Bump-Herstellung mit einem Herstellung mit einem Drop

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Institut für Mechatronik Heilbronn
Bump-Herstellung mit einem
Drop-on-DemandFlüssigmetalldrucker
• Wolfgang Wehl • Jörg Wild • Björn Lemmermeyer
• Peter Krause, First Sensor Technology GmbH, Berlin
• Joachim Kloeser, EKRA GmbH, Bönnigheim
Herbstkonferenz
der
International
Microelectronic and
Packaging Society
Deutschland
am
7. und 8. Oktober 2002
in München
IMAPS Herbstkonferenz 7. und 8. Oktober 2002 in München
Ø Dieser Präsentation liegen Ergebnisse aus dem vom BMBF im Rahmen des Programms „Forschung für die Produktion von
morgen“ geförderten Projektes „Lotdruck-Verfahren zur Herstellung von Bumps“ (Projektnummer 02PP2007 – JET) zugrunde.
Ø Siehe auch http://www.mm.fh-heilbronn.de/wehl/projekte/lotdruck.htm
Ø Die Präsentation ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwendung bedarf einer separaten Einverständniserklärung der Autoren
Ø © Institut für Mechatronik Heilbronn 08/2002 – http://www.mm.fh-heilbronn.de/imh.htm
© Institut für Mechatronik Heilbronn • Wolfgang Wehl (2002) • DoD-Bump-Herstellung IMAPS 2002 PDF.ppt • http://www.mm.fh-heilbronn.de/imh.htm
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Who is Who des BMBF-Projektes
„Lotdruck-Verfahren für die Herstellung von Bumps“
EKRA GmbH, Bönnigheim
an der Fachhochschule Heilbronn
Herbstkonferenz
der
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Microelectronic and
Packaging Society
Deutschland
am
in München
First Sensor Technology GmbH, Berlin
Krause
Lemmermeyer
Drop-on-Demand-Flüssigmetalldrucker
Prof. Wild
Prof. Wehl
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© IMH • W. Wehl (2002)
Projektpartner
Ø Lotdrucker (Gerät): EKRA GmbH, Zeppelinstr. 16, 74357 Bönnigheim
Ø Mikrosystem (Chip): First Sensor Technology GmbH, Carl-Scheele-Str. 16, 12489 Berlin
Ø Drop-on-Demand-Lotdruckkopf: Institut für Mechatronik Heilbronn, Max-Planck-Str. 39, 74081 Heilbronn
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Flip-Chip – eigentlich ganz einfach, oder?
Chip
Bumps
Kontaktpads
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Substrat
0,5 mm
[nach Reichl Direktmontage 3.40]
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Warum Bumps?
Ø Die modernen Simultankontaktierverfahren wie z. B. Flip-Chip (FC), Chip-Size-Packaging (CSP), Tape-Automated-Bonding
(TAB) benötigen zur Verbindung Lotkontakte, sogenannte „Bumps“ (Beulen).
Ø Diese Bumps müssen in separaten Fertigungsschritten auf das Substrat (z. B. Silizium-Wafer) aufgebracht werden.
3
Das Problem: Bump-Herstellung
1. Schablonendruck
• Vorteile: preiswert, kurze Prozesszeit
• Nachteile: nicht ausreichend miniaturisierbar,
Schablone erforderlich, Lotpasten mit Lösungsmitteln
2. Galvanische und stromlose Abscheidung
• Vorteile: gut miniaturisierbar, hohe Präzision
• Nachteile: teuer, giftige Bäder, Masken erforderlich,
schwierige Prozessführung, lange Prozesszeit
Es gibt bis heute keine Herstellmethode für Bumps,
die preiswert, zuverlässig und umweltfreundlich ist!
Herbstkonferenz
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Bump-Herstellung
Ø Zur Herstellung dieser miniaturisierten Bumps existieren verschiedenste Fertigungsverfahren.
Ø In Zukunft sollen diese Bumps mit einem Drop-on-Demand-Druckverfahren aus dem Institut für Mechatronik Heilbronn
hergestellt werden.
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Piezo-Jet – Die Funktion
Piezoaktor
Drossel
Druckkammer
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Düse
5 mm
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Drop-on-Demand-Druckkopf nach dem Piezo-Jet-Prinzip
Ø Aufbau aus Druckkammer mit Drossel und Düse. Die Düse ist stets offen. Die Flüssigkeit wird durch Oberflächenkräfte in der
Düse gehalten. Antrieb über piezoelektrischen Membranwandler.
Ø Durch einen elektrischen Spannungsimpuls zieht sich die Piezokeramik minimal zusammen. Die Membrane widersetzt sich
dieser Bewegung, so dass sich der Verbund um Bruchteile eines Mikrometers durchbiegt. Die verdrängte Flüssigkeit fliegt als
schneller Tropfen (3 bis 12 m·s-1) aus der Düse (bis zu 10.000 Tropfen in der Sekunde).
