an bestromten Baugruppen
Kontakt:
Dipl.-Ing. J. Bohm
Tel: 0351 / 463 32079
Fax: 0351 / 463 37035
E-Mail: johannes.bohm@tu-dresden.de
Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen
Ausrüstung:
Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop ZEISS SUPRA 40VP
Das REM SUPRA™ 40VP ist geeignet für Strukturanalysen, Untersuchungen der Materialentwicklung und für Elemente- und Schadensanalysen. Es besitzt einen variablen Arbeitstisch und
ein im weiten Bereich einstellbaren Kammerdruck. Vier Standarddetektoren sind vorhanden.
Der VPSE Detektor ermöglicht es, Abbildungen und Analysen von nichtleitenden Proben ohne
vorherige Präparation anzufertigen
Kontakt:
Tel.: 0351 / 463 36229
Fax: 0351 / 463 37035
74
Jahresbericht IAVT
Laboratories and Services
Ultrasonic microscopy
Equipment:
Scanning acoustic microscope C-SAM® Gen5™, Sonoscan, Inc.
 Scanner range (1 x 1)...(310 x 310 ) mm², max. 16 000 x 16 000 Pixel
 High speed scanner up to 600 mm/s, precision ±0,5 µm
 Dual pulser/receiver for transducers up to 400 MHz, Sampling rate max. 2 GHz
 Typical penetration depth (0,1...10) mm in dependence of frequency and material
 Lateral and axial resolution 10 µm upwards in dependence of frequency and material
(gas de-laminations already detectable starting at 30 nm)
 Different transducers with frequencies from 10 MHz up to 230 MHz
 DI water for acoustic coupling
Analysis modes:
 C-Scan (impulse-echo-method)
 Q-BAM™ (high resolution cross section scan)
 Thru-Scan™ (through transmission scan)
 STAR™- method (combination of C- and Thru-Scan™)
 VRM™ - Virtual Re-scanning Mode (all echo signals from the specimen are saved to
disk and analyzed with digital signal processing, images of all interfaces and flaws can
be generated at any time, three dimensional information can be obtained, run time
analysis for material investigations with a relative precision better than 0.1 ns
Typical objects for analysis:
 IC in package, BGA, COB, CSP, Flip-Chip
 Ceramic substrates and boards (DCB), power modules with heat sink
 Wafers and large area laminations (e.g. circuit boards with heat sinks)
Services:
 Nondestructive inspection of electronic components and devices flaws like delaminations, cracks and inclusions
 Failure analysis, scientific assistance
Contact:
Tel: 0351 / 463 38625
Fax: 0351 / 463 37069
X-ray Computer Tomography
Equipment:
X-ray Computed Tomography equipment nanotom
 open nanofocus tube with tungsten target
 acceleration voltage: 10 – 180kV / 15W
 beam current: 5 – 1.000µA
 precision manipulation on a granit base
 high resolution digital detector with 2.400 x 2.400 Pixel, 12 bit
 pixel size: 50µm x 50µm
 minimal voxel size: < (500nm x 500nm x 500nm)
 geometric magnification: 1,7-times…1.000-times
 maximal specimen size/ weight: h = 150mm, d = 120mm, m = 1kg
Services:
Volume analysis and reconstruction of electronic devices and modulus
75
Annual Report IAVT
Contact:
Dr.-Ing. M. Oppermann
Tel: 0351 / 463 35051
Fax: 0351 / 463 37069
E-Mail: martin.oppermann@tu-dresden.de
X-ray inspection
Equipment:
X-ray inspection system phoenix|x-ray nanome|x (phoenix|x-ray Systems + Services GmbH)
 Acceleration voltage (10 ... 160) kV, 15 W
 Beam current (5 ... 880) µA
 Open microfocus valve with wolfram anode, optional Nanofokus
 Geometrical direct magnification > 1000
 5-axis manipulation
 Digital picture format (high resolution real-time image processing) (1126 x 1600) Pixel,
12 Bit
 Alternative digital detector (1920 x 1536) Pixel, 14 Bit
Topics:
 Standard and fine pitch solder joints, SMT and THT
 BGA-, COB- CSP and FC-solder-joints
 Defect solder joints
 Displacement
 Shorts, ...
 Analysis of solder joints (voids, ...)
 Multilayer boards
Services:
 Non-destructive inspection of components and devices, especially with contrasting
materials (soldering material, metallization)
 Failure analysis, scientific assistance
Contact:
Tel: 0351 / 463 38625
Fax: 0351 / 463 37069
Laser treatment
Equipment:
3D-micromac microCUTms10.6
 CO -Laser 200 Watt (Wavelength 10,6 μm)
 Ytterbium-Fibre Laser 20 Watt (Wavelength 1,06 μm)
Welding laser LSW 4001
 Pointed welding of small microtechnical parts
Services:
 Drilling, cutting of ceramics, polymers and metal foils
 Trimming of thick film resistors
 Function tuning
 Labeling and marking of different materials
 Pointed welding of small parts
Contact:
Dr.-Ing. M. Luniak
76
Jahresbericht IAVT
Tel: 0351 / 463 36426
Fax: 0351 / 463 37035
Thick film technology
Equipment:
Complete laboratory equipment for manufacturing of single or multi layer modules.
