Designoptimierung keramischer Mehrlagenmodule unter den Aspekten des thermischen Managements und der Bauelemente-Zuverlässigkeit

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Designprozess von Mehrlagenmodulen aus Niedertemperaturkeramik (LTCC – Low Temperature Cofire Ceramic) unter Fokussierung auf das thermische Management und die Zuverlässigkeit in Abhängigkeit der eingesetzten Technologien. Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Identifikation der technologiebedingten Abhängigkeiten sowie der Abhängigkeiten der Designprozesse für die elektrotechnische und thermische Auslegung sowie der Zuverlässigkeit untereinander. Basierend auf den Grundlagen werden verschiedene keramische Drahtbond-Package-Aufbauten mittels Simulation und Messung untersucht und die Einflussfaktoren ausgehend vom LTCC-Verdrahtungsträger über die Package-Montage auf der Leiterplatte bis hin zur Chip-Montage identifiziert.
Dabei zeigt sich u. a., dass ein thermisches Via direkt unter einem Hot Spot ein Via-Feld ersetzen kann oder dass eine silbergefüllte Klebstoffverbindung dieselben thermischen Eigenschaften wie eine Lötverbindung erreicht.
Die Zuverlässigkeit wird anhand eines hochfrequenztauglichen keramischen LGAPackages drei verschiedener Größen (5x7,5 mm²; 10x15 mm² und 14x20 mm²) untersucht. Ausgehend von der LTCC-Technologie wird die Haftfestigkeit unterschiedlicher lötbarer Dickschichtmetallisierungen auf drei verschiedenen LTCCTapes (DP 951, DP 943, CT 707 BF) analysiert sowie die Einflussfaktoren, wie Lot, Lotmenge, Oberflächenbeschaffenheit, Sinterbedingungen usw., charakterisiert. Durch eine entsprechende Wahl der Metallisierung und Prozessierung sind Scherfestigkeiten von über 1300 cN bei 0204-Bauelementen möglich. Anschließend werden die Parameter des lunkerfreien Package-Montageprozesses identifiziert und im Folgenden die Einflussfaktoren (Package-Größe, Lot, Dickschichtmetallisierung) auf die Zuverlässigkeit für einen repräsentativen Standardaufbau für die Anwendung in der Telekommunikation mittels dreier Temperaturwechselzyklen (-55/125°C; -40/125°C; 0/100°C) und mittels Vibrations- und Schwingungstests bestimmt.
Zum Abschluss wird die verwendete LTCC-Technologie im Bezug zur Aufbau- und Verbindungstechnologie (AVT) genauer betrachtet. Dazu wird ein technologisches Verfahren basierend auf der LTCC-Technologie dargestellt, welches die Vorteile der Dickschichttechnologie (einfache Prozessierbarkeit, Realisierbarkeit über Cofire-Prozesse) mit denen der Dünnschichttechnologie (Strukturauflösung, Reproduzierbarkeit, Prozesstoleranz) vereint und so den Einsatz von drahtbondbaren Chips als Flip-Chip auf einem LTCC-Verdrahtungsträger ermöglicht.