Antworten Elektroniktechnologie

Antworten Elektroniktechnologie
1 Einführung in die Elektroniktechnologie
1.1
Was versteht man unter Fertigungstechnik und Elektroniktechnologie?
Fertigungstechnik ist eine produktionsbezogene Technologie für
erzeugnisspezifische Verfahren, Mittel und Prozessverkettung
Elektroniktechnologie – Schwachstromtechnik als spezielle Technologie
Verfahren zur Herstellung kompakter elektronischer Schaltungen [Halbleitertechnik,
Verdrahtungssysteme (Leiterplattentechnik)]
- beinhaltet den Entwurf, die Entwicklung, Herstellung und Montage von ICs und
Leiterplatten und Methoden der Qualitätsüberwachung während des
Herstellungsprozesses.
1.2
Erläutern Sie den allgemeinen konstruktiven Aufbau elektronischer Geräte und
leiten Sie daraus die Schwerpunkte der Elektroniktechnologie ab.
Ein Elektronisches Gerät besteht aus einem Gestell in dem einzelnen Baueinheiten
angeordnet sind und das mit einer Verkleidung umhüllt ist. Baueinheiten werden mit
einer Verkablung miteinander verbunden. Der Schwerpunkt besteht in der Aufnahme
und Verbindung von Schaltelementen, diskreten Bauelementen, integrierten
Bausteinen und Baugruppen.
1.3
Welcher Zusammenhang besteht zwischen den Begriffen Schaltelement, diskretes
Bauelement, integrierter Baustein, Baugruppe?
Ein diskretes Bauelement beinhaltet ein und ein integriertes Bauelement mehrer
Schaltelemente. Eine Baugruppe kann viele vereinen diskrete, und integrierte
Bauelemente (passiv und aktiv).
1.4
Welche technologischen Probleme der Schwachstromtechnik (um 1930) erzwang
die Entwicklung der modernen Elektroniktechnologie? Erläutern Sie die
wichtigsten Marksteine dieser Entwicklung.
Anzahl der erforderlichen Bauelemente in integrierten Baugruppen stieg alle 10 Jahre
um eine Zehnerpotenz. Die Miniaturelektronik bot nicht mehr die Möglichkeiten um
in vernünftiger Größe elektronische Baugruppen zu fertigen und hatte unter anderem
durch die Vielzahl von Kontaktstellen eine wesentlich höhere Ausfallrate. Folge:
Mikroelektronik
Folgende Kriterien machten außerdem eine Weiterentwicklung erforderlich:
Stromverbrauch, Ausfallsicherheit, Verarbeitungsgeschwindigkeit, Produktionskosten.
Marksteine der Entwicklung
Relais, Röhre, Transistor, IC
1.5
Erklären Sie den Unterschied zwischen Miniatur- und Mikroelektronik. Wie
werden analoge und digitale Schaltungen bevorzugt mikroelektronisch realisiert?
Miniaturelektronik: diskrete Miniaturbauelemente auf separaten Trägerkörpern
1
Mikroelektronik: integrierte Schaltelemente auf oder in gemeinsamen Trägerkörpern
Siehe auch U3.2, U3.3
Integration mehrerer Bauelementefunktionen zu komplexen Baussteinen durch
Vereinigung von Schaltelementen einschließlich der erforderlichen
Zwischenverbindungen auf oder in einem gemeinsamen Trägermaterial mit Hilfe
strukturierter Schichten.
1.6
1.7
Weisen Sie nach, wechle Bedeutung strukturierte Schichten in der modernen
Elektronik haben. Welche prinzipiellen verfahrenstechnischen Möglichkeiten zur
Realisierung solcher Schichtstruckturen gibt es?
Nachweis
- integrierte Dünnschichttechnik
- integrierte Halbleitertechnik
- integrierte Hybridtechnik
- Vakuumtechnik(Dünnschichttechnik)
- Siebdrucktechnik(Dickschichttechnik)
- Dünnschicht-Hybridtechnik
- Kombinationstechnik
- Multichip-Hybridtechnik
- Monolithische Technik
- Multichip-Technik
Skizzieren Sie das Blockschema einer technologischen Kette für elektronische
Geräte unter Verwendung von Multichipmodulen als Subbaugruppen und
erläutern Sie es kurz.
U1.1
2 Leiterplattentechnik
2.1 Funktionen von starren und flexiblen Leiterplatten:
- kartenförmige Verbunde aus isolierten Stoffen und metallischen Leiterschichten
- elektrische Verbindung von Bauteilen
- mechanische Halterung von Bauteilen
- Rückverdrahtungsleiterplatten von Baugruppen
- Leiterplatte: Verdrahtung- und Trägerelement
- Baugruppe: Bestückte und kontaktierte LP
- Reproduzierbarkeit
2.2 Nomenklatur und Leiterplattenarten
LP-Nomenklatur (Grundbegriffe)
Ebene: strukturierte Leitschicht (Metall)
Lage: Isolierschicht
Layer: amer. Begriff für Beides
Printed Circuit Board (PCB): gedruckte Schaltung
Leiterplattenarten:
EEL (Einebenenleiterplatte) – Monolayer – Einlagenleiterplatte mit nur einem Leiterbild auf
einer Seite des Substrats (NDKL)
ZEL (Zweiebenenleiterplatte) – Bilayer – Einlagenleiterplatte mit Leiterbildern auf Oberund Unterseite (DKL und NDKL möglich)
2
MLL (Mehrlagenleiterplatte) – Multilayer – Verbund aus zwei oder mehreren
Basismateriallagen, welche mit einseitig
oder beidseitig bedruckten Leiterbildern
versehend sind. Prepegs zwischen den Lagen
dienen dazu diese voneinander zu isolieren.
(DKL)
MSL – Mehrschichtleiterplatte
Leiterplatte mit mehreren durch Isolationsschichten
getrennte Leiterschichten Elektrische Verbindung durch
offene Stellen in den Isoolierungen
MDL – Mehrdrahtleiterplatte
Verlegung von isolierten Drähten auf eine Oberfläche.
Versiegelung und Fixierung durch aufpressen einer
Prepegschicht. Danach aushärten
2.3 Verfahren zur Leiterbildstrukturierung:
1. Subtraktivtechnik
Mit Metallmaske oder Lackmaske (Fotoresist)
2. Additivtechnik
- Volladditivtechnik (Leiterbildaufbau chemisch reduktiv)
- Semiadditivtechnik (Leiterbildaufbau galvanisch)
Realisierung von Leiterbildstrukturen bei durchkontaktierten ZEL bzw. DKL
Verfahren zur Multilayer-Herstellung:
- Laminiertechnik (simultane Technologie für MLL):
- Aufbautechnik (sequentielle Techn. Für MSL und MDL)
2.4 Aufbau und Herstellung des Basismaterials und Einsatzgebiet
Starre LP:
Aufbau:
Basismaterialien für starre oder flexible Leiterplatten sind Schichtpressstoffe aus einem
Trägermaterial (Flächengebilde als Harzträger) und einem Bindemittel (Harz), welche mit
Kupferfolie(Metallfolie) ein- oder beidseitig kaschiert (Kupferkaschiertes BM) sein können.
Starre BM:
Trägermaterial:
- Zellulosepapier (auch Baumwollgewebe)
- Glasseidengewebe (auch Matten / Fliese)
Bindemittel:
- Phenol-Kresolharz
- Epoxidharz
Flexible LP:
Aufbau: Im Grunde wie starre Leiterplatten
Herstellung: Nach verschiedenen Verfahren (Gieß-, Extrudier-, Suspendierverfahren)
hergestellte 40 bis 60 µm dicke Thermoplastfolien, die unter Zusatz von Klebern
oder Haftvermittlern im Walzkaschierverfahren mit Kupferfolie verbunden werden.
flexible Basismaterialien:
- Polyesterfolien (Mylar)
- Polyimidfolien (Kapton)
Beispiel:
folgende Kombinationen von Harz und Trägermaterialien sind am gebräuchlichsten:
3
Harz
Phenol
Epoxid
Epoxid
Trägermaterial
Papier
Papier
Glasgewebe
DIN-Norm
PF-CP02
EP-CP 01
EP-GC 01 ; EP-GC
02
Nema-Norm
FR2
FR3
G10, FR4
Beispiele für Einsatzgebiete:
- Das Phenolharzpapier ist das kostengünstigste Basismaterial und wird vor allem in der
Unterhaltungselektronik eingesetzt. Es kann relativ gut gestanzt und mechanisch
bearbeitet werden.