Mask preparation:
 photo plotter (Gerber format)
 screens with emulsion (steel and polyester canvas, standard / fine)
 copper masks (double sided etched)
 steel masks (laser cut)
Laser technology:
 drilling of vias in ceramic substrates and polymer foils
 cutting and scribing of outlines for panel separation
 resistor trimming
Screen printing technology:
 Baccini A2 (manually)
 MPM-SPM (with vision system)
Sintering technology:
 programmable batch furnace Linn (up to 1000 °C, max. sub. size (120x150mm²)
 8-zone furnace Watkins-Johnson (up to 1100 °C, width 100 mm)
 Programmable quartz tube furnace ATV PEO 603 (max. 1100°C, substrate size up to
270x200 mm², air or nitrogen atmosphere)
CERMET thick film technology on Al2O3-ceramics
Low Temperature Cofired Ceramic Technology – LTCC
Polymer thick film technology on organic flex substrates
Services:
 Testing of new materials and development of technologies
 Prototyping and manufacturing of examples
 Characterization of thick film components and layer systems
 Training of development and production employees in the laboratories
Contact:
Dr.-Ing. M. Luniak
Tel: 0351 / 463 36426
Fax: 0351 / 463 37035
Prototyping and rework of electronic devices
Equipment:
 SMD-assembling machine SIPLACE 80 F 4
 IR-reflow-soldering equipment SEHO 4135
 Convection reflow soldering equipment Rehm V8 2.1
 Vapor phase soldering equipment IBL
 Vacuum soldering equipment VT 6130, Fa. Kendro
 Screen printing equipment MPM-SPM-AV
 SMD-rework station Weller
 BGA-placement and rework station Systems 2000
 Flip-Chip-assembling station Fineplacer
77
Annual Report IAVT
Contact:
Tel: 0351 / 463 35479
Fax: 0351 / 463 37035
Simulation and optimization of manufacturing processes
Services:
 Modeling and analysis of manufacturing processes
 Simulation of manufacturing processes
 Simulation-based and mathematical Optimization of manufacturing processes
(scheduling), particularly in electronics production
 Simulation and optimization methods for production planning and control
 Tutorials or workshops on production planning and control
Preconditions:
 Simulation system simcron MODELLER with integrated heuristic optimization algorithms
 IBM ILOG CPLEX Optimization Studio (LP-, MIP- und CP-Solver)
 High-performance Dell Blade-Server (24 Cores, 128 GB RAM) for time consuming
calculations
 Long experience in development and practical application of software for production
planning and control, particularly in the semi-conductor industry
Contact:
Tel.: 0351 / 463 36439
Fax: 0351 / 463 37035
E-Mail: gerald.weigert@tu-dresden.de
http://www.avt.et.tu-dresden.de/ROSI/
Analysis of surfaces
Equipment:
 Laser profilometer NanoFOCUS µScan AF2000
 3D-coordinates measurement equipment PMC 500
 Two-coordinates Measurement microscope ZKM 01-250C (Carl Zeiss)
 Measurement microscope VMG 460
Contact:
Dr.-Ing. M. Luniak
Tel: 0351 / 463 36426
Fax: 0351 / 463 37035
Prototyping of printed circuit boards and printing masks
Equipment:
Equipment for manufacturing of printed circuit boards and masks:
 Computer controlled milldrillplotter Fa. Bungard CCD, max. rotation speed 60.000 U/min,
drilling diameter 0.3 - 4mm
 PCB brush engine, Fa. Bungard
 Galvanic Compakta for tenting technology, Fa. Bungard, max. probe size 300 x 400 mm²
 Etching machine, Fa. Bungard, copper-II-chloride
 Stripper sodium hydroxide
78
Jahresbericht IAVT

rigid resist laminators (Hot rol), Fa. Bungard, phot. etching resist 40 µm, width 300 mm,
phot. solder mask 65 µm, width 400 mm
 Exposurer, Fa. Bungard EXP 2000, light power max. 400 W UV
 Multilayer press MLP 20
Contact:
Dr.-Ing. G. Hielscher
Tel: 0351 / 463 32080
Fax: 0351 / 463 37035
E-Mail: gerald.hielscher@tu-dresden.de
Plasma treatment
Equipment:
Plasma cleaning and activating equipment DREVA CLEAN 450
 Size of recipient: 450 mm x 450 mm x 480 mm
 HF-power: max. 600 W, pressure range: (0,20 ... 0,50) mBar
 treatment time: 2 ...15 min (depending on surface characteristics), max. size of probe:
260 mm x 300 mm
 Gases: air, O2, Ar, CF4, lot size: max. 10 substrates
Services:
 Cleaning and activating of surfaces, e.g. for bonding
 Plasma cleaning of surfaces for adhering, removal of organic impurities
 Activation of surfaces followed by passivation for flux free soldering (substrates with
solid solder deposits)
Contact:
F. Schumann
Tel: 0351 / 463 36408
Fax: 0351 / 463 37035
E-Mail: frank.schumann@tu-dresden.de
Mechanical strength tests in the Micro Packaging
Equipment:
Pull/Sheartester DAGE BT Series 4000 of the company DAGE
Services:
 Execution of tensile strength and shear strength at Micro Packaging.
 Statistical analysis and error analyses
Contact:
C. Ließ
Tel.: 0351 / 463 32718
Fax: 0351 / 463 37069
Email: carsten.liess@tu-dresden.de
Surface characterisation in the Micro Packaging
Equipment:
Contact angle device OCA 20 of the company dataphysics
Services:
 Execution of contact angle measurement and calculation of surface tensions and
surface energies at materials in the Micro Packaging
 Statistical analysis and error analyses
Contact:
Tel.: 0351 / 463 36229
79
Annual Report IAVT
Fax: 0351 / 463 37035
Bow and twist measurement
Equipment:
TherMoire PS 88
 (Size of substrat: 35x25 mm2 …202x250 mm2)
 IR heating (max. temperature gradient 1K/s)
 Convection type heater with fan (max. temperature gradient 0,25K/s)
Services:
 Measurement of initial warpage of substrates, components or flat objects and its
changing under soldering conditions
Contact:
Tel: 0351 / 463 35479
Fax: 0351 / 463 37035
Determination of the electrical safety of medical devices
Equipment:
 Computer aided measuring tester GERB 200A
Services:
 Electrical safety of medical devices according DIN EN 60601-1: March 1996 (Classification VDE 0750 Part 1)
 Medical electrical equipment, Part 1: General requirements for safety [IEC 601-1:1998 +
A1:1991 + A2:1995] German version EN 60601-1:1990 + A1:1993 + A2:1995
Contact:
Tel.: 0351 / 463 36229
Fax: 0351 / 463 37035
Determination of perestaltic pumps
Equipment:
 Computer aided measuring tester Infusion Device Analyser Type 2
Services:
 Determination of the precision of the flow and occlusion pressure of continuous, quasicontinuous and peristaltic pumps according DIN EN 60601-2-24: February 1999 (Classification VDE 0750 Part 2-24)
 Medical electrical equipment, Part 2-24: Particular requirements for the safety of infusion
pumps and controllers [IEC 60601-2-24:1998]; German version EN 60601-2-24:1998
Contact:
Tel.: 0351 / 463 36229
Fax: 0351 / 463 37035
Metallographic Preparation of cross sections of electronic components and materials
Equipment:
 Grinding and polishing: TegraSystem (TegraForce-5, TegraPol-35)
80
Jahresbericht IAVT


Precision sectioning saws: IsoMet 1000 (bis 1000 RPM), Accutom-2 (3000 RPM)
Microscopy: Leica DM4000 M (max. magnification 1000x) and digital camera
(2080x1544 pixel)
 Reflected light methods: bright field, dark field, polarized light, differential interference
contrast
 Database image management system
Services:
 Target preparation (preparation of a target layer)
 Analysis of microstructures, cracks, delaminations and voids (e.g. for packaging
qualification after thermal-mechanical stress)
 Measurement of structure size, like intermetallics, lengths, layer thicknesses
 Documentation and reporting of the results
Contact:
Dipl.-Ing. M. Müller
Tel.: 0351 / 463 33172
Fax: 0351 / 463 37035
E-Mail: maik.mueller@tu-dresden.de
Online investigation at temperature cycling
Equipment:
Temperature test chamber (TPK)
 one chamber system of Inc. Feutron TPK 600
 temperature range: -70 °C to 180 °C
 alteration rate: 10 K/min (-55 °C to 150 °C)
Temperature shock chamber: (TSK)
 two chamber system of Inc. Feutron TSK 200
 hot chamber: +10 °C to 200 °C
 cold chamber: -75 °C to 180 °C
Zero ohm measurement system
 four point resistivity measurement
 temperature triggered
 Keithley-Delta-Mode System
 nanovoltmeter Keithley Model 2182A
 current source Keithley Model 6121
 128 channel multiplexer
 voltage metering
Isothermal storing
 temperature range: -80 °C to 300 °C
Services:
 temperature profile evaluation
 offline measurement
 online measurement
 four point resistivity measurement (zero ohm measurement)
 failure detection with defined shut down of the temperature chambers
 voltage metering
Contact:
Dipl.-Ing. K. Meier
Tel.: 0351 / 463 36594
Fax: 0351 / 463 37035
E-Mail: karsten.meier@tu-dresden.de
81
Annual Report IAVT
Feld emission scanning electron microscope
Equipment:
Feld emission scanning electron microscope ZEISS SUPRA 40
The SEM SUPRA ™ 40VP is suitable for structural analysis, investigations of the materials development and for elements and damage analysis. It has a variable stage and a large variable
range of chamber pressure. Four standard detectors are available. The VPSE detector is granting images and analysis of non-conductive samples without prior preparation.
