ASSEMBLE

Problemstellung
Die heute angewandten Assemblierprozesse für elektronische Bauteile bzw. Systemkomponenten stoßen an ihre technischen Grenzen, wenn sehr kleine Objekte (<< 200 µm Kantenlänge) oder sehr viele Bauelemente (>> 1 Mrd Stück/Jahr) platziert und montiert werden müssen. Im ersten Fall wird das gezielte Handhaben der sehr kleinen Objekte immer aufwändiger, im zweiten Fall ist der Durchsatz von heute bekannten Pick & Place Automaten zu gering für eine kosteneffiziente Fertigung. Einen neuen Lösungsansatz bieten selbst organisierende Verfahren zur Bauelementmontage.
Herausragende Eigenschaften von "Self-Assembly"-Prozessen sind die automatische Platzierung sehr kleiner Bauelemente, die Verarbeitung von sehr großen Mengen von Objekten sowie die hochgradige Parallelisierung von Bestückungsvorgängen. Diese Merkmale bieten das Potenzial für eine Aufbau- und Verbindungstechnik, mit der verschiedene Bauelemente zu einem komplexen, multifunktionalen und autarken Mikrosystem integriert werden können. Selbstorganisierende Montageverfahren bilden damit eine Schlüsseltechnologie bei der Realisierung von Heterosystemen für zukünftige mikroelektronische Anwendungen.

Projektziele
Die Verbundprojektpartner entwickelten Verfahren, Materialien und Ausrüstungen für einen sich selbst steuernden Montageprozess von elektronischen Bauteilen mit einer Kantenlänge kleiner 500 µm. Dabei werden die einzelnen Bauelemente nicht in einem mechanisch kontrollierten, sequenziellen Pick & Place Prozess aufgesetzt, sondern finden unter Ausnutzung von physikalisch-chemischen Wechselwirkungen ihren Zielort auf dem Substrat selbsttätig. Die elektrische Kontaktierung der Chips erfolgt durch einen selbst gesteuerten Kontaktiervorgang.

Vorgehensweise und Ergebnisse
Im Zuge des Projekts wurden auf verschiedene Arten Oberflächeneigenschaften regioselektiv modifiziert, um Oberflächeneffekte zur Ausrichtung von Siliziumbauteilen zu nutzen. Aufgetragene Flüssigkeiten können einen Chip über Distanzen von wenigen Millimetern entsprechend der programmierten Oberflächenstruktur "mitziehen". Somit bewirken die chemischen Bedingungen an den Oberflächen physikalische Kräfte, die einen Chip-Assembly-Prozess ermöglichen.
Für die elektrische Kontaktierung der Bauteile wurden elektrisch leitfähige Pasten oder Polymere ausgewählt bzw. modifiziert, die ein selektives Benetzungsverhalten an Metall- und Isolatoroberflächen aufweisen. Auf diese Weise ließ sich ein selbst gesteuerter Kontaktiervorgang entwickeln, der eine erhebliche Vereinfachung der Gerätetechnik und die für einen sehr hohen Durchsatz des Prozesses wichtige Parallelisierung der Einzelschritte ermöglicht. Die elektrische Kontaktierung der Bauteile wurde mit unterschiedlichen Materialien experimentell gezeigt und konnte auch in den Pilotmaßstab überführt werden.
Die im Projekt entwickelte und erprobte Pilotanlage positioniert unter Ausnutzung der oben genannten Effekte ungehauste Bauteile, wie zum Beispiel Halbleiterchips, in hoher Geschwindigkeit auf flexiblem Substrat, ohne das sonst angewandte berührende Handling.
Durch das Verfahren können sehr kleine Halbleiter-Bauelemente mit bis zu 350 µm Kantenlänge (wie zum Beispiel LED-Chips) durch einen völlig neuartigen Prozess montiert werden. Dabei realisiert man Durchsätze von konventionell erreichbaren 20.000 Bauteilen je Stunde mit dem Potential zum Vielfachen. Die Positioniergenauigkeit erfüllt die hohen Anforderungen zum Kontaktieren kleiner Chips hinsichtlich x-und y-R
ichtung sowie des Verdrehungswinkels.
Für die Verfahrensvariante "Selbstassemblierung an Plasma-programmierten Oberflächen" wurde die vollständige Self-Assembly-Sequenz für 25 µm dünne RFID Chips (Kantenlänge 0,4 mm) im Labormaßstab nachgewiesen. Die Sequenz umfasst das selektive Benetzen der Zielgebiete mit Assemblierflüssigkeit, die präzise Selbst-Ausrichtung der Bauelemente aufgrund von Oberflächenspannungskräften und die elektrische Kontaktierung mit modifizierten anisotrop leitfähigen Klebstoffen. Die elektrische Funktionalität von derart hergestellten RFID-Labels auf Foliensubstraten mit UHF-Antennen wurde erfolgreich nachgewiesen.