- Demgegenüber hat das Epoxidharzpapier bessere elektrische, thermische und
mechanische Eigenschaften. Es ist kalt stanzbar und zeichnet sich durch eine hohe
Flammwidrigkeit aus.
- Epoxidglashartgewebe besitzt die besten mechanischen und elektrischen
Eigenschaften. Es wird für Schaltungen, in denen hohe Frequenzen und kurze
Signalflanken vorkommen und die (teilweise) definierte Impedanzen (und damit
engtolerierte Dielektrizitätszahlen des Basismaterials) erfordern, eingesetzt,
beispielsweise in der Computertechnik.
2.5 Herstellung von Kupferfolie, Haupteigenschaften
Herstellung durch ein galvanisches Zweischrittverfahren
1. Folienerzeugung
Kupfer wird auf einer zylinderförmigen Kathode abgeschieden und nach
Erreichen der gewünschten, durch Stromdichte und Drehzahl bestimmten
Schichtdicken kontinuierlich abgezogen
2. Haftbelagabscheidung
Zur Gewährleistung der mechanischen Verankerung der Cu-Folie im BM wird
auf ihr durch galvanische Abscheidung bei verhältnismäßig hoher Stromdichte
ein Haftbelag aus Cu-Knöllchen erzeugt.
Der Haftbelag bewirkt beim Laminieren die Herausbildung unzähliger
Mikrodruckknopfverbindungen zwischen Harz und Folie und damit eine
ausreichende mechanische Verankerung der späteren Leiterbildelemente auf
dem BM.
Haupteigenschaften: - hohe Leitfähigkeit
- optimale mechanische Eigenschaften
- spezifische Oberflächenstruktur
2.6 a) Was beinhaltet das technologische Aufbereiten eines DKL-Entwurfs ?
Galvanorand oder Abblendrahmen: dient dem Erreichen der Gleichmäßigkeit der
Stromdichteverteilung
Justiermarken (Passermarken): Bohrungen zum deckungsgleichen Ausrichten der
Leiterbilder nach dem Durchlichtverfahren
spiegelbildliche Darstellung der LPSeiten: CAD-Syst. arbeiten grundsätzlich in
Draufsicht, deshalb Spiegelung der Lötseite für Ausdruck der Leiterbilder nötig
Inhalte eines DKL-Enwurfs:
- Leiterbildzeichnung von Bestückungs und Lötseite, Bohrbild
- Bohrdatei & Werkzeugdatei für CNC-Bohrmaschine
- Belichtungsmasken
- Leiterbildfläche der Bestückungs- & Lötseite
4
b) Was ist Gerber, HPGL und Excellonformat ?
Es sind Datenformate die die Zeichnungsinformationen selbst und nicht nur ihr Abbild
enthalten, sind zur Übertragung komprimierbar, sie dienen zur Steuerung von Geräten
die nach dem Funktionsprinzip eines Plotters arbeiten.
Gerberdatei:
- Standardformat zum Steuern von Fotoplottern
- Sonderfall eines NC-Bohrprog. nach DIN 66025 da eigener
Syntax für Werkzeugwechsel
- Plotterspezifische Plotdatei (Auflösung, Verfahrenstechnik)
 Pads durch einen Lichtimpuls
HPGL-Format:
- Standardformat für Stiftplotter, Laserdruckerformat
- Linien werden mit einer gewissen Stärke gezogen
- für Übermittlung von Layouts ungeeignet (auch gefüllte
Flächen bestehen aus Einzellinien)
 Pads sind aus Linien aufgebaut
Excellonformat:
- Bohrdatei für CNC-Bohrmaschine
- exakt wie Gerberdatei, nur keine Steuerbefehle
- Jede Koordinate stellt Bohrung dar
- Format für die Steuerung der Bohrmaschine
- Werkzeugliste steht direkt im Programmheader
2.7 Kriterien zum Einsatz spanender oder spanloser Verfahren
- Qualitätsanforderungen
eher spanende Verfahren (Bohren,Fräsen) -> höhere Qualität, dafür niedrigere Produktivität
- Wirtschaftlichkeit:
eher spanlose Verfahren (Stanzen) -> höhere Produktivität, dafür schlechtere Qualität
(Einsatz bei Massenproduktion)
Probleme bei der mechanischen Bearbeitung von Leiterplatten (starre BM)
hoher Werkzeugverschleiß bei Schichtpressstoffen (besonders Glasgewebehaltige)
Gefahr der Delaminierung bei spanlosen Verfahren
2.8 Alternativverfahren zum mech. Bohren
Ultraschallbohren: Durch Zuführung von Energie wird Material abgetragen
Laserbohren: Ein Laser brennt das Material gezielt weg
2.9 Funktionen organischer Haftmasken
Herstellung strukturierter Schichten, da widerstandsfähig gegen chemische Behandlung.
Beispiele:
Ätzmasken – Schützt vor Ätzung bei chemischer Behandlung
Anwendung: Subtraktivtechnik
Plattiermasken – bedeckt das Negativ der zukünftigen Schaltung und schützt diese vor
Kupferabscheidung Anwendung: Additivtechnik
Lötstopmasken – bedeckt die Platte bis auf die Lötstellen Anwendung: Beim Löten
Erzeugung solcher Masken durch Fotolithographie oder Siebdruckverfahren
Die Erzeugung erfolgt durch auftragen von Fotolacken (Flüssig- oder Nassresiste) oder durch
Fotofolien (Fest- oder Trockenresiste)
Fotolacke werden dabei ganzflächig aufgetragen und anschließend strukturiert
Siebdrucklacke werden im Allgemeinen strukturiert aufgetragen
5
2.10 Wirkprinzip und Funktionsweise Negativ/Positivresiste
Fotolithografie zur Leiterbildübertragung:
Funktionsprinzip:
- Beschichten mit einem Fotoresist zur Sensibilisierung für UV-Strahlen
- Selektives Belichten mit einer Belichtungsmaske zur Änderung der Löslichkeit an
den beschichteten Stellen (fotochemische Raktion)
- Durch Entwickeln werden bei einem Negativresist die unbelichteten, bei einem
Positivresist die belichteten Bereiche aufgelöst. Auf der Leiterplatte verbleibt ein
negatives bzw. positives Abbild der Belichtungsmaske
-> Produkt: fertige Haftmaske
Technologischer Vergleich:
1. beim Resistauftrag – Unterscheidung nach Aggregatzustand:
- Flüssig bzw. Nassresiste
- Fest bzw. Trockenresiste
2. bei der Selektiven Belichtung – Unterscheidung in
- Negativresiste: werden beständiger durch Bestrahlung
- Positivresiste: Löslichkeit verbessert sich durch Bestrahlung
3. Entwicklung – Strukturierung der Resistschicht durch Herauslösen
- der unbelichteten Schichtbezirke bei Negativresisten
- der belichteten Schichtbezirke bei Positivresisten
2.11 Art der Filmkopie
Ätzmaske mit Negativresist: negative Kopiervorlage, da Schaltung stehen bleiben sollen
Plattiermaske mit Positivresist: ebenfalls negative Kopiervorlage -> da Schaltung vor
Kupferabscheidung geschützt werden soll
2.12 Möglichst gute Übereinstimmung von erzeugter Belichtungsmaske und erzeugter
Resiststruktur bei nicht parallelen Belichtungsquellen
1.Einsatz von Parabolreflektoren zu Prallelisierung der Lichtstrahlen
2. Kollimatorgitter unter der Lichtquelle anordnen, um schräg einfallende
Lichtstrahlung zu vermeiden
2.13 Erläuterungen und Begründung zur Anwendung von Fotolacken, Festresisten und
Siebdrucktasten zur Oberflächenmaskierung (fotolithografisch bzw
Siebdrucktechnisch)
Fotolithographie
Höhere Genauigkeit, dafür längere Herstellungszeiten
Festresiste:
- Auftragen in fester Form durch Aufwalzen/Aufpressen
- ist schneller als Fotolack verarbeitbar (keine Trocknung erforderlich)
- Auflösung max bis 20um begrenzt
- Höhere Kosten als Flüssigresiste
- Dicke Resistschicht vermeidet Nadellöcher
- Dicke Resistschicht vermeidet Überwachsung an den Resisistkanten
(Kupferauftrag geht über die Kante der Resistschicht drüber)
6
Fotolacke:
- sind flüssig aufzubringen und mit UV-Licht zu belichten, damit sie
Aushärten
- dünner als Festresist auftragbar  geringere Unterbelichtung möglich
- Hohe Haftung
- Niedrigere Kosten als bei Festresisten
- Nadellöchergefahr
- Staubempfindlichkeit
- Langsamer in der Verarbeitung (Trocknungszeit)
Siebdruck:
Wiederverwendbarkeit, dadurch produktiver, allerdings nicht so genau.