Contact:
Tel.: 0351 / 463 36229
Fax: 0351 / 463 37035
82
Jahresbericht IAVT
7 Weitere Aktivitäten / More Activities
7.1
Bücher und Skripte / Books and Scripts
Böhme, Björn
Beiträge zur viskoelastischen Charakterisierung polymerer Werkstoffe der Aufbau- und
Verbindungstechnik der Elektronik
Verlag Dr. Markus A. Detert, Templin, ISBN: 978-3-934142-42-8
Klemmt, A.
Ablaufplanung in der Halbleiter- und Elektronikproduktion: Hybride Optimierungsverfahren und
Dekompositionstechniken
Springer, Vieweg & Teubner, 2012. ISBN 978-3-8348-1993-2
Gerlach, G.; Wolter, K.-J. (Editors)
Bio and Nano Packaging Technniques for Electron Devices
Springer Verlag, ISBN 978-3-642-28521-9
Wolter, K.-J., Bieberle, M.; Budzier, H.; Gerlach, G.; Zerna, T.
Zerstörungsfreie Prüfung elektronischer Baugruppen mittels bildgebender Verfahren
Verlag Dr. Markus A. Detert, Templin, ISBN: 987-3-934142-43-5,
7.2
Veröffentlichungen und Vorträge / Publications and Presentations
Albrecht, O.; Klemm, A.; Oppermann, M.; Wolter, K.-J.
Electrical Test Method and realized System for High Pin Count Components during Reliability
Tests
Paper & Poster Presentation, 14th Electronics Packaging Technology Conference, Singapore, 5 - 7 December 2012
Boehme, B.; Roellig, M.; Lautenschlaeger, G.; Franke, M.; Schulz, J.; Wolter, K.-J.
Einbettung von Ultraschallwandler- und Elektroniksystemen in CFK-Strukturen für die sensorische Strukturüberwachung
Elektronische Baugruppen und Leiterplatten; Hochentwickelte Baugruppen aus Europa, 6. DVS/GMMFachtagung; Fellbach 14-15. Februar, 2012, Seite 85-90
Bohm, J., Meier, K., Wolter, K.-J.
Inductively Excited Lock-in Thermography for PCB-Vias
Proceedings of 4th ESTC, Amsterdam, 17. – 20. September 2012
Doleschal, D.; Lange, J.; Weigert, G.
Mixed-integer-based capacity planning improves the cycle time in a multistage scheduling system
Proceedings of the 22th International Conference on Flexible Automation and Intelligent Manufacturing,
Berlin, Germany, December 10-13 2012, pp. 1105-1112.
Doleschal, D.; Lange, J.; Weigert, G.; Klemmt, A.
Improving Flow Line Scheduling by Upstream Mixed Integer Resource Allocation in a Wafer Test
Facility
Proceedings of the 2012 Winter Simulation Conference.
Ernst, D.; Schumann, F.; Nobis, C.; Zerna, T.; Wolter, K.-J.
Mikrokontaktierverfahren auf flexiblen Verdrahtungsträgern
Deutsche IMAPS-Konferenz, München, 11. - 12. Oktober 2012
83
Annual Report IAVT
Frömmig, M.; Meier, K.; Wolter, K.-J.
Warpage Reduction by Underfill Capillary Action for Thin Die Bonding
Global Interposer Technology (GIT) 2012 Workshop, Atlanta, 2012
Frömmig, M.; Wolter, K.-J.
Influence Factors of Warpage Reduction of Thin Dies by Capillary Action
35th International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE 2012), Bad Aussee, Austria, May 9th
th
- 13
Frömmig, M.; Wolter, K.-J.
Warpage Reduction of Thin Dies by Capillary Action of Underfill Materials
4th Electronics System Integration Technology Conferences (ESTC), Amsterdam, Netherlands, Septemth
ber 17th - 20
Graf, M., Werheid, M., Wagner, M.; Johannsen, S.; Eychmüller, A.; Wolter, K.-J.
Two Basic Approaches towards Adhesive Nanowire-Filled Films for Anisotropic Nanowiring
4th Electronics System Integration Technologies Conference (ESTC), Amsterdam, Netherlands
Graf, M.; Eychmüller, A.; Wolter, K.-J.
High Aspect Ratio Metallic Nanowires by Pulsed Electrodeposition
Nanoelectronic Device Applications Handbook, ed. by J. Morris & K. Iniewski, CRC Press Boca Raton,
chapter 50
Graf, M.; Wolter, K.-J.
Synthesis and Characterization of Nanowire Arrays as Anisotropic Interconnectors
IEEE XXXII International Conference on Electronics and Nanotechnology, Kiev, Ukraine
Kirsten, S.; Uhlemann, J.; Braunschweig, M.; Wolter, K.-J.
