In der Arbeitsgruppe Charakterisierung und Diagnostik in der Elektronik-Technologie des IAVT ist eine In-situ-Messzelle (ISM) zur Beobachtung von Lötvorgängen im Röntgenmikroskop nanome|x konstruiert und aufgebaut worden. Die ISM besteht aus einer Grundplatte, der Messkammer und der Steuerelektronik (siehe Abbildung). Die Erwärmung der Probekörper erfolgt über eine regelbare Heizplatte, welche aus einem Dickschichtheizer mit integriertem Temperatursensor auf einem keramischen Substrat aufgebaut ist. Der gegenwärtige Aufbau gewährleistet die homogene Erwärmung von planaren Objekten mit einer Kantenlänge von 15mm. Es besteht jedoch der Bedarf hin zu größeren Abmessungen der Untersuchungsobjekte.

Zur weiteren Optimierung der ISM soll die Steuerelektronik derart angepasst werden, dass auch größere Dickschichtheizer mit variablen Leistungsparametern verwendet werden können. Die Dokumentation der gegenwärtigen Lösung sowie erste Versuchsträger für größere Dickschichtheizer liegen bereits vor.

Für Hochleistungsrechner und integrierte Photonik bedarf es optischer Signalübertragung auf Interposerebene. Am IAVT wird hierzu eine monomodige, polymere Umverdrahtungslage gemäß Abb. 1 entwickelt. Diese basiert auf einem hybridlithografischen Ansatz, bei dem die planaren, dreilagigen Wellenleiter mittels UV-Lithografie hergestellt werden. Anschließend wird das 2-Photonenpolymeriations Laserdirektschreiben (2PP-DLW) zur Strukturierung von Mikrospiegeln für die vertikale Kopplung verwendet.

Am IAVT konnten bereits Wellenleiter mit quadratischem Querschnitt (Abb. 2) und Öffnungen für die Kantenkopplung zu Fasern und Spiegelelementen (Abb. 4) strukturiert werden. In beiden Fällen sind raue Flanken zu beobachten, die einen erheblichen Dämpfungsbelag verursachen.  Dies sollte im Laufe der Arbeit in folgenden Schritten näher untersucht werden:

Solutions for optical signal transmission on interposer level are needed for high performance computing (HPC) and integrated photonics applications. Therefore, IAVT is developing a single mode, polymeric re-distribution layer (RDL) according to fig. 1. This is based on a hybrid lithography process, first a 3-layer stack-up forming planar waveguides is structured using UV-lithography.  ThiOut of plane coupling is then added by micro-mirrors, structured with 2-photon-printing direct-laser-writing (2PP-DLW).

Structuring of square waveguide cores (fig. 2) und openings for edge coupling to fiber and micro-mirrors (fig. 4) is state of the art at IAVT. In both cases sidewalls are rough, causing significant attenuation.  This should be addressed within the thesis in following steps:

Für Hochleistungsrechner und integrierte Photonik bedarf es optischer Signalübertragung auf Interposerebene. Am IAVT wird hierzu eine monomodige, polymere Umverdrahtungslage gemäß Abb. 1 entwickelt. Diese basiert auf einem hybridlithografischen Ansatz, bei dem die planaren, dreilagigen Wellenleiter mittels UV-Lithografie hergestellt werden. Anschließend wird 2-Photonenpolymeriations Laserdirektschreiben (2PP-DLW) zur Strukturierung von Mikrospiegeln für die vertikale Kopplung verwendet. Mit diesem Verfahren können arbiträre 3D-Strukturen in sub-µm Auflösung geschrieben werden.

Am IAVT konnten bereits Mikrospiegel in den Wellenleitermaterialien strukturiert werden. Im Laufe der Arbeit sollen diese in folgenden Schritten an den UV-lithografischen Wellenleiterstapel angebunden und weiter verbessert werden:

Solutions for optical signal transmission on interposer level are needed for high performance computing (HPC) and integrated photonics applications. Therefore, IAVT is developing a single mode, polymeric re-distribution layer (RDL) according to fig. 1. This is based on a hybrid lithography process, first a 3-layer stack-up forming planar waveguides is structured using UV-lithography.  ThiOut of plane coupling is then added by micro-mirrors, structured with 2-photon-printing direct-laser-writing (2PP-DLW). This process allows for arbitrary 3D-structures with sub-µm resolution.

