Abschlussbericht FV-Nr.: 14282N - hahn-schickard.de · sche Abscheidung von Kupfer mittels Pulse-Plating verschließen lassen. Mit einem eigens konstruierten und aufgebauten Prüfstand

1

Auftraggeber: AiF Projekt-Nr.: 313162 Institutsleiter: Prof. Dr. rer. nat. H. Kück Projektleiter: D. Ahrendt Bearbeiter: D. Ahrendt, I. Gehrlach,

R. Stich, S. Weser Bearbeitungszeitraum: 01.04.05 – 30.09.06 Datum: Dezember 2006

Kurzbezeichnung: Micro-Vias in Laser-MID

HSG-IMAT • Hahn-Schickard-Gesellschaft • Institut für Mikroaufbautechnik Breitscheidstr. 2b • 70174 Stuttgart • Telefon: +49 711 685-83712 • Telefax: +49 711 685-83705

Institutsleiter: Prof. Dr. H. Kück

Abschlussbericht FV-Nr.: 14282N Thema: Untersuchungen zu Micro-Vias bei Laser-Feinst-Pitch-MID für die Mikro-systemtechnik

Hahn-Schickard-Gesellschaft Institut für Mikroaufbautechnik

Inhalt 1 Zusammenfassung 4

2 Problemstellung 5

3 Prozesse zur laserbasierten Fertigung von Micro-Vias in MID 7

3.1 Semiadditive Laserstrukturierung 7

3.2 Laser-Direkt-Strukturierung 8

3.3 Laseranlagen 9

3.4 Laserbohrstrategien 10

3.5 Metallisierung 10

3.6 Verschluss von Micro-Vias 11

4 Testsubstrate 12

4.1 Werkstoffe 12

4.2 Testsubstrat 1 mit variabler Wandstärke 12

4.3 Testsubstrat 2 mit spritzgießtechnisch realisierten Durchdringungen 14

5 Methoden zur Charakterisierung von Micro-Vias in MID 16

5.1 Optische Charakterisierung 16

5.2 4-Leitermessung der Durchgangswiderstände 16

5.3 2-Leitermessung der Widerstände einer Daisy-Chain 17

5.4 Dichtheitsprüfung 17

5.5 Temperaturwechseltest 19

5.6 Feuchte-Wärme-Lagerung 19

5.7 Mehrkomponenten-Industrieluft 20

5.8 Sprühnebelprüfung mit Natriumchlorid-Lösung 20

6 Experimentelle Ergebnisse 21

6.1 Lasergebohrte Durchkontaktierungen 21

6.1.1 IR-Wendelbohren 21

6.1.2 UV-Wendelbohren 27

6.1.3 IR-Perkussionsbohren 28

6.1.4 Metallisierung 30

6.1.5 Bohrzeiten 32

6.1.6 Absorptionsverhalten der untersuchten Thermoplaste 33

2

6.2 Spritzgegossene Durchkontaktierungen 356.3 Verschluss von Micro-Vias 36

6.3.1 Thermisch härtender Klebstoff 36

6.3.2 UV-härtender Klebstoff mit niedriger Viskosität 37

6.3.3 UV-härtender Klebstoff mit hoher Viskosität 39

6.3.4 Verschluss mittels Pulse-Plating 41

6.4 Bestimmung der Leckrate 42

6.4.1 Langzeitmessung 42

6.4.2 Kurzzeitmessungen 44

6.5 Untersuchungen zur Zuverlässigkeit 46

6.5.1 Temperaturwechseltest 46

6.5.2 Feuchte-Wärme-Lagerung 50

6.5.3 Mehrkomponenten-Industrieluft 51

6.5.4 Sprühnebelprüfung mit Natriumchlorid-Lösung 53

7 Literatur 54

8 Danksagung 55

3

1 Zusammenfassung Im Forschungsvorhaben Nr. 14282N „Untersuchungen zu Micro-Vias bei Laser-Feinst-Pitch-MID für die Mikrosystemtechnik“ wurden Prozesse zur Herstellung von elektrischen Durchkontaktierungen in laserbasierten MID erarbeitet und untersucht. Zu Beginn wurden anhand eines Testsubstrats Parameter für das Laserbohren von feinsten Durchdringungen in Thermoplasten bei Wandstärken zwischen 200 µm und 800 µm ermittelt. In den LDS-Werkstoffen LCP Vectra E820i-LDS und LCP Vectra E840i-LDS konnten durch IR-Wendelbohren Bohrungen mit einem minimalen Durchmesser von ca. 120 µm erzeugt und anschließend zuverlässig metallisiert werden. Durch IR-Perkussionsbohren konnten Vias mit einem minimalen Durchmesser von ca. 80 µm hergestellt werden. Mit dem Semiadditiv-Prozess und durch UV-Laserbohren ließen sich zuverlässig in LCP Vectra E820i feinste Micro-Vias mit einem minimalen Durchmesser von 120 µm erzeugen. Ein anderer Ansatz zur Herstellung von Durchkontaktierungen wurde mit der Laser-Direkt-Strukturierung von spritzgegossenen Durchdringungen verfolgt. Hierzu wurde ein weiteres Testsubstrat mit unterschiedlichen Viageometrien entworfen und herge-stellt. Die spritzgegossenen Durchdringungen in Substraten aus LCP Vectra E820i-LDS, LCP Vectra E840i-LDS und PBT/PET Pocan DP T7140 konnten zuverlässig aktiviert und metallisiert werden. Es wurden erste Versuche zum Verfüllen von lasergebohrten und spritzgegossenen Durchkontaktierungen durch Dispensen unterschiedlicher Verfüllmassen durchge-führt. Weiterhin wurde untersucht, ob sich die Durchkontaktierungen durch galvani-sche Abscheidung von Kupfer mittels Pulse-Plating verschließen lassen. Mit einem eigens konstruierten und aufgebauten Prüfstand konnte die Dichtheit der Vias nach dem Verfüllen nachgewiesen werden. Verschlossene und unverschlossene Micro-Vias wurden mittels Temperaturwechsel-tests, Feuchte-Wärme-Lagerung und Prüfung mit Mehrkomponenten-Industrieluft auf Zuverlässigkeit getestet. Während der Temperaturwechseltests wurden die ohm-schen Durchgangswiderstände online überwacht. Die Charakterisierung erfolgte durch optische Begutachtung im Mikroskop und Vermessen der ohmschen Durch-gangswiderstände. Exemplarisch wurden Querschliffe und REM-Aufnahmen angefer-tigt. Dabei zeigte sich eine sehr hohe Zuverlässigkeit der hergestellten Durchkontak-tierungen. In der für den Verschluss der Vias verwendeten Verfüllmasse konnten nach dem Temperaturwechseltest und der Feuchte-Wärme-Lagerung Risse beo-bachtet werden, wobei die elektrische Funktionalität nicht beeinträchtigt wurde. Insgesamt konnten zuverlässige und reproduzierbare Prozesse zur Herstellung von elektrischen Durchkontaktierungen in laserbasierten MID erarbeitet werden. Die her-vorragenden Ergebnisse der Zuverlässigkeitsuntersuchungen qualifizieren die unter-suchten Prozesse für den Einsatz in der industriellen Anwendung. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

4

2 Problemstellung Der Einsatz von Molded Interconnect Devices (MID) als multifunktionale Packages für Mikrosysteme oder miniaturisierte Systeme gewinnt in den letzten Jahren stark an Bedeutung. Die laserbasierte Herstellung von MID bietet vor allem im Hinblick auf feinste Strukturbreiten, Flexibilität und Fertigungskosten - auch für die wichtigen Märkte bei kleinen und mittleren Stückzahlen – dabei entscheidende Vorteile. Obwohl die Komplexität der Schaltungen auf MID und damit die Zahl der Anschlüsse an die mikrotechnischen und mikroelektronischen Bauelemente in der Regel ver-gleichsweise gering sind, gibt es eine Fülle von Anwendungen bei multifunktionalen Packages, bei denen zweiseitige Leiterbilder mit Durchkontaktierungen benötigt wer-den. Neben den bereits beim Spritzgießen hergestellten Durchdringungen mit Durchmessern im Bereich über etwa 300 µm stellen die Durchkontaktierungen bei lasertechnisch hergestellten MID insbesondere dann eine große technologische Her-ausforderung dar, wenn das Miniaturisierungspotenzial der Lasertechnik voll ausge-schöpft werden soll. Die Durchführungen durch das MID können insbesondere nicht mehr unmittelbar im Spritzgießprozess hergestellt werden, wenn die bereits heute mit der Lasertechnik herstellbaren Leiterbahnpitches von 100 – 200 µm sinnvoll für die optimale Miniaturisierung genutzt werden sollen. Daher müssen alternative Verfahren zur Herstellung der Durchdringung des MID ein-gesetzt werden, wie beispielsweise das Laserbohren, das in der Leiterplattenherstel-lung schon eingesetzt wird. Bei den MID, die aus z.T. hoch gefüllten thermoplasti-schen Werkstoffen bestehen, ist beim Laserbohren von Micro-Vias zu untersuchen, wie sich die enthaltenen Füllstoffe auswirken und welche Bohrlochgeometrien bei welchen Aspektverhältnissen hergestellt werden können. Bei subtraktiven Laser-Prozessen, wo das Spritzgussteil erst vollflächig metallisiert wird und anschließend die Leiterbahnen durch Ablation der metallischen Beschich-tung mit einem UV-Laser hergestellt werden, müssen die Durchdringungen vor der Metallbeschichtung und damit vor der Laserbearbeitung für die Herstellung der Lei-terbahnen eingebracht werden. Hier bietet es sich aufgrund der höheren Absorption im Werkstoff an, die Bohrungen mit einem UV-Laser einzubringen. Großes Potenzial besteht grundsätzlich vor allem beim Laserbohren von Micro-Vias in Kombination mit dem voll additiven Laser-Direkt-Strukturierungsverfahren (LDS). Leiterbild und Micro-Vias könnten in einem Strukturierungsschritt erzeugt werden ohne dass auf Flexibilität in Hinblick auf Layoutänderungen verzichtet werden muss. Hier muss geklärt werden, ob sich der beim LDS-Prozess eingesetzte Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm für das Bohren von LDS-Werkstoffen eignet. Die Vorgehensweise bei der Metallbeschichtung der Micro-Vias hängt von dem ge-wählten Laser-MID-Prozess bzw. vom Werkstoff ab. Hier stellt sich die Frage, ob auch feinste Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis zuverlässig chemisch außen-stromlos beschichtet werden können. Darüber hinaus müssen die Durchkontaktierungen bei den MIDs geeignet verschlos-sen werden, wenn der MID-Baustein gleichzeitig als Schaltungsträger und Gehäuse fungieren soll. Dazu bietet sich beispielsweise der Verschluss durch Dispensen einer Vergussmasse an. Da dieser Prozess zusätzliche Schritte notwendig macht und da-mit zu zusätzlichen Kosten führt, ist es sinnvoll zu untersuchen, ob im Falle von feins-ten Vias ein Verschließen der Durchkontaktierung während der Metallabscheidung erfolgen kann. 5

Schließlich stellt die Zuverlässigkeit der MID-Baugruppen mit Vias noch eine grund-legende Fragestellung dar, zu der es noch keine Erkenntnisbasis gibt, auf der eine Produktentwicklung einschließlich der notwendigen Produktqualifikation mit den ein-schlägigen Zuverlässigkeitsprüfungen aufsetzen könnte. Zusammenfassend kann daher festgestellt werden, dass die sichere Herstellung von zuverlässigen Micro-Vias bei Laser-Feinst-Pitch-MID für die Umsetzung von innovati-ven Gehäuse- und Aufbautechniken von miniaturisierten Systemen und Mikrosyste-men unverzichtbar ist und dass die dazu notwendigen grundlegenden technologi-schen Erkenntnisse derzeit noch nicht zur Verfügung stehen.

