Bewertung und Zuverl¨
assigkeitsanalyse
von Underfillmaterialien
f¨
ur die Flip-Chip-Technik
von Diplom-Physiker
Ingolf Rau
aus Karl-Marx-Stadt
von der Fakult¨
at IV - Elektrotechnik und Informatik
der Technischen Universit¨
at Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
- Dr.-Ing. -
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. E. Obermeier
1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Dr. E.h. H. Reichl
2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. C. Boit
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 8. Juli 2005
Berlin 2005
D 83
Danksagungen
Diese Arbeit ist durch eine hervorragende Zusammenarbeit mit der Robert Bosch GmbH, dem
Fraunhofer Institut f¨
ur Zuverl¨
assigkeit und Mikrointegration und der Technischen Universit¨
at Berlin
entstanden.
Mein ganz besonderer Dank geb¨
uhrt Herrn Prof. Dr. Dr. Reichl f¨
ur die wissenschaftliche Betreu-
ung an der Technischen Universit¨
at Berlin. Durch sein permanentes Engagement und Interesse, aber
auch durch die vielen tiefgr¨
undigen Diskussionen und seine hilfreichen Anregungen ist die Anferti-
gung dieser Arbeit erm¨
oglicht worden.
F¨
ur die ¨
Ubernahme des zweiten Gutachtens bedanke ich mich bei Herrn Prof. Dr. Boit von der
Technischen Universit¨
at Berlin.
Ich danke meinem Betreuer bei der Robert Bosch GmbH, Herrn Dr. Liebing, f¨
ur seine aktive
Unterst¨
utzung und seine zahlreichen wertvollen Hinweise bei der Nutzung der firmeninternen wis-
senschaftlichen Infrastruktur, der Organisation und Durchf¨
uhrung der Experimente als auch bei der
Abfassung dieser Arbeit.
Ein herzliches Danksch¨
on gilt Herrn Ralf Mießner f¨
ur die langj¨
ahrige Unterst¨
utzung w¨
ahrend
meiner Promotionszeit. Von seinen fachlichen Kenntnissen und seiner Erfahrung konnte ich w¨
ahrend
der Anfertigung dieser Arbeit erheblich profitieren.
In diesem Zusammenhang m¨
ochte ich mich auch bei allen weiteren AVT-Spezialisten in Waiblin-
gen, Herrn Ulrich Schaaf, Herrn Hartmut Rohde und Herrn Klaus Zeh f¨
ur die t¨
aglich exzellente Zu-
sammenarbeit, die praktische Mithilfe an der Promotionsarbeit, die Einf¨
uhrung in den schw¨
abischen
Kulturkreis und die vielen sch¨
onen Erlebnisse w¨
ahrend der letzten 5 Jahre bedanken.
Weiterhin danke ich den Mitarbeitern der FV/PLK4 und der FV/PLK der Robert Bosch GmbH in
Waiblingen f¨
ur aktive Unterst¨
utzung und das fast schon famili¨
are Arbeitsumfeld. Sie haben alle einen
maßgeblichen Anteil am Gelingen dieser Arbeit.
Bei der Robert Bosch GmbH in Schwieberdingen wurde mir wertvolle Unterst¨
utzung bei der
Durchf¨
uhrung der Vibrationstests durch Herrn Meißner und Herrn Bohrer sowie bei der Flip-Chip-
Montage durch die Mitarbeiter der FV/PLV3 zuteil. Auch daf¨
ur vielen Dank!
Herr Karl-Friedrich Becker vom IZM Berlin danke f¨
ur SAM-Analysen, Zuverl¨
assigkeitsuntersu-
chungen, viele wertvolle Diskussionsbeitr¨
age und seine st¨
andige Hilfsbereitschaft w¨
ahrend der ge-
samten Promotionszeit.
In diese Danksagung schließe ich auch all diejenigen Mitarbeiter vom IZM Berlin und von der
TU Berlin ein, die mich bei der Anfertigung dieser Arbeit unterst¨
utzt haben.
Abschließend m¨
ochte ich allen Verwandten, Freunden und Kollegen einen herzlichen Dank sagen,
die mir w¨
ahrend der Promotionszeit in der einen oder anderen Hinsicht geholfen haben, vorrangig
meinem Großvater, meinen Eltern und meiner Freundin f¨
ur den starken R¨
uckhalt besonders in der
Endphase dieser Arbeit.
iii
iv
Inhaltsverzeichnis
Abk¨
urzungsverzeichnis viii
Zusammenfassung xi
1 Einleitung 1
2 Grundlegende Betrachtungen zur Flip-Chip-Technik auf Leiterplatte 5
2.1 DerProzessablauf.................................... 5
2.2 DerUnderfillprozess .................................. 8
2.3 Die Zuverl¨
assigkeit von Flip-Chip-Aufbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.1 Loterm¨
udung in nicht unterf¨
ullten Flip-Chips . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.2 Einfluss des Underfillmaterials auf die Zuverl¨
assigkeit . . . . . . . . . . . . 14
3 Eigenschaften der Underfillmaterialien 17
3.1 Thermomechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.1 Grundlegende Betrachtungen zu Struktur und thermomechanischen Eigen-
schaftenvonDuroplasten............................ 17
3.1.2 Einfluss der Feuchtigkeit auf die thermomechanischen Eigenschaften . . . . 18
3.1.3 Bestimmung der thermischen Ausdehnung und der Glas¨
ubergangstemperatur 19
3.1.4 Bestimmung von Speicher- und Elastizit¨
atsmodul............... 21
3.1.5 Bestimmung der Quellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.6 Bestimmung der Koh¨
asion........................... 25
3.2 Adh¨
asion ........................................ 29
3.2.1 Grundlegende Betrachtungen zur Adh¨
asion.................. 29
3.2.2 Bestimmung der Oberfl¨
achenspannung .................... 33
3.2.3 Einfluss der Feuchtigkeit auf die Adh¨
asion .................. 34
3.2.4 Bestimmung der Zugscherfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
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