In previous works promising results with 2PP-DLW in waveguide materials were achieved (fig.2).   In this thesis integration with the UV-lithographic waveguide stack should be reached and improved.

Für Hochleistungsrechner und integrierte Photonik bedarf es optischer Signalübertragung auf Interposerebene. Am IAVT wird hierzu eine monomodige, polymere Umverdrahtungslage gemäß Abb. 1 entwickelt. Diese basiert auf einem hybridlithografischen Ansatz, bei dem die planaren, dreilagigen Wellenleiter mittels UV-Lithografie hergestellt werden. Anschließend wird 2-Photonenpolymeriations Laserdirektschreiben (2PP-DLW) zur Strukturierung von Mikrospiegeln für die vertikale Kopplung verwendet. Zur Verifizierung müssen Kopplungs-, Dämpfungs- sowie Datenübertragungsmessungen an der Umverdrahtungslage durchgeführt werden, indem Licht mit Glasfasern gemäß Abb. 2 durchgekoppelt wird. Um statistisch belastbare Ergebnisse zu erzielen, müssen sowohl die Ausrichtung der Fasern als auch die Vermessung mehrerer Wellenleiter automatisiert erfolgen. Im Laufe der Arbeit soll mit vorhandenen Manipulatoren ein Messplatz aufgebaut und der Automatisierungsgrad so weit erhöht werden, dass schlussendlich nur noch das Einlegen der Probe und eine initiale Ausrichtung manuell erfolgt.

Solutions for optical signal transmission on interposer level are needed for  high performance computing (HPC) and integrated photonics applications. Therefore, IAVT is developing a single mode, polymeric re-distribution layer (RDL) according to fig. 1. This is based on a hybrid lithography process, first a 3-layer stack-up forming planar waveguides is structured using UV-lithography.  ThiOut of plane coupling is then added by micro-mirrors, structured with 2-photon-printing direct-laser-writing (2PP-DLW). For verification measurement of coupling losses, attenuation and  data transmission properties are necessary. A fiber to device under test (DUT) to fiber scenario according to fig. 2 is needed. For statistically robust results, both fiber alignment and measurement of multiple waveguides have to be automized. During this thesis a measurement setup based on existing manipulator shall be designed and grade of automation shall be increased. In the end only sample placement and initial alignment should be manual.

Im Mittelpunkt der Studienarbeit steht die Untersuchung der Zuverlässigkeit von FC-Lotkontakten unter Vibrationsbelastung und Variation der Lotlegierung und Vibrationsamplitude sowie der Nutzung von Underfill. Aus den Ergebnissen soll erkenntlich werden, welche Lastzyklen bis zum Ausfall erreicht werden können, basierend auf der Amplitudenwahl und des Vorhandenseins von Underfill zur mechanisch Stabilisierung. Es soll dabei auch beobachtet werden, ob es zu Veränderungen in den Schädigungsmechanismen kommt. Zu diesem Zweck sind geeignete Probekörper aufzubauen und in auslenkungsgesteuerten Vibrationsversuchen bei Raumtemperatur zu belasten. Die Analyse der Ausfallmechanismen ist mit mikroanalytischen Methoden zu bearbeiten. Die Auswertung der Ergebnisse soll die Datenlage und das Verständnis über das Ausfallverhalten von Lotkontakten unter Vibrationsbelastungen erweitern.

Am Institut ist ein bestehender Flip-Chip-Automat zur präzisen Bestückung von elektronischen Bauteilen vorhanden. Solche Bauteile werden üblicherweise mit angepasster Kraft, Temperatur und/oder Ultraschall bestückt und gefügt.

Zur weiteren Optimierung der Prozesse soll die Steuerungssoftware derart angepasst werden, dass eine Profilierung und Protokollierung der genannten Prozessparameter möglich ist. Das bedeutet, dass zum Beispiel verschiedene Kraft- oder Temperaturrampen während des Prozesses beaufschlagt werden können und deren Einhaltung auch dokumentiert wird.

Die vorhandene Steuerungssoftware ist offengelegt und eine Unterstützung durch den Maschinenhersteller bei der Implementierung der eigenen Algorithmen ist gegeben.

