Bewertung mikroelektronischer Systemintegration

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

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Für mikroelektronische Bauelemente, Baugruppen und integrierte Systeme bewerten wir die an die Halbleitertechnologien (IC, MEMS) anschließenden Aufbau- und Verbindungstechniken sowie die eingesetzten Substrat- und Gehäusematerialien. Unsere Bewertungen führen wir mit Hilfe von leistungsfähigen Mikrostruktur-Analyseverfahren, mechanischen Tests sowie Modellierungen des Materialverhaltens hinsichtlich Qualität und Einsatzverhalten durch. In enger Kooperation mit Herstellerfirmen tragen wir dazu bei, Ausfallrisiken zu vermeiden, Technologieschritte zu optimieren und die Qualität und Lebensdauer der mikroelektronischen Systemkomponenten zu sichern.

Leistungen

  • Entwicklungsbegleitende mikrostrukturelle Diagnostik für die Technologie- und Materialentwicklung von mikro-elektronischen Bauelementen, Baugruppen und Systemen
  • Analyse von einsatz- und prozessbedingten Defektbildungen und Schädigungsmechanismen im Bereich der Aufbau- und Verbindungstechniken mittels hochauflösender Material- und Oberflächenanalytik
  • Physikalische Fehleranalyse an komplexen Bauelementen und integrierten Systemen, Untersuchung von Feldausfäl-len
  • Charakterisierung von Verformungs-, Festigkeits- und Lebensdauereigenschaften von Systemkomponenten, Bestimmung lokaler mechanischer Werkstoffkennwerte in Korrelation zur Mikrostruktur
  • Entwicklung von Materialmodellen, Simulation von Halbleiter-Festigkeitseigenschaften sowie von Einsatzverhalten und Lebensdauer von Drahtbondkontaktierungen
  • Weiterentwicklung von Verfahren der mikrostrukturellen Diagnostik und Qualitätssicherung für neue Konzepte der Systemintegration, wie System in Package-, Wafer Level Package-Konzepte und RFID

Themen

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Zuverlässige Drahtbondkontaktierungen

Drahtbondtechnologien unter Einsatz von Gold-, Aluminium- oder Kupferdraht stellen das Zugpferd der First Level-Verbindungstechnik in der Mikroelektronik dar. Im Leistungsbereich werden Verfahren der hochauflösenden Diagnostik sowie mechanische Prüfungen eingesetzt, um das Einsatzverhalten von Drahtbondkontaktierungen und Anschlussmetallisierung zu charakterisieren.  Ausfälle in der Verbindung können dadurch auf  mikrostrukturelle Ursachen wie Kontaminationen auf den Oberflächen der Verbindungspartner, Störungen der intermetallischen Phasenbildung, korrosive Schädigungen der Verbindungszone, thermisch und/oder mechanisch induzierte Voidbildung, Migrationseffekte, prozessinduzierte Schädigungen im IC,  mechanische bzw. thermomechanische Überlastungen oder Ermüdung zurückgeführt werden. Darüber hinaus werden die Verformungs- und Festigkeitseigenschaften der Drahtmaterialien in Korrelation zur Mikrostruktur  analysiert und Finite-Elemente Modelle zur Vorhersage der Lebensdauer unter zyklischer Beanspruchung entwickelt. Die Zielstellung der Arbeiten richtet sich darauf, die Qualität und Zuverlässigkeit der  Verbindungstechnik zu sichern und die Entwicklung und Einführung neuer Baugruppen,  Technologien und Drahtmaterialien (zum Beispiel neuer beschichteter Drähte) zu unterstützen.

Hochauflösende Identifikation intermetallischer Phasen in mikroelektronischen Kontaktierungen. (PDF)

Ermüdungsverhalten von Drahtbondkontaktierungen. (PDF)

Fehleranalyse von Drahtbondkontakten. (PDF)

Thermosonic-Golddrahtbonden ohne Substratheizung. (PDF)

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Werkstoffdiagnostik für Bauelemente der Automobil- und Leistungselektronik

