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Miniaturisierung von Medizinprodukten durch Anwendung der
Miniaturisierung von Medizinprodukten durch Anwendung der Ultra-Fine-Pitch Flip-Chip-Technologie R. Dohle, J. Goßler, T. Friedrich, A. Wirth, M. Gorywoda hochschule hof University of Applied Sciences Univ ersity of Applied Sciences 01.04.2016 Gliederung • Zielsetzung und Beweggründe • Herstellung der Proben • Testbedingungen für die Zuverlässigkeitstests • Ergebnisse • Diskussion • Zusammenfassung und Schlussfolgerungen • Danksagung Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 3 Zielsetzung und Beweggründe Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 4 Zielsetzung und Beweggründe • Herausforderungen bei Medizinprodukten – Hohe Qualtät und Zuverlässigkeit – Strenge behördliche Anforderungen – Im Vergleich zu Massenprodukten relativ kleine Stückzahlen – Verringerte Größe und Dicke • Neue Entwicklungen ermöglichen mehr Funktionalität in kleineren und flacheren Geräten • Höhere Lebensdauer • Übereinstimmung mit den wirtschaftlichen Anforderungen des Gesundheitswesens Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 5 Zielsetzung und Beweggründe • Hohe Miniaturierung von Medizinprodukten – Flip-Chip-Pitch von 100 µm – Lotkugeldurchmesser bis zu 30 µm • Die kleinen Abmessungen der Lötverbindungen verursachen Bedenken im Hinblick auf deren Zuverlässigkeit Standardisierte beschleunigte Lebensdauertests von Ultra-Fine-Pitch Flip-Chips • Insbesondere die Lebensdauer der Verbindungen unter Elektromigrationsbelastung hat in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit gefunden Charakterisierung der Elektromigrationseffekte Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 6 Zielsetzung und Beweggründe • Flip-Chip Markttrends (Quelle Yole Développement): Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 7 Herstellung der Proben Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 8 Herstellung der Proben • Waferbumping mit SAC305 Lotkugeln mit 60 µm, 50 µm, 40 µm und 30 µm Durchmesser • Lotkugelbestückung: – Gang Ball Placement (WLSST) – Solder Sphere Jetting (SB2) • Flip-Chip-Assembly und Capillary Underfill – Bestückung – Reflowlöten – Underfill (Hand- oder Maschinendosierung) Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 9 Flip-Chips • Lotkugeln mit 60 µm, 50 µm und 40 µm Durchmesser mittels WLSST bestückt Courtesy by PacTech GmbH Courtesy by PacTech GmbH 50 µm Lotkugeln Courtesy by PacTech GmbH Courtesy by PacTech GmbH 40 µm Lotkugeln Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 10 Lotkugelbestückung durch WLSST • Wafer Level Solder Sphere Transfer = Gang Ball Placement Bond Tool Vakuum Solder Balls Vibration Schablone Solder Balls Wafer Bond Tool Bond Tool Flux Reflow Flux Wafer Wafer Lotkugeln Wafer Courtesy by PacTech GmbH 1 Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. 2 3 © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 4 5 01.04.2016 11 Lotkugeljetting (SB2) • Lotkugeln mit 30 µm Durchmesser mit Solder Sphere Jetting (SB2) bestückt Courtesy by PacTech GmbH Wafer Courtesy by PacTech GmbH 30 µm Lotbumps Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 12 Substrate • PCB-Layout Dünnfilmkeramiklayout Mitsubishi CCL-HL832NX Al2O3 Typ A996 Au flash ← Al2O3-Keramik ← Ni on Au Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 13 Flip-Chip-Montage Reflowlöten Flussmittelauftrag Angepasstes Temperaturprofil Flip-Chip-Montage Automatisierter Prozess Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 14 Flip-Chip auf Leiterplatte oder auf Dünnfilmkeramik • Flip-Chip 10 mm x 10 mm Flip-Chip mit Underfill auf PCB Flip-Chip mit Underfill auf Keramik Ein Hochleistungsunderfill wurde ausgewählt und qualifiziert Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 15 Flip-Chip Teststrukturen • Schematische Ansicht der