Siebdruck Bei Massenproduktionen für gröbere Strukturen
Paste:
- Paste wird durch ein Sieb gedrückt
- Siebdruck ist billiger als fotolithografische Verfahren
- nicht sehr feine Leiterbahnen realisierbar
2.14 Wirkprinzipien bei Ätzung von Metallen
Um Metall-Leiter, wie z.B. Kupfer in Lösung zu bringen, wird es durch Elektronenentzug in
den positiven Ionenzustand (Katzustand) gebracht
Cu  CuZ+ + Ze-
(Oxidation (Elektronenzugabe))
Elektronen werden durch ein Oxidationsmittel aufgenommen, welches dabei in die reduzierte
Form übergeht.
υox Ox + Ze-  υRed Red
(Reduktion (Elektronenentzug)
Zusammengefasst ergibt sich aus beiden Teilreaktionen:
Cu + υox Ox + Ze-  CuZ+ + υRed
(Redoxreaktion)
Beispiele:
1.Ätzmittel: FeCl3 <=> Fe3+ + 3ClCu  Cu2+ + 2e2 Fe3+ + 2 e-  2Fe2+
--------------------------------------Cu + 2Fe3+  Cu2+ + 2Fe2+
2.Ätzmittel: (NH4)2 S2 O8 <=> 2 NH4 + S2O82Cu  Cu2+ + 2eS2 O82- + 2 e-  2 SO42-------------------------------------Cu + S2 O82- Cu2+ + 2 SO423.Ätzmittel: Cu Cl2 <=> 2 NH4 + S2O82-
7
2.15 Forderungen an Leiterplattenätzmittel:
Das Elektronenpotential auch Red/Ox-Potential genannt) des Red/Ox-Systems muss positiver
sein als das Elektronenpotential des Cu/CuZ+ Paares
Dominierung:
Bei chloridhaltigen und ammoniakalischen CuCL2-lösungen reicht der Luftsauerstoff zur
Reaktion aus. Außerdem sind solche Lösungen sehr billig
2.16 Konvektionsabhängigkeit
Durch Konvektion (Bewegung-Rühren) kann die Konzentration von elektronenpotentialen in
Oberflächennähe erhöht werden (Verkleinerung der Diffusionsschicht bei höherer
Geschwindigkeit).
2.17 Hauptproblem bei Ätzen
Das Hauptproblem beim Ätzen ist die Unterätzung. Hierbei wirkt das Ätzmittel nach abtragen
der ungeschützten Stellen auch parallel zur Oberfläche, wobei die Seitenflächen der
geschützten Stellen angegriffen werden. Durch Konvektion und damit annähernd konstant
gehaltenen Ätzwirkung, kann es zu größeren Unterätzungen kommen.
2.18 Wirkprinzip, praktische Durchführung und Anwendungszweck von
Metallabscheidungen
Bei Metallabscheidungen werden grundsätzlich metallische Schichten auf elektrisch leitenden
oder nicht leitenden Grundmaterialien erzeugt. Dabei werden die benötigten Metall-Ionen aus
entsprechend wässrigen Medien abgeschieden. Dazu müssen sie reduziert werden.
Grundprinzip:
Me2+ + z e- → Me ↓
(allg. Reduktion von Metallionen)
Ablauf : Aktivierung der zu metallisiereden Oberflächen mit Hilfe eines Katalysators
z.B.Palladium. Danach eintauchen in eine Metallsalzlösung.
Galvanisch Metallabscheidung:
Hier werden die zur Reduktion benötigten Elektronen von einer Stromquelle geliefert.
Arbeitselektrode (zu beschichtene Werkstück):
Kathode:
Mez+ + z e- → Me ↓
Gegenelektrode:
Anode:
Oxidationsvorgänge (Elektronenentzug) an löslichen
oder inerten Anoden
Stromlose (chemische) Metallabscheidung:
- Ionenaustauschverfahren (Tauchabscheidung): Eintauchen eines unedleren Metalls in
die Lösung eines edleren Metalls, wie z.B. Palladium und Kupfer:
Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu↓/Fe
- Reduktionsverfahren (Chemisch-reduktive Metallabscheidung): Eines in Lösung
befindliches Reduktionsmittel liefert die Elektronen zur Metallabscheidung.
Red → Ox + zeDurch einen Katalysator lässt sich die Metallionenreduktion lokal zum Ablauf
bringen (Aktivierung). Bsp für Katalysator: Palladium
8
2.19 Formel für Expositionszeit
m=I*t*M/z*F
(Farraday – Gleichung)
I=Strom
T= Zeit
M=Molmasse
Z=Elektronenzahl
F= Farradykonstante
t=(s*z*F*RoMe)/(j*MMe*ηs)
Abscheidungszeit für bestimmte Dicke s
ηs= Stromwirkungsgrad
2.20 Warum sind Metallabscheidungselektrolyte häufig stark sauer und enthalten
geringe organische Zusätze
Grund: Ungleichmäßiger Schichtauftrag bei galvanischen Bädern, durch Abhängigkeit des
Anodenabstands und daraus folgenden Stromverteilung (besonders an Bohrlochwandungen).
Abhilfe: Durch spezielle saure Kupferbäder gelingt es eine gleichmäßigere Abscheidung zu
erreichen.
2.21 Reinigungs – und Oberflächenverfahren:
Heißentfetten:
Ziel: Reinigung der Bohrlochwände , Schaffung einer sauberen fettfreien, vollkommen
benetzbaren Kupferoberfläche
Wirkprinzip: Ablösen und Ausspülen von Resten vorangegangener Fertigungsschrtte
Emulgierung und Verseifen von Fetten
Anätzen der Glasfaserenden, alkalische Beeinflussung von freiliegenden
Epoxydharz
Beizen:
Ziel: Beseitigung dickerer, Festhaftenden Oxid- und Hydroxydschichten auf dem
Kupfer
Wirkprinzip: Oxidentfernung und Kupferanätzung durch tauchen in entsprechende Lösung
Bürsten:
Ziel:Entfernen von groben Verschmutzungen
WP: Gleichmäßiges Abtragen durch rotierende Walzbürsten
Dekapieren:
Ziel: Entfernung von wasserunlöslichen Hydroxy- und Ammoniumverbindungen, sowie von
dünnen Oxid- und Sulfidhäuten
Wp: Tauchen in 10% iger H2SO4-Lösung und daraus entstehende chemische Reaktionen
9
LP- Herstellungsverfahren
2.22 Herstellung von NDKL in Subtraktivtechnik:
-
zuschneiden des Basismaterials
Bohren / Lochen (Justierlöcher)
Reinigen
Ätzmaskierung
Ätzen
Entfernen der Positivmaske
Herstellung der Bestückungslöcher
Bei Steckverbindern: Galvanische Edelmetallabscheidung auf Randkontakten
Optional: Kenzeichnungs- und/oder Lötmaskendruck
Mechanische Fertigungsbearbeitung
Optional: Lötschutzlackierung
2.23 Durchkontaktierung bei DKL (subtraktiv)
Durchkontaktierung: chemisch reduktive Verkupferung der Bohrlochwände nach deren
vorherigen Katalysierung, mit anschließend galvanischer Verstärkung, bis zur notwendigen
DK-schichtdicke.
Arbeitsschritte:
- Bohren
- Sensibilisieren
- Aktivieren der zu metallisierenden Stellen durch auftragen eines Katalysators
- Chemisch reduktive Kupferabscheidung ( ca. 1 μm)
- Galvanische Starkverkupferung (Verstärkung der Kupferschicht)
(Durchkontaktierung abgeschlossen)
Danach weiter mit Maskierung, Ätzen usw.
