Neue Verbindungstechnik Ein „Klettverschluss“ für die Elektronikfertigung

Ein neues Verfahren will sich gegenüber Bonden, Kleben und Löten behaupten: Mit Klett Welding lassen sich zuvor speziell behandelte Bauteile schnell, präzise und umweltfreundlich bei Raumtemperatur verbinden. Die Verbindung ist nicht nur mechanisch stabil, sondern auch elektrisch und thermisch extrem leitfähig.

Zugegeben, es klingt erst einmal etwas absurd, elektrische Bauteile mit einem Klettverschluss verbinden zu wollen. Doch wenn man sich diese über 10-Jahre-alte Idee genauer anschaut, ist sie ziemlich raffiniert.

Drei Wissenschaftlern vom Fachbereich „Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme“ der TU Darmstadt ist der Durchbruch gelungen – sie haben das geschafft, wovon Wissenschaftler auf der ganzen Welt träumen. Mit ihrem Klett Welding-Verfahren ist es möglich, Bauteile einfach durch zusammenpressen dauerhaft zu verbinden.

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Nichtleitende Oberfläche, wie Glas, Keramik oder Polymer

Bevor das Klett Welding möglich ist, werden die Bauteile vorbehandelt. Dazu wird über einen galvanischen Prozess, dem Nano Wiring, ein metallischer „Rasen“ auf die zu kontaktierenden Flächen aufgebracht. Der „Rasen“ besteht aus feinsten Drähten. Laut Olav Birlem, CEO und Vertriebsleiter von Nano Wired ist es nahezu egal, aus welchem Material die Oberfläche besteht und welche Geometrie diese besitzt. Es können sogar nichtleitende Oberfläche, wie Glas, Keramik oder Polymer funktionalisiert werden – diese müssen jedoch in einem vorbereitenden Prozessschritt elektrisch leitend gemacht werden.

Mithilfe eines Maskierprozesses werden die Stellen definiert, an welchen die Kontaktzonen entstehen sollen. Der herzustellende Kontakt an sich muss dabei nicht immer elektrisch leitend sein, auch thermische oder mechanische Verbindungen sind möglich. „Das Maskieren ist auf mehrere Weisen möglich: mit Standard-Lithographie-Verfahren oder andern Maskenverfahren, bis hin zum Abkleben mit Tapes – je nach benötigter Strukturbreite, Toleranz und Exaktheit“, erklärt Birlem.

Nach der makroskopischen Definition werden die vorgesehenen Bereiche mit dem „Rasen“ beschichtet. Dies funktioniert ähnlich wie beim Tampon-Druck: Ein Tampon, gefüllt mit Elektrolyten, wird auf die entsprechenden Stellen gedrückt. Der „Rasen“ wächst in dem Tampon, welcher mit seinen Eigenschaften die Struktur und Dichte der metallischen Drähte, sowie deren Abstand und Länge definiert. Der industriell hergestellte Tampon stellt dabei die Qualität der Rasenstruktur sicher (siehe Bild).

Die Drähte können aus praktisch allen galvanisch abscheidbaren Metallen hergestellt werden. Bewährt haben sich Kupfer, Gold, Nickel, Silber und Platin. Als Substratmaterialien eignen sich Keramik (LTTC), Polymer (PI, PCB), Glas, Silizium, Aluminium, Stahl, Kupfer und viele weitere (weitere Eigenschaften in Tabelle 1).

„Bei einer PCB, FPC oder einem Leadframe habe ich viele Kontaktzonen, die anfangs nicht miteinander verbunden sind. Für den galvanischen Prozess wird ein Plating vorangestellt, dass die gesamte Oberfläche mit einer durchgängigen Metallschicht überzieht. Diese „Kurzschlussschicht“ wird nach dem Nano Wiring mittels Stripping entfernt,“ erläutert Birlem. Das Stripping ist eine Art Reinigungsprozess und stellt sicher, dass der Rasen nur an den vorgesehenen Bereichen stehen bleibt und alle Fremdmaterialien verschwinden.

Nano Wired kann zurzeit mehrere 1000 Bauteile pro Tag funktionalisieren (ein Durchgang dauert 30 Minuten). Derzeit bietet Nano Wired eine Produktionsfläche von 300 mm² x 300 mm². Der Prozess ist auf >1 m² skalierbar und nur durch die Anlagentechnologie begrenzt. Kontakte können ganzflächig oder bin Strukturen von wenigen Quadratmikrometern erzeugt werden.

Es ist auch möglich, Copper Bumps herzustellen, auf denen der „Rasen“ aufgebracht wird. Diese Bumps realisieren einen definierten Abstand zwischen Bauteil und Substrat, so dass sicher Underfill-Materialien verwendet werden können. Alternativ bieten das Nano Wiring und Klett Welding die Möglichkeit, direkt den Underfill auf die Nano Wiring Struktur zu applizieren. Das Klett Welding findet durch den Underfill, durch Verdrängung, statt. Klett Welding mit Underfill bietet eine große und breite mechanische Anbindung der Bauteile an das Substrat, so dass weitreichende Kräfte abgefangen werden können.

Wie Bauteil und Platine durch KlettWelding eine Verbindung eingehen

Zum Fügen und Kontaktieren werden die zuvor funktionalisierten Bauteile einfach bei Raumtemperatur zusammengedrückt. Dies kann mit handelsüblichen Bestückern bzw. Flip-Chip-Bondern durchgeführt werden.

Ähnlich wie bei den Borsten zweier Zahnbrüsten verkanten und verdichten sich die einzelnen Drähte und verbinden sich aufgrund ihrer kleinen Durchmesser an den Oberflächen, wie beim Kaltversintern (Bild 1). Die Bauteile werden gegeneinander ausgerichtet und dann zusammengedrückt. Dabei ist es auch möglich, gleichzeitig mehrere Lagen zu kontaktieren (z.B. MOSFETS).

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen es durch Ausgasen, Kristallisations- oder Erstarrungsprozesse zu Schrumpfen und somit zu mechanischen Spannungen in der Verbindung kommt, ist die Klett Welding Verbindung spannungsfrei. Die resultierende Verbindung zwischen den Bauteilen kann durch Torsion oder Abscheren getrennt werden. Abgelöste Bauteile können wieder neu Funktionalisiert werden.