TWI: Elektronik, Sensorik, Mechatronik und Photonik

Mikrofügetechnik zum Bonden, Löten, Kleben, mechanischen Fügen und Schweißen


Mikrofügetechnik für Elektronik und Sensorik

Courtesy of TWI Ltd.


TWI bietet Beratung, Forschung und Entwicklung beim Einsatz von Mikrofügeverfahren in Reinraumumgebung.

 

TWIs Elektronik- und Sensorik-Experten sind auf die Entwicklung und Anwendung der Mikrofügetechnik zum Bonden, Löten, Kleben, mechanischen Fügen und Schweißen von Chips auf Platinen, zur Verkapselung von Elektronikgehäusen sowie für elektrische Verbindungen in Motoren und Batterien sowie die Kühlung von Leistungselektronik spezialisiert.

 

Die Mikrofügetechnik zur Montage von Halbleitern und anderen mikroelektronischen Komponenten auf engstem Raum in der Aufbau- und Verbindungstechnik (englisch: Integrated circuit packaging) ist ein Teil der in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik eingesetzten Technologien. Die dafür entwickelten Fügeverfahren werden auch für das Verbinden von mikroelektronischen Baugruppen und integrierten Schaltungen in der Halbleitertechnik, Elektronik, Elektrotechnik, Mikrosystemtechnik, Mechatronik, Photovoltaik und Photonik eingesetzt. Die Grenzen zur Sensorik sind fließend, da inzwischen auch dort Mikrosysteme und Auswertungselektronik auf einem Substrat integriert werden, z.B. im Smart-Sensor.


Die erhöhten Anforderungen an mechanische Festigkeit, thermische Belastbarkeit und Prozesssicherheit erfordern den Einsatz moderner Fügeverfahren und geeigneter Werkstoffe, umweltfreundlicher Fertigungsverfahren (Stichwort: Bleifreies Löten) und Materialmischverbindungen. Die Miniaturisierung in der Telekommunikation (Smartphone) und die Platzeinsparung im Automobilbau (Antriebssteuerung und autonomes Fahren) gehen Hand in Hand mit Gewichtsreduzierung und fertigungstechnischer Integration von Elektronik und Mechanik (z.B. in der Motorsteuerung) bei immer höheren Temperaturen (Leistungselektronik im Schienenfahrzeugbau und Hochtemperarturelektronik von Elektrofahrzeugen).

Fügeverfahren in diesem Sektor

Lasernahtschweißen

Das Lasernahtschweißen mit Nd:YAG-Lasern ist zum hermetischen Abdichten von Elektronikgehäusen aus goldplattiertem Kovar geeignet. Kovar wird hier eingesetzt, weil es einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das darin verpackte Keramiksubstrat aus  Aluminiumoxid hat.

Lasernahtschweißen von Elektronikgehäusen 

0:25 min, © TWI Ltd 19. Februar 2013 


Laserpunktschweißen

Das Laserpunktschweißen ist auch für kleine Bauteile sehr gut geeignet. Hier wird ein Verbindungsband aus Nickel mit einer Batteriezelle aus Edelstahl verschweißt. Dabei gibt es nur einen kleinen und lokal begrenzten Wärmeeinfluss und geringe mechanische Belastung. Es handelt sich dabei um stoffschlüssiges Heißverstemmen, das zu guter Kontaktierung führt.

Laserpunktschweißen 

0:32 min, © TWI Ltd 18. Februar 2013 


Ultraschallschweißen von Metallen

Mit Ultraschallschweißen werden z.B. Kupferlitzen mit Leiterplatten oder gedruckten Schaltungen auf Platinen verbunden. Es ist eine gute Alternative zum Löten weil es schneller geht und keinen Zusatz­werkstoff benötigt. Dabei schwingt die Sonotrode mit einer Amplitude von 2-20 µ bei 36 kHz hin und her. Es kann auch für Stecker und Kabelverbinder verwendet werden.

Ultraschallschweißen

0:26 min, © TWI Ltd 19. Februar 2013 


Ultraschallschweißen von Plastik

Ultraschallschweißen wird z.B. für thermoplastische Spritzgussteile verwendet. Die zu verbinden­den Bauteile werden zusam­men­gepresst und über eine Sonotrode mit Vibrationen mit einer Frequenz von 20 bis 40 kHz außerhalb des hörbaren Bereichs ausge­setzt, um die Werkstücke an der Verbindungslinie zu erweichen oder zu schmelzen.

Ultraschallschweißen von Plastik

0:26 min, © TWI Ltd 19. Februar 2013 


Das Verfahren findet in vielen Anwendungen breite Anwendung, die von Auto-Rücklichtern bis hin zu Produkten der Unterhaltungselektronik, wie z.B. Mobiltelefongehäusen reichen.

Ultraschallschweißen von faserverstärkten Kunststoffen

Mit Ultraschallschweißen können glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) verbunden werden. Die Schweißzeiten sind kurz (typischerweise weniger als eine Sekunde), was das Verfahren ideal für die Massenproduktion von Elektronik- und Sensor-Gehäusen macht.

 

Ultraschallschweißen von GFK

0:26 min, © TWI Ltd 19. Februar 2013 


Widerstandsrollennahtschweißen

Das Widerstands­rollennah­tschweißen (kurz Rollennahtschweißen, Prozess-Nr. 22 nach EN ISO 4063) ist ein Widerstands­schweiß­verfahren zum Herstellen von Nähten.