Moderne elektronische Systeme werden in einer Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen eingesetzt und sind dabei zum Teil sehr starken mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Dennoch erwartet der Anwender eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Um diese zu gewährleisten, muss bei der Entwicklung der Elektroniksysteme das thermo-mechanische Verhalten der eingesetzten Werkstoffe genau bekannt sein. Zum Einen, um Anhand von werkstoffbezogenen Kenngrößen eine Materialauswahl treffen zu können und zum Anderen, um einen optimalen Systementwurf mit Hilfe von z. B. Finiten-Element-Simulationen zu erarbeiten. Nach dem aktuellen Stand wird für polymere Werkstoffe ein zwar temperaturabhängiges, aber nur lineares mechanisches Verhalten berücksichtigt. Es ist jedoch bekannt, dass bei größeren Verformungen ein nichtlineares mechanisches Verhalten auftreten kann. In dieser Arbeit soll daher untersucht werden, welche vorhandene Charakterisierungsmethode eingesetzt werden sollte, um dieses Verhalten zu erfassen, wie man das erfasste Verhalten in FEM-Simulationen überträgt und welche Verbesserungen bei der Berechnung zu erzielen sind. Zu beachten ist, dass heutzutage Polymere mit und ohne Füll- bzw. Verstärkungspartikeln usw. eingesetzt werden und dass die Verarbeitungsbedingungen (u. a. Aushärtetemperatur) einen signifikanten Einfluss auf das Verformungsverhalten der Polymere ausüben.

Die voranschreitende Miniaturisierung und Funktionsintegration hat in der zur Entwicklung der Package-Technologie „System-in-Package“ geführt. Bei dieser werden sowohl aktive als auch passive Bauelemente in einem Package integriert. Eine mögliche Aufbauform ist die Variante Package-on-Package, bei der mindestens zwei Module aufeinander montiert werden. Dies erfordert die Erzeugung von Durchkontaktierungen durch Vergussmassen hindurch. Dafür sind verschiedene Lösungswege zur technologischen Umsetzung vorstellbar.

Zielstellung dieser Studienarbeit soll daher zunächst die theoretische Gegenüberstellung der technologischen Möglichkeiten zur Umsetzung einer elektrischen Verbindung durch eine Vergussmasse hindurch sein. Nach Auswahl einer bevorzugten Lösungsvariante ist eine Prozessentwicklung durchzuführen. Diese muss die folgenden Prozessschritte umfassen: Erzeugen einer durchgehenden Öffnung, Abscheiden einer durchgehend elektrisch leitfähigen Schicht, gegebenenfalls vollständiges Füllen der Öffnung sowie Anbindung der Durchkontaktierung an beidseitig vorhandene Leiter- bzw. Kontaktstrukturen. Nach erfolgreicher Erzeugung von Durchkontaktierungen ist deren elektrische Leitfähigkeit nachzuweisen.

Bei der Entwicklung neuer integrierter elektronischer Systeme werden vermehrt Fanout (FO) Packages für 5G- und Radaranwendungen im Automobilbereich eingesetzt. Mehrere Module können hierbei als Package-on-Package (PoP) Fertigungstechnologie übereinander angeordnet werden. Für den Einsatz im Automobilbereich ist die Zuverlässigkeit der FO-Packages besonders bedeutsam. Bei Neuentwicklungen ist es daher erforderlich die einzelnen Teilsysteme und das Gesamtsystem vorzeitig so zu gestalten und auszulegen, dass diese den rauen Zuverlässigkeitsanforderungen im Automobilbereich genügen.

Die Zielstellung der Arbeit soll sein, Empfehlungen für die Neuentwicklung von FO-Packages für PoP-Anwendungen zu erarbeiten. Dazu sind geeignete Probekörper basierend auf der FO-Technologie zu entwickeln und herzustellen. In beschleunigten Alterungstests soll das Verhalten der FO-Probekörper unter verschiedenen Belastungsszenarien analysiert werden.