Mikroelektronische Bauelemente und Steuerteile sind im Automobil besonders hohen Beanspruchungen und Zuverlässigkeitsanforderungen durch erhöhte Temperaturen, mechanische Belastungen, chemische Kontaminationen oder hohe elektrische Leistungen und Felder ausgesetzt. In einer abgestimmten Kette der physikalischen Fehleranalyse von der Fehlerdetektion mittels zerstörungsfreier Prüftechnik durch Röntgeninspektion, Ultraschallmikroskopie  oder Lock in-Thermographie, über Verfahren der präzisen und schädigungsarmen Zielpräparation, z.B. mittels Fokussierender Ionenstrahltechnik, bis hin zu  hochauflösenden Diagnostikverfahren  mittels Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie sowie Methoden der Oberflächen- und Spurenanalytik (z.B. TOF-SIMS) wird das Werkstoffverhalten von Materialien der Verbindungstechnik (z.B. Lotgefüge, Phasenbildung und Grenzflächendefekte) und von Substratwerkstoffen als Funktion der Einsatzbedingungen und des technologischen Prozesses charakterisiert. Der Einsatz ergänzender Methoden mittels IR-festkörperspektroskopischer Techniken, Verfahren  der Polymeranalytik sowie lokale mechanischen Prüfungen gekoppelt mit der Bestimmung von Werkstoffkennwerten mittels inverser Finite Element-Simulation trägt zusätzlich dazu bei, den Einfluss von technologischen Parametern und Einsatzbedingungen auf die Materialeigenschaften zu beherrschen, potentielle Schädigungen und Defektmechanismen zu erkennen und bereits im Entwurf zu vermeiden.

Werkstoffanalytik an Embedded Wafer Level Ball Grid Arrays. (PDF)

Gefügeanalyse bleifreier Lötkontakte mittels Elektronen-Rückstreubeugung (EBSD). (PDF)

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»More Than Moore«, System in Package- und Wafer Level Package-Lösungen

Der technologische Entwicklungsfortschritt in  Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik wird in zunehmendem Maße durch die Entwicklung neuer Konzepte der Systemintegration bestimmt („More than Moore“). Durch die Kombination unterschiedlicher Komponenten, Halbleitertechnologien und  Funktionselemente in einem gemeinsamen Bauelement (System in Package, SiP) oder auf einem Chip, durch neue vertikale Integrationskonzepte oder durch kompakte Aufbauvarianten (Wafer Level Packages, WLP) können Leistungsfähigkeit und Integrationsdichte der Systeme weiter deutlich erhöht werden. Die resultierende weitaus höhere Komplexität der Systeme führt jedoch auch zu einer Vielfalt möglicher Materialreaktionen und bisher unbekannter Defektmechanismen. Daraus resultieren neue Anforderungen an die für Entwicklung, industrielle Qualitätssicherung und Fehleranalyse benötigten Test- und Diagnostikverfahren. In Zusammenarbeit mit den  Herstellern mikroelektronischer Bauelemente und Systeme werden die in Flip Chip-, Flip Chip in Package-, stacked dice- oder embedded Wafer Level Ball Grid Array (eWLB)- Bauelementen  sowie in integrierten RFID-Systemen auftretenden spezifischen Defektmechanismen und Fehlerrisiken mikrostrukturell analysiert. Gemeinsam mit Geräteherstellern werden Verfahren der Fehlerlokalisierung (zum Beispiel Lock in-Thermographie oder Ultraschallmikroskopie), der Zielpräparation (wie Laser- und Ionenstrahltechniken, FIB), hochauflösende Analyseverfahren und mechanische Tests mit  Bezug auf zukünftige technologische Herausforderungen und den entstehenden Bedarf weiter entwickelt.

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Informationen

Wintersemester 2008/2009: Einführung in die Mikrosystemtechnik - Matthias Petzold, Hochschule Merseburg

Sommersemester 2009: Auslegung und Zuverlässigkeit von Mikrosystemen - Matthias Petzold, Hochschule Merseburg

Gesamtliste der Publikationen seit 2008 (PDF)

Publikationen

Über den Link gelangen Sie zur Seite von Fraunhofer Publica, auf der Sie unsere Veröffentlichungen recherchieren können: Fraunhofer Publica

Liste unserer Veröffentlichungen:

  • Bennemann, S.; Dresbach, C.; Lorenz, G.; Berthold, L.; Petzold, M., Microstructure and mechanical properties of laser ablation cleaned NiP platings for aluminum wire bonding, in Proc. of Electronics System Integration Technology Conference ESTC 2010, Fraunhofer IZM, Berlin (2010)
  • Bennemann, S.; Simon, M.; Petzold, M.; Altmann, F., Fehlermechanismen an Leiterplattenmetallisierungen für bleifrei gelötete Packageaufbauten, in Elektronische Baugruppen und Leiterplatten 2010, DVS Berichte, Band 295, DVS Media GmbH, Düsseldorf (2010) 246-250
  • Boettge, B.; Braeuer, J.; Wiemer, M.; Petzold, M.; Bagdahn, J.; Gessner, T. , Fabrication and characterization of reactive nanoscale multilayer systems for low-temperature bonding in microsystem technology, Journal of Micromechanics and Microengineering 20/6 (2010) 8;
  • Boettge, B.; Petzold, M.; Wiemer, M.; Bagdahn, J., Status of low temperature wafer bonding using reactive multilayer films, in Proc. of 2nd International IEEE Workshop on Low Temperature Bonding for 3D Integration; The University of Tokyo, Hongo, Japan (2010)
  • Brand, S.; Czurratis, P.; Hoffrogge, P.; Petzold, M., Automated inspection and classification of flip-chip-contacts using scanning acoustic microscopy, Microelectronics Reliability 50/9-11 (2010) 1469-1473
  • Dresbach, C.; Mittag, M.; Petzold, M., Elastic properties of bonding wires, in Proc. of Electronics System Integration Technology Conference ESTC 2010, Fraunhofer IZM, Berlin (2010) CD-ROM
  • Knoll, H.; Weidenauer, W.; Ingram, P.; Bennemann, S.; Brand, S.; Petzold, M., Ceramic substrates with aluminum metallization for power application, in Proc. of Electronics System Integration Technology Conference ESTC 2010; Fraunhofer IZM, Berlin (2010) CD-ROM
  • Krause, M.; Klengel, R.; Cismak, A.; Petzold, M.; Altmann, F., Hochauflösende Metrologie für die Mikro-Nanointegration, in Proc. of Mikro-Nano-Integration, 2. GMM-Workshop; VDE Verlag GmbH, Berlin-Offenbach (2010) 100-104
  • Krause, M.; März, B.; Bennemann, S.; Petzold, M., High resolution analysis of intermetallic compounds in microelectronic interconnects using electron backscatter diffraction and transmission electron microscopy, in Proc. of 60th Electronic Components and Technology Conference 2010, Las Vegas, ECTC Printing House, Stoughton, Wisconsin, USA (2010) 591-598
  • Lorenz, G.; Petzold, M.; Mittag, M.; Dresbach, D.; Milke, E., Mechanical characterization of gold and copper free air balls in thermosonic wire bond interconnections, in Proc. of Electronics System Integration Technology Conference ESTC 2010; Fraunhofer IZM, Berlin (2010) CD-ROM
  • März, B.; Scheibe, S.; Graff, A.; Petzold, M., Growth behaviour of gold-aluminum intermetallic phases (IMP) in temperature aged ball bonds observed by electron backscatter diffraction, in Proc. of Electronics System Integration Technology Conference ESTC 2010; Fraunhofer IZM, Berlin (2010) CD-ROM
  • Moutanabbir, O.; Reiche, M.; Hähnel, A.; Erfurth, W.; Motohashi, M.; Tarun, A.; Hayazawa, N.; Kawata, S.; Naumann, F.; Petzold, M., Strain stability in nanoscale patterned strained silicon-on-insulator, The Electrochemical Society 33/6 (2010) 511-522
  • Moutanabbir, O.; Reiche, M.; Hahnel, A.; Erfurth, W.; Motohashi, M.; Tarun, A.; Kawata, N. S.; Naumann, F.; Petzold, M.; Holt, M.; Maser, J., Strain stability in nanoscale patterned strained silicon-on-insulator, in Proc. of 218th Meeting of the Electrochemical Society Symposia; ESC, Pennington, New Jersey, USA (2010) 1-5
  • Naumann, F.; Moutanabbir, O.; Reiche, M.; Schriever, C.; Schilling, J.; Petzold, M., Numerical investigations of the strain behavior in nanoscale patterned strained silicon structures, in Proc. of 11th Int. Conf. on Thermal, Mechanical and Multiphysics Simulation and Experiments in Micro-Electronics and Micro-Systems, EuroSimE 2010; VDE Verlag GmbH, Berlin-Offenbach (2010) 1-5
  • Naumann, F.; Schriever, C.; Bohley, C.; Schilling, J.; Petzold, M., Numerische Analyse der Spannungsrelaxation nanostrukturierter siliziumbasierter optischer Wellenleiter zur Erzeugung nichtlinearer optischer Effekte, in GMM-Fachbericht Band 63, VDE Verlag GmbH, Berlin (2010) 93-96
  • Petzold, M.; Altmann, F.; Krause, M.; Salzer, R.; Schmidt, C., Micro structure analysis for system in package components – novel tools for fault isolation, target preparation, and high-resolution material diagnostics, in Proc. of 60th Electronic Components and Technology Conference ECTC 2010, Las Vegas, Printing House, Stoughton, Wisconsin, USA (2010) 1296-1302
  • Wendt, J.; Träger, M.; Klengel, R.; Petzold, M.; Schade, D.; Sykes, R., Improved quality test method for solder ribbon interconnects on silicon solar cells, in Proc. of Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), 12th IEEE Intersociety Conference, IEEE, Las Vegas, NV, USA