6

3 Prozesse zur laserbasierten Fertigung von Micro-Vias in MID

Für die laserbasierte Fertigung von Durchkontaktierungen in MID wurden semiadditi-ve und additive Verfahren untersucht. Dabei kamen eine IR- und eine UV-Laseranlage zum Einsatz. Die Beschichtung erfolgte mittels chemisch außenstromlo-ser Metallisierung. Ein Teil der Vias wurden abschließend mit einer Vergussmasse verschlossen.

3.1 Semiadditive Laserstrukturierung Bei dem Semiadditiv-Prozess handelt es sich um ein Verfahren mit subtraktiver La-serstrukturierung einer Startschicht und anschließender außenstromlos chemischer Nachverstärkung [1],[2],[3]. Das MID-Bauteil wird aus einem nicht kernkatalytischen Werkstoff spritzgegossen. Die Durchdringungen können ebenfalls spritzgießtechnisch eingebracht werden (Abb. 1) oder durch UV-Laserbohren (Abb. 2) erzeugt werden. Anschließend wird die Oberfläche mit einer geeigneten Vorbehandlung für die außenstromlose Metallisie-rung aktiviert und vollflächig mit ca. 5 µm chemisch Kupfer beschichtet. Dabei wer-den die spritzgießtechnisch eingebrachten oder lasergebohrten Durchdringungen ebenfalls metallisiert. Mit einem UV-Laserstrahl können anschließend durch selektive Ablation der Kupferschicht isolierende Bereiche auf der Oberfläche erzeugt und so das Leiterbahnlayout geschrieben werden. Nach einem Reinigungsprozess wird das verbleibende Kupfer mit typischerweise 5 µm chemisch Nickel nachverstärkt und ei-ner ca. 0,1 µm dicken Schicht Tauchgold versehen. Die das Leiterbahnlayout umge-benden Bereiche werden ebenfalls verstärkt und können zur elektromagnetischen Abschirmung dienen.

Abb. 1: Spritzgegossene Durchdringun-gen Abb. 2: Lasergebohrte Durchdringungen

Die Strukturierungszeiten sind bei der semiadditiven Laserstrukturierung im Vergleich zur voll subtraktiven Laserstrukturierung deutlich geringer, da mit dem Laserstrahl nur eine dünne Kupferschicht und nicht der gesamte Cu/Ni/Au Schichtstapel ablatiert werden muss. Im Gegensatz zur voll subtraktiven Laserstrukturierung weisen beim Semiadditiv-Prozess auch die Flanken der Leiterbahnen eine schützende Ni/Au Schicht auf.

7

3.2 Laser-Direkt-Strukturierung Bei dem additiven Verfahren der Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) wird die Oberflä-che spezieller laseraktivierbarer Polymere mit IR-Laserstrahlung aufgeraut und akti-viert. Bei der anschließenden außenstromlos chemischen Metallisierung mit Kupfer wächst selektiv auf den aktivierten Bereichen Kupfer auf [5]. Durchdringungen können, wie Abb. 3 in dargestellt, spritzgießtechnisch eingebracht werden. Die Geometrie der Durchdringungen sollte konisch sein, damit die Viaflan-ken anschließend mit dem Laser aktiviert werden können. Die auf diese Weise mini-mal realisierbaren Via-Durchmesser sind durch die Möglichkeiten bei der Herstellung der Spritzgussformen limitiert. Feinste Micro-Vias lassen sich durch Laserbohren der Durchdringungen realisieren (Abb. 4). Durch das Bohren werden gleichzeitig die Vi-aflanken für den nachfolgenden Metallisierungsprozess aktiviert.

Abb. 3: Spritzgegossene Durchdringun-gen Abb. 4: Lasergebohrte Durchdringungen

Leiterbahnen und Durchdringungen können in beiden Fällen im gleichen Prozess-schritt aktiviert werden. Nach einem Reinigungsschritt werden die aktivierten Berei-che chemisch außenstromlos selektiv mit Kupfer, Nickel und Tauchgold beschichtet.

8

3.3 Laseranlagen Die Untersuchungen zur laserbasierten Herstellung von Micro-Vias in MID wurden, je nach Verfahren, mit der UV-Laseranlage LPKF MicroLine-UV in Abb. 5 bzw. der IR-Laseranlage LPKF MicroLine 3D 160 in Abb. 6 durchgeführt. Die technischen Merkmale beider Laseranlagen sind in Tab. 1 aufgeführt. Bei beiden Anlagen wird das zu strukturierende Bauteil während der Bearbeitung nicht bewegt und der Fokus des Laserstrahls mittels eines 3D-Scankopfes über die Oberfläche geführt.

Abb. 5: UV-Laseranlage Abb. 6: IR-Laseranlage

Technische Merkmale UV-Anlage IR-Anlage Scanfeld 60x60x12mm³ 160x160x25mm³

Wellenlänge 355 nm 1064 nm

Max. Laserleistung 3 W 8 W

Pulswiederholfrequenz 20-50 kHz 20-100 kHz

Max. Pulsenergie 150 µJ 300 µJ

Pulslänge >100 ns >15 ns

Laserfokusdurchmesser 25 µm 60 µm

Tab. 1: Technische Merkmale der eingesetzten Laseranlagen

9

3.4 Laserbohrstrategien Beim Laserbohren wurden die Strategien Wendelbohren und Perkussionsbohren un-tersucht [6]. Das Prinzip des Wendelbohrens ist in Abb. 7 dargestellt. Dabei wird der Laserfokus mehrmals kreisförmig mit der Geschwindigkeit v über die Oberfläche bewegt, bis die Bohrung komplett eingebracht ist. Die Fokuslage des Laserstrahls wurde während des Bohrvorgangs nicht nachgeführt. Über den Wendeldurchmesser kann der Durchmesser der Bohrung variiert werden. Die Anzahl der für eine vollständige Boh-rung benötigten Wendel ist u.a. abhängig von der Wandstärke, der Pulsenergie und der Verfahrgeschwindigkeit. Ein weiterer wichtiger Parameter, der im Folgenden als Wartezeit bezeichnet wird, ist die Zeit zwischen der Strukturierung aufeinander fol-gender Wendel einer Bohrung. Sie beeinflusst den Grad der Schmelzebildung, da innerhalb dieser Zeit die eingebrachte Energie in das umgebende Material abfließen kann. Durch parallele Strukturierung mehrerer Bohrungen kann die Wartezeit verlän-gert werden ohne die Bohrzeiten maßgeblich zu vergrößern. Dabei werden, bis alle Durchdringungen eingebracht sind, zuerst die ersten Wendel aller Bohrungen, dann die zweiten Wendel aller Bohrungen usw. strukturiert.

Laserstrahl

Substratoberfläche

Laserstrahl

Substratoberfläche

Laserstrahl

Substratoberfläche

Abb. 7: Prinzip Wendelbohren Abb. 8: Prinzip Perkussionsbohren

Beim Perkussionsbohren (Abb. 8) wird der Fokus des Laserstrahls während des Bohrprozesses relativ zur Oberfläche nicht bewegt. Der Durchmesser der Bohrung kann über die Pulsenergie in engen Grenzen variiert werden. Mit dieser Strategie lassen sich daher nur kleine Bohrdurchmesser realisieren.

3.5 Metallisierung Bei dem in Kapitel 3.1 beschriebenen Semiadditiv-Prozess werden die Substrate nach dem Laserbohren der Vias in einem wässrigen Medium mittels Ultraschall ge-reinigt und dann in DI-Wasser gespült. Neben der Entfernung von Ablationsrückstän-den aus dem Bohrprozess soll dieser Schritt eine gute Benetzung der Oberfläche, vor allem der Bohrungen, gewährleisten. Die Oberfläche wird anschließend durch eine chemische Vorbehandlung aufgeraut. Anschließend erfolgt die kolloidale Be-keimung der vorbehandelten Oberfläche mit Palladium. Dieses Palladium dient bei der nun folgenden chemisch außenstromlosen Kupferabscheidung (ca. 5 µm) als Katalysator. Nach der Laserstrukturierung der Kupferstartschicht werden die Substra-te im Ultraschallbad gereinigt und anschließend selektiv das nicht ablatierte Restkup-fer mit einer ca. 5 µm dicken Nickelschicht verstärkt. Das Oberflächenfinish erfolgt durch Abscheidung einer ca. 100 nm dicken Schicht aus Tauchgold. Bei der an-

10

schließenden Temperung wird die in den Nassprozessen vom Kunststoff aufgenom-mene Feuchtigkeit entfernt und die Haftfestigkeit der Metallisierung auf den Substra-ten verbessert. Bei der in Kapitel 3.2 beschriebenen Laser-Direkt-Strukturierung werden die Substra-te nach dem Laserbohren der Vias und der Laseraktivierung des Leiterbilds mittels Ultraschall gereinigt. Dabei werden Ablationsrückstände von der Substratoberfläche entfernt. Anschließend wird in DI-Wasser gespült. Auf den laseraktivierten Strukturen der Substrate wird in einem chemisch außenstromlosen Kupferelektrolyten eine ca. 5µm dicke Kupferschicht abgeschieden. Damit eine zuverlässige Benetzung der Micro Vias mit dem Kupferelektrolyten gewährleistet ist, ist es unbedingt notwendig, dass die Prozessschritte Nass in Nass erfolgen. Weiterhin muss für eine ausreichen-de Substrat- bzw. Elektrolytbewegung gesorgt werden, damit es in den Vias nicht zu einer Elektrolytverarmung kommt, wobei dieser Aspekt mit zunehmendem Aspekt-verhältnis der Vias an Bedeutung gewinnt. Auf der Kupferschicht wird anschließend ca. 5 µm chemisch Nickel und 0,1 µm Tauchgold abgeschieden. Abschließend wer-den die Substrate getempert.

3.6 Verschluss von Micro-Vias Der Verschluss der lasergebohrten und spritzgegossenen Vias erfolgte durch Dis-pensen einer temperatur- oder UV-aushärtenden Vergussmasse auf die Vias. Hierfür wurde das automatische Bestücksystem place ALL der Fa. Fritsch mit einem Druck-Zeit gesteuerten Dispenser Clever-Dispens-04 der Fa. Martin verwendet. Die Benetzung der Oberfläche und die Verfüllung der Vias wird maßgeblich durch die Viskosität der Vergussmasse bestimmt. Weiterhin wurde untersucht, ob sich Micro-Vias nach der Kupfermetallisierung mittels Pulse-Plating durch selektiven Aufbau der Kupferschichten in den Vias verschließen lassen. Der Prozess des Pulse-Platings wird in [7] beschrieben.

11

4 Testsubstrate Für die Untersuchungen zur laserbasierten Herstellung von MID mit spritzgegosse-nen und lasergebohrten Durchdringungen wurde je ein Testsubstrat entworfen und aus verschiedenen Thermoplasten spritzgegossen. Erste Versuche zum Laserbohren erfolgten mit bereits vorhandenen Miniaturzugstäben.

4.1 Werkstoffe Für den Semiadditiv-Prozess ist ein nicht kernkatalytischer Thermoplast erforderlich. Die im Vorhaben untersuchten Substrate wurden aus LCP Vectra E820i spritzgegos-sen. Für LDS-Prozess wurden die folgenden laseraktivierbaren Thermoplasten eingesetzt:

• LCP Vectra E820i-LDS

• LCP Vectra E840i-LDS

• PBT/PET Pocan DP T7140

• PA6/6T Ultramid TKR 4380LS Wichtige Materialkenndaten zu den untersuchten Thermoplasten sind in Tab. 2 auf-geführt.

