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Entwicklung eines modularen Freischwingersystems für das induktive Bonden von mikroelektromechanischen Systemen

Bisher angewendete Füge- bzw. Bondverfahren im Wafer-Level-Packaging basieren auf ganzheitlicher Wärmeübertragung mit Prozesstemperaturen von über 400 °C durch externe Wärmequellen bei gleichzeitig hohen Druckbelastungen. Folglich können temperatursensitive Bauelemente und heterogene Materialverbindungen nur bedingt hergestellt werden, da Spannungen in der Fügezone zum Versagen der Verbindungen bzw. zu erheblichem Verzug führen. Mit der Anwendung des induktiven Bondens kann neben der Vermeidung unerwünschter und zeitintensiver Heizprozesse auch eine signifikante Verringerung der Kosten und Prozesszeiten erzielt werden. Um diese signifikanten Vorteile nutzen zu können, werden jedoch angepasste Spulen und eine spezialisierte Generatortechnik benötigt.

Kern des FuE-Projekts ist die Auslegung und Realisierung eines Multi-Spulensystems mit neuartigem segmentiertem Aufbau, eingebettet in keramische Substrate mit beidseitiger Strukturierung und Durchkontaktierung. Hierbei soll zudem ein neuartiges Generatorsystem in Form eines Clusters aus Mini-HF-Generatoren basierend auf einem Freischwinger-System entwickelt werden. Dieses soll eine separate und gesteuerte Erwärmung jedes Spulenclusters ermöglichen.

Induktives Zünden reaktiver Multilagenstapel für Fügeanwendungen auf Chip‐ und Komponentenebene

Der heterogenen Integration kommt in der Mikrotechnik auf allen Ebenen eine zukunftsweisende Rolle zu. Der Einsatz fortschrittlicher Gehäusetechnologien ist der zentrale Schlüssel zur Halbleiterinnovation und zum Erreichen der Systemleistung. Die Optimierung des Packaging kann die Funktionalität und Leistung erhöhen und die Kosten senken. Von zentraler Bedeutung sind in diesem Zusammenhang neuartige selektive Erwärmungsverfahren wie das reaktive Bonden, dem Fügen mit integrierten reaktiven Mehrschichtsystemen, mit denen die Prozesstemperatur lokal begrenzt oder abgesenkt werden kann. Die Übertragung des Prozesses in die industrielle Anwendung ist jedoch aufgrund der Initiierung der selbstausbreitenden exothermen Reaktion (SER) eine Herausforderung.

Im Rahmen des Indu2React Vorhabens soll durch die Entwicklung des induktiven Zündverfahrens und dessen Übertragung auf kommerziell verfügbare Werkzeuge eine breite Palette von Anwendungen für die Serienproduktion erschlossen werden.

Induktives Sinterwerkzeug für den Multi-Die-Attach leistungselektronischer Komponenten

Leistungsmodule sind wichtige Komponenten bspw. in elektrischen Antrieben oder Umrichtern für Energieanlagen. Um den steigenden Anforderungen in der Elektronikindustrie in Hinblick auf Leistung und Miniaturisierung in Kombination mit neuen Werkstoffen wie SiC oder GaN, nachzukommen, sind stetige Entwicklungen bei der Wärmeabfuhr sowie der elektrischen Leit- bzw. Stromtragfähigkeit erforderlich. Die halbleiternahe Aufbau- und Verbindungstechnik, insbesondere zwischen Die und Substrat (Die Attach), spielt dabei eine entscheidende Rolle.

Im Projekt InduMDA soll daher ein induktiver Sinterprozess auf Die-Level entwickelt werden, welcher es erlaubt, im Gegensatz zum konvektiven Partikelsintern, Bauelemente ohne ganzheitliche Erwärmung mit niedriger Druckbelastung und kurzer Prozesszeit zu fügen.

Induktives Inline-Sintern für gedruckte Leiterbahnen mit einer Prozessregelung

Der Einsatz moderner Drucktech-nologien erlaubt die Herstellung elektrischer Komponenten, Sensoren, Kommunikationselementen auf ebenen, flexiblen oder dreidimensionalen Substraten wie Kunststoff, Glas, Keramik oder Papier. Mittels dieser gedruckten Elektronik kann die Funktionsdichte erhöht und Anwendungen umgesetzt werden, die durch Design-Limitationen sonst nicht realisierbar sind.

Den Anforderungen folgend, wird im Entwicklungsvorhaben INSEL der 3D-Funktionsdruck mittels induktivem Sintern von Silberpartikelpasten realisiert, wobei Leiterbahnendruck, -trocknen und -sintern inline erfolgen werden. Die induktive Sintertechnologie ermöglicht es, Elektronik flexibel, nachhaltig und ressourceneffizient auf eine größere Bandbreite möglicher Substrate zu drucken.

Das Netzwerk „SCALE – Skalierung von Fügetechnologien in Produktionsprozessen für mikro- und makroskopische Anwendungen“ wurde vom 01.06.2018 – 31.08.2022 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, Projektträger VDI/VDE-IT, im Rahmen des „Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM)“ in der Projektform ZIM-KN gefördert. Nach erfolgreichem Abschluss der geförderten Projektphasen haben sich die Partner entschlossen, ohne öffentliche Förderung weiter im Netzwerk zusammenzuarbeiten. Ausschließlicher und unmittelbarer Zweck des Netzwerkes ist die nachhaltige Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit der beteiligten Partner durch gezielte Nutzung der sich ergänzenden Kompetenzen. Schwerpunkte sind die gemeinsame Erforschung und Entwicklung von Produkten und Dienstleistungen industrietauglicher, kostenoptimierter, energie- und ressourceneffizienter thermischer Fügeverfahren für hochwertige Verbindungen von Hochleistungs-, Leichtbau- und nichtmetallischen Werkstoffen in der Mikrosystem- und Industrietechnik.