Encapsulation / Dam & Fill / Chipverguß

1. Encapsulation / Dam & Fill / Chipverguß Beim Vergußprozeß von COB‘s kommen üblicherweise zwei Verfahren zum Einsatz. Das sog. Dam & Fill oder Glop Top Verfahren. Beide Prozesse haben den Zweck, die gebondeten Verbindungen zwischen Chip und Substrat zu fixieren und zu schützen. Die nachfolgenden Folien beschreiben einen typischen Chipverguß à la Dam & Fill. Informationen zum Verfahren und den Materialien sind am Ende der Präsentation erläutert.

4. Fixierung des Chips. Der Klebepunkt für die Fixierung des Chips wird gesetzt. Hier werden meist Wärmeleitkleber verwendet, um die Abwärme des Chips über das Substrat oder größeren Masseflächen innerhalb der Leiterplatte abzuführen. Das Volumen sollte möglichst so gewählt werden, daß die gesamte Fläche des Chips benetzt ist und möglichst wenig Kleber übersteht. Bei der Verwendung von herkömmlichem SMD-Kleber ist nachfolgend ein mindestens dreiminütiger Aushärteschritt nötig. Um Zeit zu sparen werden hier auch zunehmend UV-härtende Klebstoffe verwendet, die zwischen 10 und 30 Sekunden eine ausreichende Aushärtung erreichen.

5. Bestücken des Chips. Der Chip sollte möglichst plan auf dem Substrat bestückt werden. Grobe Höhenabweichungen können den späteren Vergußprozeß beeinträchtigen.

6. Bestücken des Chips. Der Chip sollte möglichst plan auf dem Substrat bestückt werden. Grobe Höhenabweichungen können den späteren Vergußprozeß beeinträchtigen.

7. Bonden des Chips (Verbindung Chip -> Substrat) Beim „Bonden“ wird i.d.R. ein sehr feiner Golddraht an einem Ende mittels eines Funkens punktuell erhitzt (angeschmolzen), bevor der Bondkopf auf der Kontaktfläche aufsetzt. Diese Verbindung ist zwar zuverlässig aber äußerst empfindlich gegenüber mechanischer Belastung.

8. Bonden des Chips (Verbindung Chip -> Substrat) Durch geringen Druck wird das (halb)- flüssige Goldkügelchen mit der Kontaktstelle auf dem Chip thermomechanisch verbunden.

9. Bonden des Chips (Verbindung Chip -> Substrat) Nun wird durch die weitere Bewegung des Bondkopfes weiterer Bonddraht von einer Spule abgewickelt und weitertransportiert.

10. Bonden des Chips (Verbindung Chip -> Substrat) Nun wird durch die weitere Bewegung des Bondkopfes weiterer Bonddraht von einer Spule abgewickelt und weitertransportiert.

11. Bonden des Chips (Verbindung Chip -> Substrat) An der zweiten Kontaktstelle auf dem Substrat wird der Bonddraht ebenfalls „angeschmolzen“, kontaktiert und abgetrennt. Dem Chip passiert hierbei nichts, da der Bondkopf geerdet ist.

12. Bonden des Chips (Verbindung Chip -> Substrat) Alle weiteren Verbindungen werden so kontaktiert.

19. Vergießen des Chips Nachdem alle Bondverbindungen hergestellt sind, müssen nun abschließend der Chip und die sensitiven Verbindungen gegen mechanische Belastungen geschützt werden. In diesem Beispiel trägt ein Dispenser einen Damm aus hochviskosem Material auf, der die Vergußfläche später definiert begrenzt.

20. Vergießen des Chips Nachdem alle Bondverbindungen hergestellt sind, müssen nun abschließend der Chip und die sensitiven Verbindungen gegen mechanische Belastungen geschützt werden. In diesem Beispiel trägt ein Dispenser einen Damm aus hochviskosem Material auf, der die Vergußfläche später definiert begrenzt.

21. Vergießen des Chips Im nachfolgenden Schritt trägt der Dispenser ein niedrigviskoses Füllmaterial auf, welches meist schon auf 40°C – 50°C erwärmt ist, zwischen den umlaufenden Damm auf und füllt alle Zwischenräume auf. Das Substrat selbst sollte nicht geheizt werden, da sonst der Damm ebenfalls erweicht und seitlich wegläuft. Ein Raupenmuster schafft hier die größte Sicherheit vor Lufteinschüssen und gewährleistet eine optimale Verteilung des Materials. Chipverguß ist kein HighSpeed Verfahren.