Vectra E820i

Vectra E820i-LDS

Vectra E840i-LDS

Ultramid TKR 4380 LS

Pocan DP T71040

Hersteller Ticona Ticona Ticona BASF Lanxess

Polymer LCP LCP LCP PA6/6T PBT/PET

Füllstoffe Mineral Mineral Mineral Glasfaser Glasfaser,

Mineral

Füllstoffanteil [%] 40 40 44 30 40

Zug-Modul [MPa] 8400 9000 9300 9700 12000

Bruchdehnung [%] 3,5 4 3,4 2,2 1,1

Schmelztemperatur [°C] 335 335 335 295 255

Wärmeformbeständigkeit (HDT/A) 1,8 MPa [°C] 220 220 227 270

250 (bei 0,45 MPa)

Ausdehnungskoeffizient längs / quer [ppm/K] 21 / 44 23 / 52 12 / 27 25 / 60 36 / 56

Tab. 2: Materialkenndaten der untersuchten Thermoplasten [8][9][10][11][12]

4.2 Testsubstrat 1 mit variabler Wandstärke Für Untersuchungen zum Laserbohren wurde ein erstes Testsubstrat mit unter-schiedlichen Wandstärken konzipiert und aus den in Kapitel 4.1 genannten Werkstof-fen spritzgegossen. Abb. 9 zeigt das ca. 12x16mm² große Substrat mit den stufen-förmig angeordneten Bereichen mit 200 µm, 400 µm, 600 µm und 800 µm Wandstär-ke. Die Öse dient zur Fixierung der Testsubstrate in einem Gestell im Metallisie-rungsbad. Halbkugelförmige Abstandshalter sollen ein Zusammenkleben der Sub- 12

strate bei der Durchführung des Metallisierungsprozesses in einer geeigneten Trom-mel verhindern.

Abstandshalter

Wandstärke800µm600µm400µm200µm

Abb. 9: Testsubstrat 1 mit Wandstärken zwischen 200 µm und 800 µm

Die in Abb. 10 dargestellten Querschliffe zeigen bei spritzgegossen Substraten aus unterschiedlichen Thermoplasten den Übergang in der Wandstärke von 200 µm auf 800 µm.

Abb. 10: Querschliffe durch Testsubstrat 1

Die Wandstärke der Testsubstrate wurde nach dem Spritzguss anhand von Quer-schliffen für jede Wandstärke an jeweils 9 Positionen überprüft. Die Ergebnisse sind in Abb. 11 in Abhängigkeit von Sollwandstärke und Thermoplast dargestellt.

13

Abb. 11: Gemessene Wandstärke von Testsubstrat 1 in Abhängigkeit vom verwende-

ten Thermoplast

4.3 Testsubstrat 2 mit spritzgießtechnisch realisierten Durch-dringungen

Ein zweites Testsubstrat wurde für die Untersuchung von Prozessen mit spritzgegos-senen Durchdringungen entworfen. Es wurden die drei in Abb. 12 dargestellten Via-geometrien realisiert. Die Stiftgeometrie ist nur für den semiadditiven Prozess geeig-net, da sich die senkrechte Wandung im LDS-Prozess nicht laseraktivieren lässt. Bei den kegelförmigen Geometrien beträgt der Einfallswinkel der Laserstrahlung zur O-berfläche der Wandung 70° bzw. 80°.

14

Stift Φ Ein-/ Austritt: 500 µm Flankenwinkel: 90° Wandstärke: 800 µm

Kegel 80° Φ Eintritt: ca. 480 µm Φ Austritt: 200 µm Flankenwinkel: 80° Wandstärke: 800 µm

Kegel 70° Φ Eintritt: ca. 780 µm Φ Austritt: 200 µm Flankenwinkel: 70° Wandstärke: 800 µm

Abb. 12: Viageometrien in Testsubstrat 2

Abb. 13 zeigt das Testsubstrat 2 mit den unterschiedlichen spritzgegossenen Vias. Auch bei diesem Substrat wurden eine Öse und Abstandshalter sowohl für den Ge-stell- als auch für den Trommelmetallisierungsprozess vorgesehen. Das Außenmaß ohne Öse beträgt 12x16mm². Als Eintrittsseite wird im Folgenden diejenige Seite be-zeichnet, von welcher die Laserbearbeitung erfolgte.

Abb. 13: Testsubstrat 2 mit spritzgegossenen Durchdringungen

15

5 Methoden zur Charakterisierung von Micro-Vias in MID

5.1 Optische Charakterisierung Die optische Charakterisierung der Testsubstrate erfolgte durch Betrachtung der O-berfläche an Ein- und Austrittsseite und von Querschliffen unter dem Mikroskop. Bei der Anfertigung von Querschliffen muss darauf geachtet werden, dass die Schliff-ebene in Deckung mit der Achse der Vias bzw. Bohrungen liegt, da sonst die unter-suchten Vias z.B. im Querschliff verschlossen erscheinen. Dies kann auf Grund der geringen Dimensionen der untersuchten Geometrien nicht immer gewährleistet wer-den und muss bei der Auswertung der Querschliffe berücksichtigt werden. Der Durchmesser von lasergebohrten Vias wurde optisch im Querschliff durch Vermes-sung unter dem Mikroskop bestimmt. Als Durchmesser einer Bohrung wird im Fol-genden, sofern nicht anders angegeben, der auf der Eintrittsseite gemessene Durchmesser bezeichnet. Weiterhin wurden exemplarisch REM-Aufnahmen der Substratoberflächen an Ein- und Austrittsseite angefertigt.

5.2 4-Leitermessung der Durchgangswiderstände Mithilfe der 4-Leitermessung können kleinste elektrische Widerstände, wie z.B. Ü-bergangswiderstände von Micro-Vias, bestimmt werden. In Abb. 14 ist das Messprin-zip dargestellt. Ein Strom I wird zwischen IHI und ILO in das Via mit dem ohmschen Widerstand RVia eingeprägt. Anhand des gemessenen Spannungsabfalls U zwischen UHI und ULO kann der Widerstand bestimmt werden. Der gemessene Widerstand ist unabhängig von den Widerständen der Zuleitungen.

RVia

UHi

ULo

IHi

ILo

Abb. 14: Prinzip der 4-Leitermessung

Für die 4-Leitermessung der Durchgangswiderstände wurde der Spitzenmessplatz PM5 der Firma Süss MicroTec und ein Multimeter Modell 2002 der Firma Keithley eingesetzt.

16

5.3 2-Leitermessung der Widerstände einer Daisy-Chain Bei der 2-Leitermessung von Vias in einer Daisy-Chain werden mehrere Vias, wie in Abb. 15 dargestellt, in Reihe ankontaktiert und der ohmsche Widerstand der Kette bestimmt. Der gemessene Widerstand setzt sich aus der Summe der Durchgangswi-derstände aller Vias, den Leitungswiderständen und den Widerständen der Messlei-tungen zusammen. Dieses Messverfahren eignet sich daher nicht zur Bestimmung einzelner Durchgangswiderstände. Es können aber mehrere Vias gleichzeitig über-wacht werden, da bei einem starken Anstieg des Widerstands oder Ausfall eines ein-zelnen Vias der Widerstand der gesamten Kette ansteigt.

RVia1

RVia2

RVia3

RVia4

RVia1R

Via1R

Via2R

Via2R

Via3R

Via3R

Via4R

Via4

Abb. 15: Vias in einer Daisy-Chain

Die 2-Leitermessung der Widerstände erfolgte mit einem Multimeter mit eingebautem Messstellenumschalter Modell 5017 der Firma Prema

5.4 Dichtheitsprüfung Zur Überprüfung der Dichtheit von Durchkontaktierungen nach dem Verschluss wur-de ein Messstand zur Bestimmung der Leckrate konzipiert und aufgebaut. Abb. 16 zeigt den schematischen Aufbau zur Bestimmung der Leckrate nach dem Druckän-derungsprinzip [13]. Das Testsubstrat mit den zu prüfenden verschlossenen Vias wird mittels eines Nie-derhalters auf eine Gummidichtung gedrückt und so die Prüfkavität verschlossen. Die Absperrhähne werden geöffnet und Prüf- und Referenzkavität durch Befüllen mit dem Prüfgas Stickstoff mit dem Prüfdruck p beaufschlagt. Nach Schließen der Absperr-hähne sinkt bei einer Leckage der Druck in der Prüfkavität ab. Die Druckdifferenz Δp zwischen Prüf- und Referenzkavität wird durch einen Differenzdrucksensor erfasst. Anhand des Differenzdruckverlaufs über der Zeit kann die Leckrate q bestimmt wer-den [14].

17

Dichtung

AbsperrhähneN2

Δp

Differenz-drucksensor

Referenz-kavität

Testsubstrat mit verschlos-senen Vias

Niederhalter

Prüf-kavität

Prüfgas

Abb. 16: Schematischer Messaufbau zur Bestimmung der Leckrate

Abb. 17 zeigt das Konstruktionsmodell der Substrataufnahme mit eingelegtem Sub-strat im Querschnitt. Prüf- und Referenzkavität wurden zur Minimierung der Einflüsse durch Temperaturschwankungen in einem Bauteil integriert. Auf Grund der Geomet-rie der Testsubstrate wurde die Abdichtung zwischen Substrataufnahme und Test-substraten durch eine rechteckige Flachweichdichtung realisiert.

Abb. 17: Substrataufnahme mit eingelegtem Testsubstrat

Der aufgebaute Messplatz ist in Abb. 18 dargestellt. Es wurde zusätzlich ein Absolut-drucksensor zur genauen Einstellung des Prüfdrucks und ein Sensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur integriert. Auf eine hohe Dichtheit der eingesetzten Ein-zelkomponenten, wie z.B. der Verrohrung, Dichtungen und Absperrhähne wurde ge-achtet. Die Verrohrung erfolgte durch Swagelok Anschlüsse. Als Differenzdrucksen-sor wurde ein PD23-1 der Firma DL-System mit einem Messbereich von 100 mbar eingesetzt. Die Erfassung der Messdaten erfolgte durch einen Messrechner. Die Dichtheit des Aufbaus wurde durch Referenzmessungen überprüft [14].

18

Abb. 18: Aufgebauter Messplatz zur Bestimmung der Leckrate von verschlossenen

Durchkontaktierungen

5.5 Temperaturwechseltest Für Untersuchungen zur Zuverlässigkeit der Durchkontaktierungen wurde ein be-schleunigter Temperaturwechsel durchgeführt. Die Tests wurden gemäß DIN 60068-2-14 mit einer Klimaschrank TSS 70/130 von CTS durchgeführt. Bei die-sem Test werden die zu prüfenden Bauteile mit einem Aufzug zwischen zwei tempe-rierten Kammern zykliert. Die Substrate wurden über 1000 Zyklen einem Tempera-turwechsel zwischen –40°C und 125°C bei einer jeweiligen Haltezeit von 10 Minuten ausgesetzt. Einzelne Substrate wurden unter verschärften Bedingungen zusätzlich zwischen –40°C und 150°C getestet. Die Haltezeit beschreibt die Verweildauer der Bauteile in jeder Kammer vor dem Temperaturwechsel. Durch eine Vorhaltetempera-tur von 10K wurde der verstärkten Erwärmung der Kaltkammer bzw. Abkühlung der Warmkammer beim Temperaturwechsel entgegengewirkt. Um einen Ausfall einzel-ner Vias in bestimmten Phasen, wie z.B. beim Wechsel in die Warmkammer, detek-tieren zu können, wurden die Vias online mittels 2-Leiterwiderstandsmessung über-wacht. Dabei wurden jeweils bis zu 40 Vias in Form einer Daisy-Chain verbunden und der Widerstand, wie in Kapitel 5.3 beschrieben, gemessen. Der Widerstand von bis zu 38 Daisy-Chains pro Test wurde mit einem Multiplexer in Abständen von 1-2 Minuten über die gesamte Laufzeit erfasst und gespeichert.

5.6 Feuchte-Wärme-Lagerung Bei der Feuchte-Wärme-Lagerung nach DIN 60068-2-67 werden die zu prüfenden Bauteile über einen festegelegten Zeitraum bei einer definierten Temperatur und Luftfeuchtigkeit gelagert. Für die Tests wurde eine Klimakammer CV-70/350 von CTS verwendet. Es wurde bei 85°C und 85% relativer Luftfeuchtigkeit über einen Zeitraum von 500h getestet. Zur Charakterisierung der Durchkontaktierungen wurde der Über-gangswiderstand jedes Vias vor und nach der Feuchte-Wärme-Lagerung bestimmt und Querschliffe angefertigt.