Hauptveränderung durch Alternativvarianten
Ziel: Vereinfachung der Vorverkupferung
2.24 Leiterbildmaskierung bei der NDKL/DKL-Herstellung (in Metallresist- und
Tentingtechnik)
Metallresisttechnik:
- Aufbringen einer Plattiermaske im Negativdruck (Negatives Leiterbild) nach
dem Vorverkupfern
- galvanische Endverstärkung auf volle Kupferschichtdicke
- galvanische Abscheidung des Ätzresists (Zinn/Blei)
- Entfernen der Maske
- Ätzen
- Entfernen des Ätzresists
Tenting-Verfahren:
- Auflegen eines festen Fotoresists ( positives Leiterbild) als Ätzmaske. Damit
schützt der Film alle Löcher und Leiterbahnen beim Ätzen
- Ätzen
- Entfernen der Maske
10
2.25 Haftfestigkeit der Leiterzüge bei Subtraktiv- und Additivtechnik
Subtraktivtechnik: Realisierung durch einseitig raue Kupferfolie mit galvanischer
Abscheidung eines Haftbelags der beim Verpressen mit harzgetränkten Trägerbahnen
mikroskopisch kleine Druckknopfverbindungen mit dem Harz bildet.
Additivtechnik: Realisiert durch eine Haftvermittlerschicht auf dem BM (Epoxidharz mit
Kauschukkügelchen), die chemisch aufgeschlossen wird und auf der anschließend chemischreduktiv Kupfer abgeschieden wird
2.26 Verfahrensablauf der Additivtechnik in 3 Abschnitten
Abschnitt 1: Vorbehandlung des Basismaterials mit dem Ziel später eine feste Haftung
zwischen Kupfer und BM zu erzeugen.
Abschnitt 2: Vorbereitung der BM-Oberfläche zur Lokalisierung der Cu-Abscheidung
Abschnitt 3: lokale chemisch-reduktive Cu-Abscheidung
2.27 Warum konnte Additivtechnik sich nicht entscheidend durchsetzen
Da die Metallabscheidung beim Additivverfahren generell nur chemisch-reduktiv
erfolgt ist das Additivverfahren im Gegensatz zum Subtraktionsverfahren sehr
Zeitintensiv.
Erläuterungen zur Semiadditivtechnik:
- Kompromisslösung zwischen Subtraktiv und Additiv
- Leiterzüge und Lochwandmetallisierungen werden nach einer dünnen
Ganzflächenverkupferung überwiegend durch lokale galvanische
Kupferabscheidung aufgebaut
Vorteile: schneller und technologisch einfacher Arbeitsweise; Nutzung der
Bereits vorhandenen Ausrüstungen für subtraktive DKL-Fertigung möglich
Erläuterung der Verfahrensabschnitte:
VA 1: Erzeugung des Haftgrunds, wie bei Volladditivtechnik
VA 2: Ganzflächiges Abscheiden einer dünnen Cu-Leitschicht, wie bei
Subtraktivtechnik
VA 3: galvanischer Leiterbildaufbau (wie bei Subtraktiv)
- Durch fotolithografische Plattiermaskenerzeugung
- Galvanische Cu-Abscheidung auf Leiterbildflächen und Bohrlochwänden
VA 4: Leiterbildstrukturierung
- wie bei der subtraktiven DKL-Fertigung durch
1. galvanische Abscheidung einer metallischen Ätzmaske
2. Entfernen der Plattiermaske
3. Ätzen
- oder durch:
1. Entfernung der Plattiermaske
2. Differenzätzen
2.28 3 Technologische Varianten zur Herstellung von LP in Feinstleitertechnik mit
Begründung
1. Semiadditivtechnik: geringe Unterätzung durch Anwendung von Differenzätzen
2. Additivtechnik: Bessere Genauigkeit, da nur Maskierungsfehler und kein Ätzfehler
3. Dünnschicht Laminat Technik
11
2.29 Verfahrensablauf zur MLL-Herstellung in 3 Abschnitten
VA1: Herstellen der einzelnen Lagen als NDKL und/oder DKL
VA2: Laminieren (Verpressen) der Lagen mit dazwischen befindlichen Prepegs
VA3: Fertigstellung der MLL in subtraktiver DKL-Technologie
-
Verbesserte Haftung durch chemisches Oxidieren bzw. mechanisches Aufrauhen
der Kupferschichten.
Sicherung der Elektrische Verbindungen durch Zwischenkontaktierung,
Sacklochkontaktierung, Durchkontaktierung
2.30 Warum keine Eignung von Lötstopmaskierungen bei Herkömmlicher DKLFertigung
Da Zinn-Blei beim Löten schmilzt und sich dadurch faltenartig zusammenzieht kommt es
zum Abplatzen von Partikeln der Lötmaske. Umgehung des Problems mit einem Festresist
(Tenting)
2.31 Gute Lötbarkeit mit und ohne Lötstopmaskierung der Kontaktierflächen sichern
Realisierung: Kupfer vor Oxidation schützen durch Kontaktflächenbeschichtung der
Lötstellen
- Lötlack: Konservieren der gereinigten Kupferoberfläche mittels einer
Konservierungsschicht
- Lötbare metallische Schutzüberzüge z.B. Zinn, Silber, Gold
2.32 Herstellung von MSL in Aufbau- bzw. MDL in Multiwiretechnik und technische
Bedeutung
MSL mit Aufbautechnik: Alternierender Aufbau von Leit- und Isolierschichten durch
Kombination von Additiv- und Subtraktivprozessen
MDL in Multiwiretechnik: Durch Aufdampf- und Siebdruckprozessen bei mehrschichtigen
Verdrahtungsträgern bzw. das Verlegen von isolierten Drähten in mehreren Ebenen auf
speziell beschichtete Basismaterialien bei der Drahtlegetechnik
2.33 Realisierung von Siganlleitern mit definierten Wellenwiderstand auf bzw. in
Leiterplatten immer wichtiger ? Möglichkeiten für EEL, DKL und MLL
Durch immer höhere Datenverarbeitungsgeschwindigkeiten und der damit verbundenen
Erhöhung der Signalfrequenzen, sowie die weiter fortschreitende Miniaturisierung , ist es
erforderlich leitungsgebundene Störungen und Reflexionen entgegen zu wirken.
Arten von Störungen sind dabei:
-
Wellenleiterkopplung bzw. Wellenstörbeeinflussung durch benachbarte
Leiter (von außen)
Reflexion und anderen Leitungsgebundenen Störungen (durch den Leiter
selbst)
Wesentliche Ursache leitungsgebundener Störungen und Signalreflexionen sind
Wellenwiderstandsänderungen auf der Übertragungsstrecke. Um diesen Entgegen zu wirken
muss der Wellenwiderstand fest definiert werden. Dies geschieht dadurch, das die
Wellenwiderstände der Verbindungsleitungen an die Generator- bzw. Lastwiderstände der
Sende- bzw. Empfangsschaltkreise angepasst werden.
12
Die Umsetzung von definierten Widerständen bei Leiterplatten erfolgt durch
Streifenleitertechnik:
-
-
-
Koplanare Leiter (ELL)
Hin-, Rückleiter und Masse liegen auf derselben Seite des Dielektrikums
(Basimaterial)
Unsymetrische Streifenleitung (Microstrip) (für ZEL bzw. bei MLL als
Außenlagen)
Das Substrat ist auf der einen Seite vollständig mit einer Leitfähigen Schicht
bedeckt und auf der anderen Seite sind die Leiterbildstrukturen realisiert.
Symmetrische Streifenleitung (Stripline oder Triplate) ( Für MLL auch als
Zwischenlage)
Das Substrat ist beidseitig mit zwei Masseebenen vollständig bedeckt und der
Streifenleiter ist mittig im Substrat angeordnet
3 Integrierte Schichttechnik, Hybridtechnik
3.1Verfahrensprinzip der Schichttechnik , Charakteristika von Dünn und
Dickschichttechnik. Was ist Schichthybridtechnik?
Verfahrensprinzip: Aufbringen von Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit auf einem
isolierenden Substrat zur Herstellung passiver Bauelemente. Die Annäherung beider Stoffe
erfolgt dabei im atomaren Bereich
Subtraktivtechnik eher in der Dünnschichttechnik (aber auch additiv), prinzipiell
Additivtechnik in der Dickschichttechnik
Unterscheidung Anhand der Schichtdickenbereiche für leitende und isolierende Schichten
<= 2μm Dünnschichttechnik
> 2μm Dickschichttechnik
Schichthybridtechnik wird das zusätzliche Einbringen von Halbleiterbauelementen genannt.
3.2 Welche Bedeutung hat die Schichthybridtechnik in der Elektronik neben der
Leiterplattentechnik bzw. Halbleitertechnik und darüber hinaus?