Packaging of Electronic Devices for Long-Term Implantation
35th Int. Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE), 2012, pp. 123 - 127, ISSN: 2161-2528
Kirsten, S.; Uhlemann, J.; Engelien, E.; Bellmann, C.; Braunschweig, M.
Schutz aktiver Implantate mittels polymerer Einhausungsmaterialien
PLUS Produktion von Leiterplatten und Systemen 07/2012, S. 1620 - 1630, ISSN: 1465-1688 B 49475
Kirsten, S.; Uhlemann, J.; Wetterling, J.; Wolter, K.-J.
Polymere Einhausungen zum Schutz von aktiven elektronischen Implantaten
Tagungsband 16. Heiligenstädter Kolloquium „Technische Systeme für die Lebenswissenschaften“, 2012,
S. 81 - 88, ISBN: 978-3-00-039458-4
Klemm, A.; Oppermann, M.; Zerna, T.
Online-Monitoring of Electronic Components under Temperature Stress Test
35th ISSE, Bad Aussee, Austria, May 9-13, 2012
Kraemer, F.; Meier, K.; Wiese, S.; Rzepka, S.
FEM Stress Analysis in BGA Components Subjected to Jedec Drop Test Applying High Strain
Rate Lead-Free Solder Material Models
Proceedings of the 13th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation
and Experiments in Micro-Electronics and Micro-Systems (EuroSimE), Lisbon, 2012
Kraemer, F.; Meier, K.; Wiese S.
The Influence of Strain-Rate Dependent Solder Material Models on the Interconnections Stress of
BGA Components in JEDEC Drop Test
4th Electronics Systemintegration Technology Conference, Amsterdam, 2012
84
Jahresbericht IAVT
Lange, J.; Bergs, F.; Weigert, G.; Wolter, K.-J.
Simulation of capacity and cost for planning of future process chains
International Journal of Production Research, October 22 2012, pp. 6122-6132.
Lange, J.; Keil, S.; Eberts, D.; Weigert, G.; Lasch, R.
Introducing the Virtual Time Based Flow Principle in a High-Mix Low-Volume Wafer Test Facility
and Exploring the Behavior of its Key Performance Indicators
Proceedings of the 2012 Winter Simulation Conference.
Lohse, T.; Krüger, P.; Heuer, H.; Oppermann, M.; Torlee, H.; Wolter, K.-J.; Meyendorf, N.
Modular Design of Fully Integrated Counting Line Detectors
Procedia Engineering, 47, 530-533, 2012
Lohse, T.; Krüger, P.; Heuer, H.; Oppermann, M.; Torlee, H.; Wolter, K.-J.; Meyendorf, N.
Progress in the development of radiation resistant, direct converting X-ray line detectors
Eurosensors Conference, Krakow, 2012
Meier, K.; Johannsen, S. T.; Graf, M.; Wolter, K.-J.
Die Stacking Technology Using Nano-Wire Filled Polymer Films
Meier, K.; Kraemer, F.; Roellig, M.; Wolter, K.-J.
Characterisation of Lead-free Solders at High Strain Rates Considering Microstructural Conditions
Meier, K.; Kraemer, F.; Wolter, K.-J.
High Strain Rate Behaviour of Lead-Free Solders Depending on Alloy Composition and Thermal
Aging
Proceedings of the 62nd Electronic Components and Technology Conference (ECTC), San Diego, California (USA), 2012
Meyer, D.; Wagner, M.; Beintner, M.; Meier, K.; Nieweglowski, K.; Wonisch, A.; Kraft, T.
Lotpastendruckverständnis für den Pin-in-Paste-Prozess
Proceedings of the 6th DVS/GMM Symposium Elektronische Baugruppen und Leiterplatten EBL, Fellbach, 2012
Müller, M.; Kriz, J.; Meinhold, D.; Zerna, T.
Influence of Liner-System and Cu-Layer Thickness on the Grain Structure of Electroplated Cu
4th ESTC, Amsterdam, Netherlands, September 17-20, 2012
Münch, M.; Röllig, M.; Reithe, A.; Wachsmuth, M.; Meißner, M.
Flexible CIGS Modules – Selected Aspects for Achieving long-term stable Products
NREL, Photovoltaic Module Reliability Workshop (PVMRW), Golden (Colorado, USA), February 28–
March 1, 2012
Oettl, A.
Academic Innovation Process in Germany Mastery of the innovation process in an academic environment
The R&D Management Conference 2012, Grenoble, France
Oppermann, M.; Albrecht, O.; Klemm, A.; Wolter, K.-J.
Analysis of Degradation Effects on LEDs According to the Production Processes
Paper & Präsentation auf ESTC 2012 in Amsterdam
85
Annual Report IAVT
Oppermann, M.; Neubrand, T.; Roth, H.; Weber, H.; Zerna, T.
What’s inside my USB drive? - X-Ray Microscopy and X-Ray nano CT for 3d packaging
Eingeladener Vortrag auf dem "8th X-ray Forum" der Fa. GE, 16.-17. OKtober 2012 in Hamburg
Panchenko, I.; Grafe, J.; Mueller, M.; Wolter, K.-J.
Effects of Bonding Pressure on Quality of SLID Interconnects
4th Electronics Systemintegration Technology Conference (ESTC), Amsterdam, September 17 – 20,
2012
Panchenko, I.
Influence of the Processing Parameters on Cu/Sn µbump TLP Interconnects
Program Technical Week (PTW) at IMEC, Leuven, October, 2012
Panchenko, I.; Grafe, J.; Mueller, M.; Wolter, K.-J.
Einfluss der Bondkraft auf die Qualität von Cu/SnAg SLID Verbindungen für 3D Integration
AVT-Tagung, Warstein, 12. Dezember, 2012
Reinert, W.; Kontek, M.; Lausen, N.; Hindel, A.; Eisele, R.; Rudolf, F.
Prozessentwicklung der Kupferband Hochstrom-Kontaktierung von Ag-gesinterten Leistungshalbleitern
DVS Congress 2012, Große Schweißtechnische Tagung 17./ 18. September 2012, Saarbrücken; DVSBand 286, S. 143 - 150
Rieske, R.; Sohr, S.; Nieweglowski, K.; Wolter, K.-J.
Assembly tolerance requirements for photonics packaging of multi-cell laser power converters
Proceedings of the 4th Electronics Systemintegration Technology Conference (ESTC) 2012, Amsterdam
Roellig, M.; Schubert, F.; Lautenschlaeger, G.; Franke, M.; Boehme, B.; Meyendorf, N.