19

5.7 Mehrkomponenten-Industrieluft Die Umweltprüfung nach DIN EN 60068-2-60 mit Mehrkomponenten-Industrieluft wurde bei der Firma Harting durchgeführt. Substrate mit Durchkontaktierungen wur-den über 10 Tage einer Korrosionsprüfung mit strömendem Mischgas nach Methode 4 der Norm unterzogen. Die Methode beschreibt u.a. die Zusammensetzung des Prüfgases, bei Prüfungen nach Methode 4 besteht dieses aus H2S, NO2, Cl2 und SO2 [15].

5.8 Sprühnebelprüfung mit Natriumchlorid-Lösung Die Sprühnebelprüfung mit Natriumchlorid-Lösung nach DIN 50021-SS stellt keinen Standardtest für Schaltungsträger dar. Mit dieser Prüfung kann die Wirksamkeit von Korrosionsschutzsystemen untersucht werden. Substrate mit verschlossenen Durch-kontaktierungen wurden dieser Prüfung unterzogen, um die Porenfreiheit der Gold-schicht und die Schutzfunktion der Viaverfüllung zu untersuchen. Die Prüfungen über einen Zeitraum von 100h wurden bei der Firma Enthone durchgeführt.

20

6 Experimentelle Ergebnisse In diesem Kapitel wird zuerst auf die Ergebnisse der Untersuchungen zur Herstellung von Micro-Vias durch die in Kapitel 3 beschriebenen Verfahren eingegangen. Im zweiten Schritt wurde eine größere Anzahl von Durchkontaktierungen hergestellt und auf Dichtheit und Zuverlässigkeit überprüft.

6.1 Lasergebohrte Durchkontaktierungen

6.1.1 IR-Wendelbohren Für erste Versuche zum Wendelbohren mit dem IR-Laser wurden bereits vorhandene ebene Miniaturzugstäbe mit einer Dicke von 800 µm verwendet. Innerhalb eines Boh-rungsarrays wurden Wendelzahl und Verfahrgeschwindigkeit variiert. Um den Ein-fluss der Wartezeit tW zwischen der Strukturierung aufeinander folgender Wendel einer Bohrung zu untersuchen wurden die Bohrungen einmal mit einer Wartezeit von 50 ms und zum Vergleich mittels paralleler Strukturierung eingebracht. Untersucht wurde das IR-Wendelbohren in den Werkstoffen LCP E820i-LDS, LCP E840i-LDS, PBT/PET DP T7140 und PA6/6T TKR4380LS. Mit dem Mikroskop wurden Ein- und Austrittsseite der eingebrachten Bohrungen betrachtet und in Bezug auf Schmelze-bildung im Randbereich um die Bohrung bewertet. Abb. 19 und Abb. 20 zeigen die eingebrachten Bohrungen in LCP E820i-LDS. Mit abnehmender Verfahrgeschwindigkeit ist ein Wulst um die Bohrungen zu erkennen. Dieser kann auf ein verstärktes Aufschmelzen des Substrats im Randbereich zurück-geführt werden. Durch parallele Strukturierung wird der Schmelzewulst deutlich redu-ziert. Mit zunehmender Verfahrgeschwindigkeit nimmt die Anzahl der für eine voll-ständige Bohrung zu strukturierenden Wendel zu. Teilweise verbleibt ein Kern in der Bohrung.

200 1Wendelzahl n200 1200 1Wendelzahl n 200 1Wendelzahl n200 1200 1Wendelzahl n

50

1000

v [mm

/s]

50

1000

v [mm

/s]

LCP E820i-LDS: Variation der Verfahrgeschwindigkeit v und der Wendelzahl n

Abb. 19: Wartezeit tW=50ms Abb. 20: Parallele Strukturierung

Der Werkstoff LCP E840i-LDS zeigt beim Bohren ein dem LCP E820i-LDS ähnliches Verhalten. Die in Abb. 21 dargestellten Bohrungen in LCP E840i-LDS zeigen bei gleichen Parametern tendenziell eine geringere Schmelzebildung als in

21

LCP E820i-LDS. Die Anzahl der benötigten Wendel für eine vollständige Bohrung ist nahezu gleich.

200 1Wendelzahl n200 1200 1Wendelzahl n

50

1000v [m

m/s]

50

1000v [m

m/s]

LCP E840i-LDS: Variation der Verfahrge-schwindigkeit v und der Wendelzahl n

Abb. 21: Wartezeit tW=50ms

Beim Bohren von PBT/PET DP T7140 schmilzt der Randbereich um die Bohrungen auch bei höheren Geschwindigkeiten stark auf. Der Vergleich zwischen den Bohrun-gen mit tW=50ms in Abb. 22 und den parallel eingebrachten Bohrungen in Abb. 23 zeigt ausgeprägte Schmelzebildung, die, bedingt durch die höheren Wartezeiten, bei der parallelen Strukturierung geringer ausfällt. Im Vergleich zu den laseraktivierbaren LCP-Werkstoffen sind für eine Bohrung deutlich mehr Wendel zu strukturieren. Ein-zelne Glasfasern verbleiben auch bei hoher Wendelzahl in der Bohrung.


50

1000

v [mm

/s]

50

1000

v [mm

/s]

PBT/PET DP T7140: Variation der Verfahrgeschwindigkeit v und der Wendelzahl n


PA6/6T TKR4380LS zeigt beim Bohren ein dem PBT/PET DP T7140 ähnliches Ver-halten. Die Ergebnisse in Abb. 24 und Abb. 25 zeigen ebenfalls eine starke Schädi-gung im Randbereich um die Bohrungen. Bohrungen lassen sich nur mit geringen Verfahrgeschwindigkeiten einbringen und weisen ebenfalls Glasfaserreste auf.

22


50

1000

v [mm

/s]

50

1000

v [mm

/s]

PA6/6T TKR4380LS: Variation der Verfahrgeschwindigkeit v und der Wendelzahl n


Mit Verfügbarkeit des Testsubstrats 1 wurden Versuche zum Bohren unterschiedli-cher Wandstärken durchgeführt. Bei dem in Abb. 26 abgebildeten Teststruktur-Array ist in den verschiedenen Spalten eine Variation der Wartezeit und Verfahrgeschwin-digkeit dargestellt. Die Anzahl der strukturierten Wendel wurde in einem abhängig von der jeweiligen Verfahrgeschwindigkeit und Wandstärke sinnvollen Bereich variiert und nimmt von unten nach oben zu. Mit diesem Array wurden Testsubstrate der vier untersuchten laseraktivierbaren Werkstoffe strukturiert, wobei Wandstärken zwischen 200 µm und 800 µm untersucht wurden.

400200 600 800400200 600 800Verfahrgeschwindigkeit v [mm/s]

tW16ms

tW31ms

Wendel-zahl n

200µm

400µm

600µm

800µm

Wand-stärke200µm

400µm

600µm

800µm

Wand-stärke

Abb. 26: Teststruktur mit Variation der Verfahrgeschwindigkeit, Wendelzahl und War-

tezeit auf Testsubstrat 1

Mit der Teststruktur aus Abb. 26 wurden für das Bohren der laseraktivierbaren LCP-Werkstoffe geeignete Parameter ermittelt. Abb. 27 zeigt REM-Aufnahmen der Ein-

23

und Austrittseite von Laserbohrungen in LCP E820i-LDS für verschiedene Laserpa-rameter.

Abb. 27: REM-Aufnahmen der Ein- und Austrittsseite von Bohrungen in

LCP E820i-LDS

Bei Bohrungen, welche mit geringer Verfahrgeschwindigkeit hergestellt wurden, nimmt mit zunehmender Wandstärke der Schmelzewulst auf Ein- und Austrittsseite zu. Bei Bohrungen mit ausgeprägten Schmelzewulst wird, wie in den zugehörigen Querschliffen in Abb. 28 zu erkennen ist, das Substrat im Randbereich um die Boh-rung z.T. stark geschädigt.

Abb. 28: Querschiff von Bohrungen in LCP E820i-LDS

24

Die REM-Aufnahmen in Abb. 29 zeigen eine deutlich geringere Schmelzebildung beim Bohren des Werkstoffs LCP E840i-LDS.

Abb. 29: REM-Aufnahmen der Ein- und Austrittsseite von Bohrungen in

LCP E840i-LDS

Dies wird durch die zugehörigen Querschliffe in Abb. 30 bestätigt. Bohrungen, wel-che mit geringer Wartezeit und Verfahrgeschwindigkeit hergestellt wurden, weisen nur eine geringe Schädigung des Substrats im Randbereich auf.

Abb. 30: Querschiff von Bohrungen in LCP E840i-LDS

Abb. 31 und Abb. 32 zeigen die im Vergleich zu LCP schlechte Bohrbarkeit von PBT/PET DP T7140 und PA6/6T TKR4380LS mit dem IR-Laser. Selbst bei Bohrun-

25

gen in geringen Wandstärken wird der Randbereich um die Bohrungen stark ge-schädigt und Glasfasern freigelegt. In den geschädigten Bereichen weist die Oberflä-che nach der außenstromlosen Kupfermetallisierung Fehlstellen auf. Auf den Metalli-sierungsprozess wird in Kapitel 6.1.4 genauer eingegangen.

Abb. 31: IR-Wendelbohren von PBT/PET DP T7140

Abb. 32: IR-Wendelbohren von PA6/6T TKR4380LS

Die Versuche zum IR-Wendelbohren zeigten eine sehr gute Bohrbarkeit der Werk-stoffe LCP E820i-LDS und LCP E840i-LDS. Für das Bohren von PA6/6T TKR4380LS und PBT/PET DP T7140 konnten auf Grund der starken Tendenz zur Schmelzebil-dung keine geeigneten Parameter ermittelt werden.

26

6.1.2 UV-Wendelbohren Bei den Versuchen zum UV-Wendelbohren wurde eine ähnliche Teststruktur wie beim IR-Wendelbohren eingesetzt (Abb. 33). Der Thermoplast LCP E820i wurde nä-her untersucht, weiterhin wurde untersucht, ob sich durch den Einsatz eines UV-Lasers bei den Thermoplasten PA6/6T TKR4380LS und PBT/PET DP T7140 besse-re Ergebnisse erzielen lassen.

400200 600 800400200 600 800Verfahrgeschwindigkeit v [mm/s]

tW6ms

tW12ms

Wendel-zahl n

Abb. 33: Teststruktur zum UV-Wendelbohren mit Variation der Verfahrgeschwindig-

keit, Wendelzahl und Wartezeit

Beim UV-Wendelbohren von LCP E820i ließen sich mit mittleren Verfahrgeschwin-digkeiten und höherer Wartezeit sehr gute Bohrergebnisse erzielen (Abb. 34). Bei geringeren Verfahrgeschwindigkeiten schmilzt der Werkstoff stark auf, bei höheren Verfahrgeschwindigkeiten reicht die Pulsüberlappung auf Grund des geringeren Fo-kusdurchmessers nicht aus und es verbleiben vermehrt Materialreste in der Bohrung.

Abb. 34: UV-Wendelbohren von LCP E820i-LDS

Durch Verwendung eines UV-Lasers kann beim Bohren von PA6/6T TKR4380LS und PBT/PET DP T7140 das Aufschmelzen des Substrats nicht vermieden werden

27

(Abb. 35 und Abb. 36). Bei beiden Materialien wird auch bei geringen Wandstärken das Substrat im Bereich um die Bohrungen geschädigt. Somit wurden diese beiden Werkstoffe nicht weiter untersucht.