-
Möglichkeit zur Herstellung von Verdrahtungsträgern mit aufgebrachten
Leiterbahnen und passiven Funktionselementen
Kombinationsmöglichkeiten von Bauteilen, die nach unterschiedlicher
Basistechnologie gefertigt wurden
geringe Relativtoleranzen, sowie geringe Temperatur- und Alterungsabhängigkeit
Ausmessung elektrischer Parameter vor Montage möglich
Reduzierung der Anzahl von Verbindungen und Kontaktstellen
Realisierung von Baugruppen mit erhöhten Verlustleistungen und für
Hochfrequenzanwendungen
Vollautomatischer Funktionsabgleich durch Lasertrimmen
Ökonomische Herstellung im Stückzahlbereich <10^3
13
3.3 Überblick über die in der Schichthybridtechnik eingesetzten
Schichtherstellungsverfahren – sowie Strukturier und Abgleichverfahren
Schichtherstellungsverfahren:
Physikalische:
- Mechanische: z.B. Kathodenzerstäubung (Sputtern), Tauchen, Aufsprühen
- Elektrische: z.B. Ionenstrahlbestäubung, Elektrostatisches Bestäuben
- Thermische: z.B. Bedampfen
Chemische:
- Mechanische: z.B. Reaktive Zerstäubung
- Elektrische: z.B. elektrolytische oder stromlose Metallabscheidung
- thermische: reaktive Bedampfung, thermische Oxidation
Schichtstrukturierungsverfahren:
Dickschichttechnik: Siebdruck, Fotolithografie
Dünnschichttechnik: Haftmasken, Wechselmasken, Fotolithografie,
Elektronenstrahlfräsen
Abgleichverfahren:
Dickschichttechnik: kollektiver Abgleich: erneutes Brennen der Schicht
Individueller Abgleich: Laserstrahlabgleich, Sandstrahlabgleich
Dünnschichttechnik: kollektiver Abgleich: Temperung (Erhitzen) der
Widerstandsschicht
Individueller Abgleich: Elektronenstrahlabgleich,
Laserstrahlabgleich,
3.4 Definition des Ohmschen Widerstands und des Flächenwiderstands von
Schichtstrukturelementen und Möglichkeiten zur Beeinflussung
Definition durch die
- Wahl des Schichtmaterials (Dichte)
- durch die Schichtdicke
- durch Länge und Breite der Schicht (Fläche)
---Siehe Formelsammlung--Möglichkeiten zur Beinflussung:
R zu klein: Nuten fräsen
R zu groß: Schichtdicke oder Dichte verändern
3.5 Anforderungen und Beispiele für Substrate der Schichttechnik
Entscheidend für Substrate sind sehr gute thermische Eigenschaften besitzen.
Besonders gut: Keramiken - Nachteil: Sehr Teuer
Weitere Anforderungen:
Hohe Biegefestigkeit (Siebdruck), geringe Oberflächenrauhigkeit, hoher spezifischer
Widerstand, niedrige Dielektrizität
Beispiele für Substrate:
Dünnschichttechnik: Glas, Keramik, evtl. glasiert
Dickschichttechnik: temperaturbeständige Keramik
14
Dünnschichttechnik
3.6 Abscheiden dünner Schichten durch Aufdampfen in Vakuum und Schwächen.
Fortschritte bei Elektronenstrahlbedampfung
Das niederzuschlagende Material wird bis zum Verdampfen im Vakuum erhitzt. Die
entstehenden Dampfstrahlen verteilen sich im Vakuum und schlagen sich am kühleren
Substrat nieder. (Additivtechnik)
Nachteil: Keine gleichmäßigen Ablagerungen möglich (da auch am Gehäuse der Apparatur
Ablagerungen), schwache Haftung
Elektronenstrahlverdampfung: Verdampfungsenergie wird durch hoch beschleunigte
Elektronen zugeführt, wodurch sehr hohe Temperaturen möglich sind.
Vorteil: Das Verdampfungsgut wird intensiv abgetragen, da hier die Energieabgabe nur im
obersten Schichtbereich des Targets erfolgt.
3.7 Verfahrensprinzip der Kathodenbestäubung (Sputtern) und Vorteile. Wozu dient
reaktive Zerstäubung?
Kathodenzerstäubung: Das aufzubringende Material wird mit der Kathode verbunden. Der
Rezipient wird mit einem Argon-Gas-Gemisch gefüllt. Durch Anbringen einer Hochspannung
( ca. 2,4 KV) wird ein Argon-Plasma erzeugt. Teilchen des Targets werden abgesprengt und
Verteilen sich im Raum. Um so höher die angelegte Spannung um so größer die
Geschwindigkeit der herausgeschlagenen Teilchen. Durch die Geschwindigkeit der
herausgeschlagenen Teilchen verbinden sich diese beim Auftreffen auf das Substrat besser als
beim Bedampfen
Vorteile: Hohe Haftfestigkeit, keine unterschiedliche Schichtdicke
Nachteile: Widerstandsbedampfung und Kathodenbestäubung eignen sich nur für Schichten
bis 100nm. Werden dickere Schichten benötigt, können diese nach Aufbringen einer dünnen
Schicht, zusätzlich mittels z.B. galvanischer Verfahren aufgebracht werden.
Reaktive Zerstäubung: Zugabe von reaktiven Gasen (statt Edelgasen) zur Steuerung des
spezifischen Widerstands, je nach zugegebenen Gas und Partitialdrucks
3.8 Elektrochemische Verfahren der Schichterzeugung bzw. Umwandlung in der
Dünnschichttechnik.
- chemisch reduktive Metall-Abscheidung
- galvanische Metallabscheidung
- anodische Oxidation z.B. Tantal -> Tantalpentoxid
Ta + H2O -> 2TA^+5 O5 + 10H^+ + 10H^3.9 Dünne Schichten können während und nach der Abscheidung strukturiert werden.
Welchem Verfahren der Leiterplattenherstellung entspricht dies? Erläutern Sie 2
Beispiele
Strukturierung nach ihrer Abscheidung entspricht dem Subtraktivverfahren.
Beispiele hierfür sind: Metallresisttechnik und Tenting-Technik
Strukturierung während des Abscheidens entspricht dem Additivverfahren
15
3.10 Vergleich: Strukturierung dünner Schichten mittels Haft- und Wechselmasken.
Wie ist die Herstellung von Wechselmasken mit ausreichender Stabilität?
Toleranzprobleme?
Wechselmasken werden beim Verdampfen zwischen Verdampfer und Substrat in den
Teilchenstrom gebracht und bieten somit die Möglichkeit Strukturen abzuschneiden. Durch
einen Abstand Maske – Substrat und die Dicke der Maske ergibt sich eine gewisse
Kantenunschärfe. Komplizierte Bedampfungsstrukturen in einer Ebene müssen in mehrere
Schablonen aufgeteilt werden und werden nacheinander strukturiert aufgebracht.
Haftmasken dagegen werden direkt auf das Substrat aufgetragen (Fotolack) und lassen die
gewünschten Strukturen frei. Bei der Behandlung wird dabei die komplette Fläche
Metallisiert. Danach wird die Haftmaske entfernt und die Strukturen bleiben stehen.
Dieses Verfahren ist nur bei dünnen Metallisierungen und bei Substraten mit sehr glatter
Oberfläche einsetzbar.
Wechselmasken: Vorteile: Widerverwendbarkeit
Nachteile: Ungenauigkeiten an den Kanten, , höhere Toleranzen
Haftmasken: Vorteile: sehr steile Kanten, hohe Strukturauflösung,
Nachteile: Haftmaske wird beim entfernen Zerstört
Herstellung von Wechselmasken mit ausreichender Stabilität und Genauigkeit durch
a) Galvanische Abscheidung, b)Ätzen, c) Ätzplattierungsverfahren, d) Laserstrahlverfahren
Ausreichend Stabilität auch durch thermisch widerstandsfähige Materialien.
3.11 Realisierung eines Widerstandsnetzwerks auf einer Sandwichplatte
Die Schaltungsfreien Teile werden komplett bis auf das Substrat weggeätzt. Danach werden
durch selektives Ätzen die einzelnen Schichten unter Verwendung verschiedener
Fotoätzmasken und spezieller Ätzmittel strukturiert. Eine funktionslose Zwischenschicht wird
als Haftvermittlungsschicht benötigt.
Daraus ergibt sich das Semiadditivverfahren als Strukturierverfahren.
