Die Verformung von Packages und elektronischen Panels nimmt mit den wachsenden Größen von Packages, Substraten und Interposern zu. Dies veranlasst Verpackungsunternehmen, Materialien zu testen, die die Wärmeausdehnung kompensieren können, anstatt sie lediglich zu verringern. Ein Ansatz besteht in der Verwendung von Materialien mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten (NTE), die sich bei steigenden Temperaturen zusammenziehen oder die Ausdehnung begrenzen, und ihrer Beimischung zu Epoxidharzen, die in Mold-Compounds und Underfill-Materialien verwendet werden.
Das grundlegende Problem entsteht, wenn Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten miteinander in Kontakt kommen. Beim Erwärmen versucht sich jede Komponente mit ihrer eigenen Rate auszudehnen, doch die Verbindung zwischen den Schichten verhindert eine unabhängige Bewegung. Dadurch entstehen Spannungen, die zu einer Verformung des Packages oder Panels führen. Je größer die Verbindungsfläche ist, desto wahrscheinlicher werden Schwächungen oder Ausfälle der Verbindungen an den Rändern. Die Verformung kann so stark werden, dass sie sogar die Fertigungsanlagen selbst beeinträchtigt; Knowlton Olmstead von Amkor erklärte, dass Vakuumspannvorrichtungen möglicherweise kein gutes Vakuum erzeugen, wenn die Verformung zu groß ist.
Warum wird das Problem dringlicher?
Die Vergrößerung von Packages, Interposern und Panels ist Teil der Trends bei der fortschrittlichen Verpackung, erhöht jedoch die Empfindlichkeit des Prozesses gegenüber mechanischen Unterschieden zwischen Silizium, Substrat und Mold-Compound. Die Verformung kann mitunter durch das Ausdünnen des Siliziums verringert werden. Dies kann jedoch dem Bedarf entgegenstehen, für das Wärmemanagement eine größere Dicke beizubehalten, so Mike Kelly von Amkor.
Mit neuen Materialien wie Glas nimmt die Schwierigkeit weiter zu. Laut Lang Lin von Synopsys wird heute über Verformungen in Mikrometern gesprochen, während sie bei größeren Glaspanels Millimeter erreichen können. Es geht daher nicht lediglich um eine formale Verbesserung der Materialrezeptur, sondern um Prozessgrenzen, die Ausrichtung, Verbindung und Fertigungsausbeute beeinflussen können.
Wie funktionieren Materialien mit negativer Wärmeausdehnung?
Es gibt Materialien, die tatsächlich eine negative Wärmeausdehnung zeigen. Ihr Verhalten kann jedoch auf bestimmte Temperaturbereiche beschränkt sein oder mit einer Phasenänderung zusammenhängen. Ein ähnlicher Effekt lässt sich auch durch ein Netzwerk oder eine Matrix erzielen, die die Bewegung eines anderen Materials einschränkt. Die Idee besteht darin, dass die innere Struktur dem eingeschlossenen Material keine freie Ausdehnung erlaubt und die molekulare Bewegung möglicherweise so umleitet, dass die Gesamtausdehnung abnimmt oder sich in eine begrenzte Schrumpfung verwandelt.
Dieser Ansatz konzentriert sich ebenso stark auf die Struktur des Füllstoffs wie auf seine chemische Zusammensetzung. Netzwerke wie house-of-cards oder rigid-rod verleihen unterschiedliche Steifigkeitsgrade und beeinflussen den Materialfluss. Auch die Art und Weise, wie die Komponenten zusammengefügt und chemisch eingesetzt werden, bestimmt ihr endgültiges Verhalten. Sanjiv Bhatt von Mitsubishi Chemical Group erklärte, dass es sich eher um ein Netzwerk- oder Strukturproblem als um eine Eigenschaft eines einzelnen Materials handelt.
Das Ziel besteht nicht zwangsläufig darin, ein Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von null herzustellen. Vielmehr soll der Ausdehnungskoeffizient des Mold-Compounds so eingestellt werden, dass er sich den Ausdehnungskoeffizienten von Chip, Substrat und umhüllendem Material annähert. Dadurch können thermische Fehlanpassungen und die Ansammlung von Spannungen verringert werden, anstatt die Ausdehnung vollständig beseitigen zu wollen.
Von der Forschung zur kommerziellen Nutzung
Materialien mit negativer Wärmeausdehnung sind weiterhin begrenzt verfügbar. Luke Prenger von Brewer Science verweist auf die Verwendung von β-Eukryptit in einigen keramischen Werkzeugen, während Zirkoniumwolframat als Zusatzstoff in bestimmten Arten von Mold-Compounds und Underfill-Materialien eingesetzt wird. Die Entwicklung organischer Materialien mit negativer Ausdehnung in drei Dimensionen ist schwieriger. Polymere, die dieses Verhalten zeigen, tun dies häufig nur in einer Dimension, wodurch anorganische Zusätze zu einem wesentlichen Bestandteil der Lösung werden.
Mitsubishi Chemical Group hat begonnen, ein anorganisches Material anzubieten, das mit Epoxidharzen gemischt werden kann, um den Ausdehnungskoeffizienten anzupassen. Es ist außerdem in einer bereits mit dem Harz vorgemischten Form erhältlich. Dies deutet auf einen Übergang der Technologie vom Forschungsbereich zu Produkten hin, die in Anwendungen der Elektronikverpackung getestet werden können, jedoch noch nicht auf eine umfassende industrielle Einführung.
Was begrenzt die Verbreitung?
- Das Material muss seine Leistung über einen Temperaturbereich hinweg beibehalten, der die Verarbeitung und die nachfolgenden Fertigungsprozesse mit höheren Temperaturen abdeckt.
- Es sollte sich leicht und homogen mit den Harzen vermischen lassen, da eine ungleichmäßige Verteilung das Ergebnis verschlechtern oder ein unvorhersehbares Verhalten erzeugen kann.
- Reinheit und Verunreinigungen müssen kontrolliert werden, insbesondere weil Emissionen von Alphateilchen die Zuverlässigkeit der Packages beeinträchtigen können.
- Die begrenzende Matrix verändert nicht die grundlegenden thermischen Übergangstemperaturen des eingeschlossenen Materials, etwa die Glasübergangstemperatur oder den Schmelzpunkt.
Lesart von certi.news: Die tatsächliche Veränderung besteht hier nicht lediglich in der Ankündigung eines neuen Materials, sondern in dem Versuch, das Verformungsmanagement von der Package-Konstruktion auf die Ebene der Materialtechnik selbst zu verlagern. Wenn diese Formulierungen ihre Fähigkeit unter Beweis stellen, bei mehreren Temperaturen stabil zu funktionieren, könnten sie dazu beitragen, eine der mechanischen Einschränkungen für größere Packages und Panels zu beseitigen. Die Quelle liefert jedoch keine quantitativen Leistungsdaten oder Ergebnisse aus einer breiten Produktion. Daher bleibt die offene Frage, ob Mischbarkeit, thermische Stabilität und Reinheit ausreichen werden, um diesen Ansatz in eine Standardpraxis der fortschrittlichen Verpackung zu überführen.