Capability Study of Embedded Ultrasonic Transducer Microsystems for SHM Applications in Airplane Composite Structures
EWSHM, Dresden, 2012
Roellig, M.; Schubert, F.; Lautenschlaeger, G.; Franke, M.; Boehme, B.; Meyendorf, N.
Reliability and Functionality Investigation of CFRP Embedded Ultrasonic Transducers supported
by FEM and EFIT Simulations
Saettler, P.; Kovalenko, D.; Meier, K.; Roellig , M.; Boettcher , M.; Wolter, K.-J.
Thermo-mechanical Characterization and Modeling of TSV Annealing Behavior
Saettler, P; Boettcher, M.; Wolter, K.-J.
Characterization of the Annealing Behavior for Copper-filled TSVs
Proceedings of the 62nd Electronic Components and Technology Conference (ECTC), San Diego
Sättler, P.; Meier, K.; Böttcher, M.; Wolter, K.-J.
Annealing Behavior of copper-filled TSVs
Schwerz, R.; Roellig, M.; Meier, K.; Wolter, K.-J.
Lifetime Assessment of BGA Solder Joints with Voids under Thermo-Mechanical Load
86
Jahresbericht IAVT
Varga, M.; Korkmaz N.
S-layer proteins as Self-assembly Tool in Nano Bio Technology
Bio and Nano Packaging Techniques for Electron Devices (G. Gerlach and K.-J. Wolter, eds.) Springer,
Heidelberg, ISBN 978-3-642-28521-9
Wohlrabe, H.
Charakterisierung der Benetzung und Korrelation mit dem Voiding
4. Berliner Technologieforum 31.05.2012
Wohlrabe, H.
Präzisere Setups für den Lotpastendruck
Tagung Wir gehen in die Tiefe Dresden 19/20.06.2012
Wohlrabe, H.; Trodler, J.
Reliability Investigation of SMT-Boards for the Automotive Industry
4th Electronics Systemintegration Technology Conference, Amsterdam, Netherlands, September 17th to
20th, 2012
Wohlrabe, Heinz
Beschleunigung des Setups von SMD-Fertigungsprozessen - Im Focus: die Lötqualität
Vortrag auf der 20. FED-Konferenz Dresden 20.-22.September 2012
Wohlrabe, Heinz
Verwindung und Verwölbung von Substraten und Komponenten während des Lötvorgangs
Vortrag auf der 20. FED-Konferenz Dresden 20.-22.September 2012
Wolter,K.-J.; Oppermann, M.; Luniak, M.; Wohlrabe,H.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren für Lötstellen der Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik
Vortrag auf dem Rehm-Technologietag 08.03.2012
Wolter, K.-J.; Meier, K.; Saettler, P.; Panchenko, I.; Froemmig, M.
Bonding Technologies for 3D-Packaging
ELECTRONICS - CONSTRUCTIONS, TECHNOLOGIES, APPLICATIONS, Sigma-Not, Issue 2012-4,
2012
Wolter, K.-J.; Meier, K.; Saettler, P.; Panchenko, I.; Froemmig, M.; Graf, M.
3D-Integration for Systems in Packages
32th International Technical Conference Electronics and Nanotechnology, Kiev, 2012
Yeap, K.-B.; Roellig, M.; Gall, M.; Sukharev, V.; Zschech, E.
Multi-Scale Materials Database for Accurate 3D IC Simulation Input
IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, 2012
Zecha, H.; Ratchev, R.; Zerna, T.
Thermal Shock Fatigue Enhancement of Solder Joints by using Novel Reinforcing Fabrics
4th ESTC, Amsterdam, Netherlands, September 17-20, 2012
Zerna, T.
Diffusion Soldering of Power Electronic Modules
10th CMCEE, Dresden, May 20-23, 2012
Zerna, T.
Diffusionslöten von Leistungselektronikmodulen
IPS 2012, AVT-Kolloquium, 27.09.2012
87
Annual Report IAVT
7.3
Preise / Awards
ESTC 2012 Best Poster Award
Bohm, J.; Meier, K.; Wolter, K.-J.
Inductively Excited Lock-in Thermography for PCB-Vias
4th ESTC, Amsterdam, 17. – 20.09.2012
Heinrich-Barkhausen-Preis für die beste Dissertation 2011, verliehen am 9.11.2012
Dr.-Ing. Andreas Klemmt
"Ablaufplanung in der Halbleiter- und Elektronikproduktion: hybride Optimierungsverfahren und
Dekompositionstechniken"
88
Jahresbericht IAVT
7.4
Veranstaltungen / Events
Sächsischer Arbeitskreis Elektronik-Technologie (SAET)
VDE/VDI working group Electronics Technology (SAET)
Der Sächsische Arbeitskreis Elektronik-Technologie bietet seit 1991 als Interessenverbund und
seit 1994 als Arbeitskreis unter dem Dach des Dresdner Bezirksvereins des VDI eine Plattform
für fachliche Dispute und einen regen Erfahrungsaustausch zwischen Unternehmen und Instituten zur Elektronik-Technologie. In jährlich 2 bis 4 Treffen werden jeweils aktuelle Themen durch
Vorträge, Präsentationen und Fertigungsbesichtigungen zur Diskussion gestellt. Vertreter von
mehr als 70 Einrichtungen haben sich an den zurückliegenden Veranstaltungen beteiligt.
Weitere Informationen zum Arbeitskreis sind unter http://www.avt.et.tu-dresden.de/saet/ zu finden. Dort ist ebenfalls ein Verzeichnis der den Arbeitskreis unterstützenden Firmen, Einrichtungen und Organisationen abgelegt.
The SAET was founded in 1991 as an interest group and since 1994 as a task force in the “Society of German Engineers” (Dresden Branch) a platform for technical disputes and exchange of
experiences between enterprises and research institutes. At 2 to 4 annual meetings giving
presentations and visiting productions discuss current topics of interest. Representatives of
about 70 institutions from all over Germany took part in the past meetings.
More information is available at http://www.avt.et.tu-dresden.de/saet/. There are also links to
supporting companies and organizations located.