Ø Drop-on-Demand heißt Tropfen auf Abruf – Tintenstrahldruck ist ein sachlich falscher Begriff!
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Piezoelektrischer Drop-on-Demand-Druckkopf
Düse
Druckkammer
Vorratskammer
Glasdeckel
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Piezowandler
Siliziumchip
34 x 15 mm2
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Mikrodosiersystem für den Sniffman – Eine Entwicklung aus dem Institut für Mechatronik Heilbronn
Ø Aufbau aus einem mikromechanischen Siliziumchip mit anodisch gebondetem Pyrex-Glasdeckel
Ø 32 unabhängige Duftdrucksysteme
Ø Duftstofftanks sind nicht erforderlich, da geringste Mengen im Chip reichen, das System sehr lange zu betreiben
Ø Auftraggeber Ruetz Technologies GmbH, München. Einsatz für Film, Musical, Theater, Multimedia
Ø weitere Informationen: http://www.mm.fh-heilbronn.de/wehl/projekte/sniffman.htm
6
Drop-on-Demand-Druckköpfe
Viel mehr als nur Tintenspritzer!
• Lacke
• Schmieröle
• Klebstoffe
• heiße Wachse
• Benzin
• Quecksilber
• …
• … warum nicht auch heiße flüssige Metalle?
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am
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[Video: TU München, Feingerätebau]
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Tintendrucksysteme sind echtes „Knoff-Hoff“
Ø Das zeigt dieses Video, das am Lehrstuhl für Feingerätebau und Mikrotechnik der Technischen Universität München
(http://www.fgb.mw.tum.de/) für die inzwischen eingestellte, gleichnamige Fernsehserie gedreht wurde.
Ø Die schnell fliegende Tropfen lassen sich nur mit Stroboskopen beobachten. Wichtig ist eine möglichst kurze Blitzzeit (< 2 µs).
7
Die Erfindung: Das Lotdruckwerk
mikromechanischer Chip
keramischer Tragkörper (ZrO 2)
Heizung
Glas
passive Spitze für
thermische Entkopplung
piezoelektrischer
aktiv Teil
Lamellenaktor
Silizium
Düse
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Aufbau des Druckkopfes nach dem Piezo-Jet-Prinzip: (Druck-) Kammer – Aktor – Düse
1. Herzstück: Mikromechanischer Siliziumchip mit Pyrex-Glasdeckel (Option: Aufbau aus zwei Siliziumteilen)
2. Energiewandler: Piezoelektrischer Aktor aus Keramik, thermisch durch passivierte Spitze entkoppelt. Kraftschluss über einen
keramischen Tragkörper aus Zirkonoxid
3. Temperierung: Elektrische Widerstands-Heizung
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Physik des Lotdrucks
1. Tropfenparameter des Lotdruckkopfes (Prototyp) *
• Geschwindigkeit 5 m·s-1
• Durchmesser 70 µm
• Masse 1,6 µg (0,18 µg/9)
• Volumen 180·10-15 m3
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• Oberfläche 15·10-9 m2
2. Energie und Strömungsmechanik der Lottropfen
• kinetische Energie: Ekin = ½·m·v2 = 20 nJ (2 nJ/10)
• Oberflächenenergie EO = σ·O = 6 nJ (0,8 nJ/7,5)
• Weberzahl We = Ekin/EO = 3,3 (2,5/1,3)
* typische Tintendruckwerte / Faktor
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Unterschiede in der Physik des Lotdruckkopfes
Ø Dichte ρ von Lot ist neun mal so hoch wie die Dichte von Tinte ⇒ wie (sehr) kleine Gewehrkugeln
Ø Oberflächenspannung σ von Lot ist acht mal so hoch wie die von Tinte
Ø Die physikalischen Werte für (Wasser-) Tinte sind in Rot; das Verhältnis von Lotwert zu Tintenwert ist Blau geschrieben
Ø Alle oben angegebenen Werte sind in gewissen Grenzen durch das Design und die elektrische Ansteuerung des Druckkopfes
veränder- und einstellbar (Weitere Informationen: http://www.mm.fh-heilbronn.de/wehl/files/Dissertation_Wehl_1984.pdf )
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Lauter sich widersprechende Forderungen
1. Lotführendes System
• Toleranzen im Mikrometerbereich
• Perfekte Wärmeleitung
• Homogene Temperaturverteilung
2. Aktor und Halterungen
• Sehr geringe Wärmeleitung
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am
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3. Verbindungen
• Hohe Kraftübertragung (auch Zugkräfte)
• Teilweise flüssigkeits- und gasdicht (Lot / Inertgas)
4. Allgemein
• Temperaturbeständigkeit bis 300 °C (Option 700 °C)
• Gleiche Material-Ausdehnungskoeffizienten
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Fertigungstechnologie
Ø Die große Herausforderung sind nicht die einzelnen Bauelemente des Lotdruckkopfes sondern viel mehr die Verbindung der
Bauelemente untereinander.