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  • Dresbach, C.; Lorenz, G.; Mittag, M.; Petzold, M.; Milke, E.; Müller, T., Local Hardening Behavior of Free Air Balls and Heat Affected Zones of Thermosonic Wire Bond Interconnections, to be published in Proc. European Mi-croelectronics and Packaging Conference (EMPC), 14.-16-6- 2009, Rimini
  • Dresbach, C.; Mittag, M.; Petzold, M.; Milke, E.; Müller, T.,Mechanical Properties and Microstructure of Heavy Aluminum Bonding Wires for Power Applications, to be published in Proc. European Microelectronics and Packaging Conference (EMPC), 14.-16-6- 2009, Rimini
  • Klengel, R.; Bennemann, S.; Große, C.; Petzold, M., Advanced Failure Analysis Methods and Microstructural In-vestigations of Wire Bond Contacts for Current Microelectronic System Integration, to be published in Proc. European Microelectronics and Packaging Conference (EMPC), 14.-16-6- 2009, Rimini
  • Lee, S.-M.; Grass, G.; Kim, G.-M.; Dresbach, C.; Zhang, L.; Gösele, U.; Knez, M.,Low-temperature ZnO atomic layer deposition on biotemplates:Flexible photocatalytic ZnO structures from eggshell membranes,Physical Chemistry Chemical Physics PCCP,11 (2009) 3608-3614 Volltext auf Fraunhofer Publica

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  • Krause, M.; Müller, M.; Petzold, M.; Wiese, S.; Wolter, K.-J., Scaling Effects on Grain Size and Texture of Lead Free Interconnects-Investigations by Electron Backscatter Diffraction and Nanoindentation, Proc. of 58th Elec-tronic Components & Technology Conference (ECTC), Lake Buena Vista, Florida 2008, pp. 75-81
  • Merkle, L.; Kaden, T.; Sonner, M.; Gademann, A.; Turki, J.; Dresbach, C.; Petzold, M., Mechanical fatigue properties of heavy aluminium wire bonds for power applications, Proc. ESTC Greenwich 2008, London, UK, p. 1363-1367
  • Wiese, S.; Roellig, M.; Mueller, M.; Wolter, K.-J.; Bennemann, S. Petzold, M., The Size Effect on the Creep Properties of SnAgCu-Solder Alloys, Fifty-Seventh Electronic Components & Technol-ogy ECTC 2007, May 29 – June 1, 2007, Reno, pp 548-557

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  • Bennemann, S.; Graff, A.; Schischka, J.; Petzold, M.; Theuss, H.; Dangelmaier, J.;Pressel, K., A SEM and TEM study of the interconnect microstructure and reliability for a new XFLGA package, Proc. Electronic Systemintegration Technology Conference 2006, Dresden pp. 26-34
  • Dresbach, C.; Krombholz, A.; Ebert, M.; Bagdahn, J., Mechanical properties of glass frit bonded micro packages, Microsystem Technologies 12, 5 (2006) 473-480 Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Schräpler, L.; Müller, T.; Knoll, H.; Petzold, M., Influence of intermetallic phases on bonding reliability, Electronic Systemintegration Technology Conference 2006, Dresden, Proc. Electronic Systemintegration Technology Conference 2006, Dresden pp. 1266-1273

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