Veranstaltungen 2012 / Meetings 2012
60. Treffen / Meeting: 21.03.2012
Gastgeber: ASM Assembly Systems GmbH & Co. KG, München
Thema: Aktuelle Trends in der Montagetechnik
61. Treffen / Meeting: 27.09.2012
Gastgeber: Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der TU Dresden - Veranstaltung im
Rahmen des Industriepartner-Symposiums 2011 der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Dresden
Thema: AVT-Kolloquium im Rahmen des IPS 2012: Berichte aus den Arbeitsrichtungen
89
Annual Report IAVT
The center for non-destructive nano evaluation – nanoeva®
Eine Plattform für Dienstleistung, Entwicklung und Ausbildung in der zerstörungsfreien
Prüfung von elektronischen Erzeugnissen
Die Entwicklung in der Nanotechnologie, Mikrosystemtechnik und Halbleitertechnik schreitet
stetig voran. Dadurch entstehen neue Anforderungen an die Weiterverarbeitung und Nutzbarmachung dieser Entwicklungen in Systemen für einen Endnutzer. Der wirtschaftliche Erfolg solcher Systeme hängt entscheidend von der schnellen Überführung vom Labormuster in eine
stabile und fehlerfreie Serienfertigung ab. Die zügige Entwicklung wirtschaftlicher Produktionsprozesse setzt dabei die Verfügbarkeit von Prüfmethoden zur zeitnahen Beurteilung von komplexen Produkten und Fertigungsprozessen voraus.
Mit steigendem Integrationsgrad in der Elektronik z. B. 3D Integration in der Aufbau- und Verbindungstechnik, stehen hier Methoden für eine zerstörungsfreie Prüfung im Volumen mit
höchster Auflösung (<1 µm Voxelgröße) im Vordergrund. Um die Forderungen der Industrie
nach zerstörungsfreien Prüfmethoden in diesem Auflösungsbereich erfüllen zu können, haben
das Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der TU Dresden und das Fraunhofer-Institut
Zerstörungsfreie Prüfverfahren, Institutsteil Dresden, das Zentrum für zerstörungsfreie Prüfung
in der Nano-Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik (nanoeva®) gegründet. Es vereint
die Kompetenzen beider Forschungseinrichtungen auf den Gebieten Aufbau- und Verbindungstechnik, Qualitätsmanagement, Prüfmethodik, mathematisch-physikalische Grundlagen der zerstörungsfreien Prüfung und natürlich der Anwendung der zerstörungsfreien Prüfung in der Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik, um als Partner der Industrie die Wettbewerbsfähigkeit am Standort Deutschland zu erhalten und zu verbessern. Dies beschreibt auch die folgende Grafik.
Kompetenzträger für:
- Aufbau- und Verbindungstechnik für Bauelemente und
Baugruppen der Elektronik
- Technologieentwicklung
- Qualität und Zuverlässigkeit
- Anwendung der zfP für die
Elektronik
Industrie
Prüfaufgaben
Lösung der Prüfaufgaben
Industrie
Forderung:
Zerstörungsfreie Detektion
von Material- und Strukturzuständen und Fehlern bis in
den Nanometer-Bereich
Kompetenzträger für:
- Physikalisch-mathematische
Grundlagen der zfP
- Methoden- und Geräteentwicklung für die zfP
- Systeme mit extremen Zuverlässigkeitsanforderungen (Luft-,
Raumfahrt, Kerntechnik, Bahn)
Die Arbeit von nanoeva® basieren auf drei Säulen:
 dem Dienstleistungszentrum:
 Zerstörungsfreie Prüfung mit allen gängigen Methoden
 Ständige Erweiterung und Aktualisierung des Methodenspektrums
90
Jahresbericht IAVT









Auswertung der Prüfberichte
dem Entwicklungszentrum:
Entwicklung und Evaluierung neuer Methoden
Bau von Prototypen
Integration & Test in der Fertigung
Gerätebau
dem Bildungs- und Schulungszentrum:
akademisch
Masterstudiengang Zerstörungsfreie Prüfung an der Dresden International University
(DIU)
 Vorlesungen zur zerstörungsfreien Charakterisierung von Materialien und Produkten
 Praktika
 technisch
 Ausbildung von Prüfern
 Berufsausbildung
 Berufsbegleitende Kurse
Zur Lösung dieser anspruchsvollen Ziele steht dem Zentrum folgendes Methodenspektrum zur
Verfügung:
 Röntgenmikroskopie, Röntgentomografie, XRD,
 Röntgendiffraktometrie,
 Ultraschallmikroskopie,
 Thermografie und thermische Mikroskopie,
 optische Messmethoden,
 Ultraschallnahfeldmikroskopie,
 optische Nahfeldtechniken,
 Oberflächencharakterisierung,
 Geometrische Lasermesstechnik,
 Rasterelektronenmikroskopie mit EDX und EBSD,
 Transmissionselektronenmikroskopie.
Darüber hinaus stehen eine komplette Metallografieausrüstung zum Schleifen und Polieren,
sowie eine umfangreiche Mikroskopie (lichtoptisch, SEM, FIB) zur Verfügung.
Die Leitung des Zentrums liegt seit 2010 erneut in den Händen von Herrn Prof. Meyendorf
(Fraunhoher IZFP, Institutsteil Dresden) und Herrn Prof. Wolter (TU Dresden, IAVT). Für die
Koordinierung der Arbeiten sind Herr Dr. Henning Heuer (IZFP-D), Herr Dr. Martin Oppermann
(IAVT) sowie Herr Dipl.-Geogr. Oliver Albrecht (IAVT) verantwortlich. Seit 2009 ist nanoeva® ein
Mitglied des Dresdner Fraunhofer Cluster Nanoanalytik.
Kontakt:
Dr.-Ing. Martin Oppermann (TU Dresden, IAVT)
Tel.: +49 (351) 463 35051
Fax: +49 (351) 463 37035
Jun.-Prof. Dr.-Ing. Henning Heuer (Fraunhoher IZFP, Institutsteil Dresden)
Tel.: +49 (351) 264 8251
Fax: +49 (351) 888 15509
Dipl.-Geogr. Oliver Albrecht (TU Dresden, IAVT)
Tel.: + 49 (351) 463 36408
Fax: + 49 (351) 463 37035
URL:
Email:
www.nanoeva.de
nanoeva@avt.et.tu-dresden.de
91
Annual Report IAVT
A platform for Service, Development, and Training in non-destructive evaluation of
electronic products
The development in nanotechnology, microsystems engineering and semi-conductor techniques
progresses continuously. New requirements emerge for further processing and utilization in end
user products. Economic success of such systems decisively depends on a rapid transfer of
laboratory prototypes into a stable and error-free serial production (time to market). The efficient
development of economical production processes implies the availability of testing methods for
the in-time evaluation of complex products and fabrication processes.
With the increasing integration density in electronics, e. g. 3D integration in electronics packaging, methods for non-destructive testing in the volume with highest resolution (<1 µm voxel size)
become crucial.