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Ein Mikrosystem als Herzstück
34 x 10 mm2
Mikromechanischer Siliziumchip mit Deckel aus Pyrexglas
Vorteile
• temperaturbeständig
• chemisch, mechanisch beständig
• mikrotechnisch herstellbar
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Der Chip: Ein Mikrosystem das später Mikrosysteme fertigen soll
Ø Die First Sensor Technology GmbH in Berlin fertigt die Chips.
Ø Es ist nur eine einzige Maske erforderlich.
Ø Design, Montage und Test ist Aufgabe des Instituts für Mechatronik Heilbronn.
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Der Aufbau des Druckkopfes mit High-Tech-Keramik
Antrieb: Piezolamellenwandler in
einem Tragkörper aus Zirkonoxid
Vorteile
• temperaturbeständig
• geringe Wärmeleitung
• großer Gestaltungsspielraum
Lottank
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Chip
Tragkörper
mit
Piezoaktoren
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Kopfdesign und fertigung mit High-Tech-Methoden und -werkstoffen
Ø 3D-Zusammenbauzeichnung aus dem Institut für Mechatronik Heilbronn (Bildschirmkopie aus CATIA V5).
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Vergleich der Materialkennwerte
Wärmeleitfähigkeit λ
Ausdehnungskoeffizient α
W·m-1·K-1
K-1
Silizium
150
2,6·10-6
Zirkonoxid
2,5
10·10-6
Piezokeramik
1,0
6,5·10-6
Pyrex-Glas
1,1
3,25·10-6
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Die High-Tech-Materialien
Ø Während sich die Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Bauelemente stark unterscheiden soll, kommt es bei den (Wärme-)
Ausdehnungskoeffizienten besonders auf möglichst gleiche Werte an.
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… aber bringen Sie das mal zusammen!
Erhitzung auf Betriebstemperatur: ∆T > 250 K
↑F
→F
Verbindungsstellen
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↓F
Silizium
αSi = 2,6·10-6 K-1
Keramik (ZrO2)
αZiO2 = 10·10-6 K-1
Piezokeramik
αPiezo = 6,5·10-6 K-1
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Herausforderung Verbindungstechnik
Ø Bezogen auf die Chipbreite will sich der keramische Tragkörper um 58 µm mehr ausdehnen als der Siliziumchip
Ø Da der Tragkörper nur vorne heiß ist, dehnt er sich auch nur dort.
Ø Tragkörper, Piezokeramik und Siliziumchip werden deshalb mit einem speziellen Hochtemperaturkleber unlösbar verbunden.
Geplant ist jedoch auch, hier Schweiß- und Hartlötverbindungen zu untersuchen.
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Der komplette Lotdruckkopf
Merkmale des Prototypen
•
mikromechanischer Druckkopf mit 10 Düsen
•
Betriebstemperatur ≤ 300 °C
•
Tropfendurchmesser 70 µm
•
Tropfenfluggeschwindigkeit 5,0 m·s-1
•
max. Spritzfrequenz 3 kHz
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Lottank
Chip
Tragkörper
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Der Lotdruckkopf
Ø Design, Montage und Test des kompletten Lotdruckkopfes ist Aufgabe des Instituts für Mechatronik Heilbronn.
Ø Der Druckkopf wird ständig von einem Inertgas durchflutet. Mit dem Gas werden zwei Aufgaben gelöst: Zum einen kühlt das Gas
die piezoelektrischen Aktoren und zum anderen sorgt das Gas dafür, dass das flüssige Lot nicht mit dem Luftsauerstoff in
Berührung kommt und dabei oxidieren kann.
Ø Die hermetische Wärmeisolierung des Druckkopfes ist in der Explosionsdarstellung nicht eingezeichnet.
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Metal Jet – Der erste Lotdrucker von EKRA
Merkmale des Prototypen
•
schwingungsgedämpfter Aufbau mit
feststehenden Druckkopf und x/yKreuztisch
•
maximale Wafergröße: 200 mm (8 Zoll)
•
Drucken in Schutzgasatmosphäre (N2)
•
Schlittengeschwindigkeit: max. 0,5 m·s-1
•
Positioniergenauigkeit: ± 5 µm
•
Bumpgröße1: 88 µm
•
bleifreie Lote möglich
•
keinerlei Zusatzbestandteile im Lot
erforderlich
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Durchmesser der Halbkugel
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Der Lotdrucker
Ø Der Lotdruckkopf ist stationär über einem sich bewegenden x/y-Kreuztisch befestigt.