verwendeten Teststrukturen -P Flip-Chip-Verbindungen auf PCB Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. Flip-Chip-Verbindungen auf Keramik © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 16 Testbedingungen Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 17 Teststrategie zur Sicherung von Performance und Lebensdauer Acceleration test results Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. Predicted reliability or reliability to check © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 18 Zuverlässigkeitstests Test Method Description Parameter EIA/JESD22-A101-B Life test with current through daisy chain 85°C/85% rel. humidity, 100 mA, 2000 hours 2 EIA/JESD22-A101-B Voltage between two adjacent daisy chains 85°C/85% rel. humidity 3V, 2000 hours 3 DIN EN 60 068-2-14 Temperature cycling -40°C/125°C 3057 cycles 4 MIL-STD 883H, method 1010.8 C.B. Temperature cycling -55°C/125°C 15000 cycles/3000 cycles 5 MIL-STD 883H, method 1005.9 High temperature storage 125°C 2000 hours dry heat 6 JEDEC JEP154 Electromigration 8kA/cm2/5kA/cm2, up to 35728h@T=125/100/28°C 1 Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 19 Übergeordnete Standards für Hersteller von aktiven Implantaten Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 20 Testbedingungen für Elektromigrationstests mit PCBs sphere µm passivation µm Toven °C Tchip °C J kA/cm2 I mA 60 60 125 187 8 227 60 60 125 152 5 141 60 60 100 149 8 227 60 60 100 116 5 141 60 60 28 86 8 227 60 60 28 46 5 141 50 50 125 163 8 157 50 50 125 144 5 98 50 50 100 126 8 157 50 50 100 112 5 98 50 50 28 49 8 157 50 50 28 35 5 98 Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 21 Testbedingungen für Elektromigrationstests mit Dünnfilmkeramik Test No. I Toven °C Bump µm I/O count I mA J kA/cm² 40 360 101 8 125 Duration hours 1000 30 352 57 8 II 125 40 360 178 14 7000 III 125 30 88 178 25 4850 Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 22 Ergebnisse Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 23 Lifetest bei 85°C/85% Relativer Feuchte und 100 mA Chips mit 60 µm Lotbumps Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 24 Stationärer Temperatur-Feuchte-Betrieb (JESD22-A101) Chips mit 60 µm Lotbumps Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 25 Temperaturwechsel – Chips auf Leiterplatten Failure Rate in Dependance on the Number of Temperature Cycles (Chips with 60 µm solder spheres on PCB) 100 90 Failure rate [%] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 47 154 311 461 570 728 961 1041 1356 1623 1890 2140 2438 2737 3057 Number of temperature cycles -40 °C/+125 °C Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 26 Temperaturwechsel – Chips mit 40 µm Lotkugeln • Erster und einziger Ausfall bei 125 °C nach 4268 Temperaturwechseln Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 27 Temperaturwechsel – Chips mit 30 µm Lotkugeln Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 28 Ausgangszustand nach Reflow und Underfill Al2O3 Nickelschicht UBM Flip-Chip Ag3Sn Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. UBM Goldschicht Nach 1000 Temperaturwechseln -55°C/+125°C Temperaturwechsel – Chips mit 30 µm Lotkugeln Al2O3 Goldschicht Nickelschicht © 2015 Micro Systems Engineering GmbH UBM Flip-Chip Al2O3 Ag3Sn UBM Flip-Chip 01.04.2016 29 Isotherme Alterung (Hochtemperaturlagerung) • Chips mit 30 µm Lotbumps Al2O3 Nickelschicht Goldschicht Al2O3 Ag3Sn UBM UBM Flip-Chip Flip-Chip Ausgangszustand Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. Nach 2000 h @ 125 °C © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 30 Elektromigrationstests Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 31 50 µm Bumppaar nach 35 728 h EM-Test @ 5kA/cm2 Kathode Anode voids and gap e- SEM-Bilder TOfen = 100 °C e- UBM TChip = 112 °C UBM Ag3Sn Elementmapping für Sn, Cu, Ni, Ag Ag3Sn