Herstellung und Analyse eines elektrischen Mikrokontaktes mit Hilfe

Herstellung und Analyse eines elektrischen Mikrokontaktes
mit Hilfe eines Leitklebers
von Dr. Jan Albers und Dr. Gerhard Chmiel
In diesem Artikel werden Untersuchungen dargestellt, bei denen mit Hilfe eines Leitklebers ein
elektrisch, stabiler Mikrokontakt hergestellt wurde. Die Kontaktfläche hatte einen Durchmesser von ca. 250µm. Der Mikrokontakt mit dem Leitkleber erfordert jedoch ein kontrolliertes
Ausheizen bei einer bestimmten Temperatur in einem entsprechendem Ofen. Es konnte auch
gezeigt werden, dass eine thermische Belastung von 500 Temperaturwechseln den Kontakt nicht
verschlechtert.
1. Einleitung
Leitkleber werden in der Halbleiter- und der
Elektronikindustrie schon für viele Anwendungen
eingesetzt. So werden beim Bau von integrierten
Schaltungen die Siliziumchips mit einem Leitkleber
auf das Leadframe geklebt (Die-Bonding). Auch
das Bestücken von Platinen mit Bauelementen kann
mit Hilfe eines elektrisch leitenden Klebers erfolgen [2]. Dabei ergeben sich im Vergleich zum Löten mit einem Bleilot, die Vorteile der niedrigeren
Prozesstemperatur, der einfacheren Prozessführung
sowie der Umweltvorteil, dass keine Bleiverbindung
mehr eingesetzt wird. Auch bei mikromechanischen
Bauteilen können Leitkleber sinnvoll eingesetzt
werden. So kann die Verbindung vom Siliziumsensor zum Substrat bei Drucksensoren durch einen Kleber erfolgen [1].
Ein Leitkleber besteht aus einem Klebstoff
(Epoxidharz) und einer Silberfüllung aus sehr dünnen Silberplättchen. Diese Plättchen werden als
Flakes bezeichnet. Sie haben einen Durchmesser
von ca. 25µm und eine Dicke unter 1µm. Um eine
genügend hohe Leitfähigkeit zu erreichen, muss der
Silberanteil mindestes 50% betragen. Dies wird als
Perkolationsschwelle bezeichnet. Je höher der
Silberanteil ist, umso höher wird die elektrische
Leitfähigkeit des Klebers. Handelsübliche
Leitkleber haben einen Silberanteil zwischen 70 und
80 (Gewichts-)% [2].
Für eine gute elektrische Leitfähigkeit müssen die
einzelnen Silberplättchen eine gute Verbindung untereinander aufbauen können. Deshalb ist ein Aushärten bei einer höheren Temperatur des Klebers
notwendig. Dabei verdampft das Lösungsmittel, so
dass der Kleber schrumpft und die Silberplättchen
aneinander gedrückt werden. Durch den dann fe-
sten Epoxidharz wird dieser Kontaktdruck beim
ausgehärteten Kleber weiter aufrecht erhalten. Der
Widerstand des Klebermaterials sinkt mit zunehmender Aushärtetemperatur und Ausheizzeit. Der
Umgebungsdruck hat dagegen keinen
entscheidenen Einfluss auf die Klebeverbindung [3].
Bei den hier dargestellten Untersuchungen ging es
darum, einen sicheren, elektrischen Kontakt zum
Pad des Leadframes eines eingehausten ICs herzustellen. Auf diesem Pad wird der Siliziumchip
aufgeklebt, und die elektrischen Anschlüssen des
Chips werden durch Golddrähte mit den Kupferstege des Leadframes verbunden. Anschließend
wird alles mit einer Kunststoffmasse umspritzt, und
die Kupferstege ausgestanzt sowie in die gewünschte Form gebogen. Diese Kupferstege werden noch
mit einer Zinkschicht überzogen, und bilden dann
die elektrischen Anschlüsse des IC-Gehäuses. Das
Pad wird häufig nicht als elektrischer Kontakt geAbb. 1: Nach dem Einhausen bleiben bei einem PLCC44-IC-Gehäuse Mikrokontaktflächen an den Ecken
zurück.
P a d anschluß
P in s
2 50 µ m
Mikrokontakt
Abb. 2: Die Röntgenaufnahme eines PLCC44Gehäuse zeigt das
Leadframe mit dem Pad
in der Mitte. Mit Hilfe eines Leitklebers soll über
die Mikrokontakte das
Pad mit den umliegenden Pins verbunden werden.