Ø Der komplette Prototyp des Druckers wurde bei der EKRA GmbH in Bönnigheim entwickelt, aufgebaut und getestet.
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Lot-Bumps wie am Schnürchen gezogen
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Denksportaufgabe
Ø Warum platzt der Tropfen nicht auseinander, wenn er auf das Substrat trifft?
Ø Lösung: Zum Auseinanderplatzen muss viel neue Oberfläche gebildet werden. Dafür ist jedoch relativ viel (kinetische) Energie
erforderlich. Diese bringt aber ein so kleiner Tropfen nicht mit.
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Weitere Anwendungsmöglichkeiten
Rapid-Prototyping
• Herstellung kleiner, metallischer, formgenauer, stabiler
und temperaturbeständiger Bauelemente
3D-MID (Moulded Interconnected Device)
• Metallisierung und Passivierung von räumlichen
Baugruppen
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Mikrodosierung
• Verspritzen „schwieriger“ Fluide auch bei höheren
Temperaturen
• Lacke, Öle, Klebstoffe, Wachse etc.
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Marktchancen
Ø Die großen Marktchancen des Metal-Jets beruhen nicht nur darauf, preiswert und schnell Lotbumps herzustellen.
Ø Langfristig ist geplant, höher schmelzende Metalle, Legierungen und andere Stoffe wie Aluminium, Hartlote oder Gläser zu
verspritzen. Silizium als flüssigkeitsführendes System kommt mit seinem Schmelzpunkt von 1420 °C jedenfalls noch lange nicht
an seine Grenzen.
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Zusammenfassung
ü Das Metal-Jet-Verfahren könnte den kompletten Markt für BumpingTechnologien umkrempeln
ü Die thermische Entkopplung des temperaturempfindlichen Piezoaktors ist
elegant gelöst
ü Technologische Herausforderungen sind weniger die Mikromechanik und
die High-Tech-Keramik als vielmehr die Verbindungen der Bauelemente
untereinander
ü Lot lässt sich mit dem Metal-Jet genauso gut verspritzen wie Tinte aus
einem Tintendruckkopf – durch Temperaturänderung bedingte
Ausdehnungen und Schrumpfungen des Lots müssen allerdings
beherrscht werden.
ü Wafer-Bumping ist nur die Pionieranwendung des Metal-Jet-Verfahrens.
Andere wären Rapid-Prototyping, 3D-MID-Metallisierungen und
allgemeine Mikrodosierung
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Kompetenz und Alleinstellungsmerkmals des IMH
Ø Nirgends im deutschen Sprachraum wird soviel an Drop-on-Demand-Drucksystemen geforscht und entwickelt wie am Institut für
Mechatronik Heilbronn (Studiengang Mechatronik und Mikrosystemtechnik an der Fachhochschule Heilbronn).
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Kontaktadressen und Ansprechpartner
• Entwicklung Drop-on-Demand-Lotdruckkopf
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Wehl, wehl@fh-heilbronn.de, 07131-504-325
Prof. Dr.-Ing. Jörg Wild, wild@fh-heilbronn.de, 07131-504-307
Dipl.-Ing. (FH) Björn Lemmermeyer, lemmermeyer@fh-heilbronn.de, 07131-504-410
Institut für Mechatronik Heilbronn, Max-Planck-Str. 39, 74081 Heilbronn
http://www.mm.fh-heilbronn.de/imh.htm
• Entwicklung und Fertigung des mikromechanischen Druckchips
Dipl.-Phys. Peter Krause, peter.krause@first-sensor.com, 030-677988-0
First Sensor Technology GmbH, Carl-Scheele-Str. 16, 12489 Berlin
http://www.first-sensor.com/
• Entwicklung und Fertigung des Lotdruckers
Dipl.-Ing. Joachim Kloeser, jkloeser@ekra.com, 07143-8844-86
EKRA GmbH, Zeppelinstr. 16, 74357 Bönnigheim
http://www.ekra.com/
Herbstkonferenz
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Weitere Links
Ø Lotdruckprojekt: http://www.mm.fh-heilbronn.de/wehl/projekte/lotdruck.htm
Ø Projektträgerschaft Produktion und Fertigungstechnologien am Forschungszentrum Karlsruhe: http://www.fzk.de/pft/
Ø Kompetenznetzwerk „Mikrotechnische Produktion“: http://www.mikrotechnische-produktion.de/
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Bump-Herstellung mit einem Herstellung mit einem Drop

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