Elementmapping für Nickel Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 32 30 µm Bumppaar nach 4050 h EM-Test @ 25kA/cm2 Al2O3 Al2O3 beschädigte Ni-Schicht SEM-Bilder e- evoids and gap UBM UBM Kathode Elementmapping für Sn, Ni, Au, Ag TOfen = 125 °C Ag3Sn Anode Ag3Sn Elementmapping für Nickel Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 33 Weibullplot der EM-Lebensdauer für Chips auf PCBs Probability Plot for 60 µm Solder Bumps Probability Plot for 50 µm Solder Bumps Weibull Weibull 99.99 80 63.2 50 20 95 Failure Probability [%] Failure Probability [%] 95 80 63.2 50 20 5 5 2 2 1 10 100 1000 10000 Time [h] Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. 100000 Variable 125°C/8 k A/cm² 125°C/5 k A/cm² 100°C/8 k A/cm² 100°C/5 k A/cm² 99.99 Variable 125°C/8 k A/cm² 125°C/5 k A/cm² 100°C/8 k A/cm² 100°C/5 k A/cm² 1 10 100 © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 1000 10000 Time [h] 100000 01.04.2016 34 Black’s Gleichung EA A MTTF n exp k T J Bump E A - Activation energy n - Parameter of current density J Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 35 Konstanten in Black’s Gleichung EA = 1.13 ± 0.18 eV n = 4.9 … 2.2 für PCB/Cu/ENIG/SAC305/ENIG/AlCu0.5/Si Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 36 Berechnete Lebensdauerdaten - Weibull Distribution Durchmesser von Bump / Passivierung TOfen in °C 125 60 µm 100 125 50 µm 100 Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. J in kA/cm² 8 5 8 5 8 5 8 5 © 2015 Micro Systems Engineering GmbH MTTF in h (63.2 %) 111 1120 3251 11030 2416 6976 12995 33785 01.04.2016 37 Weibullplot der EM-Lebensdauer für Chips auf TFC Probability plot for 30 µm solder joints 125 °C; 25 kA/cm² Weibull - 95%-CI 95 80 63.2 50 Statistics Shape 9.40250 Scale 5003.76 Av erage 4747.67 StDev 605.357 Median 4812.47 Failed 2 Censored 3 Correlation 1.000 20 5 2 1 100 5004 Failure Probability % 99.99 1000 10000 Time h • MTTF 4800±750 h für 40 µm Lotkugeln (14 kA/cm2) • MTTF 4750±350 h für 30 µm Lotkugeln (25 kA/cm2) Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 38 Diskussion Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 39 Diskussion Temperaturerhöhung auf Chips bei unterschiedlichen Bumpdurchmessern Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 40 Diskussion Schematische Darstellung der Schäden beobachtet in Lötverbindungen nach Langzeit-EM (ohne Ag3Sn) Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 41 Diskussion Typische SEM Bilder von ausgefallenen (links) und benachbarten Bumps (rechts) mit 50 µm Lotkugeln nach 20290 h EM-Test mit 5 kA/cm² und Toven = 125 °C, Tchip ≈ 144°C Elementmapping der Lötverbindung von oben: Ausgefallener (links) und benachbarter Bump (rechts) mit 50 µm Lotkugeln nach 20290 h EM-Test mit 5 kA/cm² und Toven = 125 °C, Tchip ≈ 144°C) Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 42 Diskussion • Lange Testdauer: Verbindungen auf PCB fielen am Kathodenkontakt an der Leiterplatte aus – Cu-Konzentration in (Ni,Cu)3Sn4 IMCs auf der Substratseite höher als auf der Chipseite – Cu kann die Ni-P-Schicht durchdringen – Cu-Konzentration immer am Kathodenkontakt zum Substrat am höchsten, d.h. in Richtung der Elektronenbewegung ¹ • Am Kathodenkontakt zum Chip ebenfalls beträchtliche Schäden durch Auflösung der Ni-P-Schicht und Formation der Ni3P IMC und von Kirkendallporen in Flußrichtung der Elektronen ² Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 43 Diskussion Temperature increase due to current flow 40 µm bumps on ceramic substrate Applied current I in mA Temperature increase T in °C 75 100 125 150 175 200 20 18 15 15 13 10 11 5 0 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Current Density J in kA/cm² Temperaturerhöhung aufgrund von Widerstandserwärmung gemessen an der Chipoberfläche bei 40 µm Lötverbindungen Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 