3.12. technologisch-ökonomischer Vergleich Elektronen- und Laserstrahlbearbeitung
dünner Schichten
Elektronenstrahl:
- durch Magnetfelder gebündelt
- 15 um Breite, Bearbeitungsfeld 20x30mm
- Vakuum erforderlich
Laserstrahl:
- gepuster Laser (Freq.: 3kHz)
- Durchmesser des Strahls 35-75um
- kein Vakuum erforderlich
- langsamer als Elektronenstrahl
- billiger und weit verbreitet
Bei Bestrahlung von dünnen Schichten mit Leistungsdichten von 10^6-10^8 Watt/cm^2
verdampfen alle Schichtmaterialien. Die Absolutleistung braucht dabei nicht allzu hoch sein,
da die bestrahlte Fläche jeweils nur 10^-5 mm^2 beträgt.
Charakteristisch dafür sind:
scharfe Konturen bei hohen Leistungsdichten, Bearbeitungsgeschwindigkeit
16
3.13.Verfahren zum kollektiven Widerstandsabgleich
Kollektiverabgleich durch thermische Behandlung (Tempern)
- Stoff beeinflussendes Verfahren
- Änderung des spezifischen Widerstandes
2 Möglichkeiten:
1. mit Oxidation: Oberflächenoxidation
-> ↓Schichtdicke ↑Flächenwiderstandes
2. Ohne Oxidation: strukturelle Veränderung (Gefügevergröberung-Temperung)
-> ↓ Widerstand ↓Dichte
Tempern: Vergröberung der Struktur: Ausgangszustand (sehr hoher spezifischer Widerstand)
-> danach Temperzustand (gröbere Struktur)
3.14. Materialien, Formen Dünschichtwiderständen
Materialien: NiCr, Ta2N
Widerstände: 10-100 Ohm, bis 1kOhm bei CrSiO, SnO2
Formen: U-Form, Hut-Widerstand, Winkelform, 3-Seiten-Kontaktwiderstand
3.15 Berechnung (siehe Formelsammlung)
3.16. Materialien, für Induktivitäten und Kapazitäten (Spule, Kondensator)
Für Leiterbahnen & Induktivitäten kommen Metallisierungsschichten aus Gold, Kupfer,
Aluminium, für Induktivitäten Siliziumoxid und Aluminium in Frage.
Zusätzlich für Haftschichten: Chrom, Nickel, Titan, Tantal
Spulen: Luftspulen, Induktivität bis 100nH, Güte max.100
Kondensatoren: schwer zu realisieren, Üblich: SiO mit Au-Elektrode und Ta2O5
mit Ta- oder Au-Elektrode
3.17. Verfahren zur Dünschichtherstellung für R-C-Netzwerke
Variante:
CR-Ni-Aufdampf-Maskentechnik | Tantal-Aufstäub-Fotoätztechnik
Schichterzeugung: Aufrag durch Verdampfen oder Aufsputtern (beide)
Strukturierung:
Fotolithographie, naßchemisches Abätzen (beide)
Elektronenstrahlbearbeitung (nur CrNi)
Dielektrika:
SIO,Polymere
|
TA 2 O 5
3.18. Fertigungstechnologie für R- und RC Netzwerke in Dünnschicht
R-Netzwerk:
- Zweischichtsystem in NiCr-Technik:
+ Aufdampfen von NiCr und Au
+ Fotoöack auftragen und entwickeln
+ freiligende Schichten werden galvanisch verstärkt (Gold)
+ Fotoresist entfernen und selektives ätzen von Gold
+ Fotolithographie auf NiCr anwenden und selektiv NiCr ätzen
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RC-Netzwerk:
- Grundlage ist beschriebenes R-Netzwerk
- aufdampfen einer Diffusionssperrschicht auf das Au (NiCr, Ni)
- aufdampfen de Al Elektrode
- aufdampfen des Dielektrikums (SiO, SiO2)
- aufdampfen der zweiten Al Schicht (Gegenelektrode des Kondensators)
Dickschichttechnik
3.19. Verfahrensprinzipien, Vor- und Nachteile
Verfahrensprinzip: Aufbringen von Schichtstrukturen im Siebdruckverfahren. Im Einzelnen
werden dazu Pasten auf einen Träger aufgedruckt, getrocknet und durch Brennen von
organischen Bestandteilen befreit.
Vorteile:
- geringerer tech. Aufwand als Dünnschichttechnik.
- Mehrlagentechnik leicht möglich
- niedriger Flächenwiderstand, hohe Stromstärke möglich
- große Schichtdiche -> große Wellenwiderstände
- gut automatisierbar
Nachteile:
- eingeschränkte Linienauflösung
- große Toleranz der erzeugten Schichten
3.20. Aufbringen von Schichtstrukturen in Siebdrucktechnik
Druckverfahren: Drucken des Layouts 1:1 per Plotter auf eine Folie
Drucksiebe: Es werden Drucksiebe aus Stahl oder Nylon benutzt. Die verwendete Siebdichte
richtet sich nach den zu druckenden Pasten.
Strukturierung: Das Sieb wird mit negativ arbeitenden Fotoresist beschichtet und dann
partitiell über eine Fotovorlage belichtet und anschließend durch Spülen entwickelt. Dabei
wird die Resistschicht aus den nicht belichteten Bereichen des Siebs entfernt. Mittels dieser
Siebe werden nun die jeweiligen Pasten mit einer Rakel strukturiert auf das Substrat
aufgebracht. Toleranzen können durch zu kleinen oder zu großen Abstand zum Substrat
entstehen, da das Sieb entweder nach dem Druck nicht abhebt oder übermäßig gedehnt wird.
3.21 Zusammensetzung von Druckpasten und Funktion der einzelnen Komponenten
bestehen aus (Grundmischung):
- Lösungs- und Netzmittel (pastöser Zustand)
- organischer Binder (BNindemittel)
- Zusätze für rheologische Eigenschaften (thixotropes Verhalten)
- Glaspulver (Festigkeit und Haftung)
Zusätze:
- Metallpulver (Leitpaste: Gold, Silber, Kupfer, Gold/Platin, Gold/Palladium)
- Metalloxide (Widerstandspaste: Palladiumoxid/Silber, Iridiumoxid/Platin,
Rutheniumoxid, Rhutinate)
- Glasfritten/Keramik (Dielektrika: Schutzglasur, Bahnüberkreuzung,
Kondensatoren)
18
3.22. Trocknen und Einbrennen
- Vortrocknen der Paste bei Raumtemp. (10 min) - glatte Strukturen
- Trocknen bei 80-150°C - Lösungsmittel entweichen
- Brennen der Paste (einzeln oder mehrere geichzeitig) (60 min) - entweichen
schwer flüchtiger Lösungsmittel, Zusammensintern der Metall- und
Metalloxidpartikel bei 800°C.
3.23. Abgleich von Dickschichtwiderständen
- unterschiedliche Schichtdicken führen zu Toleranzen -> indivueller Abgleich
nötig
- Ableich durch: Abtragen von Material (Lasertrimmen, Sandstrahlfräsen),
verändern der stofflichen Eigenschaften
Hybridtechnik
3.24. Warum in Schichtschaltungen nur selten Kondensatoren, Spulen und Transistoren
? Wozu Hybridtechnik (Multichipmodule)
- nur geringe Kapazitätswerte von Kondensatoren in Dickschichttechnik möglich
- geringe Ausbeute und Reproduzierbarkeit auch bei Induktivitäten
Multichipmodule:
- Hybridschaltung mit integrierten Dickschichtschaltkreis + integriertem
Schaltkreis in Halbleiterblocktechnik
3.25. hybridgerechte Bauelemente
- Oberflächen montierbar, kleine Abmessungen
Bauformen SMD:
- passive: quaderförmig (Chip) und zylindrisch (MELF)
- diskrete Halbleiter: SOT- und SOD-Gehäuse
- integrierte Halbleiterschaltungen: Flat Pack, SO-Gehäuse, Chip Carrier, Grid
Array, Micropack
3.26. extreme Miniaturisierungsvariante, Montageverfahren
- Naktchips (ohne Gehäuse)
- mußen gebondet werden, Chip on Board Technik (COB)
Chip and Wire Technik:
- Die-Bonding (mechanische Befestigung des Halbleiter auf dem Hybrid-Substrat)
- Drahtbonden (elektrische Verbindungen herstellen (Thermokompressionsbonden,
Ultraschalldrahtbonden, Thermosonic drahtbonden))
Alternativen: Tape automated Bonding, Flip-Chip-Technik
Schutz des Nacktchips: Epoxidharz, Silikonkleber
19
4 Halbleiterbauelemente
4.1 Wie werden prinzipiell in der Halbleitertechnik elektronische Funktionsbzw. Schaltelemente realisiert? Charakterisieren Sie kurz die wichtigsten. Was
beinhalten im Wesentlichen die drei Zyklen der Halbleitertechnologie
(Halbleiterblocktechnik)?
