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Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik
Packaging for Systemintegration
Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus-Jürgen Wolter
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik
Electronics Packaging
Procedures, processes and technologies to assemble
electronic components and microtechnical modules
Holistic approach
Semicon - NanoZeit 20.10.2010
Folie 2
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik
Fields of activity of the Electronics Packaging Lab
Bio-compatible electronics packaging PD Dr. Jürgen Uhlemann
Thick-film technology Dr. Marco Luniak
Photonic Packaging Dr. Ralf Rieske
Wire bonding and Flip Chip technology Prof. Dr. Thomas Zerna
Adhesive technology Dr. Angelika Paproth
Assembly technologies Prof. Dr. Thomas Zerna
Non-destructive inspection Dr. Martin Oppermann
Board Level Reliability Dr. Mike Röllig
Quality assurance in electronics Dr. Heinz Wohlrabe
Process technology PD Dr. Gerald Weigert
Young Scientists Group „High Reliable 3D-Microsystems“
DI Karsten Meier
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System Integration
Source: ITRS Roadmap
Semicon - NanoZeit 20.10.2010
Folie 4
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Status of System in Package
Source:Röllig et.al.
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Folie 5
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik
3D-Integration, Stacked Packages
Source: ITRS 2006
Semicon - NanoZeit 20.10.2010
Folie 6
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik
stacked die memory with spacer
Quelle:
TechSearc
h I
nte
rnational
3D-Integration
3D-Integration
Semicon - NanoZeit 20.10.2010
Folie 7
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3D-IC-Integration
Source: Lau; ECTC 2010
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Si-TSV-Technologies
Via first Via Middle Via Last
Source: ITRS Roadmap 2009
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SLID – Motivation & Concept
20.10.2010
Folie 10
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w.m
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ist.
go
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Cu-Sn phase diagram
1. before bonding 3. after bonding – SLID contact
SLID
Cu-Sn Au-Sn
Cu-SnAg …
thermostable joints (IMCs)
enables multistacking of chips
small joints (<10µm)
low bond loads
relatively simple processing
low-lost technology
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik
SLID
- Sn electroplating; - SLID process parameter optimization; - SLID microstructure & reliability characterization.
Cu
Cu6Sn5 , Cu3Sn
Cu Cu
Cu
Cu6Sn5 , Cu3Sn
voids Sn
Hull cell for Sn electroplating
Electroplated Sn
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Self-Alignment
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self-alignment for electronics packaging:
• well-known phenomenon of SMT: self-alignment by liquid solder
Reflow
magnetic:
S.B. Shetye et al.,
University of Florida
by liquid: electrostatic:
J. Dalin, J. Wilde
Universität Freiburg
surface tension
Capillary action
• various research on self-alignment in the past:
• basic principle: force on the component in the direction
of the minimisation of free energy
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ACANWF Technology
20.10.2010 Semicon - NanoZeit
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• ACANWF = Anisotropically Conductive Adhesive NanoWire Film:
structured NW-arrays with 109-1010 NWs cm-²
molded in a polymer matrix with adhesive properties
anisotrope conductive and adhesive film for assembly of semiconductor
components
• advantages:
electr. bonded NW: electrical interconnection
heat transfer (thermal management)
pitch >= 100 nm; diameter >= 40 nm (pro NW)
film enables easy handling processes and adjustable thickness & NW-
resolution
metallic NWs polymer matrix
TSV (Cu)
passivation layer (SiO2, TaN, …)
Si
SiO2
adhesion promoter (mono layer)
Chip level
ACANWF
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Nanowires
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• template-based plating process of Ag-nanowires (cooperation YRG+IFW Dresden):
cross section:
l = ~4 µm
p = 100 nm, d = ~50 nm
Top view:
template reveals
well organized
array of pores
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FEA of TSV structures
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• application fields of finite element analysis:
detect critical locations in TSV/die structure
calculate and estimate appearing loads
evaluation of crack risk
evaluation of delamination appearance
references on die layout/design to
minimize loads
Through Silicon Vias (TSV‘s) as a Key Technology in 3D Integration:
• enable connection through multiple die-/functional-levels
von-Mises stress distribution on a TSV-Cluster heated up to 150 °C
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik
LIT