Abb. 35: UV-Wendelbohren von PBT/PET DP T7140

Abb. 36: UV-Wendelbohren von PA6/6T TKR4380LS

6.1.3 IR-Perkussionsbohren Durch Perkussionsbohren lassen sich feinste Bohrungen realisieren. Der zeitliche Abstand zwischen aufeinander folgenden Pulsen entspricht dem Kehrwert der an der Laseranlage eingestellten Pulswiederholfrequenz. Beim Perkussionsbohren der un-tersuchten Werkstoffe schmilzt, ähnlich wie beim Wendelbohren, das Substrat stark auf, wenn kontinuierlich und ohne Unterbrechung gebohrt wird. Es sollte daher zwi-schen den aus mehreren Einzelpulsen bestehenden Pulszügen eine Wartezeit einge-fügt werden, in der die eingebrachte Wärme ins umgebende Material abfließen kann. Das Perkussionsbohren mit dem IR-Laser wurde exemplarisch am Werkstoff LCP E820i-LDS untersucht. Es wurde die Anzahl der Pulse pro Pulszug und die An-zahl der Pulszüge innerhalb eines Arrays variiert. Abb. 37 zeigt die Eintrittsseite des strukturierten Arrays in LCP E820i-LDS.

28

Abb. 37: Testarray zum Perkussionsbohren von LCP E820i-LDS

Abb. 38 zeigt die unter dem Mikroskop vermessenen Bohrungsdurchmesser an Ein-trittsseite (ES) und Austrittsseite (AS) in Abhängigkeit von der Anzahl der Pul-se/Pulszug und der Wandstärke. Der Bohrungsdurchmesser skaliert mit der Anzahl der Pulse pro Pulszug und der Wandstärke.

Abb. 38: Bohrungsdurchmesser beim Perkussionsbohren von LCP E820i-LDS

Durch Perkussionsbohren lassen sich in LCP E820i-LDS feinste Bohrungen mit ei-nem Durchmesser kleiner als 80 µm realisieren.

29

6.1.4 Metallisierung Die Metallisierung von lasergebohrten Durchdringungen stellt auf Grund der z.T. ho-hen Aspektverhältnisse einen wichtigen Teilaspekt bei der Herstellung von Micro-Vias in MID dar. Durch IR-Wendelbohren wurden in Substrate aus LCP E820i-LDS innerhalb eines Arrays Bohrungen eingebracht und anschließend mit Kupfer, Nickel und Gold metal-lisiert. In den Spalten des Arrays wurde der Bohrungsdurchmesser zwischen 80 µm und 250 µm variiert. Abb. 39 zeigt das Array nach der Metallisierung mit Cu/Ni/Au. Die 16 Bohrungen einer Zeile sind in einer Daisy-Chain elektrisch verbunden. Das Array wurde auf die Bereiche mit Wandstärken zwischen 200 µm und 800 µm struk-turiert. Für jeden Durchmesser und jede Wandstärke des Testsubstrats wurden 80 Bohrungen hergestellt und mittels 2-Leiterwiderstandsmessung die Leitfähigkeit ü-berprüft. Es konnten dabei keine Ausfälle gemessen werden.

Abb. 39: Variation der Wendeldurchmesser bei Micro-Vias in LCP E820i-LDS

Von Bohrungen in LCP E820i-LDS mit Durchmessern zwischen 250 µm und 65 µm bei einer Substrat-Wandstärke von 800 µm wurden Querschliffe angefertigt um die Kupferschichtdicken in den Micro-Vias bestimmen zu können. Die Schliffebene ist in Abb. 40 dargestellt. Die feinste Bohrung mit einem Durchmesser von 65 µm wurde durch IR-Perkussionsbohren hergestellt.

Abb. 40: Schliffebene durch Micro-Vias in LCP E820i-LDS

Abb. 41 und Abb. 42 zeigen Querschliffe von Bohrungen mit einem Durchmesser von 230 µm bzw. 50 µm nach der Metallisierung. Die Kupferschichtdicke wurde in der Mitte der Vias optisch unter dem Mikroskop gemessen. Die Kupferschicht innerhalb des Vias mit dem Durchmesser von ca. 50 µm ist etwas dünner als die innerhalb des

30

Vias mit dem Durchmesser von ca. 230 µm. Dennoch wurde über die gesamte Länge des Vias eine dichte Kupferschicht abgeschieden.

Abb. 41: Via mit Durchmesser 230 µm nach Cu/Ni/Au-Metallisierung

Abb. 42: Via mit Durchmesser 50 µm nach Cu/Ni/Au-Metallisierung

Abb. 43 zeigt die gemessenen Kupferschichtdicken in Abhängigkeit vom Via-Durchmesser. Mit zunehmendem Aspektverhältnis der Vias wird die Kupferschichtdi-cke geringer. Dies kann mit einer Elektrolytverarmung durch geringeren Elektrolyt-austausch innerhalb der feinen Vias erklärt werden.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 50 100 150 200 250Via-Durchmesser Eintrittsseite [µm]

Kup

fers

chic

htdi

cke

[µm

]

Abb. 43: Abhängigkeit der Kupferschichtdicke vom Via-Durchmesser

31

Abb. 44: Semiadditiv hergestelltes Via in LCP E820i

Ähnliche Ergebnisse wurden bei der Metallisierung von Substraten erzielt, welche im Semiadditiv-Prozess hergestellt wurden (Abb. 44). Bei exemplarischen Versuchen zur Metallisierung der Testsubstrate mit Micro-Vias in einer Trommel konnten im Vergleich keine Unterschiede zur Metallisierung im Gestell beobachtet werden.

6.1.5 Bohrzeiten Vor allem bei der Produktion von Bauteilen mit einer hohen Anzahl von Durchkontak-tierungen ist es entscheidend, die Strukturierungszeit zu minimieren. Anhand der er-mittelten Bohrparameter für das IR-Wendelbohren von LCP E820i-LDS wurden daher die ausgehend von der verwendeten Laserquelle theoretisch möglichen minimalen Strukturierungszeiten berechnet. Beim parallelen Bohren mehrerer Bohrungen setzt sich die Strukturierungszeit aus der Bohrdauer und der Zeit, die für die Positionierung der Scannerspiegel zwischen den Bohrungspositionen benötigt wird, im Folgenden als Sprünge bezeichnet, zusammen. Die Bohrdauer wird bestimmt von der Zahl der Bohrungen, der Anzahl der zu strukturierenden Wendel und der Verfahrgeschwindig-keit. Die für Sprünge benötigte Zeit ist ebenfalls abhängig von der Zahl der Bohrun-gen und zu strukturierenden Wendel sowie von der Sprunggeschwindigkeit und dem mittleren Abstand zwischen den einzelnen Bohrungen. Bei der Berechnung wurde auf die Berücksichtigung von hochgradig anlagenspezifischen Parametern, wie La-tenzzeiten und Beschleunigung der Scannerspiegel verzichtet. Die Zeit, die für das Bohren einer Durchdringung benötigt wird, ist nahezu unabhängig von der Gesamt-zahl der Bohrungen. Die Fa. LPKF stellte eine Laseranlage mit höherer Leistung zur Verfügung, mit der ebenfalls Bohrparameter ermittelt wurden. Mit der stärkeren Strahlquelle war es mög-lich bei gleicher Pulsenergie aber einer im Vergleich zu der in Kapitel 3.3 beschrie-benen IR-Anlage am HSG-IMAT 50% höheren Pulswiederholfrequenz zu bohren.

32

0

10

20

30

40

50

60

70

80

200 400 600 800Wandstärke [µm]

Zeit

pro

Boh

rung

[ms]

Anteil SpringenAnteil Bohren

0

10

20

30

40

50

60

70

80

200 400 600 800Wandstärke [µm]

Zeit

pro

Boh

rung

[ms]

Anteil SpringenAnteil Bohren

Abb. 45: Bohrzeiten für IR-Anlage am HSG-IMAT

Abb. 46: Bohrzeiten für IR-Anlage höherer Leistung bei Fa. LPKF

Die in Abb. 45 und Abb. 46 dargestellten theoretisch möglichen Bohrzeiten für Vias mit 120 µm Durchmesser in 200 µm bis 800 µm Wandstärke wurden für einen mittle-ren Abstand zwischen den Bohrungen von 1,4 mm und einer Sprunggeschwindigkeit von 4000 mm/s berechnet. Die geringen theoretisch möglichen Bohrzeiten zeigen das große Potenzial der laserbasierten Herstellung von Micro-Vias in MID. Durch Verwendung einer stärkeren Strahlquelle lassen sich die Bohrzeiten nochmals deut-lich verringern.

6.1.6 Absorptionsverhalten der untersuchten Thermoplaste Die Ergebnisse beim Laserbohren verschiedener Thermoplaste deuten auf ein unter-schiedliches Absorptionsverhalten der Thermoplaste bei der Wellenlänge des einge-setzten IR-Lasers hin. Daher wurden am Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart Messungen zur Absorption der im Rahmen dieses Vorhabens verwendeten Thermoplaste durchgeführt. Hierfür wurden dünngeschliffene Proben mit einer Wolf-ram-Lampe bestrahlt und der Anteil der transmittierten Strahlung bestimmt. Nicht er-fasst werden konnte der an der Probenoberfläche reflektierte Anteil. Um den Anteil der Strahlung zu minimieren, die am Detektor vorbei gestreut wird, wurden die Pro-ben direkt vor dem Detektor befestigt. Mit dem verwendeten NIR-Ge-Detektor konnte Strahlung einer Wellenlänge zwischen 700 nm und 2000 nm erfasst werden. Die Ab-sorptionslänge der untersuchten Werkstoffe in diesem Wellenlängenbereich wurde anhand der Messergebnisse und der mit einem Taster ermittelten Probendicke be-rechnet. Die Absorptionslänge bezeichnet den Abstand zur Oberfläche, bei dem die Intensität auf 1/e der Intensität an der Oberfläche abgenommen hat. Für Messungen wurden Substrate auf eine Dicke zwischen 30 µm und 70 µm dünn-geschliffen und anschließend die Absorptionslänge bestimmt. Abb. 47 zeigt die aus den Spektren berechneten Absorptionslängen der untersuchten Werkstoffe für Wel-

33

lenlängen zwischen 700 nm und 2000 nm. Der für den Semiadditiv-Prozess verwen-dete Werkstoff LCP E820i weist die größte Absorptionslänge auf. Der Werkstoff LCP E820i-LDS unterscheidet sich von LCP E820i nur durch eine zusätzliche laser-aktivierbare Komponente. Die deutlich geringere Absorptionslänge kann daher durch Absorption an dieser Komponente erklärt werden. Bei den anderen untersuchten Werkstoffen stand kein Vergleichswerkstoff ohne laseraktivierbare Komponente zur Verfügung. Die im Vergleich zu den laseraktivierbaren LCP-Typen höhere Absorpti-onslänge der Werkstoffe PBT/PET DP T7140 und PA6/6T TKR4380LS kann u.a. durch eine geringere Absorption im Basismaterial, einen geringeren Anteil der laser-aktivierbaren Komponente oder durch die Füllstoffe erklärt werden. Die höhere Ab-sorptionslänge von PA6/6T TKR4380LS und PBT/PET DP T7140 könnte eine der Ursachen für die schlechte Bohrbarkeit sein. Wird die beim Bohren eingebrachte E-nergie in einem größeren Volumen absorbiert, so wird mehr Material aufgeschmolzen und weniger verdampft als bei der Absorption in einem geringen Volumen.

Abb. 47: Berechnete Absorptionslängen der untersuchten Thermoplaste für Wellen-

längen zwischen 700 nm und 2000 nm

34

6.2 Spritzgegossene Durchkontaktierungen Für die Untersuchungen zur Laser-Direkt-Strukturierung von spritzgießtechnisch rea-lisierten Durchdringungen wurde Testsubstrat 2 eingesetzt. Es wurden die Werkstoffe PBT/PET DP T7140, LCP E820i-LDS und LCP E840i-LDS untersucht. Die konischen Durchdringungen mit Flankenwinkeln von 70° und 80° konnten Sub-straten aller untersuchten Werkstoffe laseraktiviert werden. Abb. 48 zeigt Testsub-strat 2 aus LCP E820i-LDS nach der Metallisierung mit Cu/Ni/Au.