In der Halbleitertechnik werden die Wechselwirkungen zwischen unterschiedlichen
Halbleitermaterialien genutz um Funktionselemente / Schaltelemente zu
realisieren.
Diode - gleichrichtende Wirkung
bipolarer Transistor - stromgesteuerter Verstärker
FET - spannungsgesteuerter verstärker
- Zyklus0: Herstellen der unstrukturierten einkristallinen Halbleiterscheiben
(Zonenschmelzen , ziehen und dotieren von Einkristallen, Zerteilen, Läppen,
Polieren, Politurätzen)
- Zyklus1: Scheibenprozeß - Strukturierung des Wafers
(Herstellung isolierter Gebiete, Herstellung der Schaltelemente, Herstellen
der Zwischenverbindungen)
- Zyklus2: Plättchenprozeß, Herstellung und Prüfung der einzelnen BE
(Vereinzelung der Chips, Einbau in Gehäuse, Kontaktierung der Chipanschlüsse
mit den Gehäuseanschlüssen, Kapselung)
Substratherstellung
4.2 Wodurch sind Halbleiterwerkstoffe charakterisiert und
wie kann man in ihnen elektronische Funktionselemente realisieren
(Grundprinzip)? Nennen Sie mind. vier chemische Stoffarten und dazugehrige
Beispiele mit Halbleitercharakter. Welches ist der z. Z. wichtigste Werkstoff,
wie wird er gewonnen und welche Vorteile hat er?
Charakteristika :
Leitfähigkeit bei Raumtemperatur größer Isolatoren und kleiner Leiter.
Kristalline Struktur ( nicht amorph )
Realisierung elektronischer Funktionselemente:
durch Ausnutzung von Schicht-/Oberflächeneffekten zwischen unterschiedlichen
Bereichen eines HL-Einkristalls (ggf. durch Dotierung erzeugt).
Wichtigster Werkstoff:
Silizium - Gewinnung aus Quarzsand mittels Reduktion und fraktionierter
Destillation
Vorteile - große Vorkommen, leicht zu oxidieren, elektrisch und chemisch stabil
(als Maske und Isolator einsetzbar), insgesamt preisgünstig.
20
4.3 Warum müssen chemisch reine Halbleiter häufig weiter gereinigt werden; welches
physikalische Wirkprinzip kommt dabei zur Anwendung und wie wird es technisch
realisiert?
Einlagerung von Fremdatomen im gestörten Einkristall (gettering effect).
Reinigungsprinzip: Bei gleichmäßigen Wachstum von Kristallstrukturen ( durch
langsames Abkühlen ) werden Fremdatome mit stark abweichendem
Segregationskoeffizienten weniger leicht eingebaut als solche mit einem dem
Wirtsgitter entsprechenden bzw. nur leicht abweichenden
Segregationskoeffizieten.
Technische Umsetzung: Zonenziehen der Einkristall wird in einem sehr kleinen Bereich erwärmt und zum schmelzen
gebracht. bei langsamer Abkühlung der geschmolzenen 'Scheibe' regeneriert sich
das Kristallgitter und die Fremdatome lagern sich im Außenbreich des Ingots an.
4.4 Erläutern Sie kurz die beiden wichtigsten Verfahren zum Züchten von
Halbleitereinkristallen und arbeiten Sie deren Vor- und Nachteile heraus. Wie
wird bei diesen Verfahren homogen dotiert?
Verfahren:
1 - Tiegelverfahren (Czochralski-Verfahren)
2 - Zonenziehverfahren (Tiegellos)
zu 1: Schmelzen des polykristallinen Materials in einem Tiegel. Keinkristall mit
gewünschter Kristallorientierung wird mit dem geschmozenen Material in Berührung
gebracht. Durch gegenläufige Rotation von Kristall und Tiegel wird beim lansamen
herausziehen des Keimes aus der Schmelze ein Kristall mit der gewünschten
Orientierung erzeugt. (In Schutzatmosphäre zum vermeiden von Fremdatomen)
Nachteil: - zusätzliche Verunreinigun durch Tiegelmaterial
- Tiegel kann zerstört werden
Vorteil: - Segregationseffetk wird unterstützt
zu 2: polykristalliner Stab sitzt auf Keimkristall. Aufschmelzen eines schmalen
Bereiches mittels Induktionsspule. Bereich wandert dem Stab entlang von unten
nach oben. Bei Erstarrung wächst Kristall einkristallin in Richtung des
Keimkristalls weiter. (In Schutzatmosphäre zum vermeiden von Fremdatomen)
Vorteil: - chemisch hohe Reinheit.
- Ausnutzung des Segregationseffektes ( aber hier wiederholbar)
Nachteil: - beschränkte Stabdurchmesser
Dotierung durch beigabe gasförmiger Dotierstoffe in der Schutzgasatmosphäre.
21
4.5 Wie werden aus den Einkristallen Halbleiterscheiben für die Planartechnik
hergestellt und welche verfahrensbedingten Probleme sind dabei zu lösen? Warum
ist die bisherige Methode materialökonomisch unbefriedigend und welche
Entwicklungsrichtung ist dementsprechend anzustreben?
Verarbeitung der Ingots zu scheiben. Dabei
- Trennschleifen in handhabbare Stücke
- Rundschleifen zu Zylindern
- Anfasen
- Trennschleifen in Scheiben
- Kantenverrundung, Läppen, Ätznen, Polieren, Reinigen
Diesen Bearbeitungsschritten fällt ein großer Teil des Einkristalls zum Opfer.
??? Züchten von Scheiben ???
Scheibenprozeß
4.6 Erläutern Sie das Verfahrensprinzip der Herstellung von
diskreten und integrierten Halbleiterschaltelementen in Planartechnik. Warum
ist Si unter den verschiedenen HL-Werkstoffen hierfr am besten geeignet?
a) oxidieren der obersten Schicht
b) Auftragen von Photolack (negativresist)
c) Belichten des Photolacks mittels einer positivmaske
d) Entwickeln des Lackes
e) selektive Ätzung (entfernen der Oxid-Schicht)
f) Strukturierung mittels Dotierung und Ionenimplantation
Silizium ist leicht zu oxidieren und ist somit sowohl als Isolator als auch als
Maske zur Strukturierung des Substrates verwendbar.
4.7 Warum muß in bipolaren Transistoren der Kollektorbahnwiderstand minimiert
werden? Erläutern Sie, warum die Erfüllung dieser Forderung in der einfachen
Planartechnik problematisch ist und wie dieses Problem für die Fertigung
diskreter Transistoren gelöst wurde.
(ob das rankommt?!)
Spannungsabfall setzt sich aus Schwellspannung U_{ce}_{sat} (a la tex) und
Spannungsabfall über ohmschen Bahnwiderstand zusammen.
Problem entsteht durch ein- oder mehrfache Umdotierung des Subtrates. Somit
werden durch Fremdatome die Materialeigenschaften verschlechtert.
Kompromiß in der einfachen Planartechnik:
- niedrige Dotierung für hohe Sperrspannung aber
- hohe Dotierung für kleinen Bahnwiderstand
22
Lösung:
Epitaxie - hochdotiertes Ausgangssubstat dient als Leitschicht. Abscheiden einer
schwach dotierten Siliziumschicht für die drei Bereiche des Transistors. Basis
und Emitter werden umdotiert. Verbeleibendes epitaktisch abgeschiedenes material
bildet Kollektor.
4.8 Wie können epitaktische Schichten erzeugt werden? Erläutern Sie als Beispiel
die Abscheidung einer n-dotierten Si-Epitaxieschicht. Warum wird die sogenannte
Niedrigtemperaturepitaxie zunehmend bevorzugt?
Abscheidung eines festen Stoffes aus einer gasförmigen Verbindung. Energie zum
Zerfall des Ausgangsstoffes thermisch oder durch die elektrische Energie einer
Gasentladung.
n-dotierte Si-Schicht:
Verwendung eines Seliziumhaltigen Reaktionsgases (z.B. Silan) unter Beimischung
von Phosphin (PH_3).
Niedrigtemperaturepitaxie:
Bei hohen Temperaturen werden Diffusionsgrenzen unschärfer. Weiterhin können sie
zu Verwerfungen führen. Materialien mit unterschiedlichen
Ausdehnungskoeffizienten können mechanische Spannungen verursachen.