L e itk leb e r
nutzt und ist dann auch nicht mit einem Anschlusspin
verbunden. Beim PLCC44-Gehäuse gibt es jedoch
an allen vier Ecken eine kleine Kontaktfläche, die
von den Stützen des Pads nach dem Ausstanzen
übergeblieben sind. Diese Mikrokontaktflächen
haben einen Durchmesser von ca. 250µm (Abb.1).
Aufgrund dieser geringen Größe ist ein direkter
elektrischer Kontakt mit Messspitzen nur mit großem Aufwand möglich, und für Reihenuntersuchungen nicht geeignet.
Deshalb wurden von uns Untersuchungen durchgeführt, die beweisen sollten, dass ein sicherer
Kontakt zwischen den Mikrokontakten des Pads
und den daneben liegenden Pins mit Hilfe eines
aufgebrachten Leitklebers möglich ist. Dazu wurde an zwei gegenüberliegenden Ecken ein
Leitkleber so aufgetragen, dass er sowohl die
Mikrokontaktfläche, als auch die zwei daneben liegenden Pins überdeckt (Abb. 2). Wenn der
Leitkleber einen guten elektrischen Kontakt zu der
Mikrofläche aufbaut, so muss sich ein niedriger
Widerstand von Ecke zu Ecke über die kontaktierten Anschlusspins messen lassen. Der gemessene Gesamtwiderstand Rg setzt sich dabei zusammen aus den Widerständen der beiden
Leitkleberbrücken zu den Pins, den beiden Widerständen vom Leitkleber zur Mikrokontaktfläche
und dem Widerstand von den Anschlussstegen und
dem Pad.
Ein Problem des Leitklebers sind die unterschiedlichen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kleber und dem Metall. Dadurch
kommt es bei Temperaturwechseln zu einer
thermomechanischen Belastung der Klebestelle, die
die Verbindung zerstören kann [1]. Um die Zuverlässigkeit des Mikrokontaktes zu untersuchen wurden deshalb die zuvor untersuchten Gehäuse einem Temperaturstress in einem Zyklusofen ausgesetzt und der Widerstand anschließend erneut vermessen.
2. Aufbau und Durchführung der Untersuchungen
Für die Versuchsserien wurden als defekt ausgesonderte ICs in einem PLCC44-Gehäuse verwendet. Der Zweikomponenten-Leitkleber wurde in
einem Becherglas im Verhältnis 1:1 angerührt, 5min
lang vermischt (nach Gebrauchsanweisung) und
anschließend mit einem Holzspachtel auf alle vier
Ecken der Gehäuse aufgetragen. Direkt danach
wurden die Gehäuse in einen vorgeheizten
Präzisionsofen eingelegt und für eine bestimmte Zeit
bei verschiedenen Temperaturen gelagert (Abb. 2).
Es wurden Temperaturen von 60, 100, 120, 130,
140, 150, 160 und 180°C eingestellt. Nach 5, 10,
15, 20, 25 und 30 Minuten wurden je 5 Gehäuse
aus dem Ofen herausgenommen, die bei Raumtemperatur abkühlen konnten. Außerdem wurden
25 Gehäuse bei Raumtemperatur (ca. 20°C) für
24 Stunden und 5 Gehäuse auf einer Heizplatte bei
200°C für 5min ausgeheizt.
R =R
+R
+R
+R
+R
g
Kleber
Kontakt
Pad
Kontakt
Kleber
Dabei wird der größte Widerstand durch die beiden Kontaktflächen gebildet werden.
Abb. 3: Die Gehäuse wurden im Präzisionsofen bei vorgegebenen Temperaturen ausgeheizt.
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Mikrokontakt
de ihr Widerstand erneut vermessen.
Abb. 4: Aufbau der Widerstandsmessungen im Prüfsockel.
Nach dem Abkühlen wurde der Widerstand an
den gegenüberliegenden Ecken mit einem Präzisions-Ohmmeter vermessen. Dazu wurden die Chips
in einem Prüfsockel für PLCC44-Gehäuse eingesetzt und das Messgerät mit den entsprechenden
Anschlüssen des Sockels verbunden (Abb.4). Die
gemessenen Werte wurden in eine Tabelle übertragen.
