Customer SUCCESS STORY
Optimierung der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit Hilfe von Thermischer Analyse und Rheologie
Ein Anwenderbericht von Dr. Christian Dreier und Dr. Sven Hüttner, Entwicklungsingenieure bei der Vishay Semiconductor GmbH
Wenn es darum geht, die mechanischen Eigenschaften und das viskoelastische Verhalten von Polymeren unter verschiedenen Bedingungen zu analysieren und zuverlässige Prognosen über deren langfristige Leistungsfähigkeit und Beständigkeit zu tätigen, sind Analysegeräte aus dem Hause NETZSCH-Gerätebau GmbH meist ganz in der Nähe…
Lesen Sie in unserer neuen Customer Success Story, wie die Vishay Semiconductor GmbH den dynamisch-mechanischen Analysator (DMA) und das Rotationsrheometer aus dem Hause NETZSCH einsetzt, um die Lebensdauer und Stabilität der in Halbleiterbauteilen verwendeten Polymermaterialien vorherzusagen.
In der Halbleiterindustrie Weltweit zu Hause
Vishay ist weltweit als renommierter Hersteller von diskreten Halbleitern und passiven elektronischen Bauelementen aktiv. Diese Komponenten finden in einer Vielzahl von elektronischen Schaltungen Anwendung, insbesondere in den Bereichen Automobil, Industrie, Consumer-Elektronik und Medizintechnik. Sie verkörpern das Fundament von Vishay als The DNA of Tech®.
Neben dem Standort in Selb unterhält Vishay weitere Produktionsstätten in Deutschland. In Heilbronn produziert beispielsweise die Vishay Semiconductor GmbH Halbleiter für optoelektronische Anwendungen. Dazu zählen optische Sensoren für Licht- und Abstandsmessung, Infrarot-LEDs sowie -Sender und -Empfänger, sowie Optokoppler. In Heilbronn ist das sogenannte „Frontend“, dass die Halbleiterchipherstellung umfasst, angesiedelt. Die „Backends“, in denen die Halbleiterchips in Gehäuse (Packages) integriert werden, befinden sich unter anderem in Malaysia und den Philippinen.
Infrarotlicht erzeugende Halbleiterbauelemente
Als Beispiel wird hier der Infrarot Emitter TSAL4400 in traditioneller 3 mm Bauform, sowie eine Hochleistungs-IR-LED der VSMA-Serie gezeigt.
Die optisch aktive Komponente des Bauteils ist der Halbleiterchip, welcher infrarotes Licht erzeugt und aus dem Halbleitermaterial Gallium-Arsenid besteht. Die elektrische Verbindung erfolgt über einen Metallstreifen oder Beinchen, die zur Kontaktierung verwendet werden. Um den Halbleiterchip optimal vor Beschädigung zu schützen, wird dieser in ein Gehäuse aus Polymer gegossen.
Mechanische und Viskoelastische Charakterisierung von Polymermaterialien
Das Zusammenspiel der verwendeten Materialien ist selbst an diesem einfachen Bauteil der 3 mm-LED sehr wichtig, denn diese entscheiden über die Stabilität gegenüber thermischem und mechanischem Stress und letzten Endes über die Lebensdauer einer Komponente. Bestimmte elektronische Bauteile müssen Temperaturen zwischen -55 °C und 125 °C problemlos überstehen können. Gerade bei ungefüllten Epoxid- oder Silikonmaterialien, ist eine Anpassung der Wärmeausdehnung wichtig, aber nicht immer möglich. Solche Materialien müssen jedoch verwendet werden, denn nur diese bringen die nötige Transparenz sowie die gewünschte mechanische Belastbarkeit. Der Einsatz von Füllstoffen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften würden die optische Lichtdurchlässigkeit negativ beeinflussen.
Unser Ziel war es, die Lebensdauer und Stabilität (ohne Risse oder Ablösungen) der Polymer Materialien und somit unserer Bauteile besser vorherzusagen. Dieses Wissen hat großen Wert, gerade in der Entwicklung von Bauteilen und bei der Evaluation von neuen Materialien. Hierfür verwenden wir zum einen das NETZSCH Rotationsrheometer Kinexus Lab+ als auch die NETZSCH DMA 242E Artemis zur genaueren Charakterisierung.
Mittels DMA (Dynamisch-Mechanische Analyse) werden Parameter wie Elastizitäts- und Verlustmodul oder die zugehörige GlasübergangstemperaturDer Glasübergang gilt als eine der wichtigsten Eigenschaften amorpher und teilkristalliner Materialien, wie z.B. anorganische Gläser, amorphe Metalle, Polymere, Pharmazeutika und Lebensmittel, usw., und bezeichnet den Temperaturbereich, in dem sich die mechanischen Eigenschaften des Material von einem harten und spröden Zustand in einen weicheren, verformbaren oder gummiartigen Zustand ändern.Glasübergangstemperatur bestimmt. Ferner können über die frequenz- und temperaturabhängigen DMA-Messungen zugehörigen Masterkurven erstellt werden.
Hierfür wurden Proben mit unserer NETZSCH Artemis DMA in einem Temperaturbereich von -40 °C bis +200 °C im 3 Punkt Biegemodus über verschiedene Frequenzen hinweg gemessen.
Weiterführende Analyse und Vorhersagen mit NETZSCH Proteus®
Die gemessenen Spektren wurden direkt in der NETZSCH Proteus® Software weiterverarbeitet, um eine Cole-Cole Masterkurve zu erstellen.
Mithilfe der Masterkurve und den Zeit-Temperatur-Verschiebungsfaktoren kann das Relaxationsverhalten der Probe über einen großen Zeitraum extrapoliert werden. Hierbei wird angenommen, dass die Materialeigenschaften bei hohen Frequenzen, denen bei niedrigen Temperaturen entsprechen und umgekehrt. So wird die Materialeigenschaft aus den in der Software gemessenen Masterkurve und Verschiebungsfaktoren ermittelt, um zum Beispiel genauere Vorhersagen bei Finite Elemente Simulationen treffen zu können.
Diese Analyse, die durch die Proteus® Messsoftware von NETZSCH direkt unterstützt wurde, erlaubt uns die Berechnung und Simulation von zeitabhängigen Parametern wie dem Entspannungsverhalten und dem Creeping in den jeweiligen Bauteilen. Diese können dann entsprechend so designt werden, dass Schwachstellen vermieden oder entsprechend performante Materialien gefunden werden.
In unserer langen Geschichte mit den Geräten von NETZSCH wissen wir die Zuverlässigkeit der Analysegeräte und die Qualität des Supports zu schätzen. Hier lassen sich oft durch die Kombination von spannenden Fragestellungen mit der großen fachlichen Qualität und dem Know How der Labormitarbeiter des Hauses NETZSCH hervorragende Ergebnisse erzielen.
Dr. Christian Dreier und Dr. Sven Hüttner, wir danken Ihnen vielmals für die interessanten Einblicke in Ihre Entwicklungsarbeit.