01 Loeten Ade - Elektronische Systeme aus dem Drucker

Löten Ade
Elektronische Systeme aus dem
Drucker ?
© Fraunhofer IZM
Frank Ansorge, David Ifland, Christian Baar, Klaus-Dieter
Lang
Fraunhofer Institut Zuverlässigkeit und Mikrointegration
Standort Oberpfaffenhofen
Argelsrieder Feld 6,
D-82234 Oberpfaffenhofen
Überblick
© Fraunhofer IZM
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Short Review
Zwei dimensionale generative Verfahren
Methoden zur 3D Formgebung: Stereolithographie
Einbringung der elektronischen Komponenten
Methoden elektrische Verbindungen zu realisieren
Zusammenfassung und Ausblick
Definition Generative Verfahren
"Generative Verfahren" fungiert als Überbegriff und schliesst alle
Technologien ein, die die schnelle, schichtweise Fertigung von
Bauteilen zur Grundlage haben. Als Synonym wird oft der Begriff
"Rapid Technologien" verwendet, obwohl diese Bezeichnung
eigentlich eine weiter gefasste Definition von
Fertigungstechnologien darstellt, da hier auch andere, nicht
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generativ arbeitende, Hochgeschwindigkeitsverfahren wie z.B. High
Speed Cutting (HSC) eingeschlossen werden.
Additive Manufacturing Technologies
Direct Digital Manufacturing
Quelle: TUM-iwb
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Aus dem Internet „Rapid Prototyping“
Drucken für Ersatzteile … und Elektronik?
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© Fraunhofer IZM
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Die US-Armee entwickelt
Werkstattcontainer, die sich
per Helikopter an die Front
fliegen lassen. Soldaten
können damit Ersatzteile
ausdrucken.
Ein einsamer militärischer
Außenposten ist ein schlechter
Ort, um Geräte zu reparieren.
“A key characteristic of Add-Vision’s technology is
our fully printable, manufacturing process,”
Wilkinson said. “There are no vacuum deposition
processes; every layer of our simple three layer
device is printed under normal atmospheric
conditions. http://www.engadget.com/2011/10/21/thinfilm-and-parc-demo-printable-organic-cmos-circuit-inch-us/
http://www.newscientist.de/inhalt/militaertechnik-roboter-an-der-front-a-866197.html
http://www.printedelectronicsnow.com/articles/2010/01/addvisions-printed-poleds-position-company-for-suc
Aus dem Internet „Generative Fertigungstechnik“
© Fraunhofer IZM
Generative
Fertigungstechnik
Leiterplatte
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Komponenten in
Gehäusen
Stecker
Weitere Leiterplatten
Dickes Kupfer
Quelle: Die CPU-Plattform
meltemi, bekannt als
Leiterplatte 2010, ist ein
Referenzdesign für die
Konstruktion EMV-stabiler
Hardware und das HighSpeed-Design von
Leiterplatten
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Gegenüberstellung der Prozesse Konventionell / Direct Digital
Manufacturing
CAD-Layout
Substrat
Vorbereiten
Drucken /
Trocknen /
Härten (Sintern)
Prüfen
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IPC A 610, Revision E – Auszüge für Lötverbindungen bekannt,
Gedruckte Elektronik?
SnPb
SnAgCu
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FUTURE TECHNOLOGY NEEDS
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© Fraunhofer IZM
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Combination of 3D embedding
and 2D interconnect
3D Printing of electronic
structures
3D Application of organic
semiconductors
Ultra Thin Components
(thinned IC, etc.
SHORT REVIEW: RAPID ELECTRONIC MANUFACTURING
(Quelle: GENERATIVE TECHNOLOGIEN SMT 2009)
± 200µm
Radio: Ink Jet Druck
SLA
Komponenten
Leiterplatten für
konventionell
Leichtbauroboter
(Fraunhofer IZM mit leitfähiger Paste
aufgebracht (School
2002)
of Applied Science
Nürnberg)
± 100µm
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Sensor
Verbindungstechnik
Aerosol Druck (Fraunhofer
IFAM)
± 50µm
± 100µm
Gedruckte Multilayer
Struktur (EPSON)
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“Embedding” von Elektronik (Technologie: Leiterplatte)
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Chip in Polymer
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Gefaltete Systeme
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Embedding in Flex
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Embedding mit Stereolithographie
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Redistribution mit Ink-Jet
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SELECTION: Industrialized Rapid Prototyping Procedures
used in Micro-Mechatronic
Process
Description
Pro
Contra
3D Printing (MJM)
Wax and thermoplastics are
printed similar to inkjet
printing
• fast
• very thin layer
• high resolution
• moving parts possible
• low temperature
resistance
• few materials
Fused Deposition