Für die Temperaturstressung wurden anschließend
10 Gehäuse, die bei 140°C und verschiedenen
Zeiten, sowie 5 Gehäuse, die bei 120°C ausgeheizt
wurden, ausgesucht. Diese Gehäuse wurden im
Zyklusofen (Abb. 5) innerhalb von 10 Tagen
500mal einem Temperaturwechsel von -40°C auf
150°C und zurück ausgesetzt. Anschließend wur-
Abb. 5: Die Temperaturstressmessungen wurden in einem Zyklusofen durchgeführt.
3. Ergebnisse
Ein Trocknen des Klebers bei Raumtemperatur
führte bei allen 25 Gehäusen zu so hohen Widerständen, dass sie vom Messgerät nicht mehr anzeigt werden konnten. Durch ein nachträgliches
Heizen für 5 Minuten bei 150°C wurden bei 13
Gehäusen ein Widerstand zwischen 0,15Ohm und
1,5Ohm gemessen. Alle anderen Gehäuse zeigten
weiter einen unendlichen Widerstand. Dabei zeigte
sich jedoch, dass der Leitkleber mechanisch nicht
mehr sehr stabil war und an einigen Stellen
zerbröselte.
Bei einem sofortigem Ausheizen mit einer Temperatur von 60°C zeigten alle Gehäuse messbar
Widerstandswerte. Bei allen Ausheizzeiten zwischen 5 und 30 Minuten ergaben sich mittlere
Widerstandswerte zwischen 0,5 und 8Ohm. Allerdings streuten die Werte sehr stark und es zeigten sich Ausreißer mit Widerstandswerten von einigen KOhm. Bei einer Ausheiztemperatur von
100°C gab es ebenfalls noch einige Ausreißer mit
sehr hohen Widerstandswerten. Jedoch waren die
mittleren Widerstände etwa um die Hälfte geringer. Bei 120°C Ausheiztemperatur verkleinerte sich
der mittlere Widerstand auf unter 1,5Ohm und die
Zahl der Ausreißer war nur noch sehr gering. Bei
diesen geringen Ausheiztemperaturen ergab sich
keine Veränderung der Widerstandswerte bei längeren Ausheizzeiten.
Erst bei einer Ausheiztemperatur von 130°C und
einer Ausheizzeit von 20 Minuten ergaben sich stabile Widerstandswerte unter 1Ohm. Hier lag der
höchste Widerstandswert bei 756mOhm und es
ergab sich ein Mittelwert der 5 gemessenen Gehäuse von 450mOhm. Bei den längeren
Ausheizzeiten von 25 und 30 Minuten traten keine
großen Veränderungen ein. Bei 140°C und 150°C
ergaben sich die kleinsten Widerstände, die auch
schon bei 5min Ausheizzeit unter 1Ohm lagen. Bei
Ausheizzeiten über 20min konnten sichere Kontaktwiderstände unter 0,3Ohm erreicht werden. Die
Ergebnisse sind im Diagramm 1 dargestellt.
Bei den höheren Temperaturen von 160°C und
180°C zeigten die Messungen wieder deutlich höheren Widerstandswerte, und es gab auch wieder
einige Ausreißer, die unendlich hohe Werte hatten.
Bei den Versuchen, die mit 200°C und 5min
Ausheizzeit durchgeführt wurden, zeigte sich ein
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Mikrokontakt
Prozessfenster
4000
120
3500
130
mOhm
3000
140
2500
150
2000
1500
1000
500
0
5
10
15
min
20
25
30
Diagramm 1: Ab 130°C und einer Ausheizzeit von 20 Minuten
ergaben
sich
stabile
Widerstandswerte unter 1Ohm.
deutliches Verbrennen und zerbröseln des
Leitklebers.
4. Fazit
Der Leitkleber zeigte bei den verschiedenen
Ausheiztemperaturen auch unterschiedliche Farben.
Während er bei Temperaturen bis100°C silbern
bleibt, ändert sich die Farbe zum goldenen bei Temperaturen über 100°C. Ist die Temperatur zu hoch,
zeigt sich ein deutliches Verbrennen des Klebers
mit einer schwarzen Farbe (Abb. 6).
Die Herstellung eines Mikrokontaktes (Durchmesser 250µm) mit einem Leitkleber ist prinzipiell möglich. Allerdings ist für eine zuverlässigen Kontakt
ein schonendes Aushärten des Klebers bei einer
Temperatur von 120-130°C und einer Ausheizzeiten
von mindestens 20 Minuten notwendig.
