Forschende des National Institute of Standards and Technology (NIST), der University of California, San Diego (UCSD) und anderer Einrichtungen veröffentlichten eine Studie darüber, wie sich die Entwicklung der Aushärtung eines hochgefüllten Epoxidmaterials sowie seine Fähigkeit zur Beständigkeit gegen thermischen Abbau bei der Verwendung in der fortgeschrittenen Halbleiterverpackung vorhersagen lassen.
Diese Materialien werden als Underfill bezeichnet und in Anwendungen wie Mikrokontakten und der Flip-Chip-Technologie eingesetzt. Ihre Funktion besteht darin, die mechanische Festigkeit zu erhöhen, thermomechanische Spannungen umzuverteilen und die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen zu verbessern. Ihre Leistung hängt jedoch nicht nur von ihrer Zusammensetzung ab, sondern wird auch vom Grad der abgeschlossenen Aushärtung während der Verarbeitung und von ihrer thermischen Stabilität während der Betriebsdauer beeinflusst.
Was haben die Forschenden gemessen?
Das Team stützte sich auf die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und die thermogravimetrische Analyse (TGA) sowie auf ein kinetisches Modell, das den Einfluss der Diffusion einbezieht. Die Analyse zeigte, dass sich die scheinbare Aktivierungsenergie im Verlauf der Reaktion verändert und bei hohen Umwandlungsgraden stark ansteigt. Dies deutet darauf hin, dass die Aushärtung kein einstufiger Vorgang ist, sondern ein mehrstufiges Verhalten aufweist, das von der Diffusionskontrolle beeinflusst wird.
Um dieser Eigenschaft Rechnung zu tragen, verwendeten die Forschenden ein modifiziertes zweistufiges Kamal–Sourour-Modell, in dessen zweite Phase der Einfluss der Diffusion integriert wurde. Dem veröffentlichten Abstract zufolge verbesserte das Modell die Fähigkeit, den Umwandlungsgrad nach dem Erreichen des Verglasungsstadiums vorherzusagen. Außerdem wurde es zur Simulation der Aushärtung nach einem thermischen Verarbeitungsplan in einem Ofen eingesetzt.
Was ändert sich in der Praxis?
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Auslegung eines thermischen Verarbeitungsplans auf einem quantitativen Modell beruhen kann, das die späten Aushärtungsphasen verfolgt, anstatt sich lediglich auf eine feste Dauer oder Temperatur zu beschränken. Der vorhergesagte Verarbeitungsplan erreichte der Studie zufolge einen nahezu vollständigen Aushärtungsgrad. Dies bietet Ingenieurinnen und Ingenieuren eine Möglichkeit zu bewerten, ob das Material seine erforderliche Umwandlung abgeschlossen hat, bevor es in Produktions- oder Prüfphasen übergeht.
Die Forschenden untersuchten außerdem den Einfluss des kryogenen Mahlens (cryomilling) auf TGA-Messungen und stellten fest, dass es die Wiederholbarkeit der Ergebnisse verbesserte, ohne nachweisbare chemische Veränderungen zu verursachen. Die Studie befasste sich auch mit der Abschätzung der thermischen Lebensdauer nach den Protokollen ASTM E1641/E1877, wobei ein Massenverlust von 5 % in einer Stickstoffumgebung als Kriterium verwendet wurde. Die Ergebnisse zeigten eine starke Temperaturabhängigkeit der Abschätzung.
Warum ist diese Nachricht wichtig?
Die Studie bietet einen Rahmen, um das Verhalten des Materials während der Aushärtung mit der Bewertung seiner thermischen Zuverlässigkeit zu verknüpfen. Dies ist bei der fortgeschrittenen Verpackung wichtig, da Mikrokontakte und die Vielzahl der Materialien die Fähigkeit des Gehäuses beeinflussen, Betriebszyklen standzuhalten. Die Ergebnisse stellen jedoch keine umfassende industrielle Freigabe für ein bestimmtes Material oder Verfahren dar. Sie beruhen auf einem hochgefüllten Epoxid und spezifischen Messbedingungen, während die Schätzungen zur thermischen Beständigkeit auf dem Massenverlust in Stickstoff basierten. Daher muss weiterhin geprüft werden, wie sich diese Schätzungen auf tatsächliche Betriebsbedingungen und verschiedene kommerzielle Materialien übertragen lassen.
Die Arbeit trägt den Titel „Predicting Cure Evolution and Thermal Endurance of a Highly Filled Epoxy Underfill for Advanced Packaging“ und wurde 2026 im Journal of Polymer Science veröffentlicht, mit dem DOI: 10.1002/pola.70283. Die Quelle nennt den 11. September 2026 als Veröffentlichungsdatum der Nachricht, während sie angibt, dass die Arbeit auf August 2026 zurückgeht.