Abb. 48: LDS von spritzgegossenen Durchdringungen in LCP E820i-LDS

Abb. 49 und Abb. 50 zeigen Querschliffe von Vias in LCP E840i-LDS mit Flanken-winkeln von 70° und 80°.

Abb. 49: 70°-Via in Testsubstrat 2 aus LCP E840i-LDS im Querschliff

Abb. 50: 80°-Via in Testsubstrat 2 aus LCP E840i-LDS im Querschliff

Beim Spritzguss von Testsubstrat 2 aus LCP E820i konnte eine für diesen Werkstoff typische Bindenaht im Bereich der Durchdringungen beobachtet werden. Nach dem Spritzguss ist diese Bindenaht, wie Abb. 51 zeigt, nur an einer leichten Verfärbung zu erkennen. Bei dem für die Herstellung von spritzgegossenen Vias im Semiadditiv-Prozess notwendigen Ätzprozess wird die Bindenaht verstärkt angegriffen. Der ent-standene Spalt wird bei der Metallisierung der Kupferstartschicht ebenfalls beschich-tet.

35

Abb. 51: Bindenaht in LCP E820i Abb. 52: Metallisierte Bindenaht in LCP E820i

Die metallisierte Bindenaht (Abb. 52) kann bei der selektiven Ablation der Kupfer-startschicht nicht vollständig durchtrennt werden und fungiert als Kurzschlussbrücke. Der Semiadditiv-Prozess ist besonders für feinste Strukturbreiten geeignet. Auf wei-tere Versuche zur Reduzierung der Bindenähte im Spritzgießprozess wurde verzich-tet, da spritzgegossene Durchdringungen auf Grund der vergleichsweise großen Durchmesser nicht für feinste Pitches geeignet sind.

6.3 Verschluss von Micro-Vias Zum Verschluss von Micro-Vias wurden erste Versuche mit thermisch und UV-härtenden Vergussmassen bzw. Klebstoffen durchgeführt. Als weitere Variante wur-de das galvanische Verfüllen mittels Pulse-Plating untersucht.

6.3.1 Thermisch härtender Klebstoff Auf die Eintrittsseite von lasergebohrten Micro-Vias in Testsubstrat 1 wurde punkt-förmig unterschiedliche Mengen Klebstoff dispenst und anschließend im Ofen aus-gehärtet. Die Viskosität des nicht ausgehärteten Klebstoffs nimmt mit höheren Tem-peraturen ab. Während der Aushärtung im Ofen fließt der Klebstoff bevorzugt entlang der raueren Leiterbahnstrukturen. Ein Teil des dispensten Klebstoffs wird dadurch aus den Vias heraus gezogen, so dass nach dem Aushärten einzelne Vias unverfüllt blieben.

36

Mit geringem Dispensvolumen verfüllte Micro-Vias nach dem thermischen Aushärten

Abb. 53: Dispensseite Abb. 54: Rückseite

Abb. 53 und Abb. 54 zeigen die Dispens- und Rückseite von Micro-Vias, die mit einer geringen Klebstoffmenge verfüllt wurden. Nach dem Aushärten hatte der Klebstoff die Pads der Dispensseite vollständig benetzt, auf der Rückseite war kein Klebstoff zu erkennen.

Mit großem Dispensvolumen verfüllte Micro-Vias nach dem thermischen Aushärten


Auf die Micro-Vias in Abb. 55 und Abb. 56 wurde eine große Klebstoffmenge dispenst. In Abhängigkeit von der Padgeometrie wurden die Leiterbahnstrukturen auf der Dispensseite unterschiedlich stark vom Klebstoff bedeckt. Ein Teil des Klebstoffs floss durch die Vias und benetzte die Leiterbahngeometrien auf der Rückseite des Substrats. Dies führte trotz des großen Dispensvolumens zu unverfüllten oder un-gleichmäßig verfüllten Vias.

6.3.2 UV-härtender Klebstoff mit niedriger Viskosität Die Untersuchungen zum Verfüllen von Vias mit einem niedrig viskosen UV-härtenden Klebstoff erfolgten auf Vias in Testsubstrat 2. Es wurden unterschiedliche Klebstoffmengen auf die Eintrittsseite von lasergebohrten Vias dispenst und an-schließend mit UV-Licht ausgehärtet. Die Mikroskopaufnahmen in Abb. 57 bis 37

Abb. 60 zeigen Micro-Vias, die mit unterschiedlichen Klebstoffmengen verfüllt wur-den. Bedingt durch die geringe Viskosität des untersuchten Klebstoffs fließt auch bei geringer Dispensmenge ein Teil des Klebstoffs durch die Vias und benetzt die Leiter-bahngeometrien auf der Rückseite.

Mit geringem Dispensvolumen verfüllte Micro-Vias nach dem Aushärten mit UV-Licht


Mit großem Dispensvolumen verfüllte Micro-Vias nach dem Aushärten mit UV-Licht


Abb. 61 zeigt einen Querschliff durch verfüllte Vias nach dem Aushärten mit UV-Licht. Durch die gute Benetzung der Oberfläche durch den Klebstoff kann ein Teil der dispensten Klebstoffmenge vor dem Aushärten wieder aus dem Via laufen. Dies kann zu Schwankungen im Füllgrad führen, die sich nicht durch ein größeres Dis-pensvolumen vermeiden lassen.

38

Abb. 61: Querschliff durch verfüllte Vias nach dem Aushärten mit UV-Licht

Das Dispensvolumen des untersuchten Klebstoffs mit niedriger Viskosität ist stark abhängig von den Umgebungsbedingungen während des Dispensprozesses. Gerin-ge Änderungen der Umgebungstemperatur führen zu einer Änderung der Viskosität und damit zu Schwankungen der dispensten Klebstoffmenge.

6.3.3 UV-härtender Klebstoff mit hoher Viskosität Beim Dispensen des höher viskosen UV-härtenden Klebstoffs auf lasergebohrte Vias in Testsubstrat 1 wurde ebenfalls die Klebstoffmenge variiert und anschließend durch beidseitige Bestrahlung mit UV-Licht ausgehärtet.

Mit geringem Dispensvolumen verfüllte Micro-Vias nach dem Aushärten mit UV-Licht

Abb. 62: Dispensseite Abb. 63: Querschliff

Im Unterschied zu den vorhergehenden Versuchen fließt der Klebstoff auf Grund sei-ner hohen Viskosität kaum. Die Mikroskopaufnahmen der dispensseitigen Oberfläche in Abb. 62 und Abb. 64 zeigen verfüllte Micro-Vias nach dem Aushärten mit UV-Licht. Der Bereich um die Vias ist von ausgehärtetem Klebstoff bedeckt. Der Klebstoff fließt im Gegensatz zu den niedrig viskosen Klebstoffen nicht bevorzugt entlang der Lei-terbahnen. Schwankungen im Füllgrad der Vias, wie im Querschliff in Abb. 63 zu se-hen, können daher durch ein höheres Dispensvolumen vermieden werden.

39

Mit großem Dispensvolumen verfüllte Micro-Vias nach dem Aushärten mit UV-Licht


Abb. 65 zeigt, dass mit einem größeren Dispensvolumen alle Vias komplett verfüllt werden können. Die Bedeckung der Leiterbahnen durch den ausgehärteten Klebstoff ist auf Grund der hohen Viskosität lokal begrenzt und sollte zu keiner Beeinträchti-gung der Funktion führen. Die Aufnahme von der Rückseite des verfüllten Substrats in Abb. 66 zeigt, dass auch bei großem Dispensvolumen kein Klebstoff durch die Vi-as fließt.

Abb. 66: Rückseite des Substrats mit Micro-Vias nach dem Verfüllen und Aushärten

Für das Verfüllen der spritzgegossenen Vias durch Dispensen eines Klebstoffs eignet sich auf Grund der größeren geometrischen Abmessungen nur ein Klebstoff mit ho-her Viskosität. Abb. 67 zeigt die Dispensseite von spritzgegossenen Vias nach dem Verfüllen. Im Querschliff in Abb. 68 ist zu erkennen, dass trotz des größeren Austritt-durchmessers kein Klebstoff aus dem Via fließt.

40

Spritzgegossene Vias nach dem Verfüllen mit UV-härtendem Klebstoff


Die besten Ergebnisse beim Verfüllen von lasergebohrten und spritzgegossenen Vi-as konnten durch Dispensen von UV-härtendem Klebstoff mit hoher Viskosität erzielt werden. Der Verschluss von Durchkontaktierungen für die folgenden Untersuchun-gen zur Dichtheit und Zuverlässigkeit erfolgte daher mit höher viskosem UV-härtenden Klebstoff.

6.3.4 Verschluss mittels Pulse-Plating Durch die Fa. Enthone wurden Versuche zum Verschluss von lasergebohrten und mit einer Kupferschicht metallisierten Vias in LCP E840i-LDS durch Pulse-Plating durch-geführt. Abb. 69 zeigt Querschliffe von Micro-Vias nach dem Pulse-Plating. Ein selek-tiver Aufbau von Kupfer in den Vias konnte nicht erreicht werden, da die Rauheit der Leiterbahnstrukturen und der Wulst an Ein- und Austrittsseite der Vias zu hoch war.

Abb. 69: Durch Pulse-Plating teilweise verschlossene Micro-Vias in Testsubstrat 1 bei

Wandstärken zwischen 200 µm und 800 µm

41

6.4 Bestimmung der Leckrate Im ersten Schritt wurden Langzeitmessungen durchgeführt um den in Kapitel 5.4 be-schriebenen Messstand hinsichtlich seiner Empfindlichkeit zu charakterisieren und mögliche Fehlerquellen auszumachen. Durch Kurzzeitmessungen einer größeren Anzahl von Substraten mit lasergebohrten und spritzgegossenen Vias wurde an-schließend die Verfüllung auf Dichtheit überprüft. Als Dichtheitskriterium wurde im Rahmen des projektbegleitenden Ausschusses eine Leckrate kleiner 10-4mbar l/s bei einem Überdruck von 1 bar festgelegt.

6.4.1 Langzeitmessung Im Rahmen der Langzeitmessungen wurden Substrate mit verschlossenen Vias und Referenzsubstrate ohne Vias über einen Zeitraum von jeweils 17 Stunden mit 2 bar Überdruck beaufschlagt. Als Prüfgas wurde Stickstoff verwendet. In Substraten mit lasergebohrten Vias befanden sich jeweils 10 verschlossene Vias und in Substraten mit spritzgegossenen Vias jeweils 12 Vias. Um die Prüfung durchführen zu können wurden die 5 stiftförmigen Durchdringungen in Testsubstrat 2 ebenfalls verschlossen. Es wurden Substrate mit Vias mit einem Durchmesser von 120 µm oder 150 µm bei Wandstärken von 200 µm, 400 µm oder 800 µm vermessen. Der Versuchsplan ist in Tab. 3 dargestellt.

Prozess Werkstoff Vias proSubstrat Geometrie Wand-

stärkeSub-strate

Leckrate[mbar l/s]

200 µm 1 <1e-6400 µm 1 <1e-6800 µm 1 <1e-6200 µm 1 <1e-6400 µm 1 <1e-6800 µm 1 <1e-6

1PBT/PETDP T7140 <1e-6

Laserbohren von Vias LCPE820i-LDS 10

150µm Durchmesser(Eintrittsseite)


LDS von spritzgieß-technisch realisiertenDurchdringungen

7 Vias: 70° Flankenwinkel5 Vias: 80° Flankenwinkel 800 µm12

Tab. 3: Versuchsplan Langzeitmessung der Leckrate

Abb. 70 zeigt exemplarisch den gemessenen Druckabfall in der Prüfkavität relativ zur Referenzkavität über der Messdauer für Substrate mit und ohne Vias. Der Druckab-fall zum Zeitpunkt 0 kann auf das Schließen der Absperrhähne und die damit einher-gehende unsymmetrische Verdrängung von Gas zurückgeführt werden. Kurzfristige Änderungen in der Umgebungstemperatur können zu unsymmetrischen Druckände-rungen in den Kavitäten führen, wie z.B. an der grünen Kurve in Abb. 70 erkennbar.