22. Vergießen des Chips Nach erfolgtem Verguß (mit dem optimalen Volumen) wird sich das Füllmaterial innerhalb kurzer Zeit zu einer gleichmäßigen Füllung formen und die Bonddrähte und –verbindungen sicher umschließen und fixieren. Ist dies geschehen, werden die Substrate in einem Ofen oder unter UV-Licht komplett ausgehärtet.

23. Vergußmaterialien und Prozeßparameter Dam & Fill Dam: hochviskoses, hoch füllstoffhaltiges Material. Enthält u.a. abrasive und sehr spröde Partikel zum Ausgleichen thermischer Expansionseffekte sowie zur Verbesserung der mechanischen Belastbarkeit. Fill: niedrig bis mittelviskoses füllstoffhaltiges Material mit geringerer Partikelgröße. Wird meist durch eine erwärmte Nadel dispenst um die Viskosität zu senken und ein besseres Fließ- und Verteilungsverhalten zu erzielen. Das Fillmaterial dringt zwischen die Bonddrähte und umschließt diese ohne Luftblasen einzuschließen. Dieser Prozeßschritt kann (je nach Material und Temperatur) zwischen 20 und 60 Sekunden dauern. In dieser Zeit ist das Material meist zu einer einheitlichen Oberfläche verlaufen und kann dann den Herstellerangaben nach, ausgehärtet werden. Der Auftrag der Materialien erfolgt idealerweise im Rechteckmuster (Dam) und Raupenmuster (Fill). Aufgrund der Höhe der Dispensmuster (bis zu 2mm) müssen entweder sehr langsame Geschwindigkeiten gewählt werden (5 – 10 mm/sek. Dam) und (5 – 20 mm/sek. Fill). Auch sollte der Nadelinnendurchmesser nicht zu groß gewählt werden, um zu hohe Materialdrücke und Lufteinschlüsse zu vermeiden. Auch sollte das Material nicht zu dicht über den Bonddrähten appliziert werden, um ein Verbiegen selbiger zu vermeiden. Dam und Fill – Materialien beinhalten sehr abrasive Partikel. Speziell gehärtetes und beschichtetes Equipment ist hier dispenstechnisch dringend angeraten. In der Praxis bedeutet dies eine längere Lebensdauer des Dispenskopfes, jedoch kein 100%iger Schutz gegen Zerstörungen im Dauerbetrieb.

24. Vergußmaterialien und Prozeßparameter Glop Top Das Glop Top Verfahren ist die monozyklische Applikation beim Chipverguß. Dieses Verfahren wird meist dann eingesetzt, wenn aus Platzgründen kein Damm gesetzt werden kann und die Höhe minimal ist (Smartcards,...). Hierbei werden üblicherweise Material und Substrat geheizt, um das Verteilungs- und Fließverhalten zu beschleunigen. Die Viskositätsabsenkung ist hierbei so extrem, daß selbst ein konventionelles Material mit „Dam“-Rezeptur als „Fill“ herhalten könnte. Auch können hier die Applikationszeiten stark reduziert werden, was das GlopTop Verfahren besonders für Mehrfachnutzen attraktiv macht. Dispenser mit Pre- und/oder Postheat bieten beim GlopTop Prozeß die größtmögliche Flexibilität und sind extrem zeitsparend. Typische Verfarhrgeschwindigkeiten sind (je nach Temperatur) 10 – 40 mm/sek. Als gute Temperaturbereiche haben sich herauskristallisiert: Dispensnadel: 45°C Substrat: 90°C Große Kupferflächen, Metallbauteile oder andere wärmeabsorbierende Komponenten agieren wie Kühlkörper (Heatsinks) und nehmen Einfluß auf Temperatur, Zykluszeit und Fehlerrate. Kompromisse zwischen Temperatur, Dispensgeschwindigkeit und Vor-/Nachheizzeit sind hier unerläßlich. Achtung: Erhöhte Temperaturen führen bei vielen SMD-Pasten zu Inhomogenitäten oder Verkürzung der Verarbeitbarkeit „PotLife“. Bei längeren Produktionspausen oder nach Beendigung des Verfahrens unbedingt alle materialführenden Teile reinigen und angebrochene Materialkartuschen entsorgen (falls vom Hersteller nicht anders garantiert).