Widerstandsrollennahtschweißen

0:19 min, © TWI Ltd 19. Februar 2013 


Mikro-WIG-Schweißen

Gepulstes Mikro-WIG-Schweißen kann zum Verschließen von Edelstahl-Gehäusen eingesetzt werden. Es handelt sich um einen Prozess ohne Zusatzwerkstoff und mit geringem Wärmeeintrag, der für vielfältig eingesetzt werden kann, z.B. zum Schweißen von isolierten Drähten, wobei er die Isolierung verbrennt und die elektrisch leitende Verbindung erstellt. 

Mikro-WIG-Schweißen

0:33 min, © TWI Ltd 18. Februar 2013 


Perkussions-Lichtbogen-Schweißen

Das Perkussions-Lichtbogen-Schweißen ist zum Schweißen von Ma­terial­misch­verbin­dungen geeignet. Es ist ein Press­schweiß­verfahren bei dem zwischen den beiden zu schweißenden Teilen eine Spannung angelegt wird, die kurzzeitig zum Zünden eines Lichtbogens führt, durch den die Kontaktflä­che der beiden Teile schmilzt.

Perkussions-Lichtbogen-Schweißen

0:34 min, © TWI Ltd 18. Februar 2013 


Draht-Bonden

Beim Draht-Bonden werden die Anschlüsse eines integrierten Schaltkreises oder eines diskreten Halbleiters (z. B. Transistor, Leuchtdiode oder Photodiode) über dünne Drähte aus Bonddraht mit den elektrischen Anschlüssen anderer Bauteile oder des Gehäuses verbunden.

Drahtbonden: Ball-, Wedge- und Band-Bonden

1:14 min, © TWI Ltd 18. Februar 2013 


Ball-Bonden (0:01)

Das Ball-Bonden (auch Thermosonic-Ball-Wedge-Bonden) ist eine Technik zum Verbinden von Mikrochips, d.h. dem aus Silizium hergestellten Innenleben von integrierten Schaltkreisen. Im Video wird das Ball-Bonden mit Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 200 µ gezeigt. Ein Lichtbogen wird verwendet, um die Drahtspitze aufzuschmelzen, so dass sich am Ende des Drahtes ein Ball (oder eine Kugel) bildet. Aufgrund der Kugelform kann der Draht mit unterschiedlichen Winkeln auf das Chip gepresst werden. Er wird auf den Chip gepresst und durch Ultraschallschweißen mit diesem verbunden. Der Draht kann dann zum Rahmen oder einem Substrat geführt werden und durch Wedge-Bonden mit diesem verbunden werden. Das Verfahren wird normalerweise mit Golddrähten durchgeführt.

  

Wedge-Wedge-Bonden (0:32)

Das Wedge-Wedge-Bonden (auch Ultraschall-Wedge-Wedge-Bonden) wird vor allem mit Aluminiumdrähten durchgeführt. Es ist eine zuverlässige Methode, um Silizium-Bauteile mit Substraten oder Anschlussrahmen zu verbinden. Beide Verfahren können automatisiert werden, um 3 bis 10 Schlaufen pro Sekunde zu schweißen.  

Band-Bonden (1:01)

Das Band-Bonden (englisch: Ribbon Bonding) wird vor allem für Hochfrequenz-Geräte eingesetzt.

 

Ball-Wedge-Bonden

Ball-Wedge-Bonden ist eine meist automatisiert durchgeführte Verbindungstechnik, die auf einer Seite des Bonddrahts Ball-Bonden und auf der anderen Seite Wedge-Bonden einsetzt. 

Ball-Wedge-Bonden

0:23 min, © TWI Ltd 2. Januar 2013 


Mechanisietes Wedge-Wedge-Bonden

Mechanisiertes Wedge-Wedge-Bonden ist eine mechanisisierte Verbindungstechnik, die auf beiden Seiten des Bonddrahts Wedge-Bonden einsetzt. 

Mechanisiertes Wedge-Wedge-Bonden

0:15 min, © TWI Ltd 7. Februar 2013 


Chip-Bonden

Chip-Bonden oder Die-Bonden (englisch Die Attach) wird in der Halbleiter-Fertigung zur Befestigung der vereinzelten Bruchstücke (Nacktchips, engl.: bare die) des Wafers auf einer Grundplatte verwendet. Im Video wird Keramik mit einem Substrat verlötet. 

Chipbonden (englisch: Die Attach)

0:23 min, © TWI Ltd 18. Februar 2013 


Elektrostatisches Bonden

Mit dem elektrostatischen Bonden können Silizum-Wafer mit Glas-Wavern z.B. für Druckmessungs-Sensoren in Kraftstoff-Einspritzsystemen.

Elektrostatisches Bonden

0:33 min, © TWI Ltd 18. Februar 2013 


Feindraht-Wedge-Bonden

Beim Feindraht-Wedge-Bonden werden besonders dünne Drähte eingesetzt. 

Feindraht-Wedge-Bonden 

0:32 min, © TWI Ltd 18. Januar 2013 


Laserbonden

Das Laser-Draht-Bonden kann zum Beispiel mit einer Hughes-Laserschweiß­maschine durchgeführt werden. 

Laser-Bonden 

0:25 min, © TWI Ltd 19. Februar 2013 


Tape-Automated-Bonding

Tape-Automated Bonding  ist ein Fügeverfahren für Halbleiter-Chips. Es und ermöglicht u.a. die schnelle Montage direkt auf der Leiterplatte (Chip-on-Board). Als Träger dient ein Polyimidefilm mit aufgekle­bten Kupferleiter­bahnen für die Anschlüsse. Es eignet sich aufgrund der geringen Abstände für Chips mit hoher Anschlusszahl.

Tape-Automated Bonding

0:32 min, © TWI Ltd 19. Februar 2013 


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