Die Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen unter kombinierten mechanischen und thermischen Belastungen ist besonders für Automotive-Anwendungen bedeutsam. Aktuell werden dazu Untersuchungen durchgeführt, welche jedoch nur mit starren Randbedingungen umgesetzt werden. Dies lässt eine detaillierte Bestimmung von Schädigungsabläufen nur begrenzt zu. Um diese Situation zu verbessern sind Messmöglichkeiten erforderlich, welche eine online-Überwachung der Probekörper ermöglichen. Zunächst scheinen dafür elektrische Messungen geeignet, da diese zerstörungsfrei und flexibel gegenüber der konstruktiven und thermischen Ausführung des Experiments sind. Zielstellung der Arbeit ist daher die Entwicklung eines Messsystems zur online-Überwachung von elektrischen Widerständen während eines Vibrationsexperiments bei konstanter oder veränderlicher Temperatur. Das Messsystem muss in der Lage sein geringe Widerstandsabweichungen mehrerer Probekörper bei hoher Änderungsgeschwindigkeit zu erfassen. Temperaturänderungen dürfen dabei das Messergebnis nicht verfälschen. Um die Menge der aufgezeichneten Daten zu begrenzen ist die Umsetzung einer Ereigniserkennung zu prüfen.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Ermittlung von Materialparametern, wie z.B. des dynamisch-mechanischen Verhaltens, und die Untersuchung der Haftfestigkeit von Metallen und deren Haftvermittlern auf 3D-Druckpolymeren. Anhand einer Literaturrecherche sollen Technologien zur Optimierung der Haftfestigkeit sowie der Materialzusammensetzung von UV-vernetzenden Druckpolymeren entwickelt werden. Darauf folgend sind Testvehikel zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften und der Haftfestigkeit zu entwerfen und herzustellen. Anhand der gewonnen Ergebnisse aus der Probencharakterisierung sollen Vorschläge zur Prozess- und Materialoptimierung entwickelt werden.
Mit einer Materialanalyse können Prozesse in der Herstellung von 3D-gedruckten elektronischen Baugruppen verbessert werden und ermöglichen einen Einblick in die Materialzusammensetzung. Bis auf wenige Ausnahmen ist die Zusammensetzung von 3D-Druckpolymeren nicht zugänglich und nur wenig dokumentiert. Durch deren genaue Kenntnis könnten jedoch Eigenschaften wie die Haftfestigkeit von Metallen und somit die Zuverlässigkeit des gesamten Systems verbessert werden.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, die statisch-thermische Beanspruchung zwischen der Umverdrahtungsschicht und dem Bauelementanschluss sowie die Beanspruchung hin zum Trägermaterial für unterschiedliche SMD-Bauelemente zu simulieren. Über eine Recherche der Materialdaten soll eine Modellbildung der Komponente realisiert werden. Anhand der Ergebnisse der FEM sollen Maximalspannungen lokalisiert und mit typischen Schadensbildern (z.B. Risse, Delaminationen) verglichen werden. Mit Hilfe der Simulationsergebnisse und einer vorhandenen Zuverlässigkeitsuntersuchung sollen zudem die Parameter eines Lebensdauermodells abgeleitet werden.

Mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode kann ein thermomechanisches Modell für 3D-gedruckte elektronische Baugruppen erstellt werden. Dies ermöglicht, kritische Stellen in der Baugruppe zu identifizieren, die Lebensdauer der Baugruppe abzuschätzen und eine Optimierung an Material- und Designparametern vorzunehmen.

Der als Unterkühlung bezeichnete Unterschied zwischen Schmelz- und Erstarrungstemperatur ist ein entscheidender Einflussfaktor auf die beim Erstarren entstehende Mikrostruktur. Für weiterführende Zuverlässigkeitsbetrachtungen ist es daher von großem Interesse eine Korrelation zwischen Mikrostruktur und Erstarrungstemperatur herzustellen. Am IAVT wurde dazu bereits eine Vielzahl von Untersuchungen mit Hilfe von Infrarot-Thermographiemessungen durchgeführt. Für genauere Messungen wurde der ursprüngliche Versuchsaufbau bereits signifikant verbessert. Eine Evaluation des neuen Aufbaus konnte aber bisher nicht durchgeführt werden.

Ziel dieser Arbeit soll es daher sein, den derzeitigen Messaufbau zu analysieren, um weitere Verbesserungen abzuleiten und zu implementieren. Nach dem erneuten Aufbau der Vorrichtung, soll diese gewissenhaft kalibriert und seine Messgenauigkeit evaluiert werden. Abschließend soll die Funktionsfähigkeit durch ein initiales Experiment nachgewiesen werden.