4.9 Welche hauptschliche Bedeutung haben SiO2-Schichten in der Planartechnik
und wozu können sie darüber hinaus noch dienen? Warum werden neben SiO2- auch
Si3N4-Schichten verwendet? Welche Verfahren zur Realisierung dieser Schichten
kennen Sie?
SiO2 ist wesenliche IsolatorDeckSchicht. Erzeugbar durch thermische Oxidation
der Si-Scheibe/ durch Aufsputtern / durch Epitaxie. Hervorragend Schutz- und
Isolationseigenschaften. (auch als strukturierte Maske bei Dotier- und
Ätzprozessen verwendbar).
Verwendung als:
- Passivierungsschichten
- Maskierschichten
- Isolierschichten
- Dielektrische Schcihten
- Haftvermittlungschichten
Si3N2 ist als sehr dichte Deckschicht verwendbar (Schutz gegen Ausdiffusion beim
Tepern und gegen Eindringen von Fremdatomen) Als spezielle Ätzmaske und als
Isolationsschicht bei nichtflüchtigem Speicher (EPROM, EEPROM)
23
4.10 Erlaeutern Sie den Verfahrensablauf der partiellen Oeffnung
diffusionshemmender Deckschichten zur Vorbereitung auf die
lokale Diffusionsdotierung und die dabei auftretenden
Toleranzprobleme bei der Realisierung bestimmter Lateralabmessungen.
- Zuerst die Si-Scheibe oxidieren
- Auftragen von Fotolack
- belichten des Lacks durch eine Maske
- Entwickeln aund Ausloesen des belichteten Lacks
- freiliegende Oxidschicht wird aufgeloest
- die nun freiliegende Schicht kann dotiert werden
Probleme:
Bei Nassaetzen (fluessig)
- Unteraetzung
Beim Trockenaetzen (gas)
- Resist und sogar die unter der Oxischicht freiwerdende Si-Schicht
wird teilweise mit angegriffen
4.11 Beschreiben Sie die Herstellung von Belichtungsschablonen fuer
die fotolithografische Bearbeitung von Halbleiterscheiben sowie
die technische Durchfuehrung und Probleme des Belichtungsvorgangs.
- Schablonenmaterial besteht aus meist aus Glas
- diese werden mit einer Chromschicht beschichtet (Aufputtern im Hochvakuum)
- Beschichtung mit Resistlack
- Belichtung mittels Elektronenstrahl
- Entwicklung des Resists (Tauch- oder Spruehentwicklung)
- Danach Nass- oder Trockenaetzung
- Abloesung des verbliebenen Resists (Loesungsmittle oder Suerstoffplasma)
Probleme:
- Streunung des Elektronenstrahls bei Durchgang durch Resistschicht und dadurch
Aufweitung
- Streu-reflexion am Maskensubstrat (unscharfe Belichtung von hinten)
4.12 Welche Entwicklungsmoeglichkeiten und Probleme in der Halbleiterblocktechnik
bringt der uebergang von der Fotolithografie zur Roentgen und/oder
Elektronenstrahllithografie?
Licht:
- Grenzen der Auloesung haengt vor allem von Wellenlaenge des Lichts ab
Roentgen:
Vorteil:
- keine optischen Komponenten
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Problem:
- benoetigt (duenne) Masken aus anderem Material (wegen Durchlaessigkeit der Strahlung)
- bei Erwaermung verzieht sich die Maske
Elektronenstrahllithografie:
Vorteil:
- sehr hohe Aufloesung
Nachteil:
- Nur sequenzielles Belichten moeglich (lange Belichtungszeit)
4.13 Nach welchen Mechanismen laeuft die Stoerstellendiffusion in HLKristallen
ab? Erlaeutern Sie die Aussagen der beiden FICKschen Gesetze
und die Temperaturabhaengigkeit der Diffusion.
Haeh?
4.14 Wie werden Diffusionsdotierungen mit unendlicher und endlicher
Quellergiebigkeit praktisch realisiert? Skizzieren Sie die dabei
entstehende erfc- bzw.GAUssverteilung der Stoerstellenkonzentration im
HL-Kristall und die Dotantenausbreitung im Bereich eines Dotierungsfensters.
unendlicher Quellergiebigkeit:
- zufuhr des Quellenmaterials (z.B gasfoermige Athmosphaere)
-> konstante Konzentration an der Oberflaeche
endlicher Quellergiebigkeit:
- kein Quellenmaterial wird nachgeliefert. (Kontakt mit festem Stoff z.B. Lack)
4.15 Zeigen Sie, wie man durch sequentielle und simultane Eindiffusion von
Akzeptoren und Donatoren in n-vordotiertes Si bipolare Transistoren realisiert.
Skizzieren Sie die bei der homogenen Vordotierung und der lokalen
Dotierung realisierten Stoerstellenverteilungen.
siehe Skizze.
4.16 Erlaeutern Sie das Verfahrensprinzip der lokalen Dotierung durch
Ionenimplantation.
Welche Vorteile bzw. besonderen Moeglichkeiten hat dieses
Verfahren gegenueber der Diffusionsdotierung?
- ionisierte Dotieratome werden beschleunigt und in das Material "geschossen"
- danach tempern, um die Ione in den Kristall einzubauen
Vorteile:
- niedrige Dotierkonzentration als bei Diffusionsdotierung moeglich
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4.17 Welche Verfahrensschritte sind nach dem Einbringen aller Dotierungen in
eine HL-Scheibe noch bis zur endgueltigen Fertigstellung der integrierten
Schaltkreise im Scheibenverband zu durchlaufen (Ziele u. Realisierung)?
- Erzeugen einer Si-oxidschicht (Isolation)
- Erzeugen von Loechern, um mit der anschliessenden Metallisierung (Meist ALU, aber auch
CU)
Verbindungen zwischen den einzelnen Bauelementen herzustellen.
- Versiegelung der Chipoberflaeche
- Nachtraeglich Erzeugen von Loechern, zweck Bonden
4.18 Warum nimmt die Ausbeute mit wachsender Chipflaeche (VLSI) ab und
welche Anforderungen an die Prueftechnologie insgesamt und an die Endpruefung
nach dem Zyklus I ergeben sich daraus?
- Wahrscheinlichkeit steigt, mit der der Reinkristall nicht mehr rein ist
- dadurch hoehere Ausschussrate
- Die zur Pruefung erforderliche Zeit fliesst mit in den Preis ein
- -> deshalb enthalten viele VSLI-Schaltkreise Komponenten, die ausschliesliuch zu
Testzwecken
dienen
----Zusatz
4.27
Um ein Auseinaderfallen der Scheiben und den Verlust der Orientierung der
einzelenen Chips zu vermeiden, wird die gesamte Scheibe bereits vor dem Ritzen auf
einem selbsthaftenden Folienstreifen geklebt von dem die Chips mit einer
Vakuumpinzete richtungsorientiert zur weiteren Verarbeitung abgenommen werden
können. Durch Zeilen- und Spaltenweises Ritzen, Brechen und Trennschleifen.
Problem: Bruch an falscher Stelle. Vermeidung: Neue Technologie - Sägen.
4.28
Bestückungsverfahren:
manuelle:
ohne Hilfeinrichtung
Bestückungstische
maschinell: Pantografenbestückungsmaschinen
Numerisch gesteuerte Bestückungsmaschinen
Transferstraßen
Einzelautomaten
4.29 Nach der Befestigung des Chips auf dem Kapselboden oder auf dem Steg eines
vorgefertigten Kammes müssen die auf dem Chip aufgedampfeten Kontaktflächen mit den
Gehäuse- bzw. Kammanschlüssen verbunden werden. Wie schon bei der Vorstellung der
Verkappungstechnik erläutert wurde, ist eine Verbindung mit dünnen Drähten
(Kontakseite des Chips nach oben, face-up-bounding) oder durch unmittelbare
Kontaktierung des Chips bei entsprechend vorbereiteten Chipanschlußelementen drahtfrei
möglich (Kontaktseite des Chips nach unten, face-down-bonding).
Das Layout so gestallten, das die Wege zwischen Pad und Gehäuseanschlüssen so kurz
wie möglich sind.
26
4.30 Thermosonicbonden ist aus Thermokompression hervorgegangen.
Es hat die Vorteile:
- geringe Verarbeitungstemperatur zw. 150°C und 300°C statt 340°C
- höhere Kontaktquallität
- ermöglicht das Verarbeiten temparaturempfindlicher Bauteile
27