- Electronic assemblies contain electrical conductive parts
→ inductive heating sources
- Amplitude modulated high power el.-mag. field
→ modulated heat sources
- Thermal diffusion wave gets attenuated & delayed
- Evaluation: Fourier transformation of Tsurface(t) at flock-in
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Application of 3D-IC-Integration
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Folie 17
Source: ITRS Roadmap 2009
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Hetero System Integration
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Folie 18
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Heteo-System-Integration
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Folie 19
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Application of Hetero-System-Integration
HF-
Baugruppe
HF Antenne
US-Sensoren / Aktoren
(MEMS)
Signal-
Wandlung
Power
Management
Piezoelektrischer
Energiewandler
Mechanische Energie (J)
Energiespeicher
Timing
Mikro-
Rechner
Funk-Interface
Datenspeicher
SoC
WL-AVT
Prüfalgorithmen
Modul-AVT
Funknetzwerk
Protokoll-Software
Auswertung
Applikation
[Hentschel, IzfP-D]
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Folie 20
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Microfluidic Systems
Components for microfluidic systems and sensors
• Ceramic-MEMS (MCMs, Sensor elements, hybrid modules)
• Embedded structures in ceramic substrates for special applications (fluidic)
Cross section of a multilayer LTCC with embedded micro-channel
Principle of a LTCC based micro fluid system
Challenge for future substrates:
• Application of pastes with line width below 40µm
Fine line printing of conducting lines
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Folie 21
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik
Sensor Systems
Ultrasonic Phased Array Sensor Head
Adaption layer
Sensor
Damping
Koaxialkabel
Housing
flexible Substrate
Molding
Goals: • Development of High Frequency Phased Array Sensor Heads (up to 50 MHz) • Development of an alternative coupling concept for fast inline inspection in
electronics production
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Folie 22
Phased Array Matrix,
each column 50 x 50 µm
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Sensor Systems
Detector
Absorber
Protected electronics
Aperture
X-Ray
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Direct converting detector
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik
Photonic Packaging
Coupling concepts: • Direct coupling (without optics for redirection and collimation but precise
mechanical alignment) • Indirect coupling (redirection, often focusing elements)
optical transmitter (VCSEL)/optical receiver (PD)
cladding
core
cladding
PCB integrated waveguide
electrical layer
optical transmitter (VCSEL)/optical receiver (PD)
cladding
core
cladding
45° reflective mirror
PCB integrated waveguide
electrical layer
Schematic diagram of coupling strategies, direct butt-coupling (left) and indirect coupling with beam redirection
Challenges: • Development of low-loss materials with increased thermal stability • Fast large-area detectors • Efficient coupling strategies that preferably base on passive alignment and surface
mount technology • Design software must address specific design rules and must be enhanced by
simulations
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Folie 24
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik
Board level reliability
Board level reliability
• FEM analysis
• Life time prediction
• Physics of failures
• Characterization of material behavior
• Determination of failure modes of packaging structures
Cross section of a BGA with polymeric core solder joint and its representation by a FEM mesh
Crack in a FBGA joint, detailed view of the downer left side of the joint
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Folie 25
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik
Non-destructive inspection
Exploitation of new application possibilities for standard processes
• Ultrasonic inspection
• X-ray microscopy
• X-ray computed tomography
Geometrical characterization of surfaces
Tomography of µBGA balls to detect voids Surface characterization using confocal microscopy, resolution in z - direction <1nm possible
Semicon - NanoZeit 20.10.2010
Folie 26
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik
• Combination of electrical, mechanical, optical and fluidic functions in one package.
• Increasing functionality and therefore higher integration density per
volume. • Higher clock rates and higher performance of signal processing,
especially for in-situ sensors.
• Wireless electrical power supply (Energy Harvesting / Energy Storage).
• Wireless communication with high data rates. • Systemintegration of sensors and actuators.
Advantages of Hetero-System-Integration
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