Die Versuche zeigen, dass ein sofortiges Ausheizen
des Leitklebers erforderlich ist, um einen geringen
Kontaktwiderstand zu erreichen. Obwohl nach
Angaben des Kleberherstellers ein Ausheizen von
16 Stunden bei Raumtemperatur ausreichen sollte,
ist dabei offensichtlich nicht das gesamte Lösungsmittel verdampft. Dadurch kann bei einem nachträglichen Ausheizen noch eine Verbesserung der
Ergebnisse erreicht werden. Dieses nachträgliche
Ausheizen führt jedoch zu einem instabilen Kleber.
Ab einer Ausheiztemperatur von 120°C und einer
Ausheizzeit von 20 Minuten lassen sich niedrige
Kontaktwiderstände erreichen. Durch die hohen
In Diagramm 2 sind die Ergebnisse nach dem
Temperaturstresstest dargestellt. Es zeigte sich, dass
die Widerstände der Gehäuse, die mit 140°C ausgeheizt wurden, stark ansteigen. Die Widerstände
der Gehäuse, die mit 120°C ausgeheizt wurden,
zeigten dagegen ein leichtes Sinken der Werte.
1250
1645
14500
4810
R vorher
R nachher
750
500
250
120°C 30 min 5
120°C 30 min 4
120°C 30 min 3
120°C 30 min 2
120°C 30 min 1
140°C 30 min 4
140°C 30 min 3
140°C 30 min 2
140°C 25 min 5
140°C 25 min 4
140°C 25 min 1
140°C 20 min 4
140°C 20 min 3
140°C 20 min 1
0
140°C 15 min 1
mOhm
1000
IC augeheizt bei
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Diagramm 2: Nach dem Temperaturstress
zeigen die Gehäuse, die mit 140°C ausgeheizt wurden, deutlich ansteigende und
die Gehäuse, die mit 120°C ausgeheizt wurden sinkende Widerstandswerte.
Mikrokontakt
A u s h ä rttem p era tu r
2 0 °C
[2} M. Röck: Leitkleber auf Polyesterfolien zur
Herstellung von Starr Flex Leiterplatten; Rafi
GmbH; (2000) Internet: www.rafi.de/active/wFiles/
Leitkleber auf Polyesterfolien.pdf
W id e rsta nd
Rgesam t
u n en d lich h o ch
1 3 0 °C
< 300m O hm
2 0 0 °C
u n en d lich h o ch
[3] ISFH: Kleben statt Löten - Eine neue Technologie für die Kontaktierung von Solarzellen; Internet:
www.isfh.de/institut/publika
Abb. 6: Nur bei einer Ausheiztemperatur zwischen 120°C
und 130°C ergeben sich niedriege und stabiele Widerstände zum Mikrokontakt.
Temperaturen wird das Lösungsmittel aus dem
Kleber sehr schnell ausgetrieben, und wahrscheinlich fangen die Silberplättchen im Kleber an zu
schmelzen, so dass sie sehr eng zusammenkommen und untereinander einen guten elektrischen
Kontakt bilden. Dieses Ergebnis wird auch in der
Literatur gefunden.
Die Temperaturstressmessungen haben gezeigt,
dass ein Ausheizen bei einer Temperaturen von
140°C bereits zu einem Zuverlässigkeitsproblem
führt. Offensichtlich ist der Kontakt bei einer so
hohen Temperatur nicht mehr stabil, so dass der
Temperaturstress zu einer Verschlechterung des
Kontaktes und einer damit verbundenen Erhöhung
des Kontaktwiderstandes kommt.
Die Temperatur darf in keinem Fall über 150°C
liegen, da der Kleber hier offensichtlich instabil wird
und bei sehr hohen Temperaturen schließlich verbrennt. Diese Ergebnisse sind in Abbildung 6
zusammengefasst.
Die Autoren bedanken sich bei Herrn Florian
Tengler für die sorgfältige Durchführung der Messungen.
Literatur:
[1] J. Wilde, E. Deier, M. Thoben: Thermodynamisches Verhaltne von Klebeverbindungen in der
Mikrosystemtechnik; IMTEK (Universität Freiburg) und DaimlerChrysler Forschung und Technologie; Internet: www.imtek.uni-freiburg.de
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