42

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17Zeit [h]

Dru

ckab

fall

[ mba

r]

Substrat mit 10 lasergebohrten Vias

Substrat ohne Vias

Substrat mit spritzgegossenenDurchdringungen

Abb. 70: Gemessener Druckabfall in der Prüfkavität über 17 Stunden im Vergleich

Anhand des gemessenen Druckabfalls kann die Leckrate berechnet werden. Abb. 71 zeigt die berechneten Leckraten über der Messdauer. Die geringen Leckraten zeigen die hohe Empfindlichkeit und Dichtheit des aufgebauten Prüfstands. Die gemesse-nen Leckraten beziehen sich immer auf das Gesamtsystem und können daher nicht ausschließlich den verschlossenen Vias zugeordnet werden. Mit dem Prüfaufbau kann daher nur die Obergrenze für die Leckrate der Vias eines Substrates bestimmt werden. Es zeigten sich keine systematischen Unterschiede zwischen Substraten mit und ohne Vias. Die scheinbar höhere gemessene Leckrate der Substrate ohne Vias kann z.B. auf Temperatureinflüsse oder eine stetige Kompression der eingesetzten Dichtungen zurück geführt werden. Die Langzeitmessungen zeigen, dass die Gren-zen der Genauigkeit des verwendeten Messprinzips bei einer Leckrate in der Grö-ßenordnung von 10-6 bis 10-7mbar l/s liegt und damit für eine Überprüfung einer ma-ximal zulässigen Leckrate von 10-4mbar l/s mehr als ausreichend ist. Für alle durch Langzeitmessung überprüften verschlossenen Durchkontaktierungen konnte eine Leckrate von kleiner 10-6mbar l/s ermittelt werden.

43

1,0E-08

1,0E-07

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17Zeit [h]

Ber

echn

ete

Leck

rate

[mba

r*l/s

]

Substrat mit 10 lasergebohrtenViasSubstrat ohne Vias

Substrat mit spritzgegossenenDurchdringungen

max. zulässige Leckrate eines einzelnen Vias: 1,0E-04 mbar*l/s

Abb. 71: Berechnete Leckrate über 17 Stunden

6.4.2 Kurzzeitmessungen Die Dichtheit von lasergebohrten Vias mit Durchmessern von 120 µm und 150 µm in Wandstärken zwischen 200 µm und 800 µm und spritzgegossenen Vias bei 70° und 80° Flankenwinkel wurde durch eine Messung über einen Zeitraum von 3 Minuten überprüft. Der Versuchsplan ist in Tab. 4 dargestellt.

Prozess Werkstoff Vias proSubstrat Geometrie Wand-

stärkeSub-strate

Leckrate[mbar l/s]

200 µm 3 <1e-5400 µm 4 <1e-5800 µm 4 <1e-5200 µm 4 <1e-5400 µm 4 <1e-5800 µm 4 <1e-5

LCP E820i-LDS 2 <1e-5

LCPE840i-LDS 4 <1e-5

PBT/PETDP T7140 5

1 Viaundicht (2e-4)

7 Vias: 70° Flankenwinkel5 Vias: 80° Flankenwinkel 800 µm

LDS von spritzgieß-technisch realisiertenDurchdringungen

12

Laserbohren von Vias LCPE820i-LDS



10

Tab. 4: Versuchsplan Kurzzeitmessung der Leckrate

99,8% aller ca. 430 überprüften Vias wiesen eine Leckrate <<10-4mbar l/s auf und waren daher den Anforderungen nach dicht. Bei einem Substrat mit spritzgegosse-nen Vias konnte ein kontinuierlicher Druckabfall in der Prüfkavität gemessen werden. Abb. 72 zeigt exemplarisch den gemessenen Druckabfall über 3 Minuten für das un-dichte Substrat, ein dichtes Substrat mit Vias und ein Referenzsubstrat ohne Vias.

44

0

2

4

6

8

10

12

14

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180Zeit [s]

Dru

ckab

fall

[ mba

r]

Substrat mit LeckSubstrat ohne LeckSubstrat ohne Vias

Abb. 72: Gemessener Druckabfall in der Prüfkavität über 3 Minuten im Vergleich

Abb. 73 zeigt die berechneten Leckraten. Die Leckrate des undichten Substrats be-trug 2*10-4mbar l/s. Mittels einer Lecksuchflüssigkeit konnte das undichte Via auf dem Substrat lokalisiert werden.

1,0E-08

1,0E-07

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

0 20 40 60 80 100 120 140 160Zeit [s]

Ber

echn

ete

Leck

rate

[mba

r*l/s

]

Substrat mit LeckSubstrat ohne LeckSubstrat ohne Vias

max. zulässige Leckrate eines Vias: 1,0E-04 mbar*l/s

Abb. 73: Berechnete Leckrate über 3 Minuten im Vergleich

Anhand des Querschliffes in Abb. 74 konnte das Leck auf eine unzureichende Verfül-lung auf Grund von Gasblasen in der Verfüllmasse zurück geführt werden.

45

Abb. 74: Querschliff durch undichtes Via mit unzureichender Verfüllung

6.5 Untersuchungen zur Zuverlässigkeit Die Zuverlässigkeit von verfüllten und unverfüllten Durchkontaktierungen wurde mit-tels Temperaturwechseltest, Feuchte-Wärme-Lagerung und Korrosionsprüfung mit strömendem Mischgas untersucht. Mittels einer Sprühnebelprüfung mit Natriumchlo-rid wurde untersucht, inwiefern Durchkontaktierungen durch Verfüllen vor korrosiven Medien geschützt werden können. Die Untersuchungen wurden an Substraten durchgeführt, bei welchen die Vias durch Dispensen von UV-härtendem Klebstoff mit hoher Viskosität und anschließendem Aushärten durch beidseitige Bestrahlung mit UV-Licht hergestellt wurden.

6.5.1 Temperaturwechseltest Verfüllte und unverfüllte Durchkontaktierungen wurden in je einem Temperatur-Wechsel-Test nach DIN 60068-2-14 mit beschleunigter Umlagerung zwischen -40°C und 125°C über 1000 Zyklen geprüft. Die Haltezeit auf jedem Temperaturniveau be-trug 10 Minuten bei einer Vorhaltetemperatur von 10°C. Die in Tab. 5 aufgeführte Anzahl von untersuchten Vias der jeweiligen Varianten wurde sowohl verfüllt als auch unverfüllt geprüft.

SemiA

LCPE820i-LDS

LCPE840i-LDS

LCPE820i

LCPE820i-LDS

LCPE840i-LDS

PBT/PETDP T7140

Wandstärke200 µm - - -400 µm 80/80 80/120 80/80600 µm - - -800 µm 80/80 80/120 80/80

Geometrie70° 56 56 5680° 40 40 40Stift

Anzahl getesteterlasergebohrter Micro-Vias

Durchmesser 120µm / 150µm

Anzahl getesteterspritzgegossener Micro-Vias

Testsubstrat 1

LDSProzess

Werkstoff

Testsubstrat Testsubstrat 2

LDS

Tab. 5: Versuchplan Temperaturwechseltests

46

Um eine möglichst große Anzahl von Vias während des gesamten Tests online ü-berwachen zu können, wurden je nach Geometrie und Substrat jeweils zwischen 20 und 40 Vias in Daisy-Chain Anordnung kontaktiert und der ohmsche Widerstand während der Temperaturwechsel durch 2-Leitermessung bestimmt und aufgezeich-net. Die elektrische Verbindung des Widerstandsmessgeräts außerhalb der Kammer mit den Substraten in der Kammer erfolgte durch Anlöten von Messkabeln mit einem Lötkolben.

Abb. 75: 2-Leiter Messung von jeweils 20-40 Vias in Daisychain über Zyklenzahl

Im Diagramm in Abb. 75 sind exemplarisch die gemessenen Widerstandswerte von lasergebohrten und spritzgegossenen Vias über 1000 Zyklen Temperaturwechsel aufgetragen. Die Widerstände der einzelnen Daisychains schwanken zwischen zwei Grenzwerten, da die Widerstände der Vias, Leiterbahnstrukturen und Messleitungen von der Kammertemperatur abhängen. Kleine Schwankungen der Grenzwerte kön-nen auf Schwankungen in der Umgebungstemperatur und der damit einhergehenden Widerstandsänderung der Messleitungen zurückgeführt werden. Über die gesamte Messdauer von 1000 Zyklen konnten keine Ausfälle detektiert werden. Nach dem Temperaturwechseltest wurden die Durchkontaktierungen in den Substra-ten optisch untersucht. Dabei zeigten sich bei den verfüllten Vias Risse in der Ver-gussmasse. Diese Risse konnten bei allen untersuchten Werkstoffen beobachtet werden. Die Abbildungen Abb. 76 und Abb. 77 zeigen exemplarisch einen derartigen Riss in der Verfüllung.

47

Abb. 76: REM-Aufnahme von Riss in der

Verfüllung nach Temperatur-wechseltest

Abb. 77: Querschliff von Riss in der Ver-füllung nach Temperaturwech-seltest

An die unverfüllten Vias wurden nach den ersten 1000 Temperaturzyklen und nach Abschluss der optischen Begutachtung erneut Messkabel angelötet um die Substrate einem weiteren verschärften Temperaturwechseltest zwischen –40°C und 150°C zu unterziehen. In Tab. 6 sind detailliert die abschließenden Ergebnisse der Temperaturwechseltests von unverfüllten lasergebohrten Micro-Vias aufgelistet. Bei einem Substrat mit semi-additiv hergestellten Micro-Vias wurde beim Anlöten der Messkabel ein Pad zerstört, so dass dieses nicht weiter getestet werden konnte. Bei den semiadditiv hergestell-ten Micro-Vias konnte im Verlauf der insgesamt 5000 Zyklen ein kontinuierlicher An-stieg des ohmschen Widerstands der gesamten Daisychain um, je nach Geometrie, 3% bis 20% beobachtet werden. Selbst nach 5000 Temperaturzyklen konnten jedoch bei keiner Aufbauvariante Ausfälle beobachtet werden. Die Ergebnisse der Temperaturwechseltests von unverfüllten spritzgegossenen Vias zeigt Tab. 7. Bei den Substraten aus PBT/PET DP T7140 wurden die Leiterbahnpads beim wiederholten Anlöten der Messkabel mit dem Handlötkolben zerstört, so dass mit diesen Substraten keine weiteren Temperaturzyklen durchgeführt werden konn-ten. Bei einer Daisychain, bestehend aus 28 spritzgegossenen Durchkontaktierungen mit 70° in LCP E820i-LDS, wurden beim Einfahren in die Heißkammer Online hohe Widerstände gemessen. Die Ursache hierfür kann der Ausfall mindestens einer Komponente der Daisychain, wie z.B. einer Durchkontaktierung, sein.

48

Werkstoff(Prozess)

Durch-messer

[µm]

Wand-stärke[µm]

Anzahl getesteter

Vias

Anzahl Zyklen(-40° / +125°C)

+(-40° / +150°C)

Ausfälle

400 (1000) + (4000) Keine

800 (1000) + (4000) Keine

400 (1000) + (4000) Keine

800 (1000) + (4000) Keine

400 (1000) + (4000) Keine

800 (1000) + (4000) Keine

400 (1000) + (4000) Keine

800 (1000) + (4000) Keine

400 (1000) + (4000) Keine

800 (1000) + (4000) Keine

40 (1000) Keine

40 (1000) + (4000) Keine

150 800 80 (1000) + (4000) Keine

120

80120

80150

80

120

80

LCPE820i-LDS(LDS-Prozess)


LCPE820i(Semiadditiv-Prozess) 400150

120

150

Tab. 6: Ergebnisse der Temperaturwechseltests von unverfüllten lasergebohrten

Micro-Vias

Werkstoff(Prozess)

ViaGeo-

metrie

Anzahl getesteter

Vias

Anzahl Zyklen(-40° / +125°C)

+(-40° / +150°C)

Ausfälle

28

4080°

80°



5670°PBT/PET DP T7140(LDS-Prozess)

28

4080°

70°

5670°

40 (1000) + (4000)

(1000)

(1000)

(1000) + ?