25. Verfahrenstechnik Zur Zeit kommen für Chipvergußmaterialien größtenteils gefüllte Epoxidharze zum Einsatz, die sowohl thermisch als auch Lichthärtend sind. Diese sog. kationisch härtenden Materialien haben Verarbeitungszeiten von bis zu mehreren Tagen und eine Ionenreinheit von unter 10ppm. Typische Aushärtezeiten sind 3 Minuten bei 120°C – 150°C oder 20 – 60 Sek. (UV) Lichtbestrahlung. Ausdehnungskoeffizienten für gute Materialien liegen zwischen 20 und 50 ppm/K. Durch die Aushärtung mit Licht (UV) werden thermische Spannungen reduziert bzw. minimiert als auch der Durchsatz entsprechend gesteigert.

26. Verfahrenstechnik Parameter : DAM & FILL Substrat sollte nach Möglichkeit nicht beheizt werden. Wie alle Pasten senkt Wärmezufuhr die Viskosität der Paste und sorgt für ein unter Umständen unkontrolliertes Verlaufen des Dam-Materials. Üblicherweise wird bei einem Dam&Fill Prozeß nur das Fill Material auf 30 – 50 °C beheizt um es diesem zu ermöglichen, Zwischenräume gut auszufüllen und dabei möglichst effektiv die Luft zwischen und unter den Bondverbindungen zu verdrängen. Hierbei ist jedoch ein Kompromiß zwischen Geschwindigkeit und Volumen zu schließen, da bei Verwendung größerer Nadeldurchmesser die Gefahr gegeben ist, unbeabsichtigt Luftblasen einzuschließen und durch höheren Materialdruck evtl. sehr dünne Bonddrähte zu verbiegen. Chipverguß ist keine Hochgeschwindigkeits- Applikation. Das Dam-Material sollte sich dem Fill-Material in seiner chemischen Struktur möglichst nahe kommen, sowie einen deutlich höheren Füllstoffanteil enthalten, um seiner Funktion als Barriere gerecht zu werden. Der Damm sollte möglichst nicht direkt auf den Bondverbindungen platziert werden und die Spitzen der Bonddrähte um mindestens 200µm überragen. Somit kann das Fill-Material einen vollständigen Verguß und bestmögliche Abschirmung gegen Umwelteinflüsse gewährleisten. Vor dem eigentlichen Aushärtevorgang sollte dem Füllmaterial zumindest eine kurze Zeit zum Zusammenlaufen gegeben werden (10 – 20 Sek.) da meist raupenförmige Muster für die Füllroutinen verwendet werden. 5 – 20 mm/Sek. sollte ein guter Ausgangswert für eine raupenförmige Routine mit einem Linienabstand von 0,7 – 1,0 mm darstellen.

27. Verfahrenstechnik Parameter : GlopTop Beim GlopTop Verguß gibt es keinen Damm, der das Material in einem vordefinierten Bereich zurückhält. Daher sollten sich auch nicht unbedingt Bauteile in unmittelbarer Nähe der Vergußstelle befinden, die eine entsprechende Unterseitenfreiheit zum Substrat aufweisen. Im Unterschied zum Dam&Fill Prozeß wird bei GlopTop auch das Substrat beheizt, um einen möglichst schnellen Verlauf zu gewährleisten, der auch über die Bondpads hinaus guten Schutz bietet oder wenn es das Layout der Schaltung nicht erlaubt, einen Damm zu platzieren. Natürlich gibt es auch hier Anwendungen, bei denen sich eine Substratheizung verbietet – doch hier kann dann alternativ zur Materialheizung zurückgegriffen werden. Meist wird das GlopTop Verfahren für hohe Durchsatzraten verwendet (Smartcards,...) bei denen das Material auf sehr kleine Chips aufgetragen wird, und entsprechend schnell verlaufen muß. Daher bietet das Verfahren keine Zeitreserven und das Material muß die Zwischenräume der Bondverbindungen noch während des Transportes ausfüllen. Daher werden Substrat und/oder Material meist auf 30 – 90 °C beheizt, um hier einen Geschwindigkeitsvorteil zu erzielen, womit auch schnellere Verfahrgeschwindigkeiten beim Auftrag möglich werden (20-40 mm/Sek.). Zwar könnte man meinen daß gerade hier eine Substratheizung kontraproduktiv wirkt, doch sind die Dimensionen der Chips deutlich kleiner und das Risiko von eingeschlossenen Mirkroluftblasen bei diesem Prozeß deutlich höher. Gegenüber dem Dam&Fill Prozeß handelt es sich hierbei um Materialhöhen von nur 0,5 – 0,8 mm und Substraten, die einer deutlich höheren mechanischen Belastung ausgesetzt sind. Kernpunkte hier sind fast ausschließlich Substratdesign und hoher Durchsatz.