Reinraum-Drucklabor für Packaging auf Wafer-, Chip- und Systemebene
Pressemitteilung Fraunhofer ENAS vom 23. März 2022
Das Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS kombiniert am Standort Chemnitz in einem neuen Reinraumlabor Drucktechnologien für das Packaging von Mikroelektronik-Komponenten auf Wafer-, Chip- und Systemebene. Mit verschiedenen additiven Verfahren und einer neuen Cluster-Anlage für 3D-konforme Materialabscheidung in einer partikelarmen Laborumgebung bietet das Forschungsinstitut eine in diesem Umfang einzigartige Prozesskette zur Entwicklung und Durchführung von Druckprozessen für die Aufbau- und Verbindungstechnik.
Drucktechnologien im Packagingprozess
Drucktechnologien ermöglichen im Gegensatz zu herkömmlichen Packagingtechnologien die Nutzung neuer Materialien und eine größere Vielfalt bei der Auswahl von Substraten. Da heute viele Materialien in pastöser Form verfügbar und damit nicht in herkömmlichen Abscheideverfahren für das Packaging anwendbar sind, wird immer mehr auf die Integration additiver Verfahren in Packagingprozesse von Mikroelektronikbauteilen fokussiert. Diese Verfahren ermöglichen die Verwendung von Nanopartikeltinten, Chemikalien, sensorische Materialien wie CNT-Pasten aber auch Lotpasten, elektrisch leitfähige und isolierende Materialien auch in Kombination miteinander. Außerdem vergrößert sich die Auswahl und Form der Substrate durch den Einsatz von Druckverfahren, da nun die Abscheidung der Materialien auf 2D-, 3D- oder topografische Oberflächen auf Chips und Wafern möglich ist. Ein weiterer Vorteil liegt in der maskenlosen Fertigung und damit der schnellen Umsetzung vom Konzept zum Prototypen.
Um diese neuen Möglichkeiten umfassend für das Mikroelektronik-Packaging auszuschöpfen, hat Fraunhofer ENAS ein gesamtes Drucklabor mit einer Prozesskette unter Reinraumatmosphäre aufgebaut. Das Labor ist in diesem Umfang einzigartig und ermöglicht einen nahezu partikelfreien Prozess für den Aufbau miniaturisierter und hochfunktionalisierter Baugruppen mittels additiver Verfahren.
Forschungs- und Entwicklungsbeispiele
Am Fraunhofer ENAS wird die Anwendung von Drucktechnologien für das Packaging von Mikroelektronik-Komponenten seit zehn Jahren erforscht. »Additive Technologien wie Siebdruck und Dispensverfahren sind bereits seit vielen Jahren fester Bestandteil der Prozesskette für das Packaging elektronischer Komponenten, zum Beispiel beim Aufbringen von Glaszwischenschichten für Bondprozesse oder von Vergussmaterialien zum Schutz sensibler Drahtbonds. Aber auch aktuelle Entwicklungen, wie die Miniaturisierung, die 3D-Integration und die Integration verschiedener funktionaler Bausteine in einem so genannten »System in Package«, bedingen neuartige Materialien und damit neue Technologien.«, so Frank Roscher, stellvertretender Leiter der Abteilung System Packaging am Fraunhofer ENAS.
Durch den Einsatz neuartiger additiver Fertigungstechnologien gelang es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die Weiterentwicklung der Packagingtechnologien voranzutreiben. So wurden bisher passive Baugruppen des Packagings mit elektrischen Funktionen ausgestattet zum Beispiel eine elektrische Schaltung mit Magnetfeldsensoren direkt auf einer spritzgegossenen Getriebekappe hergestellt oder Ansätze für Niedertemperaturfügeverfahren auf Basis von Nanopartikeln erarbeiten, um die Fügetemperatur durch die Nanoeffekte abzusenken) oder Pillarstrukturen mit hohem Aspektverhältniss umzusetzen. Der Platzbedarf für Bondrahmenstrukturen konnte durch Prozessoptimierung der Siebdrucktechnologie reduziert werden und Sondermaterialien für optische Baugruppen wurden mit höchster Präzision auf Substraten abgeschieden, wobei das digitale Aerosol-Jet-Verfahren die individuelle Beschichtung einzelner optischer Pixel ermöglicht.