(1000) + (4000)

(1000) + (4000)

(1000) + (4000)

Keine

siehe Text

siehe Text

siehe Text

Keine

Keine

Keine

Tab. 7: Ergebnisse der Temperaturwechseltests von unverfüllten spritzgegossenen

Vias

49

6.5.2 Feuchte-Wärme-Lagerung Verfüllte und unverfüllte Vias wurden über 500 Stunden bei einer Temperatur von 85°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85% gelagert. Vor und nach der Feuch-ten-Wärme-Lagerung wurde der ohmsche Widerstand jedes Vias mittels 4-Leitermessung bestimmt.

SemiA

LCPE820i-LDS

LCPE840i-LDS

LCPE820i

LCPE820i-LDS

LCPE840i-LDS

PBT/PETDP T7140

Wandstärke200 µm 50 / 30 50 / 40 50 / 50400 µm 50 / 30 50 / 40 50 / 50600 µm 50 / 30 50 / 40 50 / 50800 µm 50 / 30 50 / 40 50 / 50

Wandstärke200 µm 50 / 40 50 / 40 50 / 50400 µm 50 / 40 50 / 40 50 / 50600 µm 50 / 40 50 / 40 50 / 50800 µm 50 / 40 50 / 40 50 / 50

Geometrie70° 50 / 50 50 / 50 50 / 5080° 50 / 50 50 / 50 50 / 50Stift


Durchmesser 120 µmunverfüllt / verfüllt

Anzahl getesteterspritzgegossener Micro-Viasunverfüllt / verfüllt

Testsubstrat 1

LDSProzess

Werkstoff

Testsubstrat Testsubstrat 2

LDS


Durchmesser 150 µmunverfüllt / verfüllt

Tab. 8: Versuchsplan Feuchte-Wärme-Lagerung

Es wurden insgesamt ca. 2800 Vias untersucht. Der Versuchsplan ist in Tab. 8 dar-gestellt.

-5 0 5 10 15 20

LCP E820i-LDS(LDS)

LCP E840i-LDS(LDS)

PBT/PET DP T7140(LDS)

LCP E820i(Semiadditiv)

LCP E820i-LDS(LDS)

LCP E840i-LDS(LDS)

Relative Widerstandsänderung [%]

verfüllt unverfüllt

Lasergebohrte ViasDurchmesser 120µm

Spritzgegossene Vias80° Flankenwinkel

Abb. 78: Relative Widerstandsänderung durch Feuchte-Wärme-Lagerung

50

Anhand der gemessenen ohmschen Widerstände vor und nach dem Test kann die relative Widerstandsänderung bedingt durch die Feuchte-Wärme-Lagerung berech-net werden. In Abb. 78 sind exemplarisch Ergebnisse für lasergebohrte und spritzge-gossene Vias dargestellt. Die einzelnen Werte im Diagramm repräsentieren den Mit-telwert und die Standardabweichung von, je nach Geometrie, zwischen 30 und 50 vermessenen Vias. Es konnten nur geringe Unterschiede zwischen verfüllten und unverfüllten Vias beobachtet werden. Die insgesamt sehr geringen Widerstandsän-derungen lassen auf eine sehr hohe Zuverlässigkeit der hergestellten Durchkontak-tierungen schließen.

Abb. 79: Riss in der Verfüllung nach Feuchte-Wärme-Lagerung (REM-Aufnahme)

Abb. 80: Riss in der Verfüllung nach Feuchte-Wärme-Lagerung (Querschliff)

Nach der Feuchte-Wärme-Lagerung wurden die Vias optisch charakterisiert. Dabei wurden Risse in der Verfüllung von spritzgegossenen Durchkontaktierungen festge-stellt. Die Risse konnten im Grenzbereich zwischen Metallisierung und Verfüllmasse beobachtet werden (Abb. 79) und führten, wie im Querschliff in Abb. 80 zu sehen, zur Delamination der Verfüllung von der Metallisierung. In keinem Fall wurde jedoch eine Delamination der Metallschicht vom Kunststoffsubstrat beobachtet.

6.5.3 Mehrkomponenten-Industrieluft Die Prüfung mit Mehrkomponenten-Industrieluft wurde wie in Kapitel 5.7 beschrieben durchgeführt. Es wurden nur verschlossene Durchkontaktierungen geprüft, der Ver-suchsplan ist in Tab. 9 dargestellt. Vor und nach der Prüfung wurde ebenfalls bei je-dem Via der ohmsche Widerstand durch 4-Leitermessung bestimmt.

51

SemiA

LCPE820i-LDS

LCPE840i-LDS

LCPE820i

LCPE820i-LDS

LCPE840i-LDS

PBT/PETDP T7140

Wandstärke200 µm 30 30 30400 µm 30 30 30600 µm 30 30 30800 µm 30 30 30

Wandstärke200 µm 30 30 30400 µm 30 30 30600 µm 30 30 30800 µm 30 30 30

Geometrie70° 35 35 3580° 35 35 35Stift

Testsubstrat 2

LDS


Durchmesser 120 µm

Testsubstrat 1

LDSProzess

Werkstoff

Testsubstrat


Durchmesser 150 µm

Anzahl getesteterspritzgegossener Micro-Vias

Tab. 9: Versuchsplan Prüfung durch Mehrkomponenten-Industrieluft

In Abb. 81 ist exemplarisch die relative Widerstandsänderung der untersuchten Durchkontaktierungen dargestellt. Die sehr geringen Widerstandsänderungen zeigen eine gute Beständigkeit der Durchkontaktierungen gegenüber dem korrosiven Mischgas bzw. eine gute Schutzfunktion der Verfüllung.

-5 0 5 10 15 20

LCP E820i-LDS(LDS)

LCP E840i-LDS(LDS)

PBT/PET DP T7140(LDS)

LCP E820i(Semiadditiv)

LCP E820i-LDS(LDS)

LCP E840i-LDS(LDS)

Relative Widerstandsänderung [%]

Lasergebohrte ViasDurchmesser 120µm

Spritzgegossene Vias80° Flankenwinkel

Abb. 81: Relative Widerstandsänderung durch Prüfung mit Mehrkomponenten-

Industrieluft

Nach der Prüfung wurden die Vias optisch untersucht und exemplarisch Querschliffe angefertigt. Dabei konnten keine Auffälligkeiten beobachtet werden.

52

6.5.4 Sprühnebelprüfung mit Natriumchlorid-Lösung Verschlossene Durchkontaktierungen wurden, wie in Kapitel 5.8 beschrieben, einer Sprühnebelprüfung mit Natriumchlorid-Lösung unterzogen. Die Sprühnebelprüfung mit NaCl-Lösungen stellt keine gebräuchliche Prüfung für ungekapselte Schaltungs-träger dar. Bei der Prüfung wurde daher teilweise die Metallschicht angegriffen. Es konnten trotz des harten Tests elektrisch keine Unterbrechungen in den Durchkon-taktierungen gemessen werden, was auf eine schützende Funktion der Verfüllmasse schließen lässt.

53

7 Literatur [1] Eberhardt, W.: „MID-Technik zum Aufbau multifunktionaler 3-D Packages“;

MIMOT Advantage Days, Lörrach, 16.06.2005 [2] Ahrendt, D.: „Laserstrukturierung von Feinst-Pitch-MID“; Workshop – Innovati-

ve Anwendungen der MID-technik, Stuttgart, 05.10.2005 [3] Ahrendt, D., Eberhardt, W., Kück, H.: „Feinste Leiterbahnen auf MID-Bauteilen

aus laseraktivierbaren Thermoplasten“; 19. Stuttgarter Kunststoff-Kolloquium 2005, Stuttgart, 09.-10.03.2005

[4] Spanier, G., Eberhardt, W., Ahrendt, D., Oprea, M., Zippmann, V., Legewie, F., Mokwa, W., Kück, H.: “Biocompatible Assembling and Packaging Technol-ogy Demonstrated by Integration of a Microsensor on a Micro Blood Pump”; Proceedings of IEEE Sensors, Toronto/ Canada, (2003)

[5] Schlüter, R., Rösener, B., Kickelhain, J., Naundorf, G.: „Completely Additive Laser-Based Process for the Production of 3D MIDs – The LPKF LDS Pro-cess“; 5th International Congress Molded Interconnect Devices, Erlangen, 2002

[6] Hügel, H.: „Strahlwerkzeug Laser“; B. G. Teubner, Stuttgart, 1992 [7] Kanani, N.:”Galvanotechnik- Grundlagen Verfahren Praxis”; Carl Hanser Ver-

lag, München, Wien, 2000; ISBN 3-446-21024-5 [8] Ticona GmbH: „Datenblatt: Vectra E820i“; Ticona GmbH, 03.05.2000 [9] Ticona GmbH: „Datenblatt: Vectra E820i-LDS“; Ticona GmbH, 02.03.2006 [10] Ticona GmbH: „Datenblatt: Vectra E840i-LDS“; Ticona GmbH, 24.10.2006 [11] LANXESS Deutschland GmbH: „Datenblatt: Pocan DP T7140 LDS“; LAN-

XESS Deutschland GmbH, Leverkusen, 19.10.2006 [12] BASF AG: „Datenblatt: Ultramid TKR 4380 LS“; BASF AG, Leverkusen, Okto-

ber 2004 [13] DIN EN 1779: „Dichtheitsprüfung“ [14] Wolter, F.: „Aufbau eines Prüfstands zur Messung der Leckagerate von ver-

schlossenen Micro-Vias in MID“; Diplomarbeit am izfm Universität Stuttgart, Stuttgart, 2006

[15] DIN EN 60068-2-60: „Korrosionsprüfung mit strömendem Mischgas“

54

8 Danksagung Dieses Forschungsvorhaben wurde aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie über die Arbeitsgemeinschaft industrieller For-schungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF) unter der AiF-Vorhaben-Nr. 14282N gefördert. Für diese Förderung sei gedankt. Dem projektbegleitenden Ausschuss sei für die Unterstützung und die Hinweise aus den zahlreichen Diskussionen gedankt. Namentlich sind dies:

• Herr Dr. A. Pojtinger, 2E mechatronic GmbH& Co.KG

• Herr W. Binder, Binder Elektronik GmbH

• Herr V. Zippmann, Buss-Werkstofftechnik GmbH & Co. KG

• Herr Dr. U. Prinz, Enthone GmbH

• Herr L. Blassmann, Festo AG & Co. KG

• Herr S. Schauz, Festo AG & Co. KG

• Herr M. Grätz, Harting Mitronics AG

• Herr Prof. J. Wilde, Institut für Mikrosystemtechnik - IMTEK

• Herr C. Föhl, Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart - IFSW

• Herr N. Heininger, LPKF Laser & Electronics AG

• Herr Dr. M. Hüske, LPKF Laser & Electronics AG

• Herr B. Rösener, LPKF Laser & Electronics AG

• Frau Dr. E. Zakel, Pac Tech - Packaging Technologies GmbH

• Herr M. Dressler, Robert Bosch GmbH

• Herr H. Rohde, Robert Bosch GmbH

• Herr K. Zeh, Robert Bosch GmbH

• Herr Dr. H. Orschel, Schaal Oberflächen & Systeme GmbH Besonderer Dank gilt den Firmen Enthone GmbH, Harting Mitronics AG, LPKF Laser & Electronics AG und dem Institut für Strahlwerkzeuge - IFSW für die Durchführung von Versuchen und Bereitstellung von Anlagen und Geräten.

55

Documents

Abschlussbericht FV-Nr.: 14282N - hahn-schickard.de · sche Abscheidung von Kupfer mittels Pulse-Plating verschließen lassen. Mit einem eigens konstruierten und aufgebauten Prüfstand