To solve the industries demands in non-destructive testing methods, the Electronics Packaging
Lab. And the Fraunhofer Institute for Non-Destructive Testing (Dresden branch) have founded
the Center for Non-Destructive Nano Evaluation (nanoeva®). Nanoeva combined the competences of both scientific institutes in the fields of electronics packaging, quality assurance, test
methods, mathematical and physical fundamentals in non-destructive testing to be a partner of
the electronics industries in this field of science. The following graphic shows these relationships.
Competences:
- electronics packaging
- technology development
- quality assurance and reliability
- use of NDE-methods in
electronics packaging
Industry
Testing tasks
Solution of the testing tasks
Industry
Demands:
Non-destructive evaluation of
material and structure states
and of defects in micrometer
and nanometer scale
Competences:
- mathematical and physical
basics of NDE
- development of new NDE
methods and systems
- development of very high
reliable electronic systems for
structural health monitoring in
aviation, aerospace and
mechanical engineering
The work of nanoeva® is based on three columns:
 the Service Center:
 Non-destructive testing with all customary techniques
 Continuous widening and actualization of technical approaches
 Profound consultancy
 the Development Center:
 Development and evaluation of new methods
 Construction of prototypes
 Integration in fabrication & test
 Toolbuilding
 the Education and Training Center:
 academic
92
Jahresbericht IAVT







Master course of studies in Non-destructive Testing at Dresden International University
(DIU)
Lectures in non-destructive testing of materials and products
Practical courses
technical
Training of NDT personnel
Vocational training
In-service training.
To solve the challenges nanoeva® is able to use the following NDE techniques:
 X-ray microscopy, X-ray computer tomography, XRD
 X-ray diffractometry
 Acoustical microscopy
 Thermography and thermal microscopy
 Optical techniques
 Acoustical near-field microscopy
 Optical near-field techniques
 Geometrical surface characterization
 Scanning electron microscopy with EDX and EBSD.
Moreover, complete metallographic equipment for grinding and polishing as well as further microscopically techniques (SEM, FIB) are ready to supply your needs.
The management of nanoeva® will be done by Prof. Wolter (TU Dresden, IAVT) and Prof. Meyendorf (Fraunhofer IZFP, Dresden branch). The coordinators of the work are Dr. Henning Heuer
(IZFP-D), Dr. Martin Oppermann (IAVT) and Dipl.-Geogr. Oliver Albrecht (IAVT)
Contact:
Dr.-Ing. Martin Oppermann (TU Dresden, IAVT)
Tel.: +49 (351) 463 35051
Fax: +49 (351) 463 37035
Jun.-Prof. Dr.-Ing. Henning Heuer (Fraunhofer IZFP, Institutsteil Dresden)
Tel.: +49 (351) 264 8251
Fax: +49 (351) 888 15509
Dipl.-Geogr. Oliver Albrecht (TU Dresden, IAVT)
Tel.: + 49 (351) 463 36408
Fax: + 49 (351) 463 37035
URL:
Email:
www.nanoeva.de
nanoeva@avt.et.tu-dresden.de
93
Annual Report IAVT
Feierliches Richtfest für neues Laborgebäude
Im Bauvorhaben „Technikum Nöthnitzer Straße“ ist 2012 ein
weiteres Etappenziel erreicht worden. Mit dem offiziellen
Richtfest am 27.04.2012 wurde die Fertigstellung des Rohbaus gefeiert.
Die zukünftigen Nutzer aus drei Instituten der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik hatten zuvor Gäste aus
Industrie und Forschung zu einer Informationsveranstaltung
in den Festsaal des Rektoratsgebäudes eingeladen. Mit der
Komplettierung durch das Technikum entsteht räumlich
konzentriert ein Campus der Mikro- und Nanotechnologien
der Elektronik mit hervorragender Infrastruktur und ausgezeichneten Potenzialen für Synergien in der Forschung.
Im Anschluss daran wurde das traditionelle Richtfest auf der
Baustelle fortgesetzt. Die Grußworte der für die Baumaßnahme verantwortlichen Sächsischen Ministerien wurden
durch Herrn Johann Gierl, Abteilungsleiter im Sächsischen
Staatsministerium der Finanzen, und Herrn Matthias Hüchelheim, Abteilungsleiter im Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst, überbracht. Der Rektor der
TU Dresden, Prof. Hans Müller-Steinhagen, würdigte die
Leistungen der Fakultät in Forschung und Ausbildung und
insbesondere ihr hervorragendes Abschneiden in verschiedenen Rankings.
Ehrenkolloquium für PD Dr.-Ing. Jürgen Uhlemann
Am 8.10.2012 fand am IAVT ein Ehrenkolloquium statt anlässlich des
65. Geburtstages von Herrn Privatdozent Dr.-Ing. Jürgen Uhlemann.
Herr Dr. Uhlemann ist seit über 25 Jahren an der TU Dresden beschäftigt, seit 2002 als Oberassistent am IAVT. Er leitet die Arbeitsgruppe
“Biokompatible Aufbau- und Verbindungstechnik” und hat sich insbesondere in der Lehre und in der Betreuung von studentischen Graduierungsarbeiten sehr verdient gemacht. Seine aktuellen Vorlesungen zu
„Biomaterialien und Gerätewerkstoffen“, zu „Präzisionsantrieben“ und
zur „Elektrischen Sicherheit von Medizinprodukten“ erhalten von den Studierenden sehr gute
Bewertungen. Besondere Verdienste hat sich Herr Dr. Uhlemann durch sein Engagement bei
der Umstellung des Curriculums des Studiengangs Elektrotechnik auf die Bologna-konforme
Modularisierung erworben.
94
Jahresbericht IAVT
7.5
Mitgliedschaften / Memberships
ASIM
Arbeitsgemeinschaft Simulation in der Gesellschaft für Informatik
BFE
Fachkreis Blei-Freie Elektronik
DVS
Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren
DHV
Deutscher Hochschulverband
DVM
Deutscher Verband für Materialforschung und –prüfung e. V.
DGQ
Deutsche Gesellschaft für Qualität e. V.
DGM
Deutsche Gesellschaft für Materialkunde
EITI
European Interconnect Technology Initiative
FQS
Forschungsgemeinschaft Qualität e.V.
Gesellschaft von Freunden und Förderern der TU Dresden e.V.
Gesellschaft von Freunden und Förderern der Fakultät EuI e.V.
