Entwicklung und Optimierung von HF-Mikrofederkontaktelementen zur temporären Kontaktierung von Mikrosystemkomponenten

Spanier, Gerd; Mokwa, Wilfried

doi:1955

Entwicklung und Optimierung von HF-Mikrofederkontaktelementen zur temporären Kontaktierung von Mikrosystemkomponenten = Development and Optimization of high-frequency contactelements for temporary assembly of microsystem components

Spanier, Gerd (Author)

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Gerd Spanier

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangIII, 177 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-04-27

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-19550
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62437/files/Spanier_Gerd.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kantilever (Genormte SW) ; Mikrosystemtechnik (Genormte SW) ; Flip-Chip-Technologie (Genormte SW) ; Time domain reflectometry (Genormte SW) ; LIGA-Verfahren (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Mikrogalvanik (frei) ; temporäre Kontaktierung (frei) ; LIGA-Verfahren (frei) ; cantilever (frei) ; microsystem (frei) ; flip-chip (frei) ; time domain reflectometry (frei) ; temporary contacts (frei) ; testing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit untersucht die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von Mikrofederkontaktelementen zur temporären und permanenten Kontaktierung von Mikrosystemkomponenten. Die temporäre Kontaktierung ermöglicht das elektrische Testen von Bauteilen vor der endgültigen Befestigung. Die zu kontaktierenden Bauteile werden mit Kontaktkugeln, so genannten Strudbumps auf ihren Kontaktflächen versehen, auf die Mikrofederkontaktelemente abgesenkt und damit elektrisch kontaktiert. Mechanische Bauteiltoleranzen werden mit den Federn ausgeglichen. Je nach Anwendungsfall werden die Kontaktelemente später Bestandteil der permanenten Verbindung. Ziel der Arbeit ist der Nachweis der Eignung der Mikrofederkontakte zur Übertragung von Hochfrequenzsignalen bis in den GHz-Bereich. Zur Anpassung an die Kontaktabstände von Halbleitern und zur Erzielung möglichst guter HF-Eigenschaften war eine maximale Miniaturisierung anzustreben. Zur Charakterisierung wurde eine Testplattform auf der Basis von koplanaren Wellenleitern entwickelt. Zusätzlich wurden Optimierungsansätze für eine weitere Steigerung der Signalfrequenz aufgezeigt. Zur Ermittlung geeigneter Feder-Designs wurden mechanische und elektrische Finite Elemente Simulationen durchgeführt. Die mechanischen Simulationen dienten der Sicherstellung einer ausreichend großen Kontaktkraft ohne plastische Verformung der Federelemente. Die Durchführung der elektrischen Simulationen ermöglichte das Abschätzen des Hochfrequenzverhaltens bei Variation einzelner Design-Parameter. Designvariationen zur Optimierung des Hochfrequenzverhaltens konnten somit erarbeitet werden. Als mögliches Konzept wurden dreiarmige, planare Mikrospiralfedern mit einem Außendurchmesser von 250 µm erarbeitet. Die Herstellung der 3-dimensionalen metallischen Kontaktelemente erfolgte durch mehrlagige galvanische Abscheidung in durch lithografische Verfahren strukturierten Fotolack (Liga-Verfahren). Die geringen Abmessungen bei gleichzeitig hohem Aspektverhältnis (Verhältnis Höhe zu Breite der Strukturen) stellten damit die Grenzen des Designs dar. Die Federelemente wurden durch Auslenkung am Federmessplatz mechanisch charakterisiert. Die elektrische Charakterisierung erfolgte auf einem S-Parameter-Messplatz und mittels TDR/TDT-Messungen. Die S-Parameter-Messungen bestätigten eine Verwendbarkeit der Kontaktelemente für Frequenzen bis über 6 GHz. Die TDR/TDT-Messungen zeigten, dass der Einfluss der Kontaktelemente auf den Wellenwiderstand vernachlässigbar ist im Vergleich zu den durch die Toleranzen beim Kontaktierungsvorgang und in der Herstellung entstehenden Abweichungen. Eine präzise Einhaltung der geometrischen Parameter ist daher notwendig. Das Optimierungspotenzial der HF-Eigenschaften durch Modifikation der Federgeometrie, der Kontaktbereiche, Verlagerung und Größe der Kontaktkugeln, Variation des Bauteilabstands fiel im Vergleich zu einer weiteren Miniaturisierung gering aus.

This publication describes the development, production and characterization of microspring contact elements for temporary and permanent assembly of microsystem components. Those elements provide a microsystem with the possibily of testing each single component prior to permanent assembly. After providing each contact of the single components with a studbump the component is fip-chiped on top of the microsprings. The electrical contact is then achieved by applying a sufficient contact force. Mechanical tolerances can be equalized by the microsprings. If required, the temporary contacts can be converted to permanent contacts by a reflow process or by applying an adhesive. The challenge of this work is to demonstrate the ability of the contact elements to be used at a frequency range up to several GHz. To meet the requirements of modern semiconductor devices the contact elements were miniaturized as much as possible. To perform the characterization an optimal test platform was developed on the basis of companar waveguides (CPW). Additional optimization strategies were presented. To achieve an optimal design the microsprings were simulated mechanically (ANSYS) and electrically (Ansoft HFSS). The mechanical simulations were performed to achieve a sufficient contact force without plstical deformation of the construction. To maximize the high frequency range electrial simulations were performed. As a result of the simulations the microsprings were designed spiral symmetric with three cantilevers. The outer diameter was set to 250 µm. The 3D-microsprings were produced by using LIGA-processes. The possible aspect-ratios (height:width) of the processes, in particular of the lithographic processes have been the limits of the construction. The mechanical characterization of the microsprings was performed by the use of a needle prober. To characterize the electrical performance, scattering parameters and TDR/TDT-measurements have been performed. A usability of the contact elements for frequencies up to 8.5 GHz could be demonstrated. The influence of the contact elements itself could be neglected in comparison to the influence of the overall design and tolerances.

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