Anwendungspotenzial
Die Entwicklung des Self-Assembly-Verfahrens eröffnet ein breites Anwendungsspektrum für die zukünftige Montage von sehr kleinen Halbleiter-Bausteinen in sehr großen Stückzahlen. Beispiele hierfür sind die kostengünstige Montage von RFID-Chips für elektronische Funketiketten, die Platzierung von opto-elektronischen LED-Bausteinen für Beleuchtungs- oder Displayanwendungen sowie die Assemblierung von diskreten Bauelementen (Einzeltransistoren, Dioden), die ebenfalls sehr kleine Abmessungen aufweisen und in großen Stückzahlen in allen elektronischen Geräten notwendig sind.
Durch umfangreiche Transfermaßnahmen (Industriearbeitskreis, Projektinternetseite, Workshops, Veröffentlichungen) sorgten die Projektpartner für eine große Breitenwirkung in der Branche. Die Zusammenarbeit der Projektpartner mit dem OE-A Verband des VDMA, dem "Rolle-zu-Rolle Applikationszentrum" des IZM sowie mit den eingeführten Workshopreihen "Thin Semiconductor Devices" und "Flexible Electronic Systems" wurden im Rahmen von ASSEMBLE! zur Verbreitung der entwickelten Ergebnisse intensiviert.
Die Weiterentwicklung der durch die Partner entwickelten Prozesse und Ausrüstungen für die Montage kleiner Bauelemente wie z. B. Leuchtdioden hin zur Marktreife wird mittelfristig nach Projektabschluss mit den bestehenden und neuen Kooperationspartnern und Kunden erfolgen.

Entwicklung eines Selbstmontage-Verfahrens ("Self-Assembly") für die Systemintegration von sehr kleinen Silizium Bausteinen

Autor: Landesberger, C.

Verlag: VDI Verlag Düsseldorf

Erscheinungsjahr: 2010

ISBN: 978-3-18-338609-2

Beschreibung: Die Forschung auf dem Gebiet der Selbstorganisation findet weltweit seit einigen Jahren statt, so dass klar ist, dass die chemischphysikalischen Grundlagen zur Ausrichtung von kleinsten Bauelementen an definierten Zielorten und damit die Grundlage für das Projekt "Assemble" gegeben sind. Es kann jedoch festgestellt werden, dass die elektrische Kontaktierung der Bauelemente noch erhebliche Probleme aufweist oder nicht beschrieben ist. Auch die Zuführung der Chips in Flüssigkeiten stellte zu Projektbeginn keine ökonomisch wertvolle Variante dar. Ziel des Projektes Assemble war daher die Entwicklung von Verfahren, Materialien und Geräten, um sehr kleine Silizium-Chips unter Erreichung eines Durchsatzes in neuer Qualität selbst ausrichtend auf flexiblen Substrat zu montieren und zu kontaktieren. Dabei war es notwendig, die Oberflächen entsprechend zu modifizieren sowie neue, berührungslose Montageprozesse zu schaffen. Zur Erreichung des Zieles wurden die Entwicklungsarbeiten Chip-Ablösung nach Laserbestrahlung, Dispensieren von Chips in kleinen Flüssigkeitsvolumen, Oberflächenprogrammierung mittels Drucktechnik und Plasmaverfahren, selbstgesteuerte elektrische Kontaktierung mit anisotrop leitfähigen Klebstoffen und Lot-Materialien sowie die Implementierung eines automatisierten Prozesses für ein neuartiges Chip-Package auf der Basis einer geklappten Folien-Lasche ausgeführt und umgesetzt. Die erzielten Projektresultate belegen eindrucksvoll die zukünftigen Entwicklungs- und Produktionschancen von Self-Assembly-Verfahren für die Systemintegration in der Mikroelektronik.