GMM
VDE/VDI Gesellschaft für Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik
GDCh
Gesellschaft Deutscher Chemiker
IBM Akademische Initiative/ IBM Academic Initiative
IEEE-CPMT
IEEE - Components, Packaging and Manufacturing Technology Society
IEEE-IPS
IEEE - Photonics Society
IMAPS Deutsch. The International Microelectronics And Packaging Society
IMAPS USA
The International Microelectronics And Packaging Society
IPC
The Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits
Organic Electronics Saxony e.V.
REFA
Verband für Arbeitsstudien und Betriebsorganisation e. V.
SMTA
Surface Mount Technology Association
VDE
Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V.
VDI
Verband Deutscher Ingenieure
Silicon Saxony e.V.
7.6
Patente / Patents
Deutsche Patentanmeldung Nr. 10 2012 111 706.3
„Anordnung und Verfahren für induktiv angeregte Thermografie"
Bohm, J.
Japanische Patentanmeldung Nr. 2012-166523
(zur deutschen Patenanmeldung Nr. 10 2011 108 876.1)
„Direct conversion X-ray detector with radiation protection for electronics“
Albrecht, O.; Lohse, T.; Krüger, P.; Metasch, R.; Oppermann, M.; Oettl, A.; Zerna, T.
„Verfahren und Vorrichtung zum Überprüfen der Funktion von elektrischen Anschlüssen eines analogen
oder digitalen Schaltkreises"
Albrecht, O.; Klemm, A.; Oppermann, M.; Wolter, K.-J.
„Energiesensitiver Strahlungsdetektor zur Erfassung von Röntgen-, - und/oder -Strahlung“
Krüger, P.; Lohse, T.; Oppermann, M.
Einreichung, Patent 128P 1839
„Fasergekoppeltes, oberflächenmontierbares Bauelement für opto-/elektrische Wandlerbauelemente und
Verfahren für sein Herstellung im Waferverbund“
Rieske, R.; Sohr, S.
95
Annual Report IAVT
8 Förderverein / Promotional Society
Verein „Förderung der Elektronik-Technologie an der TU Dresden e.V.“
Electronics Packaging Promotion Society at TU Dresden
Der Verein „Förderung der Elektronik-Technologie an der TU Dresden e. V.“ wurde am
18.09.2001 gegründet. Ziel des Vereins ist die Förderung der Forschung, Aus- und Weiterbildung auf dem Gebiet der Elektronik-Technologie am Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik (IAVT) und am Zentrum für mikrotechnische Produktion (ZmP). Der Verein
verfolgt ausschließlich und unmittelbar gemeinnützige Zwecke. Er fördert wissenschaftliche Aktivitäten auf allen Gebieten rund um die Elektronik-Technologie und das Electronic Packaging.
Dies erfolgt insbesondere durch:
 Finanzielle Unterstützung von Forschungsaufgaben, die nicht oder nur teilweise durch
Mittel der öffentlichen Hand finanziert werden, wobei Kosten für Geräte und Anlagen,
Verbrauchsmaterialien und Personal übernommen werden können,
 Förderung der Publikation von Forschungsergebnissen, der Umsetzung solcher
Ergebnisse in die praktische Anwendung sowie jeder anderen Form des Technologie-,
Wissens- und Ergebnistransfers,
 Förderung des wissenschaftlichen Gedanken- und Erfahrungsaustausches auf den das
IAVT und/oder das ZmP betreffenden Fachgebieten,
 Förderung der studentischen Ausbildung durch Finanzierung oder Mitfinanzierung von
Materialien und Geräten für die Lehre sowie von den Ausbildungsprozess befördernden
(z. B.) studentischen Exkursionen,
 Förderung und Unterstützung von Maßnahmen zur persönlichen Qualifizierung
hochbegabter Studenten oder Wissenschaftler des IAVT bzw. des ZmP,
 Organisation und Durchführung wissenschaftlicher Konferenzen oder anderer
wissenschaftlicher Veranstaltungen im Auftrag des IAVT oder des ZmP,
 Förderung und Unterstützung der kommerziellen Verwertung von erzielten Forschungsund Entwicklungsergebnissen durch momentane und/oder ehemalige Angehörige des
IAVT oder des ZmP,
 Förderung, Unterstützung und organisatorische Abwicklung für die Nutzung spezifischer
Leistungsangebote des IAVT und des ZmP durch außeruniversitäre Einrichtungen und
Personen.
Mitglieder des Vereins können natürliche und juristische Personen, Personengemeinschaften
und Firmen werden, deren Tätigkeit oder fachliches Interesse im Zusammenhang mit den Arbeitsgebieten des IAVT oder des ZmP steht.
Aktuelle Informationen zum Vereinsleben erhalten Sie auf den WWW-Seiten des Instituts und
des Vereins unter http://www.avt.et.tu-dresden.de/et-ev/.
Kontakt:
Verein
Förderung der Elektronik-Technologie
an der TU Dresden e. V.
c/o IAVT
01062 Dresden
96
Tel.: +49 351 463 35409
Fax: +49 351 463 37069
Email: verein@avt.et.tu-dresden.de
Jahresbericht IAVT
The “Electronics Packaging Promotion Society at Dresden UT” was founded on September 18th
2001. The Society is aimed to the promotion of research, education and training in the field of
electronics technology at the Electronics Packaging Laboratory (German abbrev. IAVT) and the
Center of Microtechnical Manufacturing (German abbrev. ZmP). The Society pursues exclusively and immediately non-profit-making purposes. The Society wants to promote scientific activities in all fields of electronics technology and electronics packaging, especially by:
 financial support for research activities, that are not or only partial financed by the
government, where costs of equipment, materials and staff may be financed,
 supporting the publishing of research results, the practical application of these results
and any other form of technology and know-how-transfer,
 supporting the exchange of minds and experiences in all working fields of IAVT and
ZmP,
 supporting the students education by financing of materials and equipment for courses
and lectures and e.g. students excursions,
 supporting of activities for personal qualifying of gifted students and scientists of IAVT
and ZmP,
 organizing and holding conferences and other scientific events for IAVT and ZmP,
 supporting the commercial exploitation of research results by current or former
employees of IAVT and ZmP,
 supporting and organizing the use of services offered by IAVT and ZmP.
Natural and legal persons or companies may be a member of the Society, as long as their profession or their scientific interest concerns to the working fields of IAVT and ZmP. Current information about the Society are available under http://www.avt.et.tu-dresden.de/et-ev/ .
Contact:
Verein
Förderung der Elektronik-Technologie
an der TU Dresden e. V.
c/o IAVT
01062 Dresden
Phone: +49 351 463 35409
Fax:
+49 351 463 37069
Email: verein@avt.et.tu-dresden.de
97

jahresbericht 2012 - IAVT

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