Modeling (FDM)
Polymer is deposited with
heated nozzle and applied
layer by layer
• fast, cheap
• embedding possible
• Simultaneous MultiMaterial deposition
possible
• low resolution
Laminated Object
Manufacturing
(LOM)
Gluing of individual sheets
followed by laser-cutting the
contour features
• many materials
• polymer, paper, metals
• low resolution
• no complex geometries
Stereolithography
(SLA)
Photo polymerization by
laser (scan) or DLP
(projection area)
• high resolution
• embedding is possible
• Support structure
necessary
Selective Laser
Sintering/Melting
(SLS, SLM)
Local, layer by layer melting
and connection of powdered
material using an IR laser
• many materials
• no supporting structure
necessary
• medium resolution
• high roughness
Ink-Jet Printing /
Aerosol-Printing
Various Inks are jetted by
piezo-electronic MEMS
• Fast
• Many Materials
• Conductive and non
Conductive
•Process time for curing
3D Model Properties needed & Embedding of electronics is possible
•
Complex 3D Geometries
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- Good form factor
- Embedding technology by adding
electronic Components into prepared
cavities
Anwendungen von gedruckter Elektronik
Wafer / Chip Umverdrahtung
Sensorik auf Silizium:
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Area Kontakte
3 D Module
Inkjet Druck von Leiterbahnen am IZM-OPH
Zwei/Dreilagiger Druck (leitfähig/nicht
leitfähig/leitfähig)
Silber-Nano Tinte
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Substrat: Edelstahl
Lines: 100µm
Substrat: Silicium
Substrat: Papier
Lines: 50µm
Space: 50µm
Oberflächentechnik
Die Grenzfläche
„Das Volumen des Festkörpers wurde von Gott geschaffen,
seine Oberfläche aber wurde vom Teufel gemacht.“
(Wolfgang Pauli, Physiker und Nobelpreisträger)
Fett- oder Ölfilm
Adsorptions- und Reaktionsschicht
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Übergangszone
Innere Grenzschicht
Ungestörtes Gefüge
[19]
Ausbildung der Lötstellen Vergleich mit klassischer Verbindungstechnik
Voraussetzung für eine stabile Lötverbindung ist die Ausbildung von
intermetallischen Verbindungsschichten (IMV). Sie entstehen durch eine
Reaktion des zinnhaltigen Lotwerkstoffes mit den Substratmateralien:
Beispiel:
Bildung einer IMV zwischen einem Zinn/Blei-Lot auf einer
Kupfermetallisierung.
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Cu3Sn (Phase)
Cu
SnPb
Cu
Cu6Sn5 (-Phase)
ZVE
Vergleich mit konventioneller AVT
ICA – Isotropic Conductive Adhesive – Mechanismus
- Füllstoffe: Ag- (und Au-) Flakes
- xyz-Leitfähigkeit
 Percolation Theory:
- Kontakt zwischen Partikeln ab
bestimmter Füllstoffkonzentration
- Kurvenform abhängig von Partikelgröße und –geometrie
ICA A
ICA B
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 Überwiegend metallische Leitung
 ICA  0.4 mcm (<1 mcm)
Ag = 0.016 mcm
[Liu99]
Quelle: C. Kallmayer Fraunhofer iZM
Der Kontaktwiderstand
Der Kontaktwiderstand ist ein Maß für die Güte eines Kontaktes.
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ܴ‫ ܧܴ = ܭ‬+ ܴ‫ܨ‬
ܴ‫ ܧ‬ൌ ‫݀݊ܽݐݏݎ݁݀݅ݓ݁݃݊ܧ‬
ܴ‫ ܨ‬ൌ ‫݀݊ܽݐݏݎ݁݀݅ݓݐ݄݄ܿ݅ܿݏ݀݉݁ݎܨ‬
Quelle: [9a]
Aus der Sicht der Zuverlässigkeit
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Zuverlässigkeit der Kontakte bei Beanspruchung durch Feuchtigkeit,
thermomechanischer Beanspruchung, Zyklierung
Schutz von Kontakten vor Feuchte
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Kontakt-Übergang bei Loten …
Kontakt-Übergang bei Kleben ..
Kontakt-Übergang Bauelemente, Pads, Lines, …
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Lagenanbindung
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Komponenten Verarbeitung/Vorbereitung
FUTURE TECHNOLOGY NEEDS
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© Fraunhofer IZM
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Lage 0 herstellen
Ultra- Dünne Komponenten
face up platzieren
Ggf. Komponenten
Drucken/Heterointegration
Lagenweise Leiterbahnen und
nichtleitfähiges Füllmaterial
erstellen/ Kondensatoren
Komponenten werden dabei
simultan kontaktiert
Gesamt-Dicke unter 50µm
Kombination mit Steckern,
druckbaren Batterien
Sensoren mit eindrucken
Direct Digital Manufacturing
• 3D manufacturing
• Print me a phone?
• New techniques to embed
electronics into products
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• / HEUTE / dazu dieser Workshop
Quelle: Internet: http://www.economist.com/node/21559593
Vielen Dank für Ihr Interesse !
Danksagung:
Herrn Prof. Reichl, Herrn Prof. Gesch, Herrn John Vdi-Vde-it und
dem BMBF, Mitarbeiter des Standortes Oberpfaffenhofen des
IZM, Fraunhofer Allianz Generative
More Information:
[email protected]
www.izm.fraunhofer.de
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www.zve-kurse.de