44 Diskussion • Die auffälligsten Schäden bei Chips auf Dünnfilmkeramik erfolgten am Kathodenkontact zum Chip – Wir beobachteten die Entwicklung einer sehr schmalen Separation am Interface zwischen UBM und Lot oder innerhalb der UBM – Dieser Spalt ist wahrscheinlich für den Chipausfall (Unterbrechung in der Daisy Chain) verantwortlich – Die Polarität des Stroms beeinflußt den Schweregrad der Auflösung der Ni-P- und Ni-Schichten • Das interessanteste Ergebnis ist jedoch die sehr hohe Beständigkeit der Lötverbindungen auf Dünnfilmkeramik gegen Elektromigration – Gründe: Geringe Bumptemperaturen – Art des Metallisierungssystems Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 45 Zusammenfassung Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 46 Zusammenfassung • Technologien für Flip-Chips mit Bumpgrößen zwischen 60 µm und 30 µm in einem Raster von 100 µm wurde entwickelt – WLSST oder SB2 – Automatische Bestückung – Underfill • Standardisierte Zuverlässigkeitstests wurden ausgeführt und bestanden • Umfangreiche Elektromigrationsstudie Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 47 Zusammenfassung • Sehr gute Beständigkeit der Flip-Chips auf Leiterplatten gegen Elektromigrationsbeanspruchung – – – – EA = 1.13 ± 0.18 eV für Flip-Chips auf PCB Cu kann die Ni-P Schicht der ENIG Metallisierung durchdringen Effekt wird durch Elektromigration verstärkt Risse können sich zwischen Ni-P und Cu bilden und schließlich zum Ausfall führen • Noch bessere EM Performance der Chips auf Keramik – Die Ursache wird in der niedrigeren Temperaturerhöhung der Lotbumps aufgrund sehr guter Wärmeableitung gesehen – EM verursachte eine bevorzugte Auflösung der Ni-P- und NiSchichten am Kathodenkontakt – Die Abwesenheit einer Kupferschicht in diesen Proben erhöht die Lebensdauer der Verbindungen Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 48 Zusammenfassung • Aufgrund der geringen Arbeitstemperatur ist EM kein Risiko für Medizinische Implantate A E • Die Ziele dieser Studie wurden A MTTF n exp J k TBump erreicht – Geringere Größe – Geringere Dicke – Verringerte Kosten • Für Hersteller von aktiven implantierbaren medizinischen Produkten bedingen die strikten regulatorischen Anforderungen einerseits eine Validierung dieser Technologie für deren Produkte, auf der anderen Seite ein Review der Resultate durch Verifikation auf Modullevel Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 49 Ausblick Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 50 Ausblick • Lotkugeln mit 20 µm Durchmesser sind nun verfügbar Courtesy by PacTech GmbH • Substrate mit 15 µm Lines/Spaces sind jetzt erhältlich • Eine weitere Miniaturisierung ist durchaus denkbar Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 51 Danksagung Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 52 Danksagung • Wir danken: – Georgi Georgiev von KSG für Bereitstellung der Leiterplatten – Thomas Oppert von PacTech für Bereitstellung der Chips – Bernd Burger für die Querschliffe – Stefan Härter (FAPS) und Dr. Florian Schüßler (früher FAPS, jetzt SIEMENS) für Beiträge zu vorangegangenen Arbeiten • Frühe Teile dieser Studie wurden durch das Deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter der Nummer 02PG236X gefördert Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 53 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Micro Systems Engineering GmbH Schlegelweg 17 DE-95180 Berg Germany www.mst.com/mseb [email protected] Phone +49 (9293) 78-717 Fax +49 (9293) 78-41 Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. Micro Systems Technologies Neuhofstrasse 4 CH-6341 Baar Switzerland www.mst.com [email protected] Phone +41 (43) 266 11 00 Fax +41 (43) 266 11 11 © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 54 Dr.-Ing. Rainer Dohle et al. © 2015 Micro Systems